O que são propriedades mecânicas?

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - DEM
PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS -PGCEM
Propriedades Mecânicas dos Materiais
Mestrando: Roger Hoél Bello
Professora: Dra Daniela Becker
Bibliografia
• Callister Jr., W. D. Ciência e engenharia de
materiais: Uma introdução. LTC, 5ed., cap 6,
8, 13 e 16, 2002.
• Shackelford, J.F. Ciências dos Materiais,
Pearson Prentice Hall, 6ed., cap 6, 2008.
Objetivos
• Introduzir os conceitos básicos associados com
as propriedades mecânicas dos materiais;
• Avaliar fatores que afetam as propriedades
mecânicas dos materiais;
• Rever alguns dos testes básicos utilizados para
avaliar muitas destas propriedades.
Sumário
• Introdução
• Propriedades mecânicas
– Metais;
– Polímeros;
– Cerâmicas.
• Impacto
• Dureza
Introdução
•
O que são propriedades mecânicas?
Definem a resposta do material à aplicação de forças (solicitação mecânica).
Força (tensão)
•
Resposta (deformação)
Principais Propriedades:
Resistência, módulo de„elasticidade, ductilidade, tenacidade, resiliência, dureza.
Determinação das propriedades mecânicas
Ensaios mecânicos
Como determinar as propriedades
mecânicas??
• Através de ensaios mecânicos;
• Utiliza-se normalmente corpos de prova ;
• Utilização de normas técnicas para o procedimento das
medidas e confecção do corpo de prova.
Natureza das cargas
Ensaios Mecânicos
Tipos de Solicitação:
• Força lenta (estática) (ensaio de tração);
• Força rápida (impacto);
• Força variável (vibração);
• Presença de trincas, entalhes ou defeitos de fabricação;
• Altas temperaturas (oxidação, modificação nas propriedades).
Ensaio mecânico (estático)
• Se uma carga estática ou que se altera lentamente e
aplicada sobre uma seção reta ou superfície o
comportamento mecânico verificado num simples ensaio de
tensão-deformação.
Ensaio de tração
Ensaio de tração - metais
Ensaio de tração - polímeros
Curva tensão x deformação
Polímeros
Metais
Curva tensão x deformação
A partir da curva de tensão deformação pode-se obter os seguintes ensaios:
• Módulo de elasticidade ou de Young;
• Resiliência;
• Tensão e deformação no ponto de escoamento;
• Tensão máxima (LRT);
• Tensão e deformação na ruptura;
• Ductilidade;
• Tenacidade.
Conceitos importantes
Real
Conceitos importantes
Tipos de deformações
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
•
•
•
•
Precede à deformação plástica;
É reversível;
Desaparece quando a tensão é
removida;
É praticamente proporcional à tensão
aplicada (obedece a lei de Hooke).
Elástica
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.
Plástica
Limítrofe entre Região Elástica x Plástica
Limite de
escoamento
superior
Limite de
escoamento
inferior
Comportamento de certas ligas –
especialmente aços de baixo teor
de carbono
Limite de Escoamento
20
Propriedades obtidas da curva () x ()
“Região elástica”
E= /  =N/mm2
Módulo de Elasticidade
• 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
Propriedades obtidas da curva () x ()
“Região elástica”
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
Propriedades obtidas da curva () x ()
“Região elástica”
Propriedades obtidas da curva () x ()
“Região elástica”
Propriedades obtidas da curva () x ()
“Região elástica”
Propriedades obtidas da curva () x ()
“Região elástica”
Propriedades obtidas da curva () x ()
“Região plástica”
Propriedades obtidas da curva () x ()
“Região plástica” Metais
Outras informações que podem ser obtidas das
curvas tensãoxdeformação
Tensão de Ruptura (N/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
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Propriedades obtidas da curva () x ()
“Região plástica” Polímeros
Limite de resistência à tração
Tensão
Tensão de escoamento
Deformação
Propriedades obtidas da curva () x ()
“Região plástica” Polímeros
Propriedades obtidas da curva () x ()
“Região plástica”
Propriedades obtidas da curva () x ()
“Região plástica”
Propriedades obtidas da curva () x ()
“Região plástica”
ductilidade
Aparência das Fraturas
Dúctil
Frágil
Propriedades obtidas da curva () x ()
“Região plástica”

Corresponde à capacidade
do material de absorver
energia até sua ruptura
tenacidade
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Propriedades obtidas da curva () x ()
“Região plástica”
Influência do Tempo e Temperatura
Exemplos
Ferro
PMMA
Aplicação
Propriedades mecânicas dos
materiais cerâmicos
Comparação de propriedades com os materiais metálicos
-São mais duros e resistentes ao desgaste
-São materiais, que quando “isentos de defeitos”, apresentam altos
valores de σf (tensão de ruptura);
-São mais resistentes a temperaturas elevadas sofrendo de menores
problemas de fluência.
-As temperaturas máximas de serviço são consideravelmente mais
elevadas: Zircônia – 2077 ºC, Alumina – 1949 ºC, Carbeto de silício –
1649 ºC.
-Não se deformam plasticamente e tem baixa tenacidade a fratura
-Em geral, são isolantes térmicos e elétricos.
Materiais Cerâmicos e Vidros
Curvas de ensaios de tração
f
latão
f
Ductilidade
de 35%
f
Ductilidade inferior
a 0.1%
= Tensão na ruptura antes de ser atingida a
tensão máxima
f
Propriedades Mecânicas de
cerâmicas
• Fratura frágil
Apresentam pouca ou nenhuma absorção de
energia durante a fratura (ausência de
deformação plástica);
• Os valores de LTR (resistência a fratura) são
bastante inferiores aos estimados pela teoria a
partir das forças de ligação interatômicas. Isso
se deve à presença de defeitos críticos, que
atuam como “amplificadores de tensão”.
• O grau de amplificação depende do
comprimento da trinca, assim como do raio de
curvatura da “ponta da trinca”.
• São fatores microestruturais “amplificadores de
tensão”: trincas de superfície, microtrincas
internas, poros e arestas de grão.
Tensão de ruptura X tamanho da
trinca para vidros
Comportamento em tração X
Compressão
• Para tensões de compressão, não há
amplificação de tensões com a presença de
defeitos. Assim, as cerâmicas apresentam
valores de tensão máxima em ensaios de
compressão superiores aos mesmo valores
obtidos em ensaios de tração.
Comportamento tensão-deformação
• Por razões práticas e racionais, o ensaio empregado para se
estudar o comportamento  X ε de materiais cerâmicos é o de
flexão em 3 ou 4 pontos.
M= momento fletor máximo
c = distância do centro do CP até
as fibras mais externas
I = momento de inércia da seção
reta
F = carga aplicada
ENSAIO DE FLEXÃO
 as principais propriedades obtidas do ensaio de flexão são:
- módulo de ruptura na flexão (uf)
- módulo de elasticidade (E)
- módulo de resiliência (Urf)
- módulo de tenacidade (Utf)
Influência da porosidade na rigidez
Influência da porosidade na resistência a
flexão
• Poros reduzem a área de seção reta
• Eles atuam como concentradores de tensão
Exercício
Resistência ao impacto
Resistência ao impacto
Choque ou impacto é um esforço de natureza dinâmica
O comportamento dos materiais sob ação de cargas dinâmicas é diferente de
quando está sujeito à cargas estáticas
• A capacidade de um determinado material de absorver energia do
impacto está ligada à sua tenacidade, que por sua vez está
relacionada com a sua resistência e ductilidade;
• O ensaio de resistência ao choque dá informações da capacidade do
material absorver e dissipar essa energia;
• Como resultado do ensaio de choque obtém-se a energia absorvida
pelo material até sua fratura, porém qual comportamento é
encontrado???
Transição Dúctil - Frágil

Uma das principais funções dos ensaios de impacto é
determinar se um material apresenta transição dúctil – frágil
com a diminuição da temperatura.

Uma análise da superfície de fratura de CPs testados em
diferentes temperaturas indicam a transição dúctil-frágil pelo
% de fratura dúctil e frágil em cada temperatura.
Fratura dúctil e frágil
O processo de fratura envolve duas etapas: formação e propagação
das trincas. A modalidade da fratura é dependente do mecanismo de
propagação das trincas
• Fratura dúctil
• Fratura frágil
 Extensa deformação plástica na
vizinhança da trinca. Processo
prossegue de maneira lenta (trinca
estável)
 Presença de deformação plástica dá
um alerta de que uma fratura é
iminente
 Mais energia de deformação é
necessária pois geralmente são
mais tenazes
 Trincas se espalham de maneira
extremamente rápida com muito
pouca deformação plástica (trinca
instável)
 Ocorre
repentinamente
e
catastroficamente, conseqüência da
espontânea e rápida propagação de
trincas
ENSAIO DE RESISTENCIA AO CHOQUE
IZOD
Chapy: comum nos EUA
Izod: comum na Europa
CHARPY
Corpos de prova
Exemplos de entalhe
r=0,25mm
r=1,00mm
r=0,10mm
• Ensaio de impacto Charpy – ISO179-1
Influência do Entalhe
EFEITO DA TEMPERATURA NA RESISTÊNCIA AO IMPACTO
O ensaio de resistência ao choque caracteriza o
comportamento dos materiais quanto à transição do
comportamento dúctil para frágil em função da
temperatura
OUTROS FATORES QUE INFLUEM NA
TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO
 Tamanho de grão;
Grau de encruamento;
Composição (% elementos de liga, como a % de carbono nos aços);
Presença de impurezas ou fases;
Tratamento térmico;
Os materiais cerâmicos apresentam
também transição frágil-dúctil que ocorre
usualmente à altas temperaturas (geralmente
acima de 1000°C)
Polímeros
• São frágeis à baixas
temperaturas porque a
rotação dos átomos na
molécula requer energia
térmica
• A maioria dos polímeros
apresentam transição
dúctil-frágil que é
geralmente abaixo da
ambiente
Materiais cristalinos
• MATERIAIS CFC - Permanecem
dúcteis (não apresenta transição
dúctil-frágil) porque nesta
estrutura há muitos planos de
escorregamento disponíveis
• MATERIAIS CCC - Apresentam
uma transição de frágil para dúctil
em função da temperatura
Exemplos
13/04/1912 RMS TITANIC
Navio
petroleiro
catastroficamente no
Nova York em 1975.
rompido
porto de
Estudo TITANIC
Os resultados de impacto das três séries de CPs :
 Em altas temperaturas, as amostras
longitudinais do casco tem melhor
propriedade que as transversais.
 Em baixa temperatura, as amostras
longitudinais e transversais tem a mesma
energia de impacto.
 A temperatura de transição dúctil frágil
para energia de impacto de 20J é de 27°C (ASTM A 36), 32°C (casco
longitudinal) e 56 °C(casco transversal).
 Durante a colisão, a temperatura da
água do mar era de -2oC
Dureza
Definição de dureza
• É a medida da resistência de um material a
uma deformação localizada (por exemplo,
uma pequena impressão ou um risco)
• Vantagens:
– São simples e barato
– ensaio é não destrutivo
– Outras propriedades mecânicas podem ser
estimadas
Dureza
• Vários ensaios:
– Risco (escala de dureza de MOHS);
– Ressalto (método SHORE);
– Penetração (BRINNEL, VICKERS, ROCKWELL).
Dureza
Por Risco – Dureza Mohs
• Escala de dureza Mohs é uma tabela de 10 minerais
padrões em que o anterior é riscado pelo posterior na
seguinte ordem:
– talco, gipsita, calcita, fluorita, apatita, ortoclásio, quartzo,
topázio, safira e diamante.
• Por tanto, ela serve para classificação de minérios “in
loco”, no campo ou em laboratório.
• Este tipo de medida de dureza é de grande utilidade na
área de mineralogia e geologia, mas apresenta pouco
interesse na área de materiais e metalurgia.
Por Risco – Dureza Mohs
Dureza por Penetração
• No ensaio de dureza por
penetração, aplica-se
uma carga Q sobre a
superfície polida do
material a ser ensaiado
através de um
penetrador e mede-se a
marca deixada pelo
penetrador após a
remoção da carga.
Método Brinell (HB)
Força Q
Ø da esfera
Cavidade permanente
causado pela esfera
2Q
HB
π
Método Rockwell (HR)
Dureza Vickers e Knoop
• Utiliza um penetrador de diamante, o que torna o
ensaio aplicável a todos os tipos de materiais;
• A área da impressão é proporcional à força aplicada,
o que torna o ensaio insensível à força aplicada.
Dureza Vickers
Dureza Knoop
Dureza Vickers e Knoop
Dureza Shore
•A impressão Shore é pequena e serve para medir
durezas de peças já acabadas ou usinadas.
•A máquina shore é leve, portátil e pode, portanto, ser
adaptada em qualquer lugar, podendo com isso, medir a
dureza de peças muito grandes, exemplo cilindros de
laminação.
•Usada para medida de dureza por penetração em
polímeros (escalas A, B, C, D, DO, E, M, O , OO, OOO,
OOO-S, R)
Dureza Shore – Escalas mais usadas
DUROMETRO SHORE MANUAL
(ANALÓGICO)
DUROMETRO SHORE MANUAL
(DIGITAL)