PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS CMA – CIÊNCIA DOS MATERIAIS 1º Semestre de 2017 Prof. Julio Cesar Giubilei Milan PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Materiais – Sujeitos a forças e cargas • Liga de Al da asa de um avião Propriedades mecânicas (Ashby, 2007) PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Materiais – Sujeitos a forças e cargas • Aço do eixo de um automóvel Carga → deformação (não deve ser excessiva / fratura) Comportamento mecânico → resposta ou deformação a uma carga aplicada PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Propriedades importantes → resistência, dureza, ductilidade, rigidez Propriedades avaliadas através de experimentos de laboratório • Natureza da carga aplicada •Tração • Compressão • Cisalhamento • Duração da aplicação • Condições ambientais PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Técnicas de ensaio padronizadas Engenheiro de materiais e metalúrgicos → produção e fabricação de materiais para atender a condições de serviço. Microestrutura X propriedades mecânicas PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Se uma carga estática ou que se altera lentamente é aplicada sobre uma seção reta ou superfície → comportamento mecânico verificado num simples ensaio de tensão-deformação. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS a) Tração - c) Cisalhamento – envolve tensões que tendem a causar deslizamento a porções adjacentes do material b) Compressão - d) Torção - Fig. - Maneiras principais segundo as quais uma carga pode ser aplicada. (Callister, 2007) PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS ENSAIOS DE TRAÇÃO Ensaio mais comum → tração (avaliar diversas propriedades mecânicas). Fig. Corpo de prova padrão para ensaios de tração com seção reta circular PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Máquina de ensaio de tração • Carga axial gradativamente aplicada; • medição contínua com células de carga; • Alongamento a taxa constante; • medição com extensômetro; • Ensaio destrutivo; • Corpo de prova padronizado; PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Máquina de ensaio de tração Representação esquemática do dispositivo usado para conduzir ensaios tensão-deformação por tração. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Máquina de ensaio de tração Equipamento que mede as propriedades mecânicas de metais usando forças de tração. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Para minimizar fatores geométricos, carga e alongamento são normalizados Tensão de engenharia F σ= A0 Deformação de engenharia ε= l i −l 0 l0 Δl = l0 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Unidades Tensão ou N 2 m lbf pol 2 MPa psi Deformação Adimensional m/m % pol/ pol PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS ENSAIOS DE COMPRESSÃO Semelhante ao ensaio de tração → Forças compressivas Convenção → Forças compressão (negativa) Ensaios de tração são mais comuns PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS ENSAIOS DE CISALHAMENTO E TORÇÃO Forças Puramente cisalhante F τ= A0 Torção é uma variação do cisalhamento puro • eixos de máquinas de acionamento • brocas helicoidais • ensaios em eixos sólidos cilíndricos ou tubos. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS CONSIDERAÇÕES GEOMÉTRICAS A RESPEITO DO ESTADO DE TENSÕES O estado de tensão é uma função das orientações dos planos sobre os quais as tensões atuam 1+ cos2 θ σ'=σ cos θ=σ 2 ) sen 2 θ τ'=σsenθ cos θ=σ 2 ) 2 ( ( PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS COMPORTAMENTO TENSÃO-DEFORMAÇÃO O grau que uma estrutura se deforma ou se esforça depende da magnitude da tensão imposta. Para maioria dos metais (tensão de tração) = (Lei de Hooke) Módulo de elasticidade Módulo de Young E = 45 GPa (Mg) a 407 GPa (W) PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS DEFORMAÇÃO ELÁSTICA Módulo de elasticidade pode ser considerado como sendo uma rigidez, ou uma resistência do material à deformação elástica. Quanto maior E – menor a deformação que resultará da aplicação de uma tensão PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS • Módulo de elasticidade pode ser considerado como sendo uma rigidez, ou uma resistência do material à deformação elástica. • Quanto maior E – menor a deformação que resultará da aplicação de uma tensão. • Importante parâmetro de projeto utilizado para calcular flexões elásticas. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS • Deformação não permanente; • Pequena alteração no espaçamento interatômico e na extensão de ligações interatômicas; •ECERÂMICAS > EMETAIS > EPOLÍMEROS • E → insensível a tratamentos térmicos, pré-deformação ou impurezas; • Aumento da temperatura → Redução PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Módulo de elasticidade em função da temperatura para tungstênio, aço e alumínio PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Tensão de compressão também induz comportamento elástico • • =G Deformação de cisalhamento Módulo de cisalhamento PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS ANELASTICIDADE • Maioria dos materiais → componente de deformação elástica que é dependente do tempo. ANELASTICIDADE → necessidade de tempo para recuperação completa, ou seja, retornar ao estado inicial sem deformação. • Para metais → componente anaelástica é pequena e geralmente desprezada. • Polímeros → magnitude significativa (comportamento viscoelástico). PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS • Uma tensão de tração → deformação na direção da tensão. Alongamento axial (z) (deformação positiva) e contrações laterais (x e y) em resposta à imposição de uma tensão de tração. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS • Constrição nas direções laterais (x e y) perpendiculares a direção de tensão aplicada. • Contrações → deformações compressivas x e y determinadas. • Se o material for isotrópico e a tensão uniaxial → x = y • Coeficiente de poison → definido como a razão entre as deformações lateral e axial. ν=− εx εz =− εy Metais e ligas εz varia de 0,25 – 0,35 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS • Para materiais isotrópicos E=2 .G ( 1 +ν ) • Para maioria dos materiais G≈0,4. E PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS DEFORMAÇÃO PLÁSTICA • Corresponde a quebra de ligações com átomos vizinhos originais e em seguida formação de novas ligações com átomos vizinhos; • Mecanismo de deformação é diferente para materiais cristalinos e amorfos; • Sólidos cristalinos → escorregamento; PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS (a) Comportamento tensão-deformação típico para um metal, mostrando deformação elástica e plástica, o limite de proporcionalidade P e limite de escoamento e, conforme determinado pelo método da pré-deformação de 0,002 (b) PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS ESCOAMENTO E LIMITE DE ESCOAMENTO • Ponto de escoamento → onde ocorre o afastamento inicial da linearidade na curva tensão-deformação → limite de proporcionalidade; • Pré-deformação específica de 0,002 → tensão limite de escoamento (e); • Tensão limite de escoamento representa uma medida da sua resistência a deformação plástica • Al baixa resistência → 35 MPa • Aços de elevada resistência → 1400 MPa PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS LIMITE DE RESISTÊNCIA A TRAÇÃO • Limite de resistência a tração, LTR, é a tensão no ponto máximo da curva tensão-deformação de engenharia. • Empescoçamento → • A resistência a fratura corresponde à tensão aplicada quando da ocorrência da fratura. • LRT pode variar: • 50 MPa para um alumínio • 3000 MPa para aços de elevada resistência * Valores usados em projetos → tensão limite de escoamento PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Curva típica Tensão-Deformação de Engenharia em um ensaio de tração de um metal. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Comportamento típico da curva tensão-deformação de engenharia até a fratura do material, ponto F. Limite de resistência a tração, LTR, está indicado no ponto M. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Ensaios de tração para cerâmicas são difíceis – ensaios alternativos são usados para medir a resistência destes materiais frágeis. Polímeros diferem dos metais e cerâmicas nas propriedades de resistência devido a viscoelasticidade. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS DUCTILIDADE • Representa uma medida do grau de deformação plástica que foi suportado quando da fratura; • Pode ser expressa como: l f −l 0 Al= . 100 l0 alongamento percentual A 0 −A f RA= . 100 A0 redução de área percentual ( ) ( ) PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS DUCTILIDADE • Importância • Fornece ao projetista uma indicação do grau segundo o qual uma estrutura irá se deformar plasticamente antes de se fraturar; • especifica o grau de deformação permissível durante operações de fabricação • Materiais frágeis, em geral, deformação de fratura < 5%. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Representações esquemáticas do comportamento tensão-deformação em tração para materiais frágeis e materiais dúcteis carregados até a fratura. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Tabela - Propriedades mecânicas típicas de vários metais e ligas em estado recozido PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Figura – Comportamento tensão-deformação de engenharia para o ferro em três temperaturas diferentes. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS RESILIÊNCIA • Capacidade de um material absorver energia quando ele é deformado elasticamente e, depois, com o descarregamento, ter sua energia recuperada. Módulo de resiliência, Ur representa a energia de deformação por unidade de volume exigida para tensionar um material desde um estado de ausência de carga até a sua tensão limite de escoamento. ε U r =∫ σ . dε e 0 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS RESILIÊNCIA εe U r =∫ σ . dε 0 Supondo uma região elástica linear 1 U r= σ e . ε e 2 2 εe σE 1 1 U r = σ e . ε e= σ e . = 2 2 E 2E ( ) Materiais resilientes → limite de escoamento elevado → módulo de elasticidade pequeno MOLA PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Representação esquemática mostrando como o módulo de resiliência (que corresponde à área sombreada) é determinado a partir do comportamento tensão-deformação em tração do material. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS TENACIDADE • Representa uma medida da habilidade de um material em absorver energia até a sua fratura • geometria dos corpos de prova; • forma como a carga é aplicada • Carregamento dinâmico. Tenacidade ao entalhe • Carregamento estático. Gráfico - Área sob a curva - até a fratura. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS TENSÃO VERDADEIRA E DEFORMAÇÃO VERDADEIRA Redução de área na região do pescoço F σ= A0 Área inicial da seção reta (não considera deformação e redução de área). PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS TENSÃO VERDADEIRA E DEFORMAÇÃO VERDADEIRA • Tensão verdadeira → v F σ v= Ai Área da seção reta instantânea sobre a qual a deformação está ocorrendo • Deformação verdadeira → v ε v =ln li l0 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS RECUPERAÇÃO ELÁSTICA DURANTE UMA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA Deformações compressiva, cisalhante e torcional Compressão → não existe valor máximo → não há formação de pescoço → modo de fratura diferente Figura – Diagrama esquemático tensão-deformação em tração mostrando os fenômenos de recuperação da deformação elástica e encruamento. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS DUREZA Medida da resistência de um material a uma deformação plástica localizada (impressão ou risco). Escala Mohs → qualitativa, um tanto arbitrária 1 (talco) – 10 (diamante) PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS DUREZA Técnicas quantitativas • Penetrador forçado contra superfície sob condições controladas de carga e taxa de aplicação profundidade, ou tamanho da impressão. Valores são relativos e não absolutos CUIDADO ao comparar durezas determinadas por técnicas diferentes PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS DUREZA • Ensaios simples e barato • Ensaios não destrutivos • Outras propriedades mecânicas podem ser estimadas • Em geral, nas medições de macrodureza a carga aplicada é superior a 2 N • Os ensaios mais utilizados são: Rockwell e Brinell PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Tabela – Técnicas de ensaio de dureza kgf /mm 2 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS ENSAIO ROCKWELL • Várias escalas penetrador piramidal diamante esfera 1/16 ” esfera 1/8 ” Carga Rockwell superficial Pré carga: 3 kgf Cargas: 15 kgf 30 kgf 45 kgf Corpos de prova finos e delgados 60 kgf 100 kgf 150 kgf Diferença de profundidade entre carga e pré carga (10 kgf) * No resultado deve se especificar o número e o símbolo da escala • ex.: 50 HRC PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS ENSAIO ROCKWELL Tabela – Escalas de dureza Rockwell. • Escalas Tabela – Escalas de dureza Rockwell superficial. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS ENSAIO BRINELL • penetrador esférico (aço ou metal duro) Ø 10 mm (penetrador) Carga 500 e 3000 kgf Tempo de aplicação: 10 e 30 s Carga superfície lisa e plana HB= 2.P π . D [ D− √ D −d 2 2 ] Diâmetro da impressão ex.: 150 HB Diâmetro do penetrador PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Tabela – Condições de testes de dureza e aplicações típicas Teste Penetrador Carga (Kgf) Aplicação Brinell Esfera de 10 mm 3.000 Ferro fundido e aço Brinell Esfera de 10 mm 500 Ligas não ferrosas Rockwell A Cone de diamante Rockwell B Esfera de 1/16 pol 100 Latão, aço de baixa resistência Rockwell C Cone de diamante 150 Aço de alta resistência Rockwell D Cone de diamante 100 Aço de alta resistência Rockwell E Esfera de 1/8 pol 100 Materiais muito macios Rockwell F Esfera de 1/16 pol 60 Alumínio, materiais macios Vickers Pirâmide de diamante 10 Todos os materiais Knoop Pirâmide de diamante 0,5 Todos os materiais 60 Materiais muito duros PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS ENSAIO KNOOP E VICKERS • penetrador de diamante (piramidal) Carga 1 – 1000 gf Deve ser realizada uma preparação da superfície PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS DUREZA POR REBOTE • É um ensaio dinâmico cuja impressão na superfície do material é causada pela queda livre de um êmbolo com uma ponta padronizada de diamante e peso conhecido. • O valor da dureza é proporcional à energia de deformação consumida para formar a marca no material ou corpo de prova, e representada pela altura alcançada no rebote do êmbolo por meio de um número. • material dúctil consome mais energia altura menor do êmbolo no retorno dureza menor. • material frágil consome menos energia altura maior do êmbolo no retorno dureza maior. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS DUREZA POR REBOTE • Método muito usado na determinação de dureza de materiais metálicos finais ou acabados (dividido em escalas de acordo com as durezas dos materiais). • Equipamento Shore leve e portátil adequado a peças grandes (ex.: cilindro de laminador, trens de pouso de avião e ensaios em campo). • Marca superficial é pequena indicado no levantamento de dureza de peças acabadas • Facilidade de aplicação em condições adversas ex.: altas temperaturas. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS DUREZA POR REBOTE Figura – Esboço de equipamentos de rebote utilizados na determinação das durezas Shore C e D. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS CONVERSÃO DE DUREZA Figura – Comparação entre várias escalas de dureza. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS CORRELAÇÃO ENTRE DUREZA E O LIMITE DE RESISTÊNCIA A TRAÇÃO • Limite de resistência a tração e a dureza são indicadores da resistência de um material a deformação plástica. • Proporcionais • Para maioria dos aços • LRT (MPa) = 3,45 HB • LRT (Psi) = 500 HB Figura – Relação entre dureza e resistência a tração para aço, latão e ferro fundido. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS VARIABILIDADE NAS PROPRIEDADES DOS MATERIAIS • Fatores de incerteza dos dados medidos: • Método de ensaio; • Variações nos procedimentos de fabricação dos corpos de prova; • Influências do operador; • Calibração dos equipamentos; • Falhas na homogeneidade. • Probabilidade da liga apresentar falhas sob dadas circunstâncias? • Valor típico desejável (média dos dados). PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS FATORES DE PROJETO/SEGURANÇA • Cálculos de carga são aproximados • Variabilidade das propriedades mecânicas → devem ser introduzidas folgas no projeto ' σ p =N . σ c • p – tensão de projeto • c – nível de tensão calculado • N’ – fator de projeto σ t =σ e N N muito grande → SUPERDIMENSIONADO • t – tensão admissível ou tensão de trabalho • e – limite de escoamento • N – fator de segurança N → 1,2 e 4 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS - Exercício A partir do comportamento tensão-deformação em tração para o corpo de prova de latão (figura abaixo) determine: a) O módulo de elasticidade. b) A tensão limite de escoamento para uma pré deformação de 0,002. c) A carga máxima que pode ser suportada por um corpo de provas cilíndrico que possui um diâmetro original de 12,8 mm. d) A variação no comprimento de um corpo de provas originalmente com 250 mm de comprimento e que foi submetido a uma Tensão de tração de 345 MPa. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS - Exercício Os dados a seguir foram coletados em um corpo de prova padronizado, com 1,283 cm de diâmetro, referente a uma liga de cobre (comprimento inicial l0 = 5,08 cm): Carga (N) l (cm) 0 0,0000 13.345 0,00424 26.680 0,00846 33.362 0,01059 40.034 0,02286 46.706 0,1016 53.379 0,66 55.158 1,27 (carga máxima) 50.170 2,59 (fratura) Depois da fratura, o comprimento total era de 7,655 cm, com um diâmetro de 0,950 cm. Construa o gráfico tensão-deformação e calcule o limite convencional de escoamento de 0,2 %, com (a) o limite de resistência à tração; (b) o módulo de elasticidade; (c) o alongamento percentual; (d) a redução percentual de área; (e) a tensão de engenharia na fratura; (f) a tensão verdadeira na fratura; e (g) o módulo de resiliência.
