Materiais de Engenharia
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Disciplina:ESTRUTURA DOS MATERIAIS24 materiais652 seguidores
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a falha geralmente ocorre após longos
períodos de tempo após solicitação cíclica. Praticamente todos os tipos de
materiais estão sujeitos à falha por fadiga. A ruptura por fadiga é de natureza

246 CAPÍTULO 14

frágil, mesmo em metais dúcteis. As trincas de fadiga iniciam-se em defeitos
superficiais ou próximos da superfície. Estes defeitos podem ser estruturais,
tais como inclusões ou arranhões, mas também podem surgir durante o pro-
cesso de deformação.

Existem várias possibilidades para aplicação de esforços cíclicos tais
como ciclos envolvendo somente compressão, ou compressão/tração ou ainda
flexão alternada.

Os resultados do ensaio de fadiga são em geral representados na forma
de curvas de tensão aplicada versus número de ciclos até a ruptura (curvas de
Wöhler). Alguns materiais não se rompem por fadiga se a tensão aplicada for
menor que um determinado valor, denominado limite de fadiga. Outros mate-
riais não apresentam esta tensão limite. A figura 14.9 apresenta os dois tipos
de comportamento mencionados.

Figura 14.9 — Curvas de Wöhler para: a) material que apresenta limite
de fadiga; b) material que não apresenta limite de fadiga.

PRINCIPAIS ENSAIOS MECÂNICOS 247

Exercícios

1.Quais as principais diferenças entre os ensaios de tração e de fluência?
2. Quais as principais diferenças entre os ensaios de dureza Vickers e Ro-
ckwell C?
3. Com o auxílio da figura a seguir, relativa ao ensaio de dureza Vickers,
calcule: a) a penetração em função da diagonal da impressão d (considere
d = d1 = d2), b) deduza a fórmula HV = 1,8544 F/d2.

4. Com o auxílio da figura abaixo, relativa ao ensaio de dureza Brinell,
calcule a penetração x, em função de D e d.

5. Uma amostra de alumínio recozido apresenta limite de escoamento por
volta de 20 MPa . O módulo de elasticidade do alumínio é 69 GPa . Qual é a
máxima deformação (em %) elástica que este alumínio pode sofrer ?
6. Repita o exercício anterior para o molibdênio, que apresenta limite de
escoamento por volta de 565 MPa e módulo de elasticidade 324 GPa . Justifi-
que a diferença.
7. Um aço inoxidável austenítico apresenta limite de escoamento 205 MPa e
módulo de elasticidade 193 GPa . Um pedaço de arame deste aço com 50 cm
de comprimento e diâmetro 1mm é tracionado. Qual o comprimento máximo

248 CAPÍTULO 14

que o arame pode atingir no regime elástico ? Qual a força aplicada no arame
exatamente no limite de escoamento ?
8. Determine no gráfico a seguir, referente ao ensaio de tração de um corpo
de prova de secção retangular, os seguintes parâmetros: a) módulo de elastici-
dade; b) limite de escoamento; c) limite de resistência; d) alongamento uni-
forme; e) alongamento total. Transforme o limite de escoamento obtido em
b) e o limite de resistência obtido em c) em termos de tensão real. Transfor-
me o alongamento uniforme obtido em d) em termos de deformação real.
9. O que é clivagem?

10. O que é tenacidade?
11. Consulte um livro sobre ensaios mecânicos (vide bibliografia consultada
neste capítulo) e procure compreender quais as principais diferenças entre os
seguintes conceitos ou parâmetros: ductilidade, tenacidade e resiliência.
12. A tendência à fratura frágil de um material se manifesta mais claramente
em um ensaio de tração ou em um ensaio de impacto? Justifique.

(*) Obs.: Velocidade da ponte é a designação popular da velocidade de afastamento das garras.

PRINCIPAIS ENSAIOS MECÂNICOS 249

Bibliografia consultada

SÉRGIO AUGUSTO DE SOUZA; Ensaios mecânicos de materiais metálicos, 5a
edição, Editora Edgard Blücher Ltda, São Paulo, 1989.

GEORGE E. DIETER; Mechanical metallurgy, Second Edition, McGraw-Hill,
Tokyo, 1976.

MARC A. MEYERS & KRISHAN K. CHAWLA; Princípios de metalurgia mecâni-
ca, Editora Edgard Blücher Ltda, São Paulo, 1982.

DAVID W. RICHERSON; Modern ceramic engineering, Second Edition, Marcel
Dekker, Inc., New York, 1992.

WILLIAM D. CALLISTER, Jr.; Materials science and engineering, Third edition,
John Wiley & Sons, Inc., New York, 1994.

250 CAPÍTULO 14

Propriedades Mecânicas

Neste capítulo serão discutidas as propriedades mecânicas dos quatro
grupos de materiais: materiais metálicos, materiais cerâmicos, materiais poli-
méricos e materiais compósitos. O comportamento mecânico dos materiais
será, na medida do possível, correlacionado com as respectivas microestrutu-
ras.

Propriedades mecânicas dos materiais metálicos

Inicialmente, será discutida a deformação plástica de monocristais. Em
seguida, serão abordados os principais mecanismos de aumento de resistên-
cia (mecanismos de endurecimento) operantes nos metais e ligas: endureci-
mento por deformação (encruamento), endurecimento por contornos de grão,
endurecimento por solução sólida, endurecimento por dispersão de partículas
incoerentes e endurecimento por precipitação coerente.

Em princípio, um material cristalino pode deformar-se plasticamente
por quatro mecanismos: deslizamento de planos cristalinos causado pela mo-
vimentação de discordâncias, maclação mecânica, difusão e por transforma-
ções de fase. Dentre estes quatro mecanismos, o deslizamento ou escorrega-
mento de planos cristalinos é muito mais significativo que os três outros
mencionados.

Considere o monocristal cilíndrico da figura 15.1a, onde A é a área da
secção reta do cristal, F é a força de tração aplicada e que causa uma tensão
σT , Ox é a direção de deslizamento, λ é o ângulo entre o eixo do cristal e a
direção de deslizamento, θ é o ângulo entre o eixo do cristal e o plano de
deslizamento e φ é o ângulo entre o eixo do cristal e a normal ON ao plano de
deslizamento.

15

251

A tensão no plano de deslizamento é:
F⁄A senθ = σT senθ

A tensão no plano e na direção de deslizamento é:

σ = σT senθ cosλ = σT cosφ cosλ
O limite de escoamento de um monocristal varia muito com a orienta-

ção, conforme ilustra a figura 15.1b. Quando esta tensão (o limite de escoa-
mento) é decomposta no plano e na direção de deslizamento, ela torna-se
invariável. Em outras palavras, um cristal começa a deformar-se plasticamen-
te quando a tensão no plano e na direção de deslizamento atinge um valor
crítico σce:

σce = σe senθe cosλe
onde

σce é a tensão crítica de cisalhamento atuante no plano e na direção de
deslizamento (“critical resolved shear stress”) e

σe é a tensão necessária para ocorrência de deformação plástica
(limite de escoamento).

Figura 15.1 — a) Componentes da tensão no sistema de deslizamento;
b) Variação do limite de escoamento com a orientação para um

monocristal de magnésio (segundo R.W.K. Honeycomb).

252 CAPÍTULO 15

A equação acima é conhecida como lei de Schmid.
A curva tensão versus deformação de um monocristal geralmente apre-

senta estágios característicos. Por exemplo, os cristais com estrutura cristali-
na CFC apresentam três estágios característicos, conforme ilustra a figu-
ra 15.2.

O estágio I na figura 15.2 é denominado estágio de deslizamento fácil
(“easy glide”). Neste estágio, as discordâncias movem-se por longas distânci-
as, predominantemente em um único sistema de escorregamento, praticamen-
te sem encontrar obstáculos e como conseqüência tem-se um pequeno encru-
amento.

O estágio II é denominado estágio de endurecimento linear (“linear
hardening”). Neste estágio, outros sistemas de deslizamento são ativados e
ocorre acentuada interação entre discordâncias, as quais formam emaranha-
dos (“dislocation tangles”), ocasionando considerável encruamento.

O estágio III é denominado estágio de endurecimento parabólico (“pa-
rabolic hardening”). Neste estágio tem-se a ocorrência freqüente de escorre-
gamento com desvio (“cross-slip”) e as discordâncias formam uma subestru-
tura celular (“dislocation cells), caso o material tenha energia de defeito de
empilhamento alta ou até média.

Figura 15.2 — Curva tensão versus deformação típica de cristais CFC.

PROPRIEDADES MECÂNICAS 253

Equações fundamentais da
deformação plástica dos cristais

A deformação plástica dos cristais pode ser melhor entendida com o
auxílio de três equações, as quais serão apresentadas e brevemente