aula 07 __propriedades_mecanicas_dos_metais
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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
CMA – CIÊNCIA DOS MATERIAIS 2º Semestre de 2014
Prof. Júlio César Giubilei Milan
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Materiais – Sujeitos a forças e cargas
• Liga de Al da asa de um avião
Propriedades mecânicas (Ashby, 2007)
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 -
Fig. - Maneiras principais segundo as quais uma carga pode ser aplicada. (Callister, 2007)
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
c) Cisalhamento – envolve tensões que tendem a causar deslizamento a porções adjacentes do material
b) Compressão -
d) Torção -
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
Deformação de engenharia
0A
F
00
0
l
l
l
lli
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Unidades
Tensão
ou
Deformação
Adimensional
%
2m
N2pol
lbf
MPa psi
mm / polpol/
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
Torção é uma variação do cisalhamento puro
• eixos de máquinas de acionamento
• brocas helicoidais
• ensaios em eixos sólidos cilíndricos ou tubos.
0A
F
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
2
2cos1cos' 2
2
2cos'
sensen
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
• Aumento da temperatura → Redução do E;
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.
z
y
z
x
Metais e ligas
varia de 0,25 – 0,35
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
• Para materiais isotrópicos
• Para maioria dos materiais
1.2GE
EG .4,0
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:
• alongamento percentual
• redução de área percentual
100.%0
0
l
llAl
f
100.%0
0
A
AARA
f
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%.
• E → insensível a tratamentos térmicos, pré-deformação ou impurezas.
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.
e
dUr
0
.
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
RESILIÊNCIA
e
dUr
0
.
Supondo uma região elástica linear eerU .2
1
Materiais resilientes → limite de escoamento
elevado → módulo de elasticidade
pequeno MOLA
EEU Ee
eeer2
.2
1.
2
1 2
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
0A
F
Área inicial
da seção
reta (não
considera
deformação
e redução
de área).
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
TENSÃO VERDADEIRA E DEFORMAÇÃO VERDADEIRA
• Tensão verdadeira → v
• Deformação verdadeira → v
i
vA
F
0
lnl
liv
Área da seção reta instantânea sobre a qual
a deformação está ocorrendo
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
2/mmkgf
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
ENSAIO ROCKWELL
• Várias escalas
penetrador
piramidal diamante
esfera 1/16 ”
esfera 1/8 ”
Carga
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
Rockwell superficial
Pré carga: 3 kgf
Cargas: 15 kgf
30 kgf
45 kgf
Corpos de prova finos e
delgados
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
ENSAIO ROCKWELL
• Escalas
Tabela – Escalas de dureza Rockwell.
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
superfície lisa e plana
ex.: 150 HB
22.
.2
dDDD
PHB
Carga
Diâmetro da impressão
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 60 Materiais muito duros
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
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
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Figura – Esboço de equipamentos de rebote utilizados na determinação das durezas Shore C e D.
CONVERSÃO
DE DUREZA
Figura – Comparação entre várias escalas
de dureza.
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
• p – tensão de projeto
• c – nível de tensão calculado
• N’ – fator de projeto
• t – tensão admissível ou tensão de trabalho
• e – limite de escoamento
• N – fator de segurança
cp N .'
Ne
t
N muito grande →
SUPERDIMENSIONADO
N → 1,2 e 4
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
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 originalmen- te 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.
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS - Exercício