20/10/2010

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MAM0411

Ciência dos Materiais

Profa. María Cristina Moré Farias

Tema 7

Propriedades Mecânicas dos Materiais

Parte 1

Propriedades Mecânicas dos Metais

• Conteúdo– Tensão e deformação (definição e correlação)

– Módulo de elasticidade, limite de escoamento, resistência à tração, alongamento, ductilidade, tenacidade

– Dureza (macro e micro)

Por que estudar propriedades mecânicas?

• Materiais em serviços estão sujeitos a forças (avião,

automóveis, etc.)

– Conhecer o material

– Projetar (sem deformação excessiva e sem falha)

• Conhecer como são medidas as várias propriedades

mecânicas e o que estas representam

• Necessárias para projeto de estruturas/componentes

mecânicos (deformação aceitável / evitar falhas)

Como são medidas as propriedades mecânicas

• Experimentos de laboratório padronizados

– (ASTM; www.astm.org)

– Natureza da carga aplicada

• Tração, compressão, cisalhamento, torção

• Constante, flutuante

– Duração da aplicação da carga

• Fração de segundos, anos

– Condições ambientais

• Temperatura

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Ilustração de como uma carga de tração/compressão produz o

alongamento/contração

Tração

Compressão

Ilustração da deformação de cisalhamento/torcional

TorçãoCisalhamento

Tensão e Deformação –Ensaio de Tração

• O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre a deformação e carga aplicada

• O comportamento mecânico pode ser verificado por meio de um ensaio de tensão-deformação– A amostra é deformada até a sua fratura

mediante uma carga de tração gradativamente crescente que é aplicada na direção uniaxial ao longo do eixo mais comprido de um corpo-de-prova

Tensão e Deformação

• Resultado de um ensaio de tração é

um registro da carga em função do

alongamento

• Carga-deslocamento são dependentes

do tamanho da amostra

– Normalização da carga e do

alongamento para minimizar efeitos dos

fatores geométricos

• Tensão de engenharia

• Deformação de engenharia

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Tensão e Deformação

Tensão de engenharia (σσσσ)

Carga instantânea aplicada (N)

Área da seção transversal inicial (m2)

Tensão de engenharia ou Tensão (MPa); 1 MPa = 106 N/m2

Deformação de engenharia (εεεε)

Comprimento inicial (m)

Comprimento instantâneo (m)

Deformação de engenharia ou Deformação(adimensional ou %)

0A

F=σ

0

0

0l

ll

l

li−

=∆

=ε

Tensão e Deformação –Ensaio de Compressão

• O ensaio de compressão é conduzido de maneira semelhante (temperatura, velocidade de deformação, material, ambiente) à do ensaio de tração, porém a força aplicada é compressiva (contração)

• O cálculo de s e é similar ao do ensaio de tração; força/tensão/deformação de compressão (negativa)

• Muitos materiais têm comportamento sob tração e sob compressão semelhantes, exceto muitos polímeros e compósitos

Tensão e Deformação –Ensaio de Compressão

• O ensaio de compressão é utilizado para – Estudo do comportamento do material sob deformações grandes

e permanentes;

– Estudo de materiais frágil sob tração (baixa σtraçao; trincas); indústria de construção civil (considerando, também, o teor de água contido nos corpos-de-prova); cerâmicas

– Estudo estatístico do comportamento mecânico de diferentes materiais, concreto, madeira, compósitos, materiais frágeis

– Estudo paramétrico de processos de conformação, laminação, forjamento, extrusão, etc.

– Análise do modo de deformação (flambagem, cisalhamento, abaulamento)

Tensão e Deformação –Ensaios de Cisalhamento

• Ensaio de Cisalhamento

θγ tan=

0A

F=τ

Tensão de cisalhamento

Deformação de cisalhamento

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Inclinação = Módulo de elasticidade

Descarga

Carga

Deformação

Tens

ão

Propriedades Elásticas

• Deformação elástica: a peça retorna à sua forma original após liberada a carga aplicada

• Tensão e deformação são proporcionais entre si (Lei de Hooke)

σ = E εMódulo de Elasticidade ouMódulo de Young (GPa); 1 GPa = 109 N/m2 = 103 MPaResistência à separação de átomos adjacentes(forças de ligação interatômicas)Rigidez do material

Deformação Elástica

x0

xl

2/lx2

∆∆∆∆εεεε====

x

yz

σz

σz

∆lx / 2

l0x

l0z

∆lz / 2

z0

zl

2/lz2

∆∆∆∆εεεε====

y

xεεεε

εεεενννν ====

Coeficiente de PoissonRigidez do material na direção perpendicular à direção de aplicação da carga

Deformação Elástica

Deformação Reversívellei de Hooke

Elástica linear

Elástica não linear

Relação entre Coeficiente de Poisson e Módulo Elástico

)1(2 ν+= GE

Onde G = módulo de cisalhamentoγ

τ=G γτ G=

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Propriedades Plásticas

• Deformação plástica: a peça sofre uma deformação permanente após liberada a carga aplicada

• Tensão e deformação não são proporcionais entre si

σ = K εn

Constante de proporcionalidade

Coeficiente de encruamento

Escoamento aumento relativamente grande na deformação, acompanhado por uma pequena variação na tensão

Elástico

Tens

ão

Deformação

P

σσσσe

Plástico

Propriedades Plásticas

Tens

ão

Deformação

0,002

σσσσe

Escoamentoimperceptível

P

Deformação

Tens

ão

σσσσe

Limite de escoamento inferior

Limite de escoamento superior

EscoamentoNítido

(discordâncias)

Limite de Escoamento (MPa)Resistência à deformação plástica

Propriedades de Tração Propriedades Plásticas

M

LR

Deformação

Tens

ão

Limite de resistência à tração (MPa)

F

Fratura

Pescoço

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Propriedades Plásticas

• Ductilidade– Grau de deformação plástica suportado pelo material até a fratura

• Material frágil (experimenta pouca deformação)• Material dúctil (experimenta considerável deformação)

– Utilidade em projetos e em operações de fabricação

Frágil

Dúctil

Deformação

Tens

ão

(%)100l

llAL0

0f ××××

−−−−====

Alongamentolf : Comprimento final após fratura

l0 : Comprimento inicial

(%)100A

AARA0

f0 ××××

−−−−====

Estricção (redução de área)

Af : Área final após fratura

A0 : Área inicial

Tenacidade

Resiliência

A capacidade do material de absorver energia durante a deformação e devolve-la

após o descarregamento

Corresponde a energia que pode ser retornada ao sistema mecânico após descarregamento

Tenacidade

Corresponde a energia que é dissipada no sistema mecânico

devido a deformação plástica de um de seuscomponentes

Energia necessária para deformar o material plasticamente

a, resiliência b, tenacidade

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Propriedades Mecânicas Típicas de Metais e Ligas

Liga metálica

Módulo do elasticidade, E

(GPa)

Coeficiente de Poisson,

ν

Limite de escoamento, LE

(MPa)

Limite de resistência, LR

(MPa)

Ductilidade, AL

(%)

Alumínio 69 0,33 35 90 40

Cobre 110 0,34 69 200 45

Latão (70Cu-30Zn

97 0,34 75 300 68

Níquel 207 0,31 138 480 40

Aço 207 0,30 180 380 25

Titânio 107 0,34 450 520 25

Comportamento Elástico após Deformação Plástica

Dureza

• Resistência à deformação localizada (ao risco ou à formação de uma marca permanente)– Área, profundidade ou largura da

impressão residual (marca ou risco) medida e correlacionada com um valor numérico (dureza do material)

– Vários métodos de dureza com aplicações específicas recomendáveis

– Faixa de cargas de 100 N – 0,1 mN– Penetradores com formato padronizado– Condições específicas de pré-carga e

carga– Correlação entre dureza e resistência

mecânica– Tabela de conversões de durezas

Métodos para determinar a dureza

• Dureza por risco

• Dureza dinâmica por rebote

• Dureza quase-estática por penetração

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Dureza por risco

• Habilidade de um material de riscar outro material ou de ser riscado

por outro sólido

• Pouco utilizado nos materiais metálicos

• Maior aplicação no campo da mineralogia

• Ensaios de dureza por risco

– Dureza Mohs

– Diamante (10) risca todos o outros minerais

– Zafira (9) risca os que seguem

– Talco - Silicato de Magnésio (1)

– Metais (4 - 8)

Dureza por rebote

• Energia de deformação consumida para formar a marca

• Altura alcançada no rebote de um êmbolo com ponta de diamante

• Ensaios de dureza por rebote

– Dureza Shore

• Peças grandes

• Ensaios em campo

• Altas temperaturas

Dureza por penetração (ou indentação)

• É uma medida da deformação plástica essencialmente e da

deformação elástica em menor extensão

• Calculada pela carga máxima dividida pela área da impressão

• Depende do tempo de carregamento, temperatura e de outras

condições do meio de operação

Faixas de cargas do ensaio de indentação

100 N 10 mN 0,1 µµµµN

Macrodureza Microdureza Nanodureza

1 mN10 N

Independente da carga Dependente da carga

Deformação plástica predominante

Influência significativa da deformação elástica

500 µm 5 - 20 nm2 - 20 µm

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Escalas – Método - Penetradores

Dureza Convencional“Indentação Convencional”

Indentação Instrumentada“Dureza Instrumentada”

Dureza

Escala Cálculo

Macro Micro NanoConven-cional

Analítico

MOMOMEV

MEVAFM

Macro Micro Nano

BrinellRockwellVickers

VickersKnoop

BerkovichVickers

Cúbico...

Curvas P-h

Dureza convencional

IndentaçãoInstrumentada

Macrodureza convencionalBrinell (# HB)

• Indentador esférico

• Aço temperarado (HBs)

• WC (HBw)

• Ensaio

– 1 – 15 s

– Tabela de valores

• ASTM E-10-93/ NBR 6394

• Aplicações

– Componentes fundidos, forjados e laminados

)dDD)(D(

P2102,0HB22 −−

=π

P (N)D (mm2)

Macrodureza convencionalRockwell (# HR”C”)

• Indentador

– Esfera de aço

– Cone de diamante

• Ensaio

– Comum

– Superficial

– Tabela de valores

• ASTM E-18-94/ NBR 6671

• Aplicações

– Metais(ferrosos, não ferrosos, forjados fundidos), plásticos, borracha, madeira

– Superfícies

Profundidade de penetração é correlacionada a um número (leitura direta na escala da máquina)

)pp()CC(HR 021 −−−−−−−−−−−−====

Macrodureza convencionalVickers (# HV)

• Indentador

– Pirâmide de diamante

• Ensaio

– HV independe da carga

– Tabelas de conversão

• NBR 66-72

• Aplicações

– Metais

– Corpos-de-prova finos,

pequenos e irregularesP (N; kfg)D (mm2)

2

2

d

P189,0

d

)2/(senP22102,0HV

====

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅====

θθθθ

HV (kfg/mm2) ou GPa

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Correlação entre dureza e resistência mecânica

• Dureza Brinell

– Estimativa da resistência de um

material

– Correlação usada quando não se

dispõe de um máquina de

ensaio de tração ou situação

inversa

– Aplicável para HB < 380

α ≈ 3,6 – 5,20

• Dureza Vickers

– A dureza pode também ser correlacionada com o limite de proporcionalidade

β ≈ 0,3 – 3,0

HBu αααασσσσ ====

HVp ββββσσσσ ====

Conversão de dureza Rockwell em dureza Brinell

)dDD)(D(

P2102,0HB22 −−

=π

)pp()CC(HR 021 −−−−−−−−−−−−====

)HB(DPP

CCHR 021

ππππ

−−−−−−−−====

Tabela de conversões de dureza

Rockwell CHRC

BrinellHB

VickersHV

65 739 832

50 481 513

25 253 266

Microdureza convencionalVickers e Knoop

• Determinação da dureza de pequenas áreas do corpo-de-

prova

– Gradiente de dureza de camadas superficiais (tratamento térmico),

revestimentos, tintas

– Microconstituintes

– Zona termicamente afetada (ZTA) em soldas

– Materiais frágeis (vidro)

• Ensaio

– Penetradores de diamante

– Microscópio óptico

– Cargas menores que 1 kgf

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Microdureza convencionalVickers e Knoop

22p l

P23,14

cl

PAPHK ============

(d1:d2=1:1)

Knoop

Vickers

2

2

d

P189,0

d

)2/(senP22102,0HV

====

⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅====

θθθθ

(l:b = 7:1)

Microdureza de microconstituintes

A

A – Bainita - 458 HV

HV (50 gf)HV 0,5

B – Austenita - 434 HV

B

C – Martensita - 539 HV

C

E – Perlita - 390 HV

E

D – Carboneto M7C3 -1730 HV

D

Resumo

• Várias propriedades mecânicas dos metais podem ser obtidas através dos ensaios de tensão-deformação– Módulo de elasticidade– Coeficiente de Poisson– Limite de escoamento– Limite de resistência– Tenacidade

• A dureza é outra propriedade mecânica importante– Brinell– Rockell– Vickers– Knoop