Aula02 - Propriedades Mecânicas

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ESTRUTURAS METÁLICAS
AULA 02 – PROPRIEDADES 
MECÂNICAS
Engenharia Mecânica
Prof.: Ma. Engª. Civil Raquel Hellu Macedo
raquel.macedo@unialfa.com.br
Estruturas Metálicas – Engenharia Civil
Prof: Msc. Engª. Raquel Hellu Macedo
Para melhor se compreender o comportamento
das estruturas de aço, se faz necessário conhecer,
de forma satisfatória, as principais propriedades
dos aços estruturais. O primeiro ponto a ser
analisado deve ser o diagrama de tensão-
deformação, para se analisar e entender o
comportamento estrutural.
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A Figura apresenta o diagrama
Tensão x Deformação para
alguns aços. Para obtenção
deste diagrama, ensaia-se em
laboratório uma haste metálica
(corpo de prova), devidamente
presa a uma prensa hidráulica, e
aplica-se nesta haste esforços de
tração, medindo-se as
deformações do aço. O aparelho
responsável pela medição das
deformações na haste é
conhecido como extensômetro.
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Caso o corpo de prova seja
descarregado e imediatamente
recarregado, durante o período
elástico, a peça não apresenta
nenhuma deformação residual e o
caminho a ser percorrido será
igual ao inicial. Caso esse alívio
de tensões ocorra após o
escoamento, a peça apresentará
deformações residuais
representadas no gráfico
abaixo por 0,002%, onde a reta
tracejada é paralela à reta
inicial do ensaio.
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As tensões fy e fu, são denominadas, respectivamente como tensão de escoamento
e tensão de ruptura, que serão usadas no dimensionamento dos elementos
estruturais, de acordo com as propriedades mecânicas do aço ensaiado.
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As primeiras propriedades mecânicas
que devem ser salientadas são:
fy: Tensão limite de resistência à tração
(variável para os tipos de aço)
fu: Tensão última de resistência à tração
(variável para os tipos de aço)
E: Módulo de Elasticidade = 205 GPa
ENSAIOS MECÂNICOS
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Dentre os diferentes ensaios mecânicos, sem dúvida, o mais
importante para o projeto de estruturas metálicas é o ensaio de
tração, visto que fornece valiosas informações sobre as
propriedades mecânicas mais importantes dos aços estruturais.
Ensaios de tração são feitos com corpos de prova cilíndricos ou
prismáticos, com a parte central possuindo dimensões menores a
fim de evitar ruptura na região das garras da máquina de ensaio.
Além disto, devem ser feitos à temperatura atmosférica e na
ausência de tensões residuais.
Cabe salientar que, para os aços estruturais, o mesmo
comportamento é obtido para cargas de compressão, desde que
seja evitada a possibilidade de ocorrência de flambagem.
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ENSAIO DE TRAÇÃO
Um dos ensaios mecânicos de tensão-deformação mais comuns é
conduzidos sob tração.
Pode ser empregado para caracterizar várias propriedades dos aços
que são importantes para projetos.
Uma amostra é deformada até sua fratura, por uma carga de tração
que é aumentada gradativamente e é aplicada uniaxialmente ao longo
do eixo de um corpo de provas.
12,8 mm
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Ensaio de tração
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As curvas tensão-deformação são determinadas utilizando a
tensão σ que é obtida através da divisão da carga F aplicada pela
área de seção transversal original A0 do corpo de prova e a
deformação ε, determinada como a variação de comprimento Δl
dividida pelo comprimento original l0 do corpo de prova. Por
esse motivo, estas curvas são conhecidas como diagramas
tensão-deformação de engenharia, enquanto que no diagrama
tensão-deformação verdadeiro a tensão é obtida através da
divisão da carga aplicada pela seção transversal instantânea do
corpo de prova (após a aplicação da carga anterior), mesmo
após iniciar a estricção (redução brusca da seção transversal).
Na prática, entretanto, é utilizado o diagrama tensão-deformação
de engenharia, pois os projetos são realizados com base nas
dimensões iniciais.
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A Fase Elástica é o trecho compreendido
entre a origem O e o ponto A, ou seja,
quando atinge-se a tensão fp (tensão limite
de proporcionalidade) que representa o
ponto limite de proporcionalidade. Este
ponto coincide com o início de
escoamento, ou com a tensão de
escoamento fy, para a grande parte dos
aços estruturais (aços com fy < 450 MPa).
Nesta região o material obedece a Lei de
Hooke, ou seja, existe uma relação linear
entre tensões e deformações:
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Em que a constante E é chamada
Módulo de Elasticidade ou
Módulo de Young, sendo obtida
como a tangente do ângulo α, ou
seja, é uma medida de inclinação
da reta OA. A inclinação é a
mesma para todos os aços
estruturais e, por consequência, o
módulo de elasticidade também.
Nessa região, caso ocorra um
descarregamento, o diagrama
percorre o mesmo caminho,
apenas com sentido inverso,
voltando para a origem, ou seja, a
deformação desaparece
totalmente.
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A Fase Plástica inicia no ponto A. Logo após, a tensão alterna entre um valor
máximo e um valor mínimo para, na seqüência, se estabilizar no valor da
tensão de escoamento fy, mantendo-se praticamente constante, ao passo que a
deformação aumenta consideravelmente (até cerca de 2% para o aço A36). Os
valores máximos e mínimos de escoamento tem pouca importância prática,
sendo fortemente influenciados pela forma do ensaio (velocidade, corpo de
prova, etc). Em contrapartida, a tensão de escoamento fy é uma característica
bastante estável. Este trecho com tensão igual a tensão de escoamento recebe
o nome de patamar de escoamento.
Nesta fase, se o corpo de prova for descarregado, o
caminho será uma reta paralela ao trecho OA, partindo
do ponto de descarga, resultando em uma deformação
permanente.
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A Fase de Encruamento inicia para deformações superiores a 15 a 20
vezes do que a deformação elástica máxima. Nesta etapa, chamada
Encruamento, a tensão volta a aumentar, mas com uma inclinação bem
inferior àquela apresentada na fase elástica. De fato, a relação tensão-
deformação não é linear e a inclinação da curva varia a cada ponto. A
região de encruamento não tem importância prática para projeto, a
não ser identificar qual o valor da tensão que leva o material a ruptura,
chamada fu. Após esse valor, uma rápida redução da seção transversal
do corpo passa a ser observada, em um fenômeno conhecido como
Estricção, provocando uma queda na força de tração aplicada, até o
rompimento do material. No diagrama, a estricção pode ser observada
pela queda no valor da tensão após atingir o seu ponto máximo. Na
verdade, este fato tem apenas significado matemático, ocorrendo
porque a tensão é calculada dividindo-se a força pela área original do
corpo de prova. Caso fosse utilizada a área reduzida pela estricção, as
tensões seriam sempre crescentes.
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TENSÃO X DEFORMAÇÃO 
VERDADEIRA
𝜎𝑣 =
F
𝐴𝑖
𝜖𝑣 = ln(
𝑙𝑖
𝑙0
)
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É o coeficiente de proporcionalidade entre as deformações
longitudinal e transversal de uma peça. Quando se realiza
estudos das deformações ao longo do eixo longitudinal de uma
peça, observa-se uma propriedadeem todos os sólidos relativas
às deformações consequentes transversais. Por exemplo, uma
tração, que conduz ao aumento do comprimento, corresponderá
a uma contração transversal; enquanto que uma compressão,
que conduz à redução do comprimento, corresponderá a uma
expansão transversal. Portanto, o coeficiente de Poisson
equivale o mesmo que coeficiente de deformação transversal.
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É a capacidade que alguns materiais possuem de se
deformarem antes da ruptura, quando sujeitos a tensões
elevadas. Quanto mais dúctil o aço, maior a redução de
área ou alongamento antes da ruptura. A ductilidade
pode ser medida a partir da deformação (e) ou da
estricção. Este comportamento fornece avisos de
ocorrência de tensões elevadas em pontos da estrutura.
Em outras palavras é a capacidade do material de
deformar-se sob a ação de cargas sem que haja colapso
imediato.
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Pode ser expressa quantitativamente tanto como um alongamento
percentual quanto uma redução percentual na área.
%AL = 
𝒍𝒇−𝒍𝟎
𝒍𝟎
𝒙 𝟏𝟎𝟎
%RA =
𝑨𝟎−𝑨𝒇
𝑨𝟎
𝒙 𝟏𝟎𝟎
𝑙𝑓 = comprimento no momento da fratura;
𝑙0 = comprimento útil original;
𝐴0 = área da seção transversal original;
𝐴𝑓 = área da seção no ponto de fratura;
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Diante de algumas combinações adversas como, por exemplo, temperatura,
estado de tensões, ou descontinuidades, o aço tem um comportamento
basicamente dúctil, pode tornar-se suscetível a fratura frágil. A fratura frágil é um
tipo de falha que ocorre por clivagem com pouca ou nenhuma deformação
plástica anterior, de forma extremamente rápida.
A propensão de um aço resistir à fratura frágil deve ser determinada por uma
medida de tenacidade, que é a energia total (elástica mais plástica), por unidade
de volume, que o material pode absorver até a sua ruptura. A tenacidade pode
ser entendida como a habilidade do material em resistir a fratura. Para estados
uniaxiais de tensão, como os ensaios a tração, a tenacidade é calculada
como a área total do digrama tensão vs deformação.
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Em elevadas temperaturas, o aço estrutural apresenta uma alteração de
comportamento, levando a uma redução do limite de escoamento, do limite de
ruptura e do módulo de elasticidade. Em contrapartida, o coeficiente de Poisson
permanece com o mesmo valor.
A ductilidade dos aços estruturais inicialmente diminui com o aumento de
temperatura até atingir um valor mínimo para, então, começar a subir até
um valor muito mais elevado do que o aço possuía a temperatura ambiente.
Sob carregamentos longos em temperaturas elevadas, os efeitos da fluência
devem ser considerados. Quando uma carga é aplicada em um elemento
exposto a temperatura elevada, ocorre uma parcela de deformação
instantânea que cessa imediatamente e outra que segue aumentando com o
tempo a uma taxa muito mais baixa, fenômeno conhecido como fluência.
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Quando se eleva ou se abaixa a temperatura de um
corpo, o material se dilata ou se contrai, a não ser
que seja impedido por circunstâncias locais e,
havendo a mudança de temperatura de uma barra
livre, o Coeficiente de Dilatação Térmica do
material é a variação por unidade de comprimento
e por grau de temperatura
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O fenômeno responsável pela ruptura de uma peça de aço, quando submetida
a um carregamento cíclico de longa duração, sob um esforço inferior a sua
capacidade de resistência é chamado de Fadiga. A maneira mais utilizada para
se avaliar a resistência de um aço estrutural fadiga é através de ensaios de
laboratório, que tem como premissa submeter um elemento a uma oscilação
de tensão de um valor mínimo para um valor máximo até que ocorra a ruptura.
Fazendo-se este procedimento para diferentes valores de variação de tensão,
pode-se traçar um diagrama chamado de curva s-N.
Uma peça submetida a concentração de tensões torna-se muito mais
suscetível a ocorrência de fadiga. Na prática, o efeito da fadiga não pode
ser desprezado no dimensionamento de peças submetidas a
carregamentos móveis.
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É definida como a capacidade que o
material possui de retornar ao seu
estado inicial após o descarregamento,
não apresentando deformações
residuais.
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A deformação plástica é uma deformação
provocada por tensão igual ou superior ao limite
de escoamento. Neste tipo de deformação, ocorre
uma mudança na estrutura interna do metal,
resultando em um deslocamento relativo entre os
seus átomos (ao contrário da deformação elástica),
resultando em deformações residuais.
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É a resistência ao risco ou abrasão e pode ser
medida pela resistência com que a superfície
do material se opõe à introdução de uma peça
de maior dureza. Os ensaios de dureza são
bastante utilizados para verificar a
homogeneidade do material.
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É a resistência ao risco ou abrasão e pode ser
medida pela resistência com que a superfície
do material se opõe à introdução de uma peça
de maior dureza. Os ensaios de dureza são
bastante utilizados para verificar a
homogeneidade do material.
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Uma peça de aço estrutural originalmente com 305
mm de comprimento é puxada em tração com uma
tensão de 276 MPa. Se a deformação é inteiramente
elástica, qual será o alongamento resultante?
Dados: Módulo de Elasticidade 200 GPa
𝝈=𝑬.𝝐
𝜖 =
∆𝑙
𝑙0
𝝈=𝑬.
∆𝑙
𝑙0
∆𝑙 =
𝜎 . 𝑙0
𝐸
∆𝒍 = 276. 305/ 200.10³ = 0,4209mm
Uma peça de aço estrutural foi submetida ao ensaio de
tração e seu alongamento resultante foi de 0,20 mm de
comprimento. O ensaio utilizou uma tensão de 550 MPa.
Se a deformação é inteiramente elástica, qual era o
comprimento inicial desta peça?
Dados: Módulo de Elasticidade 200 GPa
𝝈=𝑬.𝝐
𝜖 =
∆𝑙
𝑙0
𝑙0= 72,7 mm
Um corpo de provas cilíndrico feito em aço e com diâmetro
original de 12,8mm é testado sobre tração até sua fratura,
sendo determinado que ele possui uma resistência à fratura,
expressa em tensão de engenharia 𝝈f = 460 MPa. Se o
diâmetro de sua seção transversal no momento da fratura é
de 10,7 mm, determine:
a) A ductilidade em termos da redução percentual de área.
b) A tensão verdadeira na fratura
FIM!!!
Engenharia Mecânica
Prof.: Ma. Engª. Civil Raquel Hellu Macedo
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