Ciencia e Tecnologia dos Materiais - Introduçao aos materiais e Características Mecanicas

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Características exigidas nos materiais 
utilizados em Engenharia 
(propriedades mecânicas, térmicas, químicas e ópticas)
Disciplina: Ciência e tecnologia dos materiais
Prof. Me. Jeferson S. Santana
Introdução
• Os materiais estão intimamente ligados à
existência e a evolução da espécie humana.
Desde o início da civilização, os materiais e a
energia são usados com o objetivo deenergia são usados com o objetivo de
melhorar o nível de vida do ser humano.
Dentre os materiais mais comuns pode-se
citar: madeiras, cimento, pedra, aço, plástico,
vidro, borracha, alumínio, cobre e papel.
Fonte: http://www.ctb.com.pt/?page_id=455
A produção e transformação de materiais em bens acabados constituem uma das mais
importantes atividades de uma economia moderna. Um produto, para ser manufaturado,
requer uma etapa de planejamento de seu processo de produção. Nesta etapa são selecionados
diversos materiais, de acordo com custos e, principalmente, com as necessidades técnicas
exigidas. A elaboração desta etapa exige que o responsável pela mesma tenha noção das
estruturas internas dos materiais, pois o conhecimento das mesmas, aos níveis
submicroscópicos, permite prever o comportamento do material em serviço, bem como
possibilita programar e controlar suas propriedades e características
Os materiais são analisados e desenvolvidos dentro
do ramo do conhecimento denominado de “Ciência e
Engenharia de Materiais”, o qual tem como meta
principal a geração e emprego de conceitos
envolvendo composição química, arranjo atômico e
processamento dos materiais com suas
características e empregos. A ciência dos materiais
está associada a geração de conhecimento básico
sobre a estrutura interna, propriedades e
processamento de materiais. Ela tem ainda comoprocessamento de materiais. Ela tem ainda como
objetivo, compreender a natureza dos materiais,
estabelecendo conceitos e teorias que permitam
relacionar a estrutura dos materiais com suas
propriedades e comportamento.
Fonte: http://www.utsi.edu/library/material.htm
Fonte: http://yoursanjoseroofingcontractors.com/residential/ e http://mydtwebsite.co.uk/types-of-plastic.html 
Tabela 1 – Aplicações, propriedades e exemplos representativos para cada categoria de materiais
Exemplos de aplicações Propriedades
Metais e ligas
Cobre Fios elétricos Alta condutividade elétrica, boa conformabilidade
Ferro fundido cinzento Blocos de motores para automóveis Fundibilidade, usinabilidade, amortecimento de vibrações
Aços-liga Ferramentais, chassis de automóveis Endurecibilidade por tratamento térmico
Cerâmicas e Vidros
SiO2-Na2O-CaO Vidro para janelas Transparência óptica, isolamento térmico
Al2O3, MgO, SiO2 Refratários (revestimento resistente ao calor
para fornos de fusão)
Isolamento térmico, refratariedade, inércia química
Titanato de bário Capacitores para microeletrônica Grande capacidade de armazenamento de cargas elétricas
Sílica Fibras ópticas para a tecnologia da
informação
Índice de refração adequado, baixas perdas ópticas
PolímerosPolímeros
Polietileno Embalagens para alimentos Facilidade de ser moldado para produzir filmes finos, flexibilidade e
hermetismo
Epóxi Encapsulamento de circuitos integrados Isolante elétrico e resistência à umidade
Fenólicos Adesivos para união de camadas de
compensado
Resistência mecânica e à umidade
Semicondutores
Silício Transistores e circuitos integrados Resposta elétrica específica
GaAs Sistemas opto-eletrônicos Conversão de sinais elétricos em luz, lasers, diodos laser etc.
Compósitos
Epóxi reforçado com carbono Componentes para aviação Elevada razão resistência-peso
Liga de cobalto reforçada com
carbeto de tungstênio (WC-Co)
Ferramentas de corte de carbeto para
usinagem
Elevada dureza conjugada com boa resistência a choques
Aço revestido com titânio Vasos para reatores Baixo custo e associação de alta resistência do aço com a elevada
resistência à corrosão do titânio
PROPRIEDADES MECÂNICAS
Fonte: http://geology.com/minerals/mohs-hardness-scale.shtml
• Para o estudo dos ensaios mecânicos são
necessários previamente o entendimento e o
conhecimento de alguns conceitos importantes.
Todo material sólido quando submetido a
esforços externos tem a capacidade de deformar-esforços externos tem a capacidade de deformar-
se. As propriedades mecânicas dos materiais
definem o comportamento do material (resposta)
quando sujeito a cargas externas, sua capacidade
de resistir ou transmitir esses esforços sem se
fraturar ou deformar de forma incontrolada.
Ensaio de Tração
• Uma amostra é deformada, geralmente até a sua
fratura, mediante uma carga de tração
gradativamente crescente que é aplicada
uniaxialmente ao longo do eixo mais comprido de
um corpo de prova. Um corpo de prova padrão
empregado em ensaios de tração
um corpo de prova. Um corpo de prova padrão
empregado em ensaios de tração
• O diâmetro padrão é de aproximadamente 12,8 mm
(0,5 pol.), enquanto o comprimento da seção reduzida
deve ser de pelo menos quatro vezes esse diâmetro; é
comum ser de 60 mm (2 1/4 pol.).
• O corpo de prova é preso pelas suas extremidades nas• O corpo de prova é preso pelas suas extremidades nas
garras de fixação do dispositivo de testes. A máquina
de ensaios de tração é projetada para alongar o corpo
de prova a uma taxa constante, além de medir
contínua e simultaneamente a carga instantânea
aplicada (com uma célula de carga) e os alongamentos
resultantes (usando um extensômetro).
• onde F é a carga instantânea aplicada em uma direção perpendicular à seção reta
da amostra, em unidades de newton (N) ou libras-força (lbf), e A0 representa a área
da seção reta original antes da aplicação de qualquer carga (m2 ou pol.2). As
unidades da tensão de engenharia (doravante chamada somente por tensão) são
megapascals, MPa (SI) (onde 1 MPa = I06 N/m2), e libras-força por polegada
quadrada, psi (Unidade Usual nos Estados Unidos). A deformação de engenharia e
é definida de acordo com a expressão é definida como a força por unidade de área
e é expressa em livras por polegadas quadrada (psi – pounds per square inch) ou
em quilogramas força por centímetro quadrado (kgf/cm2) ou por milímetro
quadrado (kgf/mm2). A tensão é calculada simplesmente dividindo-se a força pela
área na qual atua.
• 1 lbf vale 4,45N (F = m.a)
Exercício Proposto
• Qual a peça solicitada por maior tensão:
– (a) uma barra de alumínio, de seção reta 0,97mm x
1,21mm solicitada por uma carga de 16.750kgf
– (b) uma barra de aço de seção circular de diâmetro
0,505mm sob uma carga de 10.800kgf?
Deformação
• onde l0 é o comprimento original antes de qualquer
carga ser aplicada, e li, é o comprimento instantâneo.
Algumas vezes a grandeza li — l0 é simbolizada por Al, e
representa o alongamento da deformação ou a
variação no comprimento a um dado instante,
conforme referência ao comprimento original. Aconforme referência ao comprimento original. A
deformação de engenharia não possui unidades,
porém "metros por metro" ou "polegadas por
polegada" são usadas com freqüência; o valor da
deformação é, obviamente, independente do sistema
de unidades. Algumas vezes a deformação também é
expressa como uma porcentagem, onde o valor da
deformação é multiplicado por 100.
Exercício:Exercício:
Em uma haste de cobre são marcados dois traços
que distam entre si 50mm. A haste é tensionada
de forma que a distancia entre os traços passa a
ser de 56,7mm/. Calcular a deformação.
Deformação Elástica
• A deformação elástica é
reversível; desaparece
quando a tensão é
removida. Aremovida. A
deformação elástica é
praticamente
proporcional à tensão
aplicada.
• O módulo de elasticidade (módulo de Young) é o
quociente entre a tensão aplicada e a deformação
elástica resultante. Ele está relacionado com a
rigidez do material. O módulo de elasticidade
resultante de tração ou compressão é expresso
em psi ou em kgf/mm2
σ = E.εσ = E.ε
• Esta relação é conhecida por lei de Hooke, onde ε
é a deformação específica (adimensional) e E é o
módulo de elasticidade, ou módulo de Young(GPa ou psi). Para a maioria dos metais típicos, a
magnitude desse módulo varia entre 45 GPa (6,5
X 106 psi), para o magnésio, e 407 GPa (59 X 106
psi), para o tungstênio
• Existem alguns materiais (por exemplo, ferro
fundido cinzento, concreto e muitos polímeros)
para os quais essa porção elástica inicial da curva
tensão-deformação não é linear (Fig. 6.6); assim,
não é possível determinar um módulo de
elasticidade conforme aquele descrito acima. Para
esse comportamento não-linear, utiliza-se
normalmente um módulo tangencial ou um
esse comportamento não-linear, utiliza-se
normalmente um módulo tangencial ou um
módulo secante. O módulo tangencial é tomado
como sendo a inclinação da curva tensão-
deformação em um nível de tensão específico,
enquanto o módulo secante representa a
inclinação de uma secante tirada desde a origem
até algum ponto específico sobre a curva.
Exemplo
• Se o módulo médio de elasticidade de um aço
é 21000 kgf/mm2, quanto se elongará um fio
de 0,25cm de diâmetro e de 3m de
comprimento, quanto solicitado por uma carga
de 500kgf?de 500kgf?
Deformação Plástica 
• Deformação plástica é a deformação permanente
provocada por tensões que ultrapassam o limite de
elasticidade. A deformação plástica é o resultado de um
deslocamento permanente dos átomos que constituem o
material e, portanto, difere da deformação elástica onde os
átomos mantém suas posições relativas
• Para a maioria dos materiais metálicos, o regime elástico
persiste apenas até deformações de aproximadamente
0,005. À medida que o material é deformado além deste
ponto, a tensão não é mais proporcional à deformação (a lei
de Hooke deixa de ser válida), ocorrendo então uma
deformação permanente e não recuperável, ou deformação
plástica.
Ductibilidade
• Ductibilidade é a deformação plástica total até o ponto
de ruptura. Assim sendo, o seu valor pode ser
expresso como alongamento e nas mesmas unidades
de deformação. Um comprimento comum (embora
não universal) para uma segunda medida da
ductibilidade é a estricção que é a redução na área daductibilidade é a estricção que é a redução na área da
seção reta do corpo, imediatamente antes da ruptura.
Relações tensão-deformação
• A maioria das estruturas são projetadas para
assegurar que apenas uma deformação elástica
irá resultar quando da aplicação de uma tensão.
Torna-se então desejável conhecer o nível de
tensão onde a deformação plástica tem início, ou
onde ocorre o fenômeno do escoamento. Para
tensão onde a deformação plástica tem início, ou
onde ocorre o fenômeno do escoamento. Para
metais que experimentam essa transição
elastoplástica gradual, o ponto de escoamento
pode ser determinado como sendo o ponto onde
ocorre o afastamento inicial da linearidade na
curva tensão-deformação; este é algumas vezes
chamado de limite de proporcionalidade
Dureza
Dureza - Introdução
• A dureza é definida pela resistência da superfície do material à
penetração. Como se pode esperar, a dureza e a resistência à tração
estão intimamente relacionadas. A escala Brinell de dureza (BNH –
Brinell hardness number) é um índice de medida da dureza,
calculado a partir da área de penetração de uma bilha no material.
A penetração desta bilha, que é uma esfera de aço duro ou de
carbeto de tungstênio, é feita mediante uma força padronizada. Acarbeto de tungstênio, é feita mediante uma força padronizada. A
escala Rockwell de dureza, outra das mais comuns escalas de
dureza usadas em engenharia, está relacionada ao BNH, mas é
medida pela profundidade de penetração de uma pequena bilha
padronizada. Muitas escalas Rockwell foram estabelecidas para
materiais com diferentes faixas de dureza; estas escalas diferem
entre si nas dimensões da bilha e na carga de penetração Pequena
esfera de pedra, mármore, marfim. Pequena esfera de aço para
diminuir o atrito nos rolamentos: roda de bilhas.
• Os ensaios de dureza são realizados com mais
freqüência do que qualquer outro ensaio
mecânico por diversas razões:
– 1. Eles são simples e baratos — normalmente,
nenhum corpo de prova especial precisa ser
preparado, e os equipa mentos de ensaio são
relativamente baratos.relativamente baratos.
– 2. O ensaio é não-destrutivo — o corpo de prova não
é fraturado, tampouco é excessivamente deformado;
uma peque na impressão é a única deformação.
– 3. Outras propriedades mecânicas podem, com
freqüência, ser estimada a partir de dados obtidos
para ensaios de dureza, tais como o limite de
resistência a tração
Escala Mohs
Propriedades Térmicas
• É extremamente importante a distinção entre 
calor e temperatura. Temperatura é um nível 
de atividade térmica enquanto que calor é a 
energia térmica. Em engenharia são energia térmica. Em engenharia são 
comumente utilizadas duas escalas para medir 
temperatura: Fahrenheit e Celsius.
⁰F = 1.8. ⁰C + 32 ou ⁰C = 5/9 (⁰F – 32)
Calor é expresso em “Btu”, na escala inglesa e em calorias
no sistema métrico. Um Btu é a energia requerida para
aumentar de 1⁰F a temperatura de uma libra de água, na
temperatura de maior densidade da água (39⁰F).
Portanto, as unidades para capacidade térmica são
Btu/lb.⁰F no sistema inglês ou cal/g.⁰C no sistema
métrico. O calor específico de um material é definido
como sendo o quociente entre a capacidade térmica do
material e a da água. Vários calores de transformação sãomaterial e a da água. Vários calores de transformação são
importantes no estudo de materiais. Os mais conhecidos
deles são o calor latente de fusão e o calor latente de
vaporização, que são calores requeridos, respectivamente,
para fusão e vaporização
Observações:
Btu = British termal unit
1 libra averdupois (libra internacional) vale 0,45359237 kg
Descontinuidades na variação do volume com
a temperatura ocorrem com mudanças de
estado, porque há uma alteração no arranjo
dos átomos e moléculas do material. Aqui,
como no caso da deformação mecânica,
temos dois tipos de mudanças estruturais: umtemos dois tipos de mudanças estruturais: um
tipo, onde as mudanças são aquelas em que
os átomos vizinhos de um determinado átomo
permanecem sendo os mesmos e outro, em
que os átomos ou moléculas são rearranjados
Propriedades elétricas
• A mais conhecida propriedade elétrica de um
material é a resisitividade. É expressa em Ohm.cm
(ou Ohm.pol) e está relacionada com as unidades
comuns de resistência, como se segue:
Exercício Proposto
O cobre tem uma resistividade de 1,7x10-
6ohm.cm. Qual é a resistência de um fio com
0,1cm de diâmetro e 30m de comprimento?
Propriedades Químicas
Quase todos os materiais usados pelos engenheiros
são susceptíveis de corrosão por ataque químico.
Para alguns materiais, a solubilização é importante.
Em outros casos, o efeito da oxidação direta de um
metal ou de um material orgânico como a borracha émetal ou de um material orgânico como a borracha é
o mais importante. Além disso, a resistência do
material à corrosão química, devido ao meio
ambiente, é da maior importância. A atenção que
damos aos nossos automóveis é um exemplo óbvio
da nossa preocupação com a corrosão
Propriedades Ópticas
Embora entre as propriedades ópticas importantes para a
engenharia se incluam o índice de refração, a absorção e a
emissividade, apenas a primeira delas será discutida aqui,
porque as outras duas já são mais especializadas. O índice
de refração n é a razão entre a velocidade da luz no vácuo cde refração n é a razão entre a velocidade da luz no vácuo c
e a velocidade da luz no material, Vm:
O índice pode ser expresso em termos do ângulo de
incidencia i e o ângulo de refração r:
Custo
Embora certamente o custo não seja uma
propriedade intrinsica ao material frequentemente, é
o fator determinante na seleção de um certo material
para uma dada aplicação. O custo é usualmente
expresso em valor por quilograma ou por peça, masexpresso em valor por quilograma ou por peça, mas
um índice mais significativo é o custo por unidade de
vida útil. É muitas vezes, vantajoso pagar-se mais por
quilograma ou por peça, se isto implicar em um
aumentoda vida e uma diminuição dos custos de
manutenção e substituição
REFERÊNCIAS
• MIRANDA, Paulo E. V. Propriedade Mecânicas: O
ensaio de tração uniaxial. Apresentaçao UFRJ
• VLACK, Lawrence H. V.. Princípios de ciências dos
materiais. 1ª. Edgard Blucher: São Paulo, 2000.materiais. 1ª. Edgard Blucher: São Paulo, 2000.
• JUNIOR, Willian D. C.. Ciência e engenharia de
materiais: Uma introduçao. 5ª. LTC: São Paulo, 1999