Apostila-Introduçao_aos_Mater

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Introdução aos Materiais – E.Becker / P.Bonfim
Estrutura
Quando se resolve produzir alguma coisa é necessário escolher os materiais disponíveis e apropriados ao uso, seja uma casa, uma ponte, um veículo ou um computador. Estes materiais estão relacionados com suas propriedades e características.
Por exemplo, para fazer um carro é necessário: ferro, aço, vidro, plástico e borracha.
A escolha do material tem a ver com as propriedades como: resistência mecânica, condutividade térmica e elétrica, densidade e outras.
Outras características são importantes como: facilidade de manuseio, custo, durabilidade e disponibilidade. Rotineiramente assumimos que os materiais se comportam de forma homogênea e isotrópica no que concerne a suas propriedades. Porem sabemos que na prática, isto não ocorre.
- Material homogêneo: possui as mesmas propriedades físicas e mecânicas em todo o seu volume. Ex. Uma tábua de madeira.
- Material isotrópico: possui essas mesmas propriedades em todas as direções. Ex. Uma barra de alumínio.
Algumas propriedades dos materiais podem ser consideradas mais importantes que outras dependendo da forma de utilização. No caso de projetos de elementos ou máquinas complexas, as principais características a serem determinadas seriam quanto as propriedades mecânicas do material do qual equipamento ou dispositivo será construído.
Exemplos:
	Material
	Característica
	Aplicação
	cobre
	alta condutividade
	fios elétricos
	ferro fundido
	amortece vibrações 
	bloco de motores
	vidro
	transparência / isolamento
	janelas
	cerâmica
	resiste ao calor
	isolamento térmico
	polietileno
	flexibilidade / hermetismo
	embalagens
	epóxi
	resistência à umidade
	cápsulas p/ eletrônicos
	liga metálica cobalto-tungstênio
	elevada dureza e resistente à choques
	ferramentas de corte
No quadro abaixo podemos ver a causa de falhas determinadas em várias investigações:
	Origem
	%
	Troca equivocada de materiais 
	2
	Impropriedades na inspeção ou controle de qualidade 
	3
	Controle inadequado das condições de trabalho 
	6
	Condições imprevistas de operação 
	8
	Falha de projeto 
	11
	Tratamento térmico inadequado 
	15
	Defeitos de fabricação 
	15
	Seleção incorreta de materiais 
	38
No próximo quadro observamos mecanismos causadores de falhas industriais em plantas:
	Mecanismo
	%
	Corrosão
	29
	Fadiga 
	25
	Fratura frágil
	16
	Sobrecarga 
	11
	Corrosão em alta temperatura 
	7
	Corrosão combinada com fadiga
	6
	Desgaste
	6
As propriedades mecânicas de um material são geralmente determinadas por meio de testes destrutivos ou não destrutivos (para alguns casos) de amostras sob condições controladas. Dentre varias condições de controle, podemos ressaltar o controle da temperatura, umidade do ar, velocidade de carregamento, carga aplicada, tempo de ensaio entre outros.
Há inúmeros tipos de ensaios que os materiais podem ser submetidos, sendo que em muitos casos um mesmo teste pode fornecer dados sob uma ou mais propriedades mecânicas. Porém, por melhor que seja as condições do ensaio, o resultado obtido não refletirá exatamente o que você obterá quando o projeto for colocado em serviço.
A única forma de solucionar esta situação seria ensaiando um protótipo real do sistema que você projetou, porém em muitos casos isto não seria possível (Inviável financeiramente). Vale lembrar que é responsabilidade do engenheiro garantir a segurança de seu projeto.
Ex.: Fabricantes de aviões, automóveis entre outros testam o conjunto acabado sob condições de serviços reais ou simuladas. Hoje em dia, empresas fornecedoras de materiais realizam testes internos de qualidade dos materiais e oferecem ao mercado produtos com garantia ou selos de qualidade. Esta garantia informa por exemplo, valor mínimo de determinadas propriedades que um determinado material apresenta. Na ausência ou impossibilidade de realizar tais testes específicos, o engenheiro deve adaptar e aplicar dados de propriedades dos materiais publicados de testes padronizados para a situação específica. Diversas associações definiram normas para testar amostras e procedimentos de testes para uma variedade de medidas de propriedades de materiais (ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas, ASTM - American Society for Testing and Materials).
Dentre os principais ensaios realizados, iremos ressaltar alguns que são normalmente realizados na determinação das propriedades dos metais (ferrosos e não ferrosos), principal matéria prima utilizada para a construção de equipamentos e dispositivos:
Ensaio de Tração; Ensaio de Compressão, Ensaio de Flexão, Ensaio de Torção e Ensaio de Dureza.
Estrutura interna –
Cada material possui uma estrutura interna que lhe confere as propriedades macroscópicas. É importante se manter atualizado quanto às novidades que surgem a cada dia. A estrutura interna não está relacionada apenas quanto aos átomos, mas também como estes se associam aos vizinhos em cristais, moléculas e microestruturas.
Processamento –
Os materiais devem passar por processos para atingir a especificação desejada. Materiais extremamente duros destroem as ferramentas ou extremamente resistentes não sofrem deformações plásticas.
Certos processos aumentam a resistência dos materiais, como por exemplo, um fio de cobre se for trefilado ele endurece e isto é indesejável. Já um arame de aço para construção de pneus é necessário que seja endurecido. Outro processo bastante utilizado é o processamento térmico que inclui o recozimento em altas temperaturas e o resfriamento rápido, modificando a estrutura interna.
Comportamento em serviço –
Um material em sua forma acabada possui um conjunto de propriedades: resistência, dureza, condutividade, densidade, cor etc. Dependendo das condições de serviço ele está sujeito a alterar sua estrutura interna. 
borracha – endurece quando exposta à luz
alumínio – se rompe com um carregamento cíclico
semicondutor – é danificado pela radiação nuclear
pvc – perde a plasticidade quando exposto ao ultravioleta
Comportamento mecânico 
Deformação –
A deformação ocorre quando forças são aplicadas a um material. A deformação relativa inicial é proporcional à tensão. 
As propriedades mecânicas podem ser avaliadas através de ensaios mecânicos.
Os ensaios mecânicos permitem a determinação de propriedades mecânicas que se referem ao comportamento do material sob a ação de esforços e que são expressas em função de tensões e/ou deformações.
Tensão representa a resposta interna aos esforços externos que atuam sobre uma determinada área em um corpo. A tensão tem portanto as dimensões de pressão e pode ser definido como:				σ = F / A
A tensão (σ) é a relação entre uma força (F) e uma unidade de área(A). 
A unidade de força adotada pelo Sistema Internacional de Unidades(SI) é o newton (N), a área em metro quadrado (m2) e a tensão em pascal (Pa) ou em mega pascal (Mpa).
1 kgf = 9,8 N
1 MPa = 106 Pa 
Corpo de Prova Cilíndrico
 
F
A
0
L
0
Exemplo: 
Qual a peça que está submetida à maior tensão?
 
a) Uma barra de alumínio de 24,6 mm x 30,7 mm de seção transversal, sob a ação de 7.640 kg ou 
b) uma barra circular de aço com diâmetro de 12,8 mm, sob a ação de uma carga de 5.000 kg
a) σa = (7640) x (9,8) = 99,17 MPa			A = π.R2 = π/4.D2
 (0,0246) x (0,0307)
b) σb = (5.000) x (9,8) = 381,02 MPa
 (π/4) x (0,0128)2
	
Representação esquemática de um ensaio de tração + Extensômetro
Carga
Garra
Corpo de 
prova :
 Barra cilíndrica de Alumínio
Diâmetro
Travessão Móvel
Comprimento útil
Garra
O carregamento é quase estático 
 O travessão des
c
e com velocidade constante.
Deformação elástica - quando a tensão cessa a deformação é reversível.
Deformação plástica - as tensões mais altas provocam deslocamento de átomos, causando deformação permanente.
Ductilidade – é a capacidade do material em sofrer alongamento quando sujeito à tensão. A propriedade inversa é tratada como fragilidade (material pouco dúctil).
Estricção – é amedida da contração do material que precede a fratura. 
Corpo de prova – um material que será testado sofrendo tensão simulando uma situação real.
Ruptura – é a completa separação do corpo de prova em duas partes.
Limite de escoamento – é a tensão máxima que o material suporta como deformação elástica, após este ponto a deformação é permanente.
Limite de resistência – é a maior tensão que o material suporta, após este ponto a resistência diminui até que ocorra a ruptura.
 
O gráfico (a) representa a deformação de materiais pouco dúcteis sem deformação plástica, como o ferro fundido.
O gráfico (b) mostra o ponto de escoamento definido, como o aço de baixo carbono.
O gráfico (c) um material dúctil sem ponto de escoamento definido, como o alumínio.
Curva Tensão-Deformação
Essa curva é obtida feitas as medidas do ensaio mecânico e guardam uma série de informações fundamentais das propriedades mecânicas do material ensaiado.
 
Deformação - 
Tensão 
Início do processo de ruptura
Região de comportamento elástico
A
B
U
F
Ruptura total
o
Essa curva clássica possui 4 regiões com comportamentos distintos:
AO – região de comportamento elástico ; 
AB – região de deslizamento de discordâncias (escoamento); 
BU – região de encruamento uniforme ; 
UF - região de encruamento não uniforme .
Para um material de alta capacidade de deformação permanente, o diâmetro do corpo de prova começa a decrescer rapidamente ao se ultrapassar a tensão máxima (ponto U), assim, a tensão necessária para continuar deformação diminui até a ruptura total.
Deformação em engenharia (e) ou simplesmente deformação é calculada pela seguinte equação:
 e = Lf – L0 = ∆L / L0
 L0
Exemplo: Suponha que você quer saber a deformação sofrida por um corpo de 12 mm que, submetido a uma força axial de tração, ficou com 13,2 mm de comprimento.
 e = 13,2 – 12 = 1,2 = 0,1 mm / mm
 12 12
Pode ser representada de forma percentual multiplicando por 100:
 0,1 X 100 = 10 %
O Módulo de Young (E) fornece a indicação da rigidez do material e depende fundamentalmente das forças de ligação interatômicas. Isso é explicado pelo fato de E ser inversamente proporcional à temperatura. Ele é calculado diretamente da região elástica do gráfico tensão-deformação, que é a região linear do gráfico : 
E = σ / e
que é semelhante a lei de Hooke F = k.x , que é aplicada a molas, ou seja, nessa região o corpo de prova uma vez aliviado da tensão aplicada retorna ao seu comprimento inicial. O aço possui um módulo de Young 3 vezes maior que o alumínio. Existe um limite de tensão para que possamos descarregar um corpo de prova e ele permaneça no regime elástico. A partir desse limite a deformação passa a ser permanente, que é o limite de elasticidade, é o limite de proporcionalidade, onde o material perde a linearidade no gráfico. Cada material terá uma inclinação no gráfico característica na parte elástica, quanto mais elástico maior é a inclinação. Na prática, os dois limites representam a mesma coisa. Mas existem materiais que não possuem um ponto de escoamento (A) definido, logo, nem sempre a igualdade dos limites acima é verdadeira.
Existem várias formas de se medir o módulo de Young dos metais. É uma informação bastante prática, ele representa a rigidez do material, ou seja, a resistência à deformação elástica, que se manifesta como a quantidade de deformação em uso normal abaixo da tensão limite de escoamento e a elasticidade do material durante a moldagem. Assim como E o limite de escoamento tem grande significado gráfico. Ele mostra a resistência do metal à deformação permanente e indica a facilidade com que o metal pode ser moldado por operações de laminação e estiramento. A inclinação formada no gráfico na região de deformação elástica indica quanto mais inclinada para o alto maior é o valor do módulo de Young e vice-versa.
O módulo de Young também é diretamente proporcional à temperatura de fusão nos metais pois as duas propriedades são extremamente dependentes da força de coesão interatômicas. Quanto mais alto o ponto de fusão maior será o módulo de Young (pelo menos em metais).
Módulo de resiliência – é a área sobre o gráfico até o limite elástico e se traduz na capacidade do material de absorver energia quando solicitado e restituir essa energia quando descarregado. Como exemplo, uma bola de golfe deve possuir grande resiliência dentro do seu intervalo de solicitação.
A região de escoamento
Após o limite elástico surgem as deformações permanentes (AB). 
Escoamento é entendido como um fenômeno localizado, que se caracteriza por um aumento relativamente grande na deformação, acompanhado por pequena variação na tensão. Pode ser nítido (aço) ou imperceptível (alumínio), no gráfico tensão-deformação. A principal tensão definida na região de escoamento é o limite de escoamento σ e que é a máxima tensão atingida no escoamento.
Região de comportamento plástico: regime plástico. 
A partir do ponto B começa esse regime que se caracteriza por deformações permanentes do corpo de prova. Para materiais de alta capacidade de deformação, o diagrama tensão-deformação apresenta variações pequenas de tensão para grandes variações na deformação.
Nessa região existem propriedades que são muito importantes para o planejamento da conformação dos materiais.(tratamentos térmicos, encruamento, etc).
A ductibilidade mede a deformação plástica que um material pode suportar sem se romper. Geralmente, materiais dúcteis também possuem grande estricção. Após o ponto (U), tem uma fase de ruptura, caracterizada por rápida redução da área da seção da fratura(estricção). O coeficiente de estricção(φ) é calculada com a expressão:
 , onde S representam áreas finais e iniciais em m2.
 A tenacidade corresponde à capacidade do material apresenta de absorver energia até a fratura. É muito importante em materiais de segurança sujeitos a impactos e tensões elevadas. Pode-se calcular o módulo de tenacidade como a área total sob o gráfico tensão-deformação. A tenacidade é um parâmetro que compreende tanto a resistência mecânica como a ductibilidade de um material.
Na região plástica existem alguns limites importantes:
 - limite de resistência à tração – tensão correspondente ao ponto de máxima carga atingida durante o ensaio. , máxima carga dividida pela seção de área inicial.
 - limite de ruptura – última tensão suportada pelo material antes da fratura.
De modo geral materiais que apresentam módulo de resiliência alto tendem a apresentar módulos de tenacidade baixos. Isso pode nos ajudar a entender diferenças entre 
materiais frágeis de materiais dúcteis.
Tensão 
ε
f
ε
Tensão 
ε
f
ε
Material dúctil
Material Frágil