Materiais de Engenharia
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o precipitado e
a matriz são cristalograficamente possíveis. Neste caso, o aparecimento da
partícula se dá por precipitação no estado sólido. Nos estágios iniciais da
precipitação, os precipitados são completamente coerentes, com o decorrer
do tempo de tratamento térmico tornam-se maiores e semi-coerentes e final-
mente incoerentes.

A figura 15.3 apresenta o mecanismo de Orowan para o endurecimento
por dispersão de partículas incoerentes.

A equação que descreve o endurecimento pelo mecanismo de Orowan é
a seguinte:

σ = σ0 + K4 G
b
λ

PROPRIEDADES MECÂNICAS 257

onde
K4 é uma constante e
λ é o espaçamento médio entre as partículas.

O endurecimento por dispersão é proveniente do aumento de tensão
necessária para encurvar a discordância entre os precipitados e a formação
dos anéis é responsável pela alta taxa de encruamento das ligas com disper-
são de precipitados.

A figura 15.4 ilustra de forma esquemática o cisalhamento de uma
partícula causado pela passagem de uma discordância.

O endurecimento por precipitação coerente tem várias causas: aumento
da área de interface causado pelo cisalhamento da partícula, criação de um
contorno de antifase dentro da partícula (no caso da partícula ser uma fase
ordenada), tensões de coerência, diferença de módulo de elasticidade entre a

Figura 15.3 — Mecanismo de Orowan para a interação de discordância
com partículas incoerentes. Observe a formação de

anéis ao redor das partículas.

Figura 15.4 — Cisalhamento de uma partícula
causado pela passagem de uma discordância.

258 CAPÍTULO 15

matriz e o precipitado e diferença de força de Peierls-Nabarro na matriz e no
precipitado. Para cada uma destas causas pode-se deduzir uma equação. Por
outro lado, uma fórmula geral aproximada que engloba todos os efeitos men-
cionados é a seguinte:

σ = σ0 + K5 rm (Vv)n

onde
K5, m e n são constantes positivas;
r é o raio médio dos precipitados e
Vv é a fração volumétrica dos mesmos.

Dentre os mecanismos de endurecimento mencionados, o mais efetivo é
o endurecimento por precipitação coerente. Infelizmente, os sistemas que
apresentam endurecimento por precipitação coerente são pouco freqüentes.

Finalmente, é importante destacar que a obtenção de ligas de alta resis-
tência mecânica envolve a combinação de vários mecanismos de endureci-
mento.

Propriedades mecânicas dos materiais cerâmicos

Os materiais cerâmicos, de uma maneira genérica, apresentam alto mó-
dulo de elasticidade, são frágeis e muito duros. A resistência à tração dos
materiais frágeis é muito menor que as respectivas resistência à compressão e
módulo de ruptura (MOR). O alongamento plástico da maioria dos materiais
cerâmicos na temperatura ambiente é praticamente desprezível. Por outro
lado, alguns monocristais como por exemplo NaCl, MgO e KBr apresentam
considerável alongamento plástico quando ensaiados em flexão. O alonga-
mento plástico dos materiais cerâmicos cresce com o aumento da temperatu-
ra de ensaio, conforme ilustra a figura 15.5.

Muitos materiais cerâmicos quando ensaiados em altas temperaturas e
com cargas baixas (e constante) deformam-se plasticamente por fluência.

A presença de fase vítrea e porosidade nas cerâmicas tradicionais reduz
consideravelmente a resistência mecânica. Por exemplo, a resistência mecâ-
nica da alumina contendo 25% em volume de poros é cerca de um terço da
resistência mecânica da mesma alumina contendo 5% de porosidade.

PROPRIEDADES MECÂNICAS 259

As fibras de vidro apresentam um comportamento mecânico pouco usu-
al, quando comparado com amostras “normais”, isto é, com diâmetro supe-
rior a 1mm. A resistência mecânica das fibras aumenta acentuadamente com
a diminuição do diâmetro das mesmas (vide figura 15.6). A explicação para
este comportamento é que a diminuição da secção da fibra faz com que as
dimensões e o número dos defeitos superficiais diminuam. Fibras com diâ-
metro por volta de 1µm têm resistência mecânica próxima da resistência
mecânica teórica. As fibras de vidro são muito utilizadas como reforço nos
materiais compósitos de matriz polimérica. De uma maneira geral, os meca-
nismos de aumento de resistência dos vidros envolvem a diminuição de de-
feitos superficiais e a introdução de tensões de compressão na superfície.

Propriedades mecânicas dos materiais poliméricos

Os materiais poliméricos apresentam comportamento mecânico pouco
uniforme. Por exemplo, um material termorígido ou um termoplástico vítreo
(como o poliestireno) apresentam um comportamento tão frágil que lembra o
comportamento mecânico de um material cerâmico. Por outro lado, os mate-
riais termoplásticos parcialmente cristalinos apresentam curvas de tensão ver-
sus deformação no ensaio de tração que lembram os metais dúcteis. Já os
elastômeros apresentam um comportamento atípico. Eles apresentam uma

Figura 15.5 — Efeito da temperatura na curva tensão versus
deformação do cloreto de sódio policristalino com

tamanho de grão constante (d = 200 µm).

260 CAPÍTULO 15

região elástica muita extensa. Além disto, esta região elástica não é totalmen-
te linear, ao contrário da maioria dos sólidos. Estes três tipos de comporta-
mento são ilustrados na figura 15.7. A curva A é típica de uma resina termorí-
gida, a curva B é típica de um termoplástico parcialmente cristalino e a curva
C é típica de um elastômero. Além dos diferentes níveis de alongamento, o
leitor deve observar os diferentes níveis de resistência dos três materiais.

Figura 15.6 — Variação do limite de resistência em
função do diâmetro para fibras de vidro (segundo E. Hornbogen).

Figura 15.7 — Curvas tensão versus deformação obtidas no ensaio de tra-
ção de diferentes tipos de polímeros: comportamento frágil (A), comporta-
mento dúctil (B) e comportamento elástico (C),(segundo W.D. Callister Jr.).

PROPRIEDADES MECÂNICAS 261

O comportamento mecânico dos polímeros termoplásticos parcialmente
cristalinos apresenta aspectos e particularidades que devem ser esclarecidos.
A figura 15.8 apresenta uma curva tensão versus deformação típica deste tipo
de material. Observe que o ponto de máximo está associado com o início da
estricção, a qual propaga-se ao longo do corpo de prova à medida que o
ensaio prossegue.

O início da estricção na curva da figura 15.8 está associado com a
distribuição de tensões e com as condições de instabilidade ao longo do
corpo de prova. Na região da estricção, as cadeias ficam orientadas e o
material torna-se mais resistente à deformação.

O efeito da temperatura no comportamento mecânico dos diferentes
tipos de materiais poliméricos será discutido em seguida.

A figura 15.9 mostra o efeito da temperatura na resistência mecânica e
no alongamento de um polímero termorígido. Conforme esperado, o aumento
da temperatura tem efeito desprezível no comportamento mecânico de um
termorígido. A temperatura máxima de uso é limitada pela temperatura de
decomposição (Td).

A figura 15.10 ilustra o acentuado efeito da temperatura no comporta-
mento mecânico de um elastômero. Observe que a temperatura de transição
vítrea (Tg) define a faixa de uso deste tipo de material, pois abaixo de Tg o
elastômero é duro e frágil. As temperaturas Tg dos elastômeros estão bem
abaixo da temperatura ambiente.

Figura 15.8 — Curva tensão versus deformação para um polímero
termoplástico parcialmente cristalino (esquemática).

262 CAPÍTULO 15

A figura 15.11 ilustra o efeito da temperatura no comportamento mecâ-
nico de um polímero termoplástico totalmente amorfo. Neste caso, a tempe-
ratura máxima de uso é definida pela temperatura de transição vítrea. Os
valores de Tg para esta classe de polímeros situam-se na faixa de 70 a 150°C.

A figura 15.12 ilustra o efeito da temperatura no comportamento mecâ-
nico de um polímero parcialmente cristalino. Neste caso a temperatura míni-
ma de uso é definida pelo valor de Tg e a temperatura máxima de uso é
definida