Propriedades mecânicas
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Estrutura e Propriedades da Matéria 7 aula – Propriedades Mecânicas Mestrado em Engenharia Mecânica Propriedades mecânicas • Tensão e deformação: Porque é que elas são usadas em vez de cargas e deslocamento? • O que é o comportamento Elástico? • O que é o comportamento Plástico? • O que é que significa: Tensão limite elástico, resistência à rotura, rigidez, ductilidade, resiliência, tenacidade, dureza, resistência à fadiga, resistência à fluência? Propriedades mecânicas Tensão e deformação • Tensão normal, s: Ft • Tensão de corte, t: Area, A Ft s= Ao Ft Area original Antes da carga A tensão tem unidades: N/m2 (= Pascals, or Pa) Propriedades mecânicas Exemplos • Tracção simples: cabo F F Ao = secção transversal Area (após descarga) F s= Ao • Corte simples: veio motor Ski lift (photo courtesy P.M. Anderson) Propriedades mecânicas Exemplos • Compressão simple: Ao Canyon Bridge, Los Alamos, NM Balanced Rock, Arches National Park Nota: membro de estrutura à compressão (s < 0) Propriedades mecânicas deformação • Deformação normal: • Deformação lateral: /2 wo • Deformação corte: L/2 = tan Lo /2 L/2 A deformação é não dimensional. Propriedades mecânicas Teste tensão / deformação • Provete de tracção típico • Máquina de tracção típica Célula de carga extensómetro provete Cabeça com amarras Comp. (porção do provete com = medida secção transversal reduzida) • Outros tipos de teste: --compressão: materiais frágeis (e.g., betão) --torsão: tubos cilindricos, veios. http://www.ttc.bayermaterialscience.com/bpo/bpo_ttc.nsf/id/5AD4B32872D4CF29C125716A004CCE7D/$File/gb_Zugversuch%20mit%20Logo.swf Propriedades mecânicas Curvas de tracção Material muito rígido (típico de um cerâmico) plastica fractura (típico de um metal) tensão Tensão limite elástica elastica (típico de um polímero) Muito dúctil, Material pouco rígido deformação Propriedades mecânicas Deformação elástica 1. Inicial 2. Carga pequena 3. Descarga ligações alongam Voltam ao inicial F F Linearelástico Elástico significa reversivel! Propriedades mecânicas Deformação plástica 1. Inicial 2. Carga pequena ligações alongam & planos deslizam 3. descarga planos ainda deformados elastico + plastico plastico F F Plastico significa permanente! linear elastico plastico linear elastico Propriedades mecânicas Propriedades elásticas • Módulo de Elasticidade, E: (também conhecido como módulo de Young) Tangente à curva tensão / deformação na zona F elástica • Lei de Hooke: s=Ee s E 1 e Linearelastico Unidades: E: [GPa] F teste tracção simples Propriedades mecânicas Comparação de módulos de Young Tipo de ligação Exemplos Força ligação Módulo E (N/m) (GPa) Covalente Carbono-carbono 50 – 180 200 – 1000 Metálica Metais 15 – 75 60 – 300 Iónica Alumina, Al203 8 – 24 32 – 96 Ponte de hidogénio Polyethylene 6–3 2 – 12 Van der Walls Waxes 0.5 - 1 1-4 Propriedades mecânicas Comparação de módulos de Young 1200 10 00 800 600 400 E(GPa) 109 Pa 200 10 0 80 60 40 Metais e ligas Cerâmicos Polímeros Semicond Diamond Tungsten Molybdenum Steel, Ni Tantalum Platinum Cu alloys Zinc, Ti Silver, Gold Aluminum Magnesium, Tin Si carbide Al oxide Si nitride Carbon fibers only CFRE(|| fibers)* <111> Si crystal Aramid fibers only <100> AFRE(|| fibers)* Glass -soda Glass fibers only G FRE(|| fibers)* Concrete GFRE* 20 10 8 6 4 2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 Compósitos / fibras CFRE * G FRE( fibers)* G raphite Polyester PET PS PC CFRE( fibers) * AFRE( fibers) * Epoxy only PP HDP E PTF E LDPE Wood( grain) Composite data based on reinforced epoxy with 60 vol% of aligned carbon (CFRE), aramid (AFRE), or glass (GFRE) fibers. Propriedades mecânicas Tensão limite elástico se ou sy Tensão à qual o material começa a “ceder” plásticamente, i.e. ponto para o qual passa a haver deformação permanente e a curva tensão / deformação deixa de ser linear plastico tensão fractura Tensão limite elástico elastico deformação Nalguns casos é difícil identificar a tensão limite elástico. Propriedades mecânicas Comparação de tensão limite elástico sy(cerâmicos) >>sy(metais) >> sy(polímeros) Valores a Tamb a = recozido hr = laminado a quente ag = envelhecido cd = estrudido a frio cw = trabalhado a frio qt = temperado e revenido Propriedades mecânicas Resistência à tracção • Tensão máxima em tracção. Unidades: MPa • Metais: ocorre normalmente depois de estricção. • Cerâmicos: ocorre quando se verifica propagação de fenda. • Polímeros: ocorre quando as cadeias se alinham e estão próximas de partir Propriedades mecânicas Tensão de rotura • Tensão na fractura Tensão de rotura Unidades: MPa Propriedades mecânicas Comparação de resistência à tracção TS(ceram) ~TS(met) ~ TS(comp) >> TS(poly) Valores a Tamb a = recozido hr = laminado a quente ag = envelhecido cd = estrudido a frio cw = trabalhado a frio qt = temperado e revenido Propriedades mecânicas Ductilidade L f Lo %EL = x100 Lo • Deformação plástica na rotura: pequena %EL (frágil se %EL<5%) Tensão, s grande %EL (ductil se %EL>5%) Deformação, e • alternativa para a ductilidade: %AR = Ao A f x100 Ao Unidades: adimensional Propriedades mecânicas Dureza • Resistência à deformação plástica por indentação. • grande dureza significa: --resistência á deformação plástica por compressão --boas propriedades anti-desgaste. e.g., Esfera 10mm Aplicar uma força (1 a 1000g) D muitos latões plasticos Ligas Al Medir tamanho da indentação após remoção da carga d Indentações mais pequenas significam durezas maiores Sem tratamento ferram aços Aços trat. corte Dureza crescente nitretos Carbon. diamante Propriedades mecânicas Dureza e tensão limite elástico A dureza e tensão limite elástico são aproximadamente proporcionais H 3s y Propriedades mecânicas Mecanismos de endurecimento • Pergunta: Como é que se pode aumentar a resistência mecânica de um material? • Resposta: -Evitando que ele se deforme plásticamente, i.e. fazendo com que sejam necessárias tensões cada vez mais elevadas para ele se deformar. -Como a deformação plástica se faz com a movimentação das deslocações, qualquer factor que dificulte esta movimentação levará a um aumento da resistência mecânica Propriedades mecânicas Mecanismos de endurecimento • Sistemas de deslizamento: Propriedades mecânicas Mecanismos de endurecimento • Interacção: Interacção entre deslocações por existência de tensões locais, - se do mesmo sinal, repelem-se; - se de sinal contrário anulam-se Propriedades mecânicas Mecanismos de endurecimento • Consequência: Num policristal, - os grão estão orientados de modo diferente; - as deslocações movimentam-se em planos preferenciais, logo em diferentes direcções conforme orientação dos planos em cada grão - como a sua movimentação requer tensões de corte a passagem das deslocações de um grão para o outro poderá requerer uma maior carga aplicada ao material 300 mm Mecanismos de endurecimento Redução do tamanho de grão • Equação de Hall-Petch : Plano de deslizamento s yield = so k y d 1/ 2 grão A • As fronteiras de grão são barragens ao movimento das deslocações - Têm de mudar de plano e direcção - Como são zonas de desordem, não há continuidade entre os planos • Quanto mais pequeno o grão maior o número de barreiras Mecanismos de endurecimento Redução do tamanho de grão • Exemplo : 5 diferentes condições de arrefecimento - Notar que no eixo dos XX´o expoente é negativo s yield = so k y d 1/ 2 Dureza (GPa) -Liga Cu-Zn obtida em LIGA 70Cu-30Zn 3 1 0 3 6 9 D-1/2 (mm-1/2) 12 15 Mecanismos de endurecimento por deformação plástica • Deformação à temperatura ambiente. • A movimentação de deslocações cria novas deslocações (ex. Fontes de Frank-Read) • Por exemplo com recurso às seguintes técnicas: -Forjagem força die Ao bilete -Estiragem Fer. Ao Fer. -Laminagem Ad força Ad -Extrusão Ao Força de tracção força Porta-fer. pistãobilete Ao Ad %CW = x100 Ao container extrusão Ad ferramenta Mecanismos de endurecimento por deformação plástica • Fontes de Frank-Read Mecanismos de endurecimento por deformação plástica • Liga de Ti depois de deformada a frio: • Deslocações interagem umas com as outras ancorando-se mutuamente • O movimento das deslocações torna-se mais difícil Mecanismos de endurecimento por deformação plástica Defeitos estruturais Deformação plástica 7 Aço 1040 Interacção entre deslocações Dureza (GPa) Número de deslocações Latão 5 Movimentação das deslocações Dureza Cobre 3 0 10 20 30 % deformação a frio 40 50 Mecanismos de endurecimento por deformação plástica • Comportamento mecânico após deformação a frio: • A tensão aumenta com a deformação (encruamento) • Tensão limite elástico aumenta. • Resistência à tracção (TS) aumenta. • Ductilidade (%EL or %AR) diminui. Mecanismos de endurecimento por deformação plástica • Comportamento mecânico após aquecimento: • Resistência à tracção (TS) diminui. • Ductilidade (%EL or %AR) aumenta. • Podem ser considerados 3 estágios: Recuperação, Recristalização e Crescimento de grão Mecanismos de endurecimento por deformação plástica • Comportamento mecânico após aquecimento: Propriedades mecânicas Tenacidade • Energia para fracturar uma unidade de volume do material • Pode ser avaliada pela área sob a curva tensão / deformação até à rotura. • Material tenaz - grandes valores de sy e ductilidade Tenacidade reduzida (cerâmicos) Tensão, s Grande tenacidade (metais, PMCs) Tenacidade reduzida polímeros não reforçados Deformação, e Unidades: MPa ou Joules/m3 (energia/volume) Propriedades mecânicas Fractura • Tensão / deformação (Tamb): s E/10 Material perfeito TSMateriais << TSMateriais engenharia perfeitos Fibra de vidro de grande qualidade E/100 cerâmico 0.1 Metal polímero e • DaVinci (há 500 anos!) observou... – Quanto mais comprido fôr o arame menor a carga para o partir Razões: – Devido à presença de fendas – Maiores provetes maior número de fendas! Propriedades mecânicas Tenacidade à Fractura Propriedades mecânicas Tenacidade à Fractura • Tenacidade à fractura: Kc = Ysc(pa)0.5 = Y(2Es)0.5 • Kc é uma propriedade do material e representa a maior ou menor facilidade com que uma fenda se pode propagar nesse material • Y ~ 1, depende da geometria s unidade K : MPa m a K = s pa K = 1.1s pa Propriedades mecânicas aumenta Tenacidade à Fractura Propriedades mecânicas Fadiga • Falha em estruturas devido a cargas dinâmicas e tensões variáveis pontes, aviões, componentes de máquinas • A falha ocorre a tensão consideravelmente menor que sY e sTS • 90 % de todas as falhas são devidas a fadiga • Fracturas frágeis, súbitas, mesmo em materiais dúcteis sm = s max s min 2 s r = s max s min sa = S = s min R= s max sr 2 Tensão média Campo de tensões Amplitude de tensão Razão de tensões Propriedades mecânicas Fadiga • Fadiga = falha sob tensões cíclicas. provete Compressão no topo motor contador Acoplamento flexível Tracção em baixo s s max sm s min S tempo • Tensão varia com o tempo. --parãmetros de teste são S e sm --a variação é em muitos casos irregular Propriedades mecânicas Fadiga • Limite de fadiga, Sfat: --não há falha por fadiga se S < Sfat S = amplitude de tensão inseguro Sfat • Algumas vezes, o limite de fadiga é zero! 103 seguro 105 107 109 N = ciclos até falha S = amplitude de tensão inseguro seguro 103 Caso do aço (tip.) 105 107 109 N = ciclos até falha caso do Al (tip.)
