Propriedades dos Materiais

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Propriedades
dos Materiais
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Sumário
Tensão e Deformação
1
Deformação Elástica e Plástica
6
Elasticidade
7
Ductilidade
8
Resiliência
10
Fluência
11
Tenacidade
13
Dureza
14
Resistência à Flexão
14
Resistência à Compressão
14
2
Propriedades
dos Materiais
.
Tensão e
Deformação
Materiais utilizados em engenharia,
engenharia pode ser compreendida
como a pressão (tração ou compressão)
exercida em certa área do material:
quando estão em serviço, sofrem algum
tipo de solicitação mecânica, como for-
σ=
F
[P a]
A
ças ou cargas. O comportamento mecânico do material é a relação entre as
solicitações aplicadas e a sua resposta
A deformação ε é um valor proporcional
à alteração geométrica do material:
de acordo com suas propriedades. Tais
propriedades mecânicas são verificadas com experimentos laboratoriais. Um
dos fatores para se avaliar o material
é a natureza de sua solicitação, sendo
as principais cargas de tração, de compressão ou de cisalhamento. Há também as cargas torcionais que não são
ε=
l − l0
∆l
=
l0
l0
O grau de deformação de uma estrutura depende da magnitude da carga
aplicada. Quando a carga aplicada é
uma tensão de tração relativamente pequena, a tensão e deformação são diretamente proporcionais.
puramente cisalhantes.
O tempo de aplicação das cargas pode
σ = E.ε
ser constante ou alternado e é um fator
importante para o estudo de fadiga do
Conhecida por Lei de Hooke, onde E é o
material (tempo de vida útil).
modulo de elasticidade (ou modulo de
Toda tensão exercida em um material
Young) e tem a ordem de grandeza de
provoca uma deformação. Tensão em
Gigapascal (GPa).
1
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Propriedades
dos Materiais
Figura 1: Gráfica Tensão vs. Deformação.
Os materiais também podem sofrer ten- Sendo F a carga imposta paralelamente
sões de cisalhamento.
às faces superior e inferior de um material.
τ=
F
A0
Figura 2: Tensão de cisalhamento.
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Propriedades
dos Materiais
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Assim como as tensões de compressão
de Cisalhamento (G).
e tração tem o módulo de elasticidade,
a tensão de cisalhamento tem o módulo
τ = G.γ
Exemplo
Petrobras - 2012 - Engenheiro de Inspeção - 42
Um cabo de estanho, com diâmetro de 5 cm e comprimento de 10 m, está
sob ação de uma força de 5.000 N. A maior deformação elástica que esse
cabo pode sofrer sob a ação dessa força é de 1 mm. Qual o menor módulo
de elasticidade que um material deve apresentar para atender essas condições de projeto?
(A) 1, 3 GP a
(B) 6, 4 GP a
(C) 12, 8 GP a
(D) 25, 5 GP a
(E) 80, 0 GP a.
Solução:
O módulo de elasticidade relaciona tensão e deformação na lei de Hooke
generalizada:
σ = E.ε
E=
σ
ε
3
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Propriedades
dos Materiais
A tensão em uma situação de tração pura é a força de tração dividida pela
área. A deformação para a condição limite imposta no enunciado é a elongação máxima dividida pelo comprimento original. Assim:
E=
F /(π.(D/2)2 )
(∆L/L)
5000/(π.(5.10−2 /2)2 )
E=
= 25, 5 GP a
(0, 001/10)
Resposta: D
Exemplo
Petrobras - 2012 - Engenheiro de Inspeção - 47 Dois materiais estão sendo
considerados para a produção de uma mola. Esses materiais apresentam as
seguintes propriedades: material X, o limite de elasticidade ocorre para uma
deformação de 0, 05, e o módulo de elasticidade é 100 M P a; material Y, o
limite de elasticidade ocorre para uma deformação de 0, 01, e o módulo de
elasticidade é 1000 M P a. Os dois materiais apresentam um comportamento
linear-elástico até o limite da elasticidade. A mola com a maior capacidade
de armazenar energia é a produzida com o material
(A) X, que é capaz de armazenar uma energia de 125.000 J/m3 .
(B) X, que é capaz de armazenar uma energia de 5.000.000 J/m3 .
(C) Y, que é capaz de armazenar uma energia de 10.000.000 J/m3 .
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Propriedades
dos Materiais
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(D) Y, que é capaz de armazenar uma energia de 50.000 J/m3 .
(E) Y, que é capaz de armazenar uma energia de 1.250.000 J/m3 .
Solução:
A energia de deformação específica:
u=
σ2
(E.ε)2
=
2.E
2.E
Considerando o módulo de elasticidade de cada material:
EX = 100 M P a
e
EY = 10 M P a
As deformações máximas:
εX = 0, 05
e
εY = 0, 01
As energias de deformação avaliadas com esses valores:
uX = 125 kJ/m3
e
5
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Propriedades
dos Materiais
uY = 50 kJ/m3
Resposta: A
Deformação
Elástica e Plástica
Na região onde a tensão e deformação
são proporcionais, ocorre a deformação
elástica do material. A deformação causada por certa tensão nessa área volta
ao seu estado inicial depois de retirada
a carga (idealmente, os materiais apresentam uma inelasticidade dependente
do tempo que, na maioria das vezes, são
Se aumentarmos a tensão gradativamente, irá formar uma curva no gráfico
σxε a partir do ponto de limite de proporcionalidade, e o material atingirá a
deformação plástica, que é permanente
e não recuperável.
A tensão no ponto de curvatura é definida como tensão limite de escoamento
(σe ), que representa uma medida de resistência à deformação plástica.
desprezados).
Figura 3: Gráfica Tensão – Deformação.
6
Propriedades
dos Materiais
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O ponto P do gráfico é conhecido como
a altas tensões. Quando um corpo é de-
o limite de resistência a tração, sendo a
formado em uma direção, ocorre defor-
tensão no ponto máximo da curva. Essa
mação em todo seu volume. O Coefici-
tensão corresponde à tensão máxima
ente de Poisson (ν) dá a razão entre as
que pode ser sustentada por uma estru-
deformações laterais e axiais.
tura que se encontra sobre tração. Após
esse limite irá causar uma fratura no ma-
ν=−
terial.
εx
−εy
=
εz
εz
Para materiais isotrópicos é possível re-
Elasticidade
lacionar os coeficientes de elasticidade
Um material apresenta uma elasticidade e de cisalhamento.
elevada quando sua relação tensãodeformação permanece proporcional
E = 2G(1 + ν)
Figura 4: Poisson.
7
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Propriedades
dos Materiais
Ductilidade
rado dúctil; caso essa deformação seja
pequena ou nula, é considerado frágil.
Representa o grau de deformação plás-
Numericamente pode ser representado
tica que o material suporta até que
como um alongamento ou redução de
ocorra a fratura.
área percentual
Se o material apresentar uma deformação plástica muito grande, ele é conside-
AL% =
Figura 5: Material Frágil (Wikipédia).
2
8
Lf − L0
.100
L0
Propriedades
dos Materiais
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Figura 6: Material Ductil (Wikipédia).
Exemplo
Petrobras Biocombustível - 2011 - Engenheiro(a) de Equipamentos Júnior
- Inspeção - 50
A classificação entre fratura frágil e dúctil baseia-se na habilidade do material em apresentar deformação plástica substancial, com grande absorção de energia, antes da fratura. Sobre a fratura frágil, analise as afirmativas a seguir:
I. Está relacionada à propagação de trincas e apresenta superfície sem grandes deformaçoes plásticas aparentes, ao contrário da fratura dúctil, que apresenta superfície característica em forma de taça e cone.
9
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Propriedades
dos Materiais
II. Pode ser analisada por exame microscópico (MEV), denominado fractografica para observar as microcavidades esféricas remanescentes.
III. É possível avaliar a fratura nos contornos dos grãos quando apresentam
forma transgranular.
Está correto APENAS o que se afirma em
(A) I.
(B) II.
(C) III.
(D) I e II.
(E) II e III.
Solução:
A fratura frágil ocorre com a formação e propagação de uma trinca, não ocorrendo deformação plástica. Fraturas dúcteis, por sua vez, ocorrem apenas
após extensa deformação plástica e se caracteriza pela propagação lenta
de trincas resultantes da nucleação e crescimento de microcavidades.
Resposta: C
Resiliência
sária para tencionar o material até seu
limite de escoamento.
Resiliência é a capacidade de absorção
de energia do material quando a tensão
Matematicamente, Ur é a área sob a
aplicada é retirada após uma deforma-
curva de tensão-deformação até o limite
ção elástica. O módulo de resiliência Ur
de escoamento. Supondo uma região
representa a energia por volume neces-
plástica linear:
10
Propriedades
dos Materiais
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Fluência
1
Ur = σe εe
2
A fluência é uma deformação ao longo
do tempo de um material quando sub-
Materiais resilientes são materiais que
possuem elevado limite de escoamento
e pequenos módulos de elasticidade.
metido a uma carga ou tensão constante.
A velocidade de fluência é proporcional
às tensões e temperaturas.
2
11
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Propriedades
dos Materiais
Exemplo
Petrobras Biocombustível - 2008 - Profissional Júnior - Formação: Engenharia Mecânica - 31
O gráfico esquemático abaixo é típico do ensaio de fluência nos materiais
metálicos. Nele, pode-se observar os estágios da curva de fluênciae a influência da temperatura no comportamento dos materiais.
Assinale a afirmação INCORRETA para explicar estes fenômenos.
(A) A curva de fluência para a temperatura intermediária (TB) apresenta os
3 estágios, sendo II o estágio estacionário e III o estágio de fluência acelerada.
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Propriedades
dos Materiais
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(B) Para o ensaio realizado na temperatura intermediária no estágio II, o CP
alonga a uma taxa constante e a ruptura apenas ocorre no estágio III.
(C) Para o ensaio realizado na temperatura TC maior que TB, a taxa do estágio estacionário aumenta, este se torna muito curto e a ruptura ocorre rapidamente.
(D) Para o ensaio realizado na temperatura TA menor que TB, a taxa de deformação do estágio estacionário diminui e este se torna muito longo.
(E) Para o ensaio realizado na temperatura TA menor que TB, a taxa de deformação do estágio estacionário aumenta e acelera o processo de ruptura.
Solução:
• Estágio I: taxa de fluência sofre um decréscimo contínuo.
• Estágio II: taxa de fluência praticamente constante.
• Estágio III: aceleração da taxa de fluência seguida da ruptura.
Resposta: E
Tenacidade
nacidade do material. A tenacidade ao
entalhe ou a fratura pode ser determi-
Representa a capacidade do material
nada por um ensaio de impacto, sendo a
em absorver energia até sua fratura. A
tenacidade à fratura uma indicativa de
geometria do corpo e o tipo de carga in-
resistência do material quando este já
terferem muito na determinação da te-
possui uma trinca.
13
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Propriedades
dos Materiais
A tenacidade pode ser calculada pelo
Existem diversos tipos de ensaios para
gráfico, sendo a área abaixo da linha de
se determinar a dureza dos materiais
tensão-deformação até o ponto de rup-
como o Rockwell, Brinell e Vickers.
tura.
Resistência à
Flexão
Dureza
A resistência à flexão representa a tensão máxima desenvolvida na superfície
É a medida de resistência local a uma
de uma barra quando sujeita a dobra-
deformação plástica. A dureza pode ser
mento, e aplica-se aos materiais rígidos,
entendida como a facilidade ou não de
ou seja, aqueles que não vergam exces-
se riscar um material. O material pode
sivamente sob ação de uma carga. No
ser extremamente duro, como um dia-
teste de flexão, uma barra sofre tanto
mante, ou macio, como algumas madei-
tensões de compressão quanto de tra-
ras.
ção.
Figura 7: Flexão de barra – (Amauri).
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Propriedades
dos Materiais
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Resistência à
Compressão
relacionada com sua geometria (índice
de esbelteza). Após ultrapassar a ten-
A resistência à compressão geralmente
são critica de compressão(P), uma barra
é superior à resistência a tração em ma-
pode sofrer o processo de flambagem.
teriais compósitos, como o concreto. Já
Nesse caso, o limite de compressão é o
nos materiais metálicos, a compressão é
próprio índice de flambagem.
Figura 8: Sistema em compressão (flambagem).
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Propriedades
dos Materiais
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Exemplo
Petrobras Biocombustível - 2008 - Engenheiro(a) de Equipamentos Júnior
- Terminais e Dutos - 55
Um material a ser selecionado para produzir uma peça por estampagem através de uma prensa deve apresentar um valor relativamente elevado para
a(o)
(A) Tenacidade.
(B) Resistência térmica.
(C) Resistência à fratura.
(D) Módulo de elasticidade.
(E) Módulo de resiliência.
Solução:
Materiais para serem utilizados em estampagem devem apresentar uma alta
capacidade de sofrer deformação plástica sem sofrer fratura. Ou seja, alta
tenacidade para evitar falhas por trincas ou desgaste por microlascamento.
Resposta: A
Exemplo
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Propriedades
dos Materiais
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Petrobras Biocombustível - 2010 - Engenheiro(a) de Equipamentos Júnior
- Inspeção - 43
Processos de deformação plástica em metais dúcteis costumam provocar
aumentos de dureza e resistência, em um efeito conhecido como encruamento ou endurecimento por trabalho a frio. Nessa perspectiva, afirma-se
que o encruamento
(A) É irreversível em qualquer material.
(B) Não provoca modificações na ductilidade do material.
(C) Não provoca modificações na condutividade elétrica do material.
(D) Não provoca modificações na resistência à corrosão do material.
(E) Provoca um maior efeito no limite de escoamento do que na resistência mecânica do mateiral.
Solução:
O processo de encruamento torna o material mais duro e resistente. A movimentação das discordâncias internas causadas pelo trabalho a frio confere ao material uma modificação interna de suas estruturas. Com o aumento
do encruamento, o limite de escoamento também aumenta.
Resposta: E
Exemplo
Polícia Federal - 2004 - Engenheiro Mecânico - 56
17
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Propriedades
dos Materiais
A resistência à tração aplicada na peça é corretamente expressa por FAmax
,
f
em que Fmax é a força máxima aplicada ao corpo de prova e Af é a área da
seção transversal do corpo após a ruptura do mesmo.
(A) Certo.
(B) Errado.
Solução:
max
A resistência à tração aplicada na peça deve ser expressa por FA
, onde A0
0
é a área inicial da seção transversal do corpo de prova.
Resposta: B
Caiu no concurso!
TRANSPETRO - 2008 - Engenheiro Junior - Mecânica - 38
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Propriedades
dos Materiais
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Na seleção de materiais para as mais diversas aplicações estruturais, algumas das propriedades que devem ser observadas são: limite de escoamento;
tensão de resistência; módulo de elasticidade e ductibilidade. Assim, com
base no gráfico, os materiais que possuem o maior limite de escoamento,
a maior tensão de resistência, o maior módulo de elasticidade e a melhor ductibilidade, respectivamente, são:
(A) P; P; Q e R
(B) P; Q; P e R
(C) P; Q; Q e R
(D) Q; P; P e R
(E) R; Q; P e Q
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Propriedades
dos Materiais
Resposta: B
Caiu no concurso!
CEAGESP - 2010 - Engenheiro Nível I - Mecânica - 8
O módulo de elasticidade de um material metálico é obtido por meio do ensaio de tração de um corpo de prova, que fornece uma indicação da rigidez
do material e depende das forças de ligação interatômicas.
Ele é determinado pelo quociente ou alongamento específico na região linear do diagrama tensão-deformação.
O módulo de elasticidade é
(A) diretamente proporcional à deformação.
(B) transversal e corresponde à metade do módulo de elasticidade volumétrico.
(C) menor para metais com temperaturas de fusão elevadas.
(D) independente da direção de aplicação da tensão nos eixos cristalográficos.
(E) inversamente proporcional à temperatura do material.
Resposta: E
Caiu no concurso!
Eletrobras - 2002 - Engenheiro Mecânico - 66
20
Propriedades
dos Materiais
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A parte hachurada do diagrama tensão x deformação de uma aço representa
a seguinte propriedade mecânica:
(A) ductilidade.
(B) resiliência.
(C) tenacidade.
(D) fragilidade
(E) plasticidade.
Resposta: B
Caiu no concurso!
Eletrobras - 2005 - Engenheiro Mecânico - 65
A energia total por unidade de volume que um material absorve durante o
ensaio de tração é denominada módulo de:
(A) elasticidade.
21
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Propriedades
dos Materiais
(B) rigidez.
(C) plasticidade.
(D) resiliência.
(E) tenacidade.
Resposta: E
Caiu no concurso!
Eletrobras - 2005 - Engenheiro Mecânico - 66
Dentre os fatores abaixo, aquele que NÃO influencia o limite de resitência
à fadiga de um aço é:
(A) concetração de tensões.
(B) razão de tensões.
(C) temperabilidade.
(D) temperatura de trabalho.
(E) acabamento supercicial.
Resposta: C
Caiu no concurso!
Eletrobras - 2007 - Engenheiro Mecânico - 63
Observe as afirmativas a seguir sobre o diagrama tensão x deformação de
um aço mostrado abaixo.
22
Propriedades
dos Materiais
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I - O nº 6 indica a região de estricção.
II - Os nºs 3 e 4 indicam, respectivamente, os limites de ruptura e escoamento.
III - O nº 5 indica a região correspondente à propriedade resiliência.
IV = O nº 1 indica a tensão máxima ou última.
As afirmativas FALSAS são somente:
(A) I e II.
(B) I e III.
(C) II e III.
(D) II e IV.
(E) III e IV.
Resposta: D
Considere o enunciado a seguir para as questões 55 à 58
23
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Propriedades
dos Materiais
Figura 9: Figura I
Figura 10: Figura II
Parâmetros obtidos por meio de ensaios mecânicos são importantes para o estudo
do comportamento mecânico dos materiais. A figura I acima ilustra um corpo de
prova padrão submetido a um esforço longitudinal, em um ensaio de tração.
24
Propriedades
dos Materiais
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A figura II mostra o deslocamento δ medido em função da força F aplicada no corpo.
Com relação a esse ensaio, julgue os itens a seguir.
Caiu no concurso!
Polícia Federal - 2004 - Engenheiro Mecânico - 55
Para cada valor de F , o alongamento percentual é corretamente expresso
por 100. ∆L
L0
(A) Certo.
(B) Errado.
Resposta: A
Caiu no concurso!
Polícia Federal - 2004 - Engenheiro Mecânico - 57
O limite de proporcionalidade é a máxima tensão para a qual, ao ser removida a força F , permanece uma deformação residual no corpo de prova de,
no máximo, 0, 2 %.
(A) Certo.
(B) Errado.
Resposta: B
25
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Propriedades
dos Materiais
Caiu no concurso!
Polícia Federal - 2004 - Engenheiro Mecânico - 58
No caso de materiais dúcteis, quando a força atingir o valor Fmax começa
a ocorrer redução da seção (estricção) em certo local do corpo de prova e
o valor da tensão real nesse torna-se decrescente.
(A) Certo.
(B) Errado.
Resposta: B
26