ensaios mecânicos dos materiais
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Universidade de São PauloEscola de Engenharia de São Carlos
Departamento de Engenharia de Materiais, Aeronáutica e
Automobilística
Ensaios Mecânicos
dos Materiais
SMM0193-Engenharia e Ciência dos Materiais I
Prof. Waldek W. Bose Filho
1
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Fratura
Frágil
Dútil
Projeto contra Fallha
• Fratura:
“É a separação ou fragmentação de um corpo sólido em duas ou mais partes
sob ação de uma tensão, devido ao início e propagação de uma trinca”
Fatores que afetam a fratura Taxa de deformação
Estado de tensão
-plano de tensões (triaxial de def.)
-triaxial de tensões (plano de def.)
Temperatura
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Condições de Fratura
Torção
Fadiga
Tração
Fluência
Fratura frágil em Temperaturas Baixas
Fragilização por Hidrogênio
Fragilização no Tratamento Térmico
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TIPOS DE TENSÕES E DEFORMAÇÕES QUE UM COMONENTE PODE
ESTAR SUJEITO
ou
compressão
Flexão
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Como os metais são materiais estruturais, oconhecimento de suas propriedades mecânicas éfundamental para sua aplicação. As propriedadesdesejadas podem ser avaliadas pela medição:
■ Dureza
■ Tenacidade ao Impacto
■ Tração e Compressão
■ Flexão
■ Fadiga
■ Fluência
5
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I. Dureza
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Os ensaios de dureza são largamente utilizados para a especificação de
materiais. Entretanto, o conceito físico de dureza não têm o mesmo significado
para todos os utilizadores desta propriedade:
resistência à deformação plástica (metalurgista)
resistência à penetração de um material duro no outro (eng.mecânico)
uma base de medida da resistência, do T. T. ou mecânico e de sua
resistência ao desgaste (projetista)
resistência ao risco que um material pode fazer em outro (mineralogista)
Sob este ponto de vista os ensaios de dureza podem ser divididos em três
tipos principais:
por penetração
por choque
por risco
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No caso de materiais de engenharia, o terceiro caso é raramenteempregado, sendo a escala Mohs (1822) a mais antiga para este tipo dedureza. Esta consiste em uma tabela de 10 minerais padrões, arranjadosem ordem crescente da possibilidade de ser riscado pelo mineralseguinte. Nesta ordem, tem-se o talco (1); gipstita (2); fluorita (3) eassim por diante até chegar no diamante (10).
Os dois primeiros tipos de dureza são mais empregados no ramo dametalurgia e da mecânica, sendo a dureza de penetração a maislargamente utilizada.
Nesta aula, serão vistos pormenores das dureza por penetração:- Brinell,- Rockwell- Vickers,- Meyer,- Microdureza- Dureza por choque Shore.
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• Dureza Brinell: ASTM E10 - 15a Standard Test Method for Brinell Hardness of
Metallic Materials
1900 J. A Brinell HB Consiste de comprimir lentamente uma esfera de
aço, de diâmetro D, sobre uma superfície polida e limpa de um metal através de
uma carga Q, durante um tempo t.
dDD(D
Q2
p.D.
Q
S
QHB
22c
- Sc é a área superficial, p é a profundidade da impressão.
- d deve ser tomado como a média dos valores de duas
medidas realizadas a 90 uma da outra.
- - A dureza HB é definida em N/mm2.
- Q = 3000 kgf d = 10 mm Tabelas
No caso de metais moles ou peças pequenas existe a necessidade de diminuir-
se Q e d, respectivamente. Estas alterações devem obedecer certos critérios e
para metais duros (> 500 kgf/mm2) pode-se substituir a esfera de aço por uma
de W.
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• A limitação da carga e do diâmetro da esfera proposta por Brinell pode
ser contornada se:
.constD
d
D
d
2sen
2
2
1
1
Uma aproximação pode ser feita considerando, esferas de 1, 2, 5 e 10 mm e que a
relação carga aplicada e diâmetro da esfera seja uma constante: KD
P2
sendo K :
30 para aços, fofos, e ligas duras;
10 para ligas de Cu e ligas de Al duras;
05 para ligas de Cu, Al e ligas anti-fricção
2,5 – 1 para ligas de Pb, Sn e metal patente.
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O valor de 0,36 vale para aços doces, entretanto este valor pode mudar
para:
• 0,33 para aços T. T.
• 0,49 para Ni recozido
• 0,41 para Ni e latão encruado
• 0,52 para cobre recozido
• 0,40 para alumínio e suas ligas.
mm2
Kgf36,0 HB
r
Existem alguns erros e limitações do ensaio:
Deformação elástica
Impressão distorcida e deformação da esfera
Tamanho da impressão
Tratamentos superficiais
Planicidade das superfícies
No caso dos aços existe uma relação empírica entre dureza Brinell e o limite
de resistência, r, dada por:
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Dureza Meyer
Meyer surgiu com uma definição mais racional da dureza do que a proposta por
Brinell. Neste caso a dureza seria baseada na área projetada e não na
superficial.
dr
QHM
QP
22
4
Meyer propôs uma relação empírica entre a carga e o tamanho da impressão,
normalmente chamada de lei de Meyer:
dkP 'n
onde k e n’ são constantes do material relacionados respectivamente a
resistência do metal à penetração e ao encruamento.
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• Dureza Rockwell: ASTM E18 - 15a Standard Test Method for Rockwell
Hardness of Metallic Materials
A dureza Rockewell simbolizada por HR, elimina o tempo necessário para a medição de
qualquer dimensão da impressão causada, pois o resultado é diretamente lido na máquina
de ensaio, sendo portanto rápido e livre de erros pessoais.
Além disto, utilizando
penetradores pequenos, permite
distinguir pequenas diferenças de
dureza em aços duros e materiais
tratados superficialmente podem
ser testados sem danos.
(a) Máquina de dureza Rockwell. (b)
Etapas da medição com a
utilização de um penetrador
cônico de diamante.
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pCCHR 21
C1 e C2 são constantes para cada escala usada (TABELADOS) e p é a diferença
em milímetros de profundidade, ou seja a diferença entre a profundidade com
aplicação da pré carga e a carga total
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• Dureza Vickers: ASTM E92 - 15a Standard Test Method for Vickers Hardness
of Metallic Materials
Este tipo de dureza foi introduzido em 1925, e recebeu este nome porque aCompanhia Vickers-Armstrong Ltda, fabricou as máquinas mais conhecidaspara fornecer este tipo de dureza.
Método é baseado na penetração de uma pirâmide de base quadrada, com
ângulo entre as faces opostas de 136 feita de diamante. Um esquema do
penetrador é apresentado na figura abaixo:
L
Q8544,1
L
2
136senQ2
HV22
[kgf/mm2]
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A seguinte relação entre a dureza Vickers e o limite de escoamento pode ser
feita: 2'n
e 1,03
HV
onde n’= n + 2 = expoente de Meyer.
VANTAGENS:
escala contínua
impressões pequenas
precisão de medida
deformação nula do penetrador
apenas uma escala de dureza
aplicação para toda a gama de materiais
qualquer espessura
ANOMALIAS:
(a) impressão perfeita, (b) impressão
defeituosa: afundamento e (c) impressão
defeituosa: aderência
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Microdureza: ASTM E384 Standard Test Method for Microindentation
Hardness of Material
Muitas das aplicações da dureza Vickers está voltada para aplicações de microdureza.
Assim, para determinação de profundidade de camadas cementadas, temperadas, etc,
além da medição de durezas de fases ou microconstituintes podem ser feita pelo uso
da microdureza.
Quanto ao tipo de penetrador usado, há dois tipos de microdureza: Vickers e Knoop. A
microdureza Vickers usa a mesma técnica descrita anteriormente.
No caso da microdureza Knoop, o penetrador é do tipo apresentado na figura
(a) comparação do tamanho de impressões Knoop e Vickers para uma mesma
carga aplicada. (b) impressão Knoop em detalhes.
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L
Q23,14
A
QHK
2mp
A expressão para obtenção da dureza Knoop pode ser dada como:
CUIDADOS:
preparação deve ser metalográfica
cargas pequenas podem resultar em recuperação elástica grande
problemas de afundamento e aderência
calibração frequente
conversão de micro para macro dureza somente para cargas
maiores do que 500gf.
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Dureza Shore:
A dureza por choque é um ensaio dinâmico que produz a impressão num corpo de prova
por meio de um penetrador que bate na sua superfície plana. Esse choque pode ser
produzido por meio de um pêndulo (já abandonado) ou pela queda livre de um êmbolo,
tendo na ponta um penetrador.
Em 1907, Shore propôs uma medida de dureza por choque que mede a altura do ressalto
de um peso que cai livremente até bater na superfície lisa e plan de um corpo de prova.
Esta altura de ressalto mede a perda de energia cinética do peso, absorvida pelo corpo de
prova.
Ainda que, o comprimento e peso do martelo, além da altura de queda e o diâmetro da
ponta de diamante dependem de cada fabricante, todos os aparelhos indicam a mesma
dureza para um mesmo material.
A impressão Shore é pequena, o equipamento é portátil, pode executar dureza em peças
grandes deve ser lisas, a escala é contínua e a norma ASTM E-448 descreve o ensaio
para metais e ASTM D2240 para borracha.
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Dureza Escleroscópica, HSc ou HSd, é um
número relacionado a altura do rebote do
martelo. É medido sobre uma escala
determinada pela divisão em 100 unidades da
média do rebote do martelo em um bloco de um
aço ferramenta AISI W-5 temperado (para
máxima dureza) e não temperado.
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II. ENSAIO DE IMPACTO: ASTM E23 - 16b Standard Test Methods for
Notched Bar Impact of Metallic Materials
A fratura frágil é grandemente influenciada pelo estado de tensão, temperatura e taxa de
deformação. Não necessariamente estes três fatores necessitam de se manifestarem
conjuntamente para que uma falha catastrófica aconteça.
Sendo assim, os ensaios que permitem avaliar a influência destes três fatores na resistência à
fratura dos materiais, são de grande importância e visam principalmente correlacionar seus
resultados com as fraturas ocorridas na prática e principalmente servem para evitar que
aconteçam fraturas de caráter frágil do material em serviço.
Normalmente, um estado triaxial de tensões (entalhes) e baixas temperaturas são os fatores
principais responsáveis por ocorrência de fratura frágil. Entretanto, já que estes efeitos são
acentuados em taxas de carregamento elevadas, vários tipos de testes de impacto têm sido
utilizados para determinar a susceptibilidade dos materiais à fratura frágil.
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Como existem certas desvantagens com relação a este tipo de testes (os resultados não
podem ser utilizados como dados de projetos), vários outros ensaios tem sido
desenvolvidos, sendo que estes utilizam o conceito da mecânica da fratura (KIC, CTOD,
integral J). Estes ensaios não serão abordados na aula de hoje.
O ensaio de impacto, pela sua facilidade de ensaio e baixo custo de confecção dos
corpos de prova, fez dele um dos primeiros e mais empregados para o estudo de fratura
frágil nos metais. Dos resultados deste tipo de ensaio pode-se determinar a tendência de
um material a se comportar de maneira frágil. Geralmente os corpos de prova para
ensaio de impacto são de duas classes (ASTM E23).
Velocidade de impacto = 5 m/s e taxa de deformação de 103 s-1.
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Uma outra medida importante obtida do ensaio Charpy se refere a observação da superfície de fratura para determinação da percentagem de fratura dútil e frágil.
Superfície de fratura de corpos de prova Charpy testados a diferentes temperaturas. Da
esquerda para direita temp. de ensaio em oC.
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O ensaio de impacto é mais significativo quando realizado em um intervalo de temperatura,
de maneira que pode ser determinado a temperatura. Pode ser adotado pelo menos cinco
critérios para a temperatura de transição.
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Pode ser adotado pelo menos cinco critérios para a temperatura de transição.
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Será que todos os metais apresentam temperatura de transição dútil – frágil?
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Efeito da anisotropia
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ENSAIO DE IMPACTO INSTRUMENTADO
Os ensaios de impacto comum não fornece resultados que possam ser utilizados nos
projetos de engenharia estrutural, pois não existe correspondência entre níveis de tensão e
desempenho na prática.
Desta forma foi desenvolvido um equipamento capaz de fornecer dados quantitativos da
tensão desenvolvida durante o ensaio. Assim, o ensaio de impacto instrumentado, pode se
obter um gráfico carga – tempo e a partir deste gráfico tem-se a energia W1, necessária para
iniciar a trinca e a energia Wp necessária para propagar a mesma.
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Ensaio de tração uniaxial
➢O ensaio de tração consiste na
aplicação de carga uniaxial
crescente até a ruptura. Mede-se
a variação do comprimento como
função da carga e fornece dados
quantitativos das características
mecânicas dos materiais;
➢Os CPs geralmente possuem
seção transversal circular ou
retangular com proporções
geométricas normalizadas
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Curva Típica x (tração)Liga de alumínio
p32
e
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Deformação Elástica
Características Principais:
➢A deformação elástica é resultado de um pequeno alongamento
ou contração da célula cristalina na direção da tensão (tração ou
compressão) aplicada;
➢Deformação não é permanente, o que significa que quando a
carga é liberada, a peça retorna à sua forma original;
➢Processo no qual tensão e deformação são proporcionais
(obedece a lei de Hooke) → F=KX;
➢Gráfico da tensão x deformação resulta em uma relação linear. A
inclinação deste segmento corresponde ao módulo de elasticidade
E
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Módulo de Elasticidade (E)
E
E = módulo de elasticidade
ou Young (GPa)
σ = tensão (MPa)
ε = deformação (mm/mm)
α
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Principais características:
➢Quanto maior o módulo, mais rígido será o material ou menor
será a deformação elástica;
➢O módulo do aço (≈ 200 GPa) é cerca de 3 vezes maior que o
correspondente para as ligas de alumínio (≈ 70 GPa), ou seja, e
quanto maior o módulo de elasticidade, menor a deformação
elástica resultante.
➢O módulo de elasticidade corresponde a rigidez
ou a resistência do material à uma deformação elástica.
➢O módulo de elasticidade está ligado diretamente com as
forças das ligações interatômicas
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9
Comportamento não-linear
■ Alguns metais como
ferro fundido cinzento, o
concreto e muitos
polímeros apresentam
um comportamento não
linear na parte elástica
da curva tensão x
deformação
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Módulo de Elasticidade
➢O módulo de elasticidade é
dependente da temperatura;
➢Quanto maior a temperatura
o E tende a diminuir.
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* Polímero termoplástico
** Polímero termofixo
*** Compósitos
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Deformação Plástica
39
➢Para a maioria dos materiais metálicos, o regime elástico persiste
apenas até deformações de aproximadamente 0,2 a 0,5%.
➢À medida que o material é deformado além, desse ponto, a
tensão não é mais proporcional à deformação (lei de Hooke) e
ocorre uma deformação permanente não recuperável denominada
de deformação plástica;
➢A deformação plástica corresponde à quebra de ligações com os
átomos vizinhos originais e em seguida formação de novas
ligações;
➢A deformação plástica ocorre mediante um processo de
escorregamento (cisalhamento) , que envolve o movimento de
discordâncias.
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Limite de proporcionalidade e Tensão limite
de escoamento
➢O limite de proporcionalidade pode ser
determinado como o ponto onde ocorre o
afastamento da linearidade na curva tensão
– deformação (ponto P).
➢A posição
determinada
deste ponto pode não ser
com precisão. Porconseqüência foi adotada uma convenção: é
construída uma linha paralela à região
elástica a partir de uma pré-deformação de
0,002 ou 0,2%.
➢A intersecção desta linha com a curva
tensão – deformação é a tensão limite de
Alongamento
escoamento
escoamento (σy) 40
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n = 0,5% = ligas não ferrosas moles
n = 0,2% – metais e ligas metálicas em geral
n = 0,1% aços ou ligas muito duras
n = 0,01% - aços molas
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Limite de resistência à tração
➢Após o escoamento, a tensão
necessária para continuar a
deformação plástica aumenta até
um valor máximo (ponto M) e
então diminui até a fratura do
material;
➢Para um material de alta
capacidade deformaçãodedo CP decresce
ao ultrapassar o
plástica, o φ rapidamente
ponto M e assim a carga
necessária para continuar a
deformação, diminui até a ruptura
final.
O limite de resistência à tração é a tensão no ponto máximo da curva tensão-
deformação. É a máxima tensão que pode ser sustentada por uma estrutura
que se encontra sob tração, ponto M. 14
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Ductilidade
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Definição: é uma medida da extensão da deformação que ocorre
até a fratura
Ductilidade pode ser definida como:
➢Alongamento percentual %AL = 100 x (Lf - L0)/L0
• onde Lf é o alongamento do CP na fratura
• uma fração substancial da deformação se concentra na estricção, o que faz com que %AL dependa do comprimento do corpo de prova. Assim o valor de L0 deve ser citado.
➢Redução de área percentual %RA = 100 x(A0 -Af)/A0
• onde A0 e Af se referem à área da seção reta original e na fratura.
• Independente de A0 e L0 e em geral é deAL%
![Page 44: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/44.jpg)
Tenacidade em Tração
Material Dúctil
44
Material Frágil
➢Representa
habilidade de
uma medida da
um material em
absorver energia até a fratura;
➢Pode ser determinada a partir da
curva x. Ela é a área sobre a
curva;
➢Para que um material seja tenaz,
deve apresentar resistência e
ductilidade. Materiais dúcteis são
mais tenazes que os frágeis.
![Page 45: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/45.jpg)
Resiliência
45
r
e
U d0
Definição: Capacidade de um material
absorver energia sob tração quando ele é
deformado elasticamente e devolvê-la quando
relaxado (recuperar);
✓ O módulo de resiliência é dado pela área dacurva tensão-deformação até o escoamento
ou através da fórmula:
✓ Na região linear Ur =yy /2 =y(y /E)/2 =2y /2E
Assim, materiais de alta resiliência possuem
alto limite de escoamento e baixo módulo de
materiais seriam ideaiselasticidade. Estes
para uso em molas.
e
r
U d 0
![Page 46: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/46.jpg)
Ensaio de Tração: Curva Tensão – Deformação
Convencional
■ Tensão Convencional, nominal
ou de Engenharia
σC=tensão
P=carga aplicada
O
CA
P
S0=seção transversal original
■ Deformação Convencional,
nominal ou de Engenharia
εC = deformação (adimensional - mm/mm)
l0 = comprimento inicial de referência (mm)
l = comprimento de referência para cada
carga (mm)46
𝑒𝑐 =𝑙 − 𝑙0𝑙0
=∆𝑙
𝑙0
![Page 47: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/47.jpg)
Coeficiente de Poisson
É o coeficiente que mede a rigidez do material na direção
perpendicular à direção da carga de tração uniaxial aplicada.
No ensaio de tração é o quociente entre a deformação lateral (’) e a
deformação na direção da tensão aplicada ().
![Page 48: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/48.jpg)
Propriedades Mecânicas da metais
e ligas
48
![Page 49: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/49.jpg)
Encruamento
➢ A partir da região de
escoamento, o material entra
no campo de deformações
permanentes, onde ocorre
endurecimento por trabalho a
frio (encruamento);
➢ Resulta em função da
interação entre discordâncias
e das suas interações com
obstáculos como solutos e
contornos de grãos. É
cada
ocorra
preciso uma energia
vez maior para que
essa movimentação 27
![Page 50: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/50.jpg)
➢ Região localizada em uma seção
reduzida em que grande parte da
deformação se concentra;
➢ Ocorre quando o aumento da
dureza por encruamento é menor
que a tensão aplicada e o material
sofre uma grande deformação.
Empescoçamento - Estricção
50
![Page 51: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/51.jpg)
Tensão Verdadeira e Deformação
Verdadeira
➢ Na curva tensão-deformação
convencional
máximo (ponto
após o ponto
M), o material
aumenta em resistência devido
ao encruamento, mas a área da
seção reta está diminuindo
devido ao empescoçamento;
➢ Resulta em
capacidade
uma redução na
do corpo em
suportar carga;
➢ A tensão calculada nessa carga
é baseada na área da seção
original e não leva em conta o
pescoço. 30
Estricção ou
empescoçamento
![Page 52: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/52.jpg)
Tensão Verdadeira e Deformação
Verdadeira
i
VA
P
➢ A Tensão Verdadeira é definida
como sendo a carga P dividido
sobre a área instantânea, ou
seja, área do pescoço após o
limite de resistência à tração
➢ A Deformação Verdadeira é
definida pela expressão
l052
V ln
li
![Page 53: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/53.jpg)
Relações entre Tensões e
Deformações Reais e Convencionais
■ Deformação ■ Tensão
l
l0
ln(1 eC ) r ln
1 eC
l
l0 C
C
P P
S S0
S
l0S
r C(1 eC )
(1eC) r
1 eS 0
lnS0 ln
l ln(1 e )
53
𝑒𝐶 =𝑙 − 𝑙0𝑙0
=∆𝑙
𝑙0=
𝑙
𝑙0− 1
![Page 54: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/54.jpg)
Efeito da temperatura
➢ A temperatura podeinfluenciar significativamente as propriedades mecânicas levantadas pelo ensaio de tração
➢ Em geral, a resistência diminui e a ductilidadeaumenta aumento
conforme ode
temperatura
54
![Page 55: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/55.jpg)
Ensaio de Compressão
➢ O ensaio de compressão é aaplicação de carga compressivauniaxial em um CP;
➢ A deformação linear obtida pelamedida da distância entre as placasque comprimem o corpo versus acarga de compressão consiste noresultado do ensaio;
➢ As propriedades mecânicas obtidassão as mesmas do ensaio detração.
55
![Page 56: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/56.jpg)
Curva x - Compressão
56
![Page 57: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/57.jpg)
Ensaio de Compressão
➢ Em funçãosubmicroscópicas
de trincas os materiais
frágeis são geralmente fracosem condições de tração, já queas tensões de tração tendem apropagar essas trincas
➢ Materiais frágeis como ascerâmicas apresentam porémalta resistência à compressão
57
![Page 58: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/58.jpg)
Ensaio Compressão – Modos de Deformação
(a)Flambagem, quando L/D > 5
(b) Cisalhamento, quando L/D > 2,5
(c) Barril duplo, quando L/D > 2,0
(d)Barril , quando L/D > 2,0 e há
fricção nas superfícies de contato
(e)Compressão homogênea, quando
L/D < 2,0 e não existe fricção nas
superfícies de contato
(f)Instabilidade compressiva devido ao
amolecimento do material por efeito de
carga.
A flambagem, o cisalhamento e a instabilidade devem ser evitados58
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Ensaio de Compressão
Q Resultado do ensaio decompressão aplicado emum cilindro de cobre
59
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Ensaio de compressão: Embarrilhamento
➢ Durante o ensaio de compressão,as faces do corpo de prova queestão em contato direto com asplacas sofrem uma resistência quese opõe ao escoamento domaterial devido às forças de atrito.
➢ Isto leva a um corpo de prova emforma de barril (embarrilhamento)tornando necessário adeterminação das tensões edeformações verdadeiras;
60
atuam conjuntamente, tanto modo como nos valores
➢ Os fatores atrito e relação L/D
no da
deformação.
![Page 61: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/61.jpg)
Tensões e Compressões Verdadeiras
➢ Tensão Verdadeira:
2
0 0
4.P.hr
.D .h
➢ Deformação Verdadeira:
h
40
r ln
h0
![Page 62: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/62.jpg)
Ensaio de Torção
➢ O Ensaio de torçãoconsiste na aplicação decarga rotativa em umcorpo de prova geralmentede geometria cilíndrica;
➢ Mede-se otorção como
ângulo de função do
momento torsor aplicado;
➢ Muito utilizado na indústriade componentes mecânicos comode arranque,
motores turbinas
aeronáuticas, rotores demáquinas pesadas, barras de torção, molas etc... 41
![Page 63: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/63.jpg)
Ensaio de torção
As propriedades
principais obtidas no
ensaio de torção são:
de ruptura à
■ Módulo de elasticidade
■ Limite de escoamento à torção
e
■ Módulo torção
u
transversal
G 42
G= módulo de elasticidade transversal
(ensaios de torção)
= Tensão de cisalhamento
= Deformação de cisalhamento
G .
![Page 64: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/64.jpg)
Relação entre G , e E
43
➢Para materiais isotrópicos,
o módulo de elasticidade
está relacionado com o
coeficiente de Poisson
e com o Módulo de
Cisalhamento
Relação entre G e E:
E 2G(1 )
![Page 65: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/65.jpg)
Valores de E, G e coeficiente de Poisson
44
Normalmente varia entre 0,25 a 0,35
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Ensaio de Flexão
➢O Ensaio de flexão consistena aplicação de umacarga crescente emdeterminados pontos deuma barra
➢ Mede-se o valor da cargaversus a deformaçãomáxima
➢ Existem dois tiposprincipais de Ensaios:Ensaio de flexão em trêspontos e Ensaio de flexãoem quatro pontos 45
3 pontos
4 pontos
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Ensaio de Flexão
As principais propriedades
obtidas em um Ensaio de
Flexão são:
➢ Módulo de ruptura na flexão
➢ Módulo de elasticidade
➢ Módulo de resiliência
➢ Módulo de tenacidade
■ É um ensaio muito utilizado
em cerâmicas, polímeros emetais
dados
duros, pois fornece
de deformação
quando sujeitos a cargas de
flexão 46
![Page 68: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/68.jpg)
Ensaio de Fluência
materiais devido átomos, movimento
à difusão dosde
escorregamento ediscordâncias, recristalização.
➢ Fenômeno ocorre em T>0,4Tf
(acima de 0,4 da temp. fusão).47
Definição Fluência: fenômeno de deformação plástica acumulada com
o tempo que um sólido apresenta, sob o efeito constante da tensão e
temperatura.
➢ O ensaio de fluência consiste naaplicação de uma carga constanteem um material durante um períodode tempo, em temperaturaselevadas;
➢ Essas condições são favoráveis amudanças de comportamento dos
![Page 69: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/69.jpg)
Ensaio de Fluência➢ No ensaio de fluência pode-
se obter apenas o tempo deruptura total (ensaio deruptura por fluência).
➢ Normalmente no ensaio defluência são medidas asdeformações que ocorremno CP em função do tempo(ensaio de fluência).
➢ Entre os materiaisensaiados em fluência pode-se citar os empregadoseminstalações depetroquímicas, nucleares,
refinarias usinas
indústriaaeroespacial, turbinas,forno craqueamento etc.. 48
![Page 70: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/70.jpg)
Ensaio de Fluência
O ensaio de fluência pode ser dividido em três estágios:
■ Primário: decréscimo contínuo da taxade fluência (d/dt) em função doaumento de resistência devido aoencruamento
■ Secundário: taxa de fluênciaconstante, função do equilíbrio entreencruamento e recuperação (devidotemp.). O parâmetro mais importante(taxa mínima de fluência) consistena inclinação da curva nesse estágio
fluência devido a estricção doculminando na ruptura devido
■ Terciário: aceleração da taxa deCP
àformação e propagação de trincas 49
![Page 71: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/71.jpg)
Ensaio de Fadiga
■ Os materiais metálicos, quando submetidoscíclicos rompem-se a tensões inferiores
a esforços àquelas
determinadas nos ensaios de tração e compressão. A ruptura que ocorre é denominada ruptura por fadiga
■ O ensaio de fadiga consiste na aplicação de carga cíclica em corpo de prova padronizado
50
![Page 72: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/72.jpg)
Tensões Cíclicas
■ Ciclo de tensões aleatórias.
Em geral são possíveis trêsmodalidades diferentes de tensãooscilante-tempo:
■ Ciclo de tensões alternadas:dependência regular e senoidalem relação ao tempo, alternandoentre uma tensão máxima detração e uma tensão mínima decompressão de igual magnitude;
■ Ciclo de tensões repetidas:valores máximos e mínimos sãoassimétricos e relação ao nível 0de tensão;
51
![Page 73: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/73.jpg)
Curva σ-N ou Curva de Wöhler
➢ Em geral, a curva σ-N de materiaisferrosos (+ Ti) apresenta um limite deresistência à fadiga. Para valoresabaixo desse limite o CP nunca irá sofrer ruptura por fadiga
caracterizada pela resistência➢ Para ligas não ferrosas a fadiga é
àfadiga, tensão na qual ocorre rupturapor fadiga após um número de ciclosespecíficos(106 a 108)
➢ Vida à fadiga consiste no número deciclos que causará a ruptura emdeterminado nível de tensão
➢ Em função do número de ciclos parahaver ruptura o ensaio pode ser debaixo ciclo (104) ou de alto ciclo(acima desse limite)
73
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Curva σ-N ou Curva de Wöhler
■ Resultado de ensaio de fadiga para diferentes materiais74
![Page 75: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/75.jpg)
➢ Limite de resistência à fadiga (Rf): em certos materiais (aços, titânio,...)abaixo de um determinado limite de tensão abaixo do qual o material nuncasofrerá ruptura por fadiga.
➢ Resistência à fadiga (f): em alguns materiais a tensão na qual ocorrerá afalha decresce continuamente com o número de ciclos (ligas não ferrosas: Al,Mg, Cu,...). Nesse caso a fadiga é caracterizada por resistência à fadiga
Para os aços o limite de resistência à fadiga (Rf) está entre 35-65% do limite deresistência à tração.
Diferença entre Limite à Fadiga e Resistência a Fadiga
54
![Page 76: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/76.jpg)
Nucleação da Trinca
■ A ruptura do material por fadiga ocorre devido à formação epropagação de trincas;
■ As trincas se iniciam principalmente em defeitos desuperfície,entalhes, inclusões, contornos de grãos, defeitosde solidificação, pontos de corrosão e pontos que sofremdeformação localizada.
55
![Page 77: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/77.jpg)
Propagação de Trincas
➢ A concentração detensão(tração)na pontada trinca favorece odeslizamento deplanos em 45o (A,B eC)
➢ Em resposta àdeformação plástica, aponta da trinca torna-se curva (embota).
➢ Na recuperação datensão (ou tensão decompressão) a ponta écomprimida, formandonovamente uma pontaaguda e o processovolta a se repetir emcada ciclo 56
![Page 78: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/78.jpg)
Características Macroscópicas
Nucleação
Propagação
instável
Características macroscópicas gerais de uma fratura por fadig5a7.57
![Page 79: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/79.jpg)
Modo Macroscópico de Propagação de
Trinca por Fadiga
A superfície de uma fratura por fadiga apresenta duas regiões
distintas:
➢Região de propagação estável da trinca (aspecto polido, devido ao atrito das faces da
trinca com possíveis marcas de progressão da trinca;
➢Corresponde à área de fratura final não tendo ação do atrito (grosseiro, irregular,
texturizado) – fratura frágil ou dúctil
Ni
NpNff
58
![Page 80: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/80.jpg)
Bibliografia
59
de Materiais – uma Introdução, Willian D.Q Ciência e EngenhariaCallister, Jr. LTC 5. edição.
Materials, 4th edQ The Science and Engineering of Donald R. Askeland – Pradeep P. Phulé.
Q Dieter, G.E. Metalurgia Mecânica 2.ed. Rio de Janeiro: GuanabaraDois, 1981.
Q Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos, Fundamentos teóricos e práticos. 5º. Edição. Sérgio Augusto de Souza
Q AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E8M-01A (2001). Standard test methods of tension testing of metallic materials. Metric. Philadelphia.
Q AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E9-89a00 (2000). Standard Test Methods of Compression Testing of Metallic Materials at Room Temperature
![Page 81: Ensaios Mecânicos dos Materiais](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012223/61e08668f2d6cf21470b1b06/html5/thumbnails/81.jpg)
OBRIGADO PELA
ATENÇÃO !!!
69