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Propriedades Mecânicas dos Metais Propriedades Mecânicas - Propriedades Mecânicas dos metais: - Definem o comportamento do metal, quando sujeito a esforços. - Este comportamento em geral se resume à resistência ou à transmissão destes esforços e se manifesta elasticamente, plasticamente e através da ocorrência de danos, dependendo do nível do esforço. Propriedades Mecânicas - Limite de Resistência; - Limite de Escoamento; - Módulo de Elasticidade; - Dutilidade; - Resiliência; - Tenacidade à fratura; - Módulo de Poisson; - Coeficiente de encruamento; - Dureza; - Fluência; - Fadiga; - Propagação de trincas. tração, compressão, cisalhamento, flexão, torção. Deformação Elástica 4 Elástico significa reversível! 2. Carga pequena F d 1. Inicial 3. Descarregado F d Linear- elástico Não-Linear- elástico Deformação Plástica (Metais) 5 Plástico significa permanente! F d linear elástico linear elástico d plástico 1. Inicial 2. carregamento 3. descarregado F d elástica + plástica d plástica 6 Unidade de tensão: N/m2 or lbf /pol 2 Tensões de Engenharia • Tensão de cisalhamento, t: Area, Ao F t F t F s F F F s t = F s A o • Tensão de tração, s: Área inicial s = F t A o 2 f 2 m N or in lb = área, Ao F t F t 7 • Tração simples: cabo Nota: t = M/AcR Estados de Tensão o s = F A o t = F s A s s M M A o 2R F s A c • Torção (uma forma de cisalhament): eixo de transmissão Ski lift (photo courtesy P.M. Anderson) A o = seção transversal quando descarregago) F F 8 (photo courtesy P.M. Anderson) Canyon Bridge, Los Alamos, NM o s = F A • Compressão Simples : Nota: membro estrutural em compressão (s < 0 ). (photo courtesy P.M. Anderson) A o Balanced Rock, Arches National Park 9 • Tensão Bi-axial: • Compressão Hidrostática: Pressurized tank s < 0 h (photo courtesy P.M. Anderson) (photo courtesy P.M. Anderson) Fish under water s z > 0 s q > 0 Deformação de engenharia 10 • Deformação normal: • Deformação Lateral: Deformação é sempre adimensional. • Deformação de Cisalhamento: q 90º 90º - q y x q g = x/y = tan e = d L o Adapted from Fig. 6.1(a) and (c), Callister & Rethwisch 8e. d /2 L o w o - d e L = L w o d L /2 Para determinar as propriedades de um material são realizados ensaios específicos para a cada propriedade. O procedimento de cada ensaio é descrito em normais técnicas nacionais e internacionais como: ISO – International Standard Organization; ABNT- Associação Brasileira de Normas Técnicas; DIN - Deutsche Industrie Normen; ASTM – American Society for Testing and Materials MPIF- Metal Powder Industry Federation, etc. A geometria das amostras a serem ensaiadas (chamados corpos de prova) e as condições técnicas de condução de cada ensaio são descritas nas normas técnicas. ENSAIOS PARA DETERMINAÇÃO DAS PROPRIEDADES Equipamento para o ensaio de tração: -Dispositivo para a fixação da amostra ou corpo de prova; -Sistema de aplicação da carga,com velocidade fixa e controlada; -Dispositivos para a medição da carga e da deformação. O corpo de prova é alongado pelo movimento do travessão, a carga aplicada e a deformação são medidas por uma célula de carga e por um extensômetro, respectivamente. CÉLULA DE CARGA AMOSTRA EXTENSÔMETRO TRAVESSÃO FIXO TRAVESSÃO MÓVEL Representação esquemática de um aparato para ensaio de tração. -Curva carga x alongamento Curva tensão x deformação Curva tensão x deformação A0 A L0 L F F Tensão = carga /área σ = F/A0 Unidade: N/m2 = Pa. Deformação = deslocamento / comprimento inicial e= (L – L0)/L0 = ∆L/L0 Unidade: m/m = adimensional (percentual). 19 Propriedades Elásticas • Módulo de Elasticidade, E: (Módulo de Young) • Lei de Hooke: s = E e s Linear- elástico E e F F ensaio de tração Módulo de Elasticidade Alongamento na direção da força resulta em contração nas direções perpendiculares: metais: n ~ 0.33 cerâmicos: n ~ 0.25 polimeros: n ~ 0.40 Unidade: n: adimensional 22 Inclinação da curva tensão deformação (módulo elástico) depende da energia de ligação do metal Adapted from Fig. 6.7, Callister & Rethwisch 8e. 23 • Módulo de Cisalhamento, G: t G g t = G g Outras Propriedades Elásticas Ensaio de torção M M • Relações para materiais isotrópicos: 2(1 + n) E G = 3(1 - 2n) E K = • Módulo de compressibilidade volumétrica, K: Teste de pressão: vol inicial =Vo. Variação Vol. = V P P P P = - K V V o P V K V o 24 Metals Alloys Graphite Ceramics Semicond Polymers Composites /fibers E(GPa) Based on data in Table B.2, Callister & Rethwisch 8e. Composite data based on reinforced epoxy with 60 vol% of aligned carbon (CFRE), aramid (AFRE), or glass (GFRE) fibers. Comparação Módulo de Young 109 Pa 0.2 8 0.6 1 Magnesium, Aluminum Platinum Silver, Gold Tantalum Zinc, Ti Steel, Ni Molybdenum G raphite Si crystal Glass - soda Concrete Si nitride Al oxide PC Wood( grain) AFRE( fibers) * CFRE * GFRE* Glass fibers only Carbon fibers only A ramid fibers only Epoxy only 0.4 0.8 2 4 6 10 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0 2 00 6 00 8 00 10 00 1200 4 00 Tin Cu alloys Tungsten <100> <111> Si carbide Diamond PTF E HDP E LDPE PP Polyester PS PET C FRE( fibers) * G FRE( fibers)* G FRE(|| fibers)* A FRE(|| fibers)* C FRE(|| fibers)* Deformação Plástica 25 (para baixas temperaturas, T < Tmelt/3) • Ensaio de tração: tensão de engenharia, s deformãção de engenharia, e Elástico+Plástico em tensões mais altas ep deformação plástica inicialmente elástico Adapted from Fig. 6.10(a), Callister & Rethwisch 8e. permanente (plástico) após carga ser removida Escoamento do metal -Deslizamento entre planos atômicos; -Movimento é irreversível; -Deformação permanente; -O limite de proporcionalidade caracteriza a tensão de escoamento; -Tensão de escoamento ou limite de escoamento (σE). (a) Curva tensão deformação para um metal mostrando o limite de proporcionalidade P e o limite de escoamento sy a 0,2% de deformação. (b) Representação esquemática da curva tensão x deformação encontrada em alguns aços mostrando o fenômeno de escoamento descontínuo. Limite de escoamento: tensão a partir da qual o metal deforma plasticamente. - Propriedade importante para o dimensionamento de estruturas. - Limite de escoamento contínuo e descontínuo: Limite de escoamento descontínuo Deformação Plástica em metais 29 Valores para T ambiente Based on data in Table B.4, Callister & Rethwisch 8e. a = annealed hr = hot rolled ag = aged cd = cold drawn cw = cold worked qt = quenched & tempered Comparação da tensão de escoamento Graphite/ Ceramics/ Semicond Metals/ Alloys Composites/ fibers Polymers Y ie ld s tr e n g th , s y (M P a ) PVC H a rd t o m e a s u re , s in c e i n t e n s io n , fr a c tu re u s u a lly o c c u rs b e fo re y ie ld . Nylon 6,6 LDPE 70 20 40 60 50 100 10 30 200 300 400 500 600 700 1000 2000 Tin (pure) Al (6061) a Al (6061) ag Cu (71500) hr Ta (pure) Ti (pure) a Steel (1020) hr Steel (1020) cd Steel (4140) a Steel (4140) qt Ti (5Al-2.5Sn) a W (pure) Mo (pure) Cu (71500) cw H a rd t o m e a s u re , in c e ra m ic m a tr ix a n d e p o x y m a tr ixc o m p o s it e s , s in c e in t e n s io n , fr a c tu re u s u a lly o c c u rs b e fo re y ie ld . H DPE PP humid dry PC PET ¨ -No descarregamento, a deformação segue uma reta de mesma inclinação do regime elástico inicial; -Ao ser recarregado, o metal escoará num patamar de tensão maior do que o inicial, próximo da tensão onde foi interrompido o ensaio; -Este fenômeno de aumento da resistência pela deformação recebe o nome de encruamento. Recuperação Elástica Deformaçã o T e n s ã o Descarregamen to Re- carregamento σE0 σEf Interrupção do ensaio no regime plástico: A região plástica pode ser expressa pela relação: σ = K en -K e n são constantes do metal, conhecidos como coeficiente de resistência e módulo de encruamento, respectivamente. -Esta equação resulta na curva verdadeira, e se aproxima bastante do comportamento real 32 Resistência à tração • Metais: ocorre quando empescoçamento se inicia. • Polimeros: ocorre quando cadeias poliméricas estão alinhadas e próximo de quebrar Adapted from Fig. 6.11, Callister & Rethwisch 8e. sy strain Typical response of a metal F = tensão de ruptura Pescoço – age como concentrador de tensão e n g in e e ri n g TS s tr e s s engineering strain • Máxima tensão na curva tensão-deformação de engenharia 33 Comparação resistência à tração Si crystal <100> Graphite/ Ceramics/ Semicond Metals/ Alloys Composites/ fibers Polymers T e n s ile s tr e n g th , T S ( M P a ) PVC Nylon 6,6 10 100 200 300 1000 Al (6061) a Al (6061) ag Cu (71500) hr Ta (pure) Ti (pure) a Steel (1020) Steel (4140) a Steel (4140) qt Ti (5Al-2.5Sn) a W (pure) Cu (71500) cw L DPE PP PC PET 20 30 40 2000 3000 5000 Graphite Al oxide Concrete Diamond Glass-soda Si nitride H DPE wood ( fiber) wood(|| fiber) 1 GFRE (|| fiber) GFRE ( fiber) C FRE (|| fiber) C FRE ( fiber) A FRE (|| fiber) A FRE( fiber) E-glass fib C fibers Aramid fib Based on data in Table B.4, Callister & Rethwisch 8e. a = annealed hr = hot rolled ag = aged cd = cold drawn cw = cold worked qt = quenched & tempered AFRE, GFRE, & CFRE = aramid, glass, & carbon fiber-reinforced epoxy composites, with 60 vol% fibers. Valores para T ambiente Medidas de Dutilidade Medidas de Dutilidade Tenacidade 38 Brittle fracture: elastic energy Ductile fracture: elastic + plastic energy Adapted from Fig. 6.13, Callister & Rethwisch 8e. very small toughness (unreinforced polymers) Engineering tensile strain, e E ngineering tensile stress, s small toughness (ceramics) large toughness (metals) Representação esquemática de curvas tensão x deformação para um material frágil e para um dútil -Efeito da temperatura na curva tensão x deformação: Curvas tensão x deformação para o Ferro em três temperaturas Os valores da tensão de escoamento e tensão máxima em tração diminuem com o aumento da temperatura. O oposto ocorre com a dutilidade que usualmente aumenta com a temperatura. Dureza -Dureza é definida como a resistência do material à deformação plástica localizada. -Medidas quantitativas de dureza são realizadas pela penetração de pequenos identadores na superfície do material a ser ensaiado, sob condições controladas de carga e taxa de aplicação. -A profundidade ou tamanho da identação resultante é medida e relacionada a um número de dureza. 42 Dureza • Altos valores de dureza significa: -- resistência à deformação plástica ou fratura em compressão. -- resistência ao desgaste. e.g., 10 mm sphere apply known force measure size of indent after removing load d D Smaller indents mean larger hardness. increasing hardness most plastics brasses Al alloys easy to machine steels file hard cutting tools nitrided steels diamond Dureza Rockwell O ensaio é baseado na profundidade de penetração subtraída da recuperação elástica Várias combinações de carga e formato do penetrador: várias escalas Identadores: - esfera de aço endurecidas; - cone de diamante Dureza Brinell O teste de dureza Brinell é um teste simples para determinar a dureza de uma vasta variedade de materiais. Aplica-se uma carga constante entre 500 e 3000 kgf por um tempo específico (10 a 30 s) usando uma esfera rígida (aço ou carboneto de tungstênio) de 5 a 10 mm de diâmetro sobre a superfície do material. Dureza Brinell P = carga; D = diâmetro do identador; d = diâmetro da identação; t = profundidade da impressão Dureza Vickers Penetrador piramidal de diamante, base quadrada, ângulo de 136° entre faces opostas a) Escala contínua; b) Impressão extremamente pequena, sem danificar a peça; c) Grande precisão da medida; d) Deformação nula do penetrador; e) Existência de apenas uma escala de dureza; f) Aplicação na medição de toda gama de dureza, para todos os materiais; g) Aplicação para qualquer espessura de material, podendo então medir a dureza superficial. Microdureza Vickers a. Determinação de dureza individual de microconstituintes de uma microestrutura; b. Medida de gradientes de dureza em superfícies carbonetadas; c. Verificação da dureza de peças delicadas (por exemplo, molas de relógios); d. Penetrador Vickers de 10 gf a 1 kgf 50 Table 6.5 final height initial height Teste de Impacto (Charpy) Tem como objetivo medir a tenacidade do material (capacidade de absorver energia até a fratura) Curva de transição dúctil-frágil A energia absorvida na fratura diminui com a diminuição da temperatura. Há uma temperatura, abaixo da qual, o material passa a se comportar de forma frágil. Às vezes, não se tem uma temperatura bem definida, mas sim uma faixa de temperatura de transição dúctil-frágil. Esta temperatura de transição dúctil – frágil é parâmetro importantíssimo na seleção e aplicação de materiais, sendo fator decisivo em aplicações tais como cascos de navios, tubos de grande diâmetro, vasos de pressão, etc. 53 Influência da Temperatura na Energia de Impacto Adapted from Fig. 8.15, Callister & Rethwisch 8e. • Tempertura de Transição Dútil-Frágil Metais CCC (ex. Ferro a T < 914ºC) Temperature Materiais de alta resistência ( s y > E/150) polímeros Mais Dútil Frágil Temperatura de Transição Dútil-Frágil Metais CFC (ex. Cu, Ni) 54 Titanic Liberty ships • Problema: Aços usados com temperatura de transição dútil-frágil logo abaixo da ambiente. Reprinted w/ permission from R.W. Hertzberg, "Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials", (4th ed.) Fig. 7.1(a), p. 262, John Wiley and Sons, Inc., 1996. (Orig. source: Dr. Robert D. Ballard, The Discovery of the Titanic.) Reprinted w/ permission from R.W. Hertzberg, "Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials", (4th ed.) Fig. 7.1(b), p. 262, John Wiley and Sons, Inc., 1996. (Orig. source: Earl R. Parker, "Behavior of Engineering Structures", Nat. Acad. Sci., Nat. Res. Council, John Wiley and Sons, Inc., NY, 1957.) FADIGA Fadiga do material é o acúmulo de dano causado por solicitações cíclicas. Quando submetido à fadiga, o componente ou estrutura pode sofrer falhas catastróficas mesmo quando solicitado abaixo dos limites de resistência estática. Adapted from Fig. 8.18, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 8.18 is from Materials Science in Engineering, 4/E by Carl. A. Keyser, Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, NJ.) tension on bottom compression on top counter motorflex coupling specimen bearing bearing Características das falhas por Fadiga • Dependem da geometria, das propriedades do material e das cargas atuantes; • São progressivas, i.é, o dano é cumulativo • São geralmente localizadas • Exigem técnicas especiais para detecção • Causam ruptura geralmente súbita • Presença de trincas não provoca mudanças drásticas de comportamento da estrutura até que se esteja próximo à ruptura • Responsável por ~ 90% das falhas mecânicas. Trincas normalmente se iniciam a partir de concentradores de tensão: •Furos •Entalhes •Juntas parafusadas •Juntas rebitadas •Transições geométricas acentuadas Tensões Cíclicas Tipos de flutuações de tensões que podem causar fadiga Forma da curva S-N A curva S-N é um gráfico da tensão em função do número de ciclos até a fratura. Uma escala logarítima é quase sempre usada para N. O número de ciclos que um metal pode suportar antes de falhar aumenta com a diminuição da tensão. N é o número de ciclos de tensão que causa a fratura da amostra Testes de fadiga de baixa tensão são realizados em geral com cerca de 107 ciclos. Pode-se observar nas curvas S-N abaixo que a curva para o aço apresenta um platô para altos ciclos que é chamado de limite de fadiga. O aço apresenta tensão limite acima de 300MPa, abaixo desta tensão o material não está mais sujeito a fratura por fadiga para qualquer número de ciclos. Já a curva do Al apresenta uma diminuição continua do número de ciclos com o aumento da tensão. Neste caso não se fala em limite de fadiga, apenas em resistência à fadiga para um certo número de ciclos. Curvas S-N típicas para dois materiais, aço 1047 e alumínio 2014-T6. Entre os fatores que afetam a vida em fadiga de um material estão: • ponto de concentração de tensões (fissuras ou irregularidades geométricas dos entalhes), • tensões residuais, • temperatura, • presença de meios corrosivos, • composição química • microestrutura Fatores que influenciam a curva S-N Adapted from Fig. 8.25, Callister & Rethwisch 8e. ruim melhor Adapted from Fig. 8.24, Callister & Rethwisch 8e. N = Cycles to failure moderate tensile s m Larger tensile s m S = s tre s s a m p litu d e near zero or compressive s m Influência da Geometria Influências ambientais (meios corrosivos) na curva S-N Aspecto da falha de uma peça de aço: a origem da trinca por fadiga ocorreu na superfície da peça; a propagação por fadiga ocorreu até aproximadamente 50% da área da peça e a fratura final ocorreu por sobre-carregamento (overloading) da área restante. Micrografia mostrando estrias de fadiga na superfície de fratura de uma amostra de alumínio, aumento 1950X. Materiais em altas temperaturas mobilidade atômica aumenta com a temperatura, então os processos controlados por difusão exercem um efeito significante sobre as propriedades mecânicas em altas temperaturas maior quantidade de vacâncias em equilíbrio em altas temperaturas além de aumentar a difusão também aumenta a mobilidade de discordâncias devido ao mecanismo de escalonamento Materiais em altas temperaturas em altas temperaturas podem tornar-se ativos novos mecanismos de deformação, como a deformação nos contornos de grãos, podem ocorrer mudanças em sistemas de deslizamento, e serem introduzidos novos sistemas. - altas temperaturas podem afetar a estabilidade metalúrgica: recristalização de metais deformados, crescimento de grão, superenvelhecimento em ligas endurecidas por precipitação, problemas com oxidação A natureza da deformação dependente do tempo A tensão de escoamento tem uma componente que responde a ativação térmica, ou seja, deformação plástica pode ocorrer enquanto ambas temperatura e tensão são mantidas constantes, chamada fluência Fluência sendo termicamente ativada pode ocorrer em qualquer temperatura superior a 0K, porém sua taxa é muito sensível a temperatura, sendo portanto desprezível em baixas temperaturas A fluência atinge significância para temperaturas homólogas (T/TF) superiores a 0,5 A natureza da deformação dependente do tempo Considerar fluência portanto não é importante para projetos para temperatura ambiente, como pontes, navios... Mas torna-se muito importante para aplicações como em tubos de aço usados em refinarias ou indústrias químicas (500°C), palhetas de turbinas (800°C) os quais estão sujeitos a altas temperaturas e tensões. Dois fatos empíricos são significantes na fluência: deformação pode ocorrer enquanto tensão e temperatura são mantidas constantes a taxa de deformação é extremamente sensível à temperatura e kTq A /- =e A curva de Fluência Três estágios básicos de fluência: Estágio I: início do teste, é a região de inclinação decrescente Estágio II: parte da curva com inclinação aproximadamente constante Estágio III: seção final da curva em que a inclinação aumenta rapidamente até a fratura do corpo de prova e0 : deformação que ocorre quase instantaneamente com a aplicação da carga. A maior parte desta deformação é recuperada instantaneamente com a retirada da carga (elástica), enquanto uma segunda parte é recuperada com o tempo (anelástica) e o resto não se recupera (plástica) O primeiro estágio de fluência conhecido como fluência primária representa uma região de taxa de deformação decrescente. A resistência do metal à fluência aumenta devido à sua própria deformação: mudanças no número e arranjo de discordâncias, ou seja, o endurecimento por deformação diminui a taxa de fluência -O segundo estágio de fluência conhecido como fluência secundária ou fluência do estado de equilíbrio, é um período de taxa de fluência aproximadamente constante que resulta de um processo competitivo entre mecanismos de encruamento e recuperação, além do aumento da tensão devido à redução de área. O valor médio da taxa de fluência durante este estágio é denominado taxa mínima de fluência, e é o parâmetro retirado da curva de fluência de maior importância para projetos de engenharia. -O terceiro estágio, ou fluência terciária, ocorre principalmente em ensaios de fluência com carga constante e se verifica quando existe uma grande redução na seção transversal seja devido a formação de pescoço, ou pela formação de vazios internos. O terceiro estágio também está associado a variações metalúrgicas como crescimento de partículas de precipitado, recristalização, ou variações difusionais nas fases presentes.
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