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6-PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS 1 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS PROPRIEDADES MECÂNICAS POR QUÊ ESTUDAR? A determinação e/ou conhecimento das propriedades mecânicas é muito importante para a escolha do material para uma determinada aplicação, bem como para o projeto e fabricação do componente. As propriedades mecânicas definem o comportamento do material quando sujeitos à esforços mecânicos, pois estas estão relacionadas à capacidade do material de resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper e sem se deformar de forma 2 incontrolável. Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Principais propriedades mecânicas Resistência à tração Elasticidade Ductilidade Fluência Fadiga Dureza Tenacidade,.... Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade do material de resistir às forças mecânicas e/ou de transmiti-las 3 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS TIPOS DE TENSÕES QUE UMA ESTRUTURA ESTA SUJEITA Tração Compressão Cisalhamento Torção 4 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Como determinar as propriedades mecânicas? A determinação das propriedades mecânicas é feita através de ensaios mecânicos. Utiliza-se normalmente corpos de prova (amostra representativa do material) para o ensaio mecânico, já que por razões técnicas e econômicas não é praticável realizar o ensaio na própria peça, que seria o ideal. Geralmente, usa-se normas técnicas para o procedimento das medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os resultados sejam comparáveis. 5 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS NORMAS TÉCNICAS As normas técnicas mais comuns são elaboradas pelas: ASTM (American Society for Testing and Materials) ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) 6 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS TESTES MAIS COMUNS PARA SE DETERMINAR AS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Resistência à tração (+ comum, determina a elongação) Resistência à compressão Resistência à torção Resistência ao choque Resistência ao desgaste Resistência à fadiga Dureza Etc... 7 RESISTÊNCIA À TRAÇÃO É medida submetendo-se o material à uma carga ou força de tração, paulatinamente crescente, que promove uma deformação progressiva de aumento de comprimento NBR-6152 para metais 8 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS ESQUEMA DE MÁQUINA PARA ENSAIO DE TRAÇÃO PARTES BÁSICAS Sistema de aplicação de carga dispositivo para prender o corpo de prova Sensores que permitam medir a tensão aplicada e a deformação promovida (extensiômetro) 9 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS RESITÊNCIA À TRAÇÃO TENSÃO () X Deformação () = F/Ao Kgf/cm2 ou Kgf/mm2 ou N/ mm2 Área inicial da seção reta transversal Força ou carga Como efeito da aplicação de uma tensão tem-se a deformação (variação dimensional). A deformação pode ser expressa: •O número de milímetrosa de deformação por milímetros de comprimento • O comprimento deformado como uma percentagem do comprimento original Deformação()= lf-lo/lo= l/lo lo= comprimento inicial lf= comprimento final 10 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Comportamento dos metais quando submetidos à tração Resistência à tração Dentro de certos limites, a deformação é proporcional à tensão (a lei de Hooke é obedecida) Lei de Hooke: =E 11 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS A deformação pode ser: Elástica Plástica 12 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Deformação Elástica e Plástica DEFORMAÇÃO ELÁSTICA Prescede à deformação plástica É reversível Desaparece quando a tensão é removida É praticamente proporcional à tensão aplicada (obedece a lei DEFORMAÇÃO PLÁSTICA É provocada por tensões que ultrapassam o limite de elasticidade É irreversível porque é resultado do deslocamento permanente dos átomos e portanto não desaparece quando a tensão é removida de Hooke) Elástica Plástica 13 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Módulo de elasticidade ou Módulo de Young E= / =Kgf/mm2 • É o quociente entre a tensão aplicada e a deformação elástica resultante. •Está relacionado com a rigidez do material ou à resist. à deformação elástica •Está relacionado diretamente com as forças das ligações interatômicas P A lei de Hooke só é válida até este ponto Tg = E Lei de Hooke: = E 14 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Módulo de Elasticidade para alguns metais Quanto maior o módulo de elasticidade mais rígido é o material ou menor é a sua deformação elástica quando aplicada uma dada tensão MÓDULO DE ELASTICIDADE [E] GPa 106 Psi Magnésio 45 6.5 AlumÍnio 69 10 Latão 97 14 Titânio 107 15.5 Cobre 110 16 Níquel 207 30 Aço 207 30 Tungstênio 407 59 15 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Comportamento não-linear Alguns metais como ferro fundido cinzento, concreto e muitos polímeros apresentam um comportamento não linear na parte elástica da curva tensão x deformação 16 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Considerações gerais sobre módulo de elasticidade Como consequência do módulo de elasticidade estar diretamente relacionado com as forças interatômicas: Os materiais cerâmicos tem alto módulo de elasticidade, enquanto os materiais poliméricos tem baixo Com o aumento da temperatura o módulo de elasticidade diminui * Considerando o mesmo material sendo este monocristalino, o módulo de elasticidade depende apenas da orientação cristalina 17 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS O COEFICIENTE DE POISSON PARA ELONGAÇÃO OU COMPRESSÃO • Qualquer elongação ou compressão de uma estrutura cristalina em uma direção, causada por uma força uniaxial, produz um ajustamento nas dimensões perpendiculares à direção da força z x 18 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS O COEFICIENTE DE POISSON PARA TENSÕES DE CISALHAMENTO • Tensões de cisalhamento produzem deslocamento de um plano de átomos em relação ao plano adjacente Módulo de Cisalhamento ou de rigidez •A deformação elástica de cisalhamento é dada ( ): = tg 19 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Forças de compressão, cisalhamento e torção O comportamento elástico também é observado quando forças compressivas, tensões de cisalhamento ou de torção são impostas ao material 20 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS O FENÔMENO DE ESCOAMENTO Esse fenômeno é nitidamente observado em alguns metais de natureza dúctil, como aços baixo teor de carbono. Caracteriza-se por um grande alongamento sem acréscimo de carga. 21 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação Tensão de escoamento Escoamento y= tensão de escoamento (corresponde a tensão máxima relacionada com o fenômeno de escoamento) • De acordo com a curva “a”, onde não observase nitidamente o fenômeno de escoamento •Alguns aços e outros materiais exibem o comportamento da curva “b”, ou seja, o limite de escoamento é bem definido (o material escoa- deforma-se plasticamente-sem praticamente aumento da tensão). Neste caso, geralmente a tensão de escoamento corresponde à tensão máxima verificada durante a fase de escoamento Não ocorre escoamento propriamente dito 22 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Limite de Escoamento quando não observa-se nitidamente o fenômeno de escoamento, a tensão de escoamento corresponde à tensão necessária para promover uma deformação permanente de 0,2% ou outro valor especificado (obtido pelo método gráfico indicado na fig. Ao lado) Fonte figura: Prof. Sidnei Paciornik do Departamento de Ciência dos Materiais 23 e Metalurgia da PUC-Rio 24 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação Resistência à Tração (Kgf/mm2) Corresponde à tensão máxima aplicada ao material antes da ruptura É calculada dividindo-se a carga máxima suportada pelo material pela área de seção reta inicial 25 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação Tensão de Ruptura (Kgf/mm2) Corresponde à tensão que promove a ruptura do material O limite de ruptura é geralmente inferior ao limite de resistência em virtude de que a área da seção reta para um material dúctil reduz-se antes da ruptura 26 Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Ductilidade em termos de alongamento Corresponde ao alongamento total do material devido à deformação plástica %alongamento= (lf-lo/lo)x100 onde lo e lf correspondem ao comprimento inicial e final (após a ruptura), respectivamente ductilidade 27 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Ductilidade expressa como alongamento Como a deformação final é localizada, o valor da elongação só tem significado se indicado o comprimento de medida Ex: Alongamento: 30% em 50mm 28 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Ductilidade expressa como estricção Corresponde à redução na área da seção reta do corpo, imediatamente antes da ruptura Os materiais dúcteis sofrem grande redução na área da seção reta antes da ruptura Estricção= área inicial-área final área inicial 29 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação Resiliência Corresponde à capacidade do material de absorver energia quando este é deformado elasticamente A propriedade associada é dada pelo módulo de resiliência (Ur) esc Ur= esc2/2E Materiais resilientes são aqueles que têm alto limite de elasticidade e baixo módulo de elasticidade (como os materiais utilizados para molas) 30 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação Tenacidade Corresponde à capacidade do material de absorver energia até sua ruptura tenacidade 31 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Algumas propriedades mecânicas para alguns metais 32 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS VARIAÇÃO DA PROPRIEDADES MECÂNICAS COM A TEMPERATURA 33 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS TENSÃO E DEFORMAÇÃO REAIS OU VERDADEIRAS • A curva de tensão x deformação convencional, estudada anteriormente, não apresenta uma informação real das características tensão e deformação porque se baseia somente nas características dimensionais originais do corpo de prova ou amostra e que na verdade são continuamente alteradas durante o ensaio. 34 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS TENSÃO E DEFORMAÇÃO VERDADEIRAS TENSÃO REAL (r) r = F/Ai onde Ai é a área da seção transversal instantânea (m2) DEFORMAÇÃO REAL (r) d r = dl/l r = ln li/lo Se não há variação de volume Ai.li = Ao.lo r = ln Ai/Ao 35 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS RELAÇÕES ENTRE TENSÕES E DEFORMAÇÕES VERDADEIRAS E CONVENCIONAIS RELAÇÃO ENTRE TENSÃO REAL E CONVENCIONAL r RELAÇÃO ENTRE DEFORMAÇÃO REAL E CONVENCIONAL = (1+ ) r = ln (1+ ) Estas equações são válidas para situações até a formação do pescoço 36 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS TENSÃO CORRETA PARA A REGIÃO ONDE INICIA-SE A FORMAÇÃO DO PESCOÇO r = n k K e n são constantes que dependem do material e dependem do tratamento dado ao material, ou seja, se foram tratados termicamente ou encruados correta A tensão correta de ruptura é devido a outros componentes de tensões presentes, além da tensão axial 37 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Outras propriedades mecânicas importantes Resistência ao impacto Dureza Fluência Fratura Serão vistos posterirormente Fadiga 38 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Ken K= coeficiente de resistência (quantifica o nível de resistência que o material pode suportar) n= coeficiente de encruamento (representa a capacidade com que o material distribui a deformação) 39 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS Determinação de K e n Log r =log k+ n log r extrapolando Para r= 1 r =k K r Inclinação= n 1 r 40 41 Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS
