Materiais de Engenharia
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Materiais de Engenharia

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Propriedades mecânicas dos materiais compósitos

Na previsão das propriedades de materiais compósitos é utilizada fre-
qüentemente a chamada regra da mistura:

PM = P1 f1 + P2 f2 + ... + Pi fi

∑ fn = 1
onde

PM é a propriedade da mistura;
P1 ... Pi são os valores da propriedade de cada componente e
f1 ... fi são os valores da fração volumétrica de cada componente.

Para algumas propriedades tais como densidade e calor específico a
regra da mistura fornece uma excelente aproximação. Na previsão das pro-
priedades mecânicas, a regra da mistura nem sempre oferece uma boa aproxi-
mação. No caso da deformação plástica, dependendo da distribuição das
fases e da orientação das tensões aplicadas, pode-se assumir que:

σM = σ1 f1 + ... σi fi
ou

εM = ε1 f1 + ... εi fi
onde

σ representa as tensões e
ε representa as deformações.

Tenacidade

Freqüentemente, os materiais para aplicações estruturais precisam ofe-
recer não apenas altos limites de escoamento e de resistência, mas também

PROPRIEDADES MECÂNICAS 265

boa tenacidade. A tenacidade de um material é a sua capacidade para absor-
ver energia na região plástica. Uma maneira de se avaliar a tenacidade de um
material é através da área total sob a curva tensão versus deformação obtida
em um ensaio de tração. Esta área é uma indicação da quantidade de trabalho
por unidade de volume que pode ser realizado no material sem causar a sua
fratura. A tenacidade está relacionada tanto com a resistência quanto com a
ductilidade do material.

A tenacidade à fratura pode ser definida de uma maneira mais precisa
como sendo a habilidade do material em resistir à propagação instável de
uma trinca, quando submetido a um carregamento estático. Um parâmetro
muito utilizado para quantificar a tenacidade à fratura é o fator intensificador
de tensão crítico (KIC).

Infelizmente, aumentos de dureza, limite de escoamento e limite de
resistência, por meio, por exemplo, de modificações microestruturais, estão
freqüentemente associados com perdas de tenacidade. Cabe ao especialista
em materiais procurar a melhor combinação entre resistência mecânica e
tenacidade. A tabela 15.1 apresenta valores de limite de escoamento e de KIC
para alguns materiais de engenharia.

Tabela 15.1 — Valores de limite de escoamento (σ0,2)
e de tenacidade (KIC) para alguns materiais de engenharia.

Material σ0,2 (em MPa) KIC (em MNm-3/2)
Liga Al-4%Cu 405 26
Liga Al-3%Mg-7%Zn 500 25
Liga Ti-6%Al-1%V 850 60
Liga Ti-6%Al-4%V 1020 52
Aço inox. austenítico (18%Cr-8%Ni) 240 200
Aço inox. martensítico (12%Cr) 1550 50
Aço A533 (0,25%C e 1,3%Mn) 450 120
Aço maraging (18%Ni-8%Co-4%Mo) 1930 74
Alumina 275-550* 3,0-5,3
Vidro comum 69* 0,7-0,8
Polimetilmetacrilato (PMMA) 48-76** 1,0
Poliestireno (PS) 36-52** 0,8-1,1

* Módulo de ruptura (MOR)
** Resistência à tração

266 CAPÍTULO 15

Exercícios

1. Discuta a importância do escorregamento com desvio (“cross-slip”) de
discordâncias no encruamento dos metais puros e soluções sólidas.
2. Discuta o efeito da energia de defeito de empilhamento no encruamento
dos metais puros e soluções sólidas.
3. Por que o ferro encrua menos que o cobre?
4. Discuta o efeito da temperatura no encruamento dos metais e ligas.
5. Relacione a ocorrência de células de discordâncias durante a deformação
plástica com a energia de defeito de empilhamento.
6. Utilizando a teoria de discordâncias, dê pelo menos três razões para a
ocorrência de endurecimento por deformação.
7. A figura abaixo mostra a curva tensão versus deformação para um “whisk-
er” de cobre. Explique a queda da tensão (linha tracejada) com auxílio das
equações fundamentais da deformação plástica.

8. A figura na página seguinte apresenta a curva carga versus alongamento
para um aço baixo carbono recozido. Explique a queda da tensão com auxílio
das equações fundamentais da deformação plástica.
9. Quais as principais causas do endurecimento por solução sólida?
10. Considere um aço inoxidável austenítico contendo 19% Cr e 11% Ni.
Discuta e compare os efeitos das adições de 1% em átomos de molibdênio e

PROPRIEDADES MECÂNICAS 267

de 1% em átomos de carbono no limite de escoamento, no encruamento e no
limite de resistência. Considere os átomos em solução sólida.
11. A figura abaixo apresenta curvas tensão versus deformação (somente a
parte plástica) para ferro policristalino recozido contendo baixo teor de car-
bono. Explique a ocorrência de serrilhado (efeito Portevin-Le Chatelier) em
algumas temperaturas.

12. Apresente curvas tensão versus deformação esquemáticas obtidas em
ensaio de tração para o cobre e o latão Cu-30% Zn. Justifique as diferenças.
13. Quais as características da partícula no endurecimento por precipitação
coerente?
14. Quais as características da partícula no endurecimento por dispersão?
15. Apresente em um mesmo gráfico curvas tensão versus deformação esque-
máticas para o alumínio, a alumina e o polietileno.
16. Discuta as diferenças entre a ocorrência de estricção no ensaio de tração
de um metal dúctil e de um polímero termoplástico parcialmente cristalino.

268 CAPÍTULO 15

17. Discuta os mecanismos de aumento de resistência mecânica dos vidros.
18. Suponha um material compósito constituído de 85% em peso do carbone-
to WC em uma matriz de cobalto metálico. Discuta a validade da regra da
mistura para a previsão da densidade e da dureza do compósito a partir dos
valores destas propriedades dos componentes.
19. Em geral, tratamentos térmicos que causam aumentos de dureza, limite
de escoamento e limite de resistência, acarretam perda de tenacidade. Justifi-
que.

Bibliografia consultada

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

ERHARD HORNBOGEN; Werkstoffe, Fünfte Auflage, Springer-Verlag, Berlin,
1991.

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

R. W. K. HONEYCOMB; The plastic deformation of metals, Second Edition,
Edward Arnold, London, 1985.

JOHN W. MARTIN; Micromechanisms in particle-hardened alloys, Cambridge Uni-
versity Press, Cambridge, 1980.

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.

ECKARD MACHERAUCH; Praktikum in Werkstoffkunde, 10. Auflage, Friedr. Vi-
eweg & Sohn, Braunschweig, 1992.

PROPRIEDADES MECÂNICAS 269

Propriedades Elétricas

Neste capítulo serão discutidas as propriedades elétricas dos materiais.
Serão abordadas a condutividade (resistividade) elétrica, a supercondutivida-
de, a termoeletricidade, a ferroeletricidade e a piezoeletricidade. As proprie-
dades elétricas serão relacionadas com a estrutura e a microestrutura dos
materiais. Até agora neste texto, quando a palavra estrutura foi mencionada
referia-se à estrutura cristalina e na maioria dos casos, os átomos eram consi-
derados esferas rígidas. Neste capítulo, o conceito de estrutura será estendido
para o nível sub-atômico e serão introduzidos conceitos como estrutura ele-
trônica, níveis de energia e bandas de energia.

Condutividade elétrica

Por volta de 1820, os físicos já podiam produzir e detectar correntes
elétricas. Eles podiam também medir as diferenças de potencial que as causa-
vam. Além disto, eles já conseguiam quantificar a resistência elétrica dos
materiais condutores. Em 1827, o físico alemão Georg Simon Ohm (1787-
1854) formulou a lei que relaciona a diferença de potencial (U), a resistência
elétrica (R) e a corrente elétrica (i):

U = Ri

A diferença de potencial é medida em Volts (V) ou em J/C, a corrente é
medida em Ampères (A) ou em C/s e a resistência elétrica é medida em
Ohms (Ω) ou em V/A.

O valor de R depende do material e da geometria do condutor e é para
muitos materiais independente da corrente elétrica.

16

271

A resistividade elétrica (ρ) é uma propriedade do material e está relaci-
onada com a resistência elétrica da seguinte maneira:

ρ = R Al

onde
A é a área da secção reta perpendicular