Propriedades Mecânicas dos Materiais

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Aula 06 – PROPRIEDADES MECÂNICAS
Química Geral e Ciências dos Materiais
Prof. Dr. William Viana
Links úteis
 
 
O material da disciplina será disponibilizado no google drive:
http://bit.ly/professorwilliamunifacs
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Bibliografia
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Material de apoio
http://cienciadosmateriais.org/
https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/materiais_2016.html
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Propriedades Mecânicas
OBS: Antes de realizar a prática no laboratório revisar essa aula e assistir o vídeo.
https://www.youtube.com/watch?v=tkp-Vk2OW9E 
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PROPRIEDADES MECÂNICAS
O QUE VAMOS APRENDER…
• Tensão e deformação: O que são e porque são utilizados no lugar de carga e alongamento 
• Comportamento Elástico: Quando as cargas são pequenas quanta deformação ocorre? Quais materiais se deformam menos?
Materiais Cerâmicos: O que os materiais cerâmicos têm de diferentes em termos de propriedades mecânicas dos metálicos?
• Comportamento Plástico: Em que ponto as discordâncias causam deformação permanente? Quais materiais são mais resistentes às deformações permanentes?
• Resistência e ductilidade: O que são e como medi-las
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5
Os ensaios mecânicos dos materiais são procedimentos padronizados que compreendem testes, cálculos, gráficos e consultas a tabelas, tudo isso em conformidade com normas técnicas. Realizar um ensaio consiste em submeter um objeto já fabricado, ou um material que vai ser processado industrialmente, a situações que simulam os esforços que eles vão sofrer nas condições reais de uso, chegando a limites extremos de solicitação.
A análise de tensões e deformações não tem valor nenhum se não se conhecer as propriedades mecânicas do material que a peça será construída;
As propriedades mecânicas definem o comportamento de um material quando sujeito a esforços mecânicos.
Análise de tensão vs. Propriedades Mecânicas
Resistência a tração, compressão e cisalhamento
Fadiga
Módulo de elasticidade – medida de rigidez na região elástica
Ductibilidade – grande deformação na zona de escoamento
Fragilidade – pequena deformação na zona de escoamento
Elasticidade – capacidade de deformar e voltar a forma original
Resiliência – capacidade de suportar grandes cargas dentro da zona elástica
Plasticidade – capacidade de deformar e manter a forma
Tenacidade – capacidade do material absorver energia sem ruptura
Dureza - resistência a penetração
Massa especifica (Densidade)
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Propriedades Mecânicas mais Comuns
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Tensão em Engenharia
Tração
Compressão
Cisalhamento
Torção
Clique para editar o texto mestre
Segundo nível
Terceiro nível
Quarto nível
Quinto nível
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INTRODUÇÃO
Conceito de tensão e Deformação.
Tensões: tração, compressão, cisalhamento e torção;
Deformações: elásticas e plásticas.
TENSÃO
Grandeza que representa a relação da força interna no corpo deformável pela área em que atua;
As tensões se desenvolvem entre as partículas de um corpo são consequências do esforços internos desenvolvidos;
Esforços são elementos vetoriais (módulo, direção e sentido) a tensão também é vetorial
: 
INTRODUÇÃO
Conceito de tensão e Deformação.
Tensão de engenharia: Deformação de engenharia: 
DEFORMAÇÃO
Deformação é alteração da forma que sofre um corpo submetido a solicitações , devido ao movimentos das partículas que o constituem;
Relação entre o alargamento (e comprimento (L) da peça;
Tendência dos corpos de voltarem a forma original devido a força de atração entre as partículas.
: 
15
Elástico significa reversível
Deformação Elástica
1. Início
2. Carga pequena
3. Descarga
F
d
ligações 
“esticadas”
volta ao 
estado inicial
F
d
Linear 
Não linear
15
16
Plástico significa permanente!
Deformação Plástica
(metais)
1. Início
2. Carga grande
3. Descarga
planos ainda deslocados
F
d
elástica + plástica
ligações esticam e planos deslizam
d
plástica
F
d
linear 
elástico
linear 
elástico
d
plástico
16
Limite de resistência à tração
Limite de resistência de escoamento
Módulo de Tenacidade
Módulo de Ductilidade
Módulo de Elasticidade e Resiliência
Quais propriedades ????
DEFORMAÇÕES ELÁSTICA
Módulo de Elasticidade (E)
Principais características:
Quanto maior o módulo, mais rígido será o material ou menor será a deformação elástica;
O módulo do aço (≈ 200 GPa) é cerca de 3 vezes maior que o correspondente para as ligas de alumínio (≈ 70 GPa), ou seja, quanto maior o módulo de elasticidade, menor a deformação elástica resultante.
O módulo de elasticidade corresponde a rigidez ou uma
resistência do material à deformação elástica.
O módulo de elasticidade está ligado diretamente com as forças das ligações interatômicas.
24
Cada átomo do cristal vibra em torno de uma posição de equilíbrio, característica do tipo de rede cristalina do metal, sendo seu núcleo atraído pelas eletrosferas dos átomos vizinhos e repelido pelos núcleos dos mesmos, como se estivessem em um poço de energia. Sob a ação de esforços externos, os átomos tendem a se deslocar de sua posição de equilíbrio. A deformação plástica envolve a quebra de um número limitado de ligações atômicas pelo movimento de discordâncias. VER MAIS SOBRE DISCORDÂNCIAS Depois de removidos os esforços, continua a existir um deslocamento diferenciado de uma parte do corpo em relação a outra, ou seja, o corpo não recupera sua forma original. VER DESLOCAMENTO EM LINHA. A deformação plástica é resultante do mecanismo de formação de defeitos cristalinos (discordâncias e maclas), permanecendo constante o parâmetro de rede. Logo, a deformação plástica ocorre com o volume constante. 
21
Exemplo 
Solução: como o regime é elástico, a deformação depende da tensão de acordo com a Lei de Hooke.
O alongamento, ∆l. está relacionado com o comprimento inicial, lo, de acordo com:
Combinando essas duas expressões temos:
Um pedaço de cobre, originalmente com 3,0 metros de comprimento é tracionado com uma tensão de 275 MPa. Se a sua deformação é inteiramente elástica, qual será o alongamento resultante?
21
22
Combinando essas duas expressões temos:
O valor de E para o cobre é de 110 GPa, obtido de tabelas; podemos calcular:
Exemplo 
22
DEFORMAÇÕES ELÁSTICA
 COEFICIENTE DE POISSON
 Representa a relação entre as deformações lateral e longitudinal na faixa de elasticidade.
EXEMPLO
Uma carga de tração de 15,707kN é aplicada sobre um corpo de prova cilíndrico feito em aço, com diâmetro de 10mm, coeficiente de Poisson de 0,3 e E =207 GPa.
A) Se o comprimento original do corpo de prova for de 50 mm, quanto ele irá aumentar em comprimento? E o diâmetro ?
EXEMPLO
Um corpo de prova cilíndrico de alumínio com diâmetro de 19 mm e comprimento de 20 mm é deformado elasticamente em tração com uma força de 48800N. Sabendo que o módulo de elasticidade é 69 GPa, e o coeficiente de Poisson é 0,33, determine:
a) A quantidade segundo o qual este corpo irá se alongar na direção da tensão aplicada 
b) A variação do corpo de prova ( o diâmetro irá aumentar ou diminuir?).
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
Para a maioria dos metais metálicos, o regime de deformação elástica persiste apenas até deformações de aproximadamente 0,5%;
27
• Ensaio de tração simples:
A baixas temperaturas
 T < Tfusão/3
Deformação Plástica
eP
Deformação plástica
Tensão 
s
deformação 
e
Inicialmente
elástico 
Elástico+Plástico 
a grandes tensões
Deformação permanente
 (plástica) após a remoção
da carga 
27
28
• Tensão alémda qual se percebe deformação plástica permanente
Limite de escoamento, se
tensão 
s
deformação 
e
s
e
quando ep = 0,002 
e
p
 = 0,002
28
DE UMA PERSPECTIVA ATÔMICA, A DEFORMAÇÃO PLÁSTICA CORRESPONDE A QUE ??
COMO É O MECANISMO DA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DOS MATERIAIS CRISTALINOS ??
PROPRIEDADES EM TRAÇÃO
ENSAIO DE TRAÇÃO
AS TENSÕES SÃO UNIFORMES ATÉ UMA CARGA MÁXIMA
ENSAIO DE TRAÇÃO
VÍDEO
E
37
Resistência à tração
ou limite de resistência à tração
• Máximo valor da tensão no ensaio de tração.
strain
deformação
tensão
LRT
• Metais: ocorre quando começa a formação do pescoço
• Cerâmicas: ocorre quando começa a propagação das trincas
• Polímeros: ocorre quando o arcabouço está alinhado e prestes a quebrar
37
DUCTILIDADE
Representa a medida do grau de deformação plástica que foi suportado até a fratura.
 Pequena deformação plástica ao romper: frágil
Grande deformação plástica ao romper: dúctil
Comprimento útil
DUCTILIDADE
POR QUE ESSA PROPRIEDADE É IMPORTANTE ??.
INDICA O GRAU AO QUAL UMA ESTRUTURA IRÁ SE DEFORMAR PLASTICAMENTE ANTES DA FRATURA
INDICA O GRAU DE DEFORMAÇÃO QUE É PERMITIDO DURANTE AS OPERAÇÕES DE FABRICAÇÃO
41
• Deformação plástica no momento da ruptura, % Al
• Obs: %RA e %Al são frequentemente relacionados
 -- Razão: deslizamento de planos não altera o volume dos materiais.
 -- %RA > %Al ocorre se aparecem vazios internos no pescoço
Ductilidade
(frágil de %Al<5%)
(dúctil se %Al>5% 
deformação, 
e
tensão, 
s
pequeno %Al 
grande
Adaptado da Fig. 6.13, Callister 6ed.
• Outra medida de ductilidade:
41
Nem sempre a tensão de ruptura é a tensão máxima que pode ser aplicada
RESILIÊNCIA
É a capacidade de uma material em absorver energia quando ele é deformado elasticamente e, depois, com a remoção da carga, permitir a recuperação dessa energia.
Unidade (J/m³) = Pa
46
Resiliência
É a capacidade de um material absorver energia antes de entrar em deformação plástica
Módulo de resiliência: 
Substituindo: 
Mostra-se que: 
Molas: materiais com alta limite de escoamento o baixo módulo de elasticidade: 
46
TENACIDADE
Representa uma medida da habilidade de um material em absorver energia e se deformar plasticamente antes de fraturar até a ruptura.
 Pode ser medida pela área sob a curva “tensão x deformação” até o ponto de ruptura.
49
• Energia necessária para fraturar um material
Tenacidade
tensão, 
s
deformação, 
e
baixa tenacidade
(polímeros)
baixa tenacidade (cerâmicas)
alta tenacidade
(metais)
De uma forma geral é medida pela área sobre a curva t x d
49
50
Endurecimento
(encruamento)
• Aumento de se devido a uma deformação plástica
endurecimento
s
s
e
 
0
s
e
 
1
e
grande
pequeno
descarga
re
carga
50
EXEMPLO
150
0,0024
285
370
0,005
0,165
55
Dureza
Resistência de um material a deformação localizada (ao risco, ao atrito)
Origem: escala de Mohr, minerais, escolha arbitrária, risco
Hoje: máquinas, padronização, força, indentador
Ensaio mais utilizado: simples, rápido, sem corpo de prova especial, barato, não-destrutivo, permite estimativa de outras propriedades mecânicas
55
56
• Resistência à indentação permanente
• Dureza elevada significa:
 -- resistência à deformação plástica ou a trincamento sob 	compressão
 -- boa resistência ao desgaste por atrito.
Dureza
e.g., 
esfera 10mm
força conhecida 
(1 to 1000g)
Medida da impressão (mossa) após remoção da carga
d
D
indentação pequena significa
alta dureza 
dureza aumentando
latões
ligas Al 
aços
usináveis
resist.
limas
ferram.
corte 
aços
nitretados
diamante
maioria
plásticos
Adaptado da Fig. 6.18, Callister 6ed. 
56
57
Equipamento
Padronização
Brinell
Vickers
Knoop
Rockwell
Rockwell superficial
57
58
Escalas de dureza
58
59
Comparação entre as escalas de dureza
59
60
Relação 
dureza x limite de resistência à tração
Por exemplo, para os aços:
60
61
• Tensão e deformação: medidas, independentes do tamanho, de carga e de deformação.
• Comportamento elástico: comportamento reversível, que comumente mostra uma relação linear entre a tensão e a deformação; para minimizar deformação, usar material com elevado módulo de elasticidade (E ou G).
• Comportamento plástico: comportamento que resulta em deformação permanente quanto a tensão uniaxial atinge sy.
• Tenacidade: energia/volume necessária para quebrar um material.
• Ductilidade: deformação plástica até ocorrência da fratura.
Resumo
• Dureza: resistência à indentação, relacionada ao limite de escoamento e à resistência ao desgaste pelo atrito.
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OBRIGADO !!
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