Propriedades Mecânicas
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Muitos materiais, quando em serviço, são submetidos a forças ou cargas É necessário conhecer as características do material e projetar o elemento estrutural a partir do qual ele é feito Materiais aplicações são frequentemente estruturais porque escolhidos eles para possuem combinações desejáveis de características mecânicas Carga estática aplicada uniformemente sobre uma seção reta ou superfície de um elemento estrutural Comportamento mecânico pode ser determinado por um teste simples de tensão- deformação Existem 3 principais meios nos quais uma carga pode ser aplicada, isto é: a) Compressão b) Tensão c) Cisalhamento Tensão Deformação Muitas cargas são de torsão em vez de cisalhamento puro Um dos testes mais comuns de tensãodeformação é realização em tração Pode ser usado para determinar várias propriedades mecânicas O cálculo da tensão de engenharia é dada com base na área da seção transversal original, antes de ocorrer qualquer deformação; e não leva em consideração essa redução de área apresentada ; Torna-se necessário o cálculo da tensão verdadeira, a qual é calculada com base área da seção transversal instantânea onde a deformação está ocorrendo Testes de tensão de compressão- deformação podem ser conduzidos se as forças em serviço forem deste tipo Similar a um teste de tração, exceto que a força é compressiva e a amostra se contrai ao longo da direção da tensão Para testes realizados usando uma força cisalhante. A tensão cisalhante τ calculada de acordo com a relação τ = F / Ao - F é a carga ou força imposta paralelamente às faces superior e inferior, cada uma das quais tem uma área de Ao A deformação cisalhante γ definida como a tangente do ângulo de deformação θ As unidades para tensão de cisalhamento e deformação de cisalhamento são as mesmas daquelas das suas contrapartes de tração O grau de deformação de uma estrutura depende da tensão que lhe é imposta; A tensão e a deformação são proporcionais de acordo com a seguinte relação σ= E ε E – Módulo de Elasticidade ou Módulo de Young Essa relação é a Lei de Hooke O processo no qual a deformação é proporcional a tensão é chamado de deformação elástica O gráfico da tensão x deformação é linear A deformação elástica acontece independente do tempo; Uma tensão aplicada produz uma deformação elástica instantânea, que permanece constante durante o período de tempo em que a tensão é mantida; Inclinação = Módulo de elasticidade Para a maioria dos materiais existirá também deformações elásticas que dependem do tempo, ela permanecerá após a aplicação da tensão e precisará de um tempo finito para completa recuperação. No caso de alguns materiais como o concreto e alguns polímeros a parte elástica da curva tensão x deformação não é linear; Para esses comportamentos normalmente utiliza-se o modulo tangente ou o modulo secante. A deformação elástica é manifestada através de pequenas alteração no espaçamento interatômico e no alongamento das ligações. Módulo de elasticidade é a medida da resistência a separação dos átomos adjacentes. Proporcional a inclinação da curva força interatômica x separação interatômica no ponto de equilíbrio: A curva abaixo representa a força x separação para materiais tanto com ligações fortes como fracas. As diferenças entre os módulos de elasticidade de diferentes polímeros, tipos metais de materiais, e cerâmicas, como são consequência dos diferentes tipos de ligações atômicas. O modulo de elasticidade diminui com o aumento de temperatura. Comportamento elástico que depende do tempo, e é devido a processos microscópicos e atomísticos dependentes acompanham a deformação; do tempo que Para os metais, a componente elástica normalmente é pequena, frequentemente desprezada sendo Quando uma tensão de tração é imposta sobre amostra de metal, um alongamento elástico e sua deformação correspondente Ɛz resultam na tensão aplicada, conforme a figura: Se a tensão aplicada for uniaxial (apenas na direção z), e o material for isotrópico, então Ɛx= Ɛy. y x v z z Variam na faixa de 0,25 até 0,35. Para materiais isotrópicos, os módulos de cisalhamento e elasticidade, estão relacionados entre si: E 2G(1 v) G vale aproximadamente 0,4E Muitos materiais são elasticamente anisotrópicos; isto é, o comportamento elástico (por exemplo, a magnitude de E) varia com a direção cristalográfica Para estes materiais as propriedades elásticas são completamente caracterizadas apenas pela especificação de várias constantes elásticas. Para a maioria dos materiais metálicos, o regime elástico se mantém até deformações de aproximadamente 0,005. À medida que o material continua a ser deformado além desse ponto, a tensão deixa de ser proporcional à deformação e, portanto, a lei de Hooke não mais será obedecida Uma deformação permanente e não recuperável denominada deformação plástica. A deformação plástica ocorre devido à ruptura de ligações com os átomos vizinhos originais, seguida da formação de ligações com os novos átomos vizinhos. Mesmo que a tensão causadora da deformação seja removida, os átomos não retornarão às suas posições originais. Para a maioria dos materiais metálicos, a transição do comportamento elástico para o plástico é gradual, ocorrendo uma curvatura no ponto de surgimento da deformação plástica, a qual aumenta mais rapidamente com a elevação de tensão. No caso de sólidos cristalinos, a deformação ocorre segundo um processo chamado de escorregamento (ou deslizamento), que envolve o movimento de discordâncias. Em sólidos não-cristalinos, bem como em líquidos, o processo de deformação ocorre de acordo com um mecanismo de escoamento viscoso. Tensão necessária para a deformação plástica aumentar até um determinado valor máximo e então diminui até a fratura do material Limite de escoamento é a tensão necessária para iniciar a deformação plástica de um material tracionado Ductibilidade é o grau de deformação plástica que foi suportado até a fratura Como alongamento percentual Como redução percentual na área (%L) > medida de deformação plástica na fratura. (%RA) > percentual de redução na área. %EL = [(lf -l o) / lo] x 10 lf: Comprimento no momento da fratura; lo: Comprimento útil original; %RA = [(A o - Af )/A o] x 100 Ao: Área de seção transversal original; Af: Área de seção transversal no ponto da fratura; É a capacidade de um material absorver energia quando é deformado elasticamente e, após a remoção da carga, permitir a recuperação desta energia. Materiais elevado com limite de escoamento Materiais com módulo de elasticidade pequeno Grande utilização em molas Ensaio de tração uniaxial É a capacidade de um material absorver energia durante o impacto e transformá-la em deformação plástica Materiais com boa ductilidade apresentarão alta tenacidade; Carros antigos apresentavam resistência e dureza elevadas e tenacidade baixa, quase não amassavam e transferiam a energia do impacto ao motorista A carroceria de carros novos possui elevada tenacidade e transformam a energia do impacto em deformação plástica Carregamento dinâmico – tenacidade ao entalhe por meio de ensaio de impacto; Carregamento estático – ensaio de tração uniaxial; A tensão verdadeira é calculada com base na área da seção transversal instantânea onde a deformação está ocorrendo Equação da tensão verdadeira: F – Carga Ai - Área da seção transversal instantânea As tensões e deformações verdadeiras e de engenharia estão relacionadas; Válidas só até o início da estricção, a partir daí a tensão e a deformação verdadeira devem ser calculadas a partir de medidas da carga da área da seção transversal e do comprimento útil real CALLISTER, William, D. Ciência e Engenharia de Materiais – Uma introdução. 7ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2011.
