TM229 - Introdução aos Materiais

Transcrição

1 TM229 - Introdução aos Materiais Propriedades mecânicas Ana Sofia C. M. D Oliveira

2 Propriedades mecânicas Resistência - Tração - Escoamento - Compressão - Flexão - Cisalhamento - Fluência - Tensão de Ruptura Conformabilidade - % alongamento - % de redução de área - Raio de flexão Resiliência - Modulo de elasticidade - Modulo de flexão - Modulo de cisalhamento Tenacidade - Resistência ao impacto - Sensibilidade ao entalhe - Intensidade da tensão critica Durabilidade - Dureza - Resistência ao desgaste - Resistência a fadiga

3 Principal conceito em propriedades mecânicas: Tensão Tensão= força/área σ = F/A Tensão vs resistência A resistência é a capacidade do material acomodar tensão Existem vários tipos de tensão Quais são eles?

4 Elástica Estrutura retorna a sua forma original quando se remove a carga Plástica Carga aplicada provoca uma deformação permanente Tração T e n s ã o Compressão Flexão Tendência para separar/romper o componente Flexão do componente Tendência para esmagar ou colapsar o componente Cisalhamento Cisalhamento do componente Torção Torção do componente

5 Ensaios Mecânicos Permitem quantificar as propriedades mecânicas

6 Ensaio de Tração Uniaxial O ensaio de tração uniaxial é um dos mais populares ensaios mecânicos. Fornece informações referentes a resistência e ductilidade do material ensaiado. Propriedades passiveis de serem utilizadas em projeto Cp cilindrico Corpo de prova cp retangular

7 Geometria do corpo de prova (dimensões padronizadas) Colocação de extensômetro

8 Curva tensão- deformação

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10 Curva Tensão Nominal x Deformação nominal ( metal dúctil ) Modulo de elasticidade medida da rigidez Tensão de escoamento Tensão máxima ou limite de resistência Dutilidade (redução de área; deformação) Coef de encruamento Estricção estado triaxial de tensões

11 Critério de instabilidade plástica Quando começa a estricção? d d

12 Curva engenharia vs curva verdadeira Equações de transformação ( N, N ) ( v, v ) V N ( 1 ) ln( 1) N V N

13 Encruamento - Aumento da tensão necessário para fazer o material escoar devido à própria deformação plástica que ele experimenta. - taxa de encruamento como d /d. - Durante a deformação plástica a frio a densidade de discordâncias aumenta, podendo passar de 10 6 cm/cm 3 para cm/cm 3.

14 Limite de escoamento descontínuo - Efeitos: patamar de escoamento descontínuo, bandas de Lüders - Causa: difusão de átomos intersticiais de carbono e nitrogênio para regiões confortáveis nas discordâncias em aresta, formando atmosferas ou clusters que ancoram e dificultam o movimento das mesmas (atmosferas de Cottrel). - Os efeitos se acentuam com o aumento da quantidade de C e N em solução sólida.

15 EXPERIÊNCIA 1- carregamento do aço doce recozido 2 ensaio é interrompido e a carga aliviada; o ensaio recommeça logo em seguida; 3 ensaio é interrompido e a carga aliviada; o ensaio é recomeçado alguns meses após. Fonte: [3]

16 Comportamento de diferentes materiais sob tração uniaxial Material dutil com alto coef de encruamento Material dutil com bx coef de encruamento Material frágil Aços inoxidáveis e ao carbono Ligas de Aluminio Vidros, cerâmicos, FF e alguns metais Material com escoamento descontinuo Material compósito Aço de bx carbono Fibras de vidro ou de carbono em matriz polimérica

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18 O que representam as cotas:

19 Efeito da temperatura nas propriedades mecânicas

20 Testes de dureza

21 Ensaios de dureza Propriedade que se relaciona diretamente com a resistência mecânica do material mede a resistência do material a deformação plástica localizada. Quanto maior o limite de resistência de um material metálico, maior a sua dureza. Frequentemente a dureza do material é proporcional a sua resistência ao desgaste e durabilidade Nos aços a dureza é utilizada como uma medida da resistência a abrasão

22 Os ensaios de dureza podem ser por penetração, risco ou choque. No caso dos materiais metálicos, os métodos mais utilizados são os ensaios de dureza por penetração Brinell Vickers Knoop Rockwell

23 Dureza Brinell Dureza Brinnel (HBN): obtém-se o valor da dureza dividindo-se a carga aplicada pela área de penetração impressa no material. O penetrador deixa uma calota esférica impressa na amostra. A máquina de ensaio possui um microscópio ótico que se presta à medição do diâmetro d do círculo que corresponde à projeção da calota. A dureza Brinnel será dada por: HBN carg a área da impressão P Dt P ( D / t) ( D D 2 d 2 ) Sendo P a carga aplicada, D o diâmetro do penetrador e d o diâmetro da projeção da área de impressão. P d d

24 Dureza Brinell Penetrador é uma esfera de aço temperado para materiais de dureza média ou baixa, ou de carboneto de tungstênio, para materiais de elevada dureza. -Superfície deve ter as duas faces paralelas e um bom acabamento superficial. -O valor da carga P pode variar, desde que se mantenha constante a relação P/D 2. P/D 2 = 30 para aços e ferros fundidos P/D 2 = 20 para ligas de alumínio. Obedecendo-se essa regra, o resultado do ensaio será independente da carga (ou diâmetro da esfera) adotada.

25 Dureza Vickers Penetrador de diamante em forma de pirâmide de base quadrada e ângulo de 136 o entre as faces carg a P 1,854P HV 2 o 2 área da impressão d / 2 (sen136 / 2) d Sendo d a média da medida das diagonais d 1 e d 2 da base da impressão. A dureza Vickers apresenta uma escala contínua abrangendo desde materiais macios (~5HV) ate materiais bastante duros (>1000HV); Exige maior acabamento da superfície

26 Dureza Rockwell O ensaio de dureza Rockwell é o simples e rápido. O valor da dureza do material é lido diretamente no equipamento A dureza é inversamente proporcional à profundidade de penetração obtida pela aplicação da carga.

27 Escala B: Os metais menos duros devem ser ensaiados selecionando-se esta escala. O penetrador utilizado é uma esfera de 1/16 pol. aço temperado e a carga é de 100 kgf. A escala B vai de 0 a 100. Escala C: Os metais mais duros devem ser ensaiados por esta escala. O penetrador utilizado possui uma ponta cônica de diamante e a carga é de 150kgf. A escala C vai de 0 a 70, mas valores de dureza Rockwell C inferiores a 20 não são considerados válidos, ou seja, neste caso devese passar para a escala B. Ao se ensaiar um material desconhecido, deve-se inicialmente utilizar a escala A, O penetrador utilizado possui uma ponta cônica de diamante e a carga de penetração é de 60kgf.

28 O ensaio de dureza Rockwell passo a passo:

29 Tenacidade Capacidade de absorver energia até a ruptura Resistência a propagação de trincas Resiliência Capacidade de absorver energia elástica

30 Ensaio de impacto

31 Ensaios de impacto (Charpy e Izod) - Alta taxa de carregamento - CP entalhado (concentrador de tensões) O impacto é dado no sentido de abrir e não fechar a trinca. Pode-se variar a temperatura de ensaio utilizando-se misturas de nitrogênio e álcool para refrigeração.

32 MATERIAIS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Máquina de Ensaio (pêndulo) Corpos de Prova - Charpy - Izod

33 Influência da Temperatura Metais ccc Apresentam transição dúctilfrágil FRATURA FRÁGIL - Pouca deformação plástica macroscópica FRATURA DÚCTIL - Muita deformação plástica macroscópica - Expansão lateral do corpo de prova

34 Tamanho de grão contornos de grão são obstáculos à propagação de trincas, obrigando que estas mudem de direção na passagem de um grão para outro materiais de grãos finos exigem uma mais alta energia para fratura e apresentam temperatura de transição dúctil-frágil mais baixa do que materiais de grãos grosseiros.

35 Composição química -Elementos que notoriamente abaixam a tenacidade: Enxofre, fósforo e carbono. -Elementos benéficos: Manganês e níquel

36 Fadiga

37 Fadiga A fadiga é um tipo de falha mecânica que ocorre devido a esforços (tensões e deformações) flutuantes. Estes esforços geralmente são aleatórios. Nos ensaios de fadiga são empregados ciclos de tensão ou deformação bem definidos.

38 Para esses ciclos são definidos os seguintes parâmetros: a é a amplitude de tensões r = ( máx. - mín. ) = 2 a máx. e mín., tensões mín e máx; R = mín / máx. é a tensão média médio

39 Propagação da trinca de fadiga em função do ciclo de tensão propagação

40 Superfície exposta a fadiga, formação de concentradores de tensão Mecanismo de fadiga

41 Aspectos superfície de fadiga Aspecto macroscópio: marcas de praia Aspecto microscópico:estrias de fadiga

42 Curvas S-N Tensão limite de fadiga abaixo dele o n. de ciclos é infinito Efeito da tensão média

43 Fluência

44 Fluência Falha que ocorre em altas temperaturas. Deformação permanente e dependente do tempo, que pode gerar defeitos internos que levam à ruptura do material. Antes da falha, o componente experimenta deformação plástica, o que compromete a geometria e e a precisão dimensional dos componentes. As temperaturas em que os mecanismos de fluência se tornam operantes são geralmente superiores a 0,4T H. Temp. Homologa = T de teste T fusão

45 Estágios do comportamento em fluência: I II III X Região de ruptura Região de encruamento Região de Taxa de deformação contante 1 ss Parâmetros importantes retirados do ensaio de fluência: - taxa de deformação no estágio II e - vida em fluência (tempo total para ruptura) t

46 46 Em casos reais é possivel que não se identifiquem alguns dos estágios da fluência <10% x ou até <1% Regiões II e III desaparecem pois é nec um tempo muito longo (tensões moderadas e baixa T) t Região III desaparece pois ocorreu falha por cavitação t x Região I invertida (endurecimento por solução sólida) x Região II não é identificada pois a amostra sofre estricção e quebra antes da região II t t

47 Efeito da tensão e da temperatura na curva de fluência Efeito da tensão Efeito da temperatura

48 Mecanismos de fluência: Difusão de átomos e lacunas pelo interior dos grãos (Nabarro-Herring) Difusão de átomos e lacunas pelos contornos de grão (Coble); Deslizamento de discordâncias; Movimentação de discordâncias por escalagem; Deslizamento de contornos de grão.

49 Difusão de átomos e lacunas pelo interior dos grãos (Nabarro-Herring) Difusão de átomos e lacunas pelos contornos de grão (Coble);

50 Deslizamento de discordâncias; Movimentação de discordâncias por escalagem escalagem de discordâncias Rápido movimento das lacunas -> metal flui rápidamente