COMPORTAMENTO DOS MATERIAIS SOB TENSÃO. Prof. Rubens Caram

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1 COMPORTAMENTO DOS MATERIAIS SOB TENSÃO Prof. Rubens Caram 1

2 TENSÃO X DEFORMAÇÃO O EFEITO DE TENSÕES NA ESTRUTURA DE METAIS PODE SER OBSERVADO NA FORMA DE DEFORMAÇÕES: EM ESTRUTURAS DE ENGENHARIA, ONDE A DEFORMAÇÃO ELÁSTICA ESTÁ PRESENTE EM PEÇAS CONFORMADAS PLASTICAMENTE R. Caram - 2

3 DEFINIÇÕES APLICAÇÃO DE FORÇAS EM UM OBJETO GERA TENSÕES TENSÃO=FORÇA/ÁREA OU σ=f/a UNIDADES: psi=lb/in 2 OU N/m 2 =Pa APLICAÇÕES DE TENSÕES GERA DEFORMAÇÕES DEFORMAÇÃO= VARIAÇÃO NO COMPRIMENTO/COMPRIMENTO INICIAL OU ε= L/L O UNIDADES: in/in OU m/m DEFORMAÇÕES: ELÁSTICA PLÁSTICA R. Caram - 3

4 PROPRIEDADES MECÂNICAS ASTM AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS AISI AMERICAN IRON AND STEEL INSTITUTE SAE SOCIETY OF AUTOMOTIVE ENGINEERS ENSAIO DE TRAÇÃO PERMITE DETERMINAR: MÓDULO DE ELASTICIDADE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO LIMITE DE ESCOAMENTO PLASTICIDADE/FRAGILIDADE R. Caram - 4

5 ENSAIO DE TRAÇÃO Tensão, σ Deformação, ε R. Caram - 5

6 ENSAIO DE TRAÇÃO REGIÃO ELÁSTICA REGIÃO PLÁSTICA LIMITE DE RESISTÊNCIA Tensão, σ LIMITE DE ESCOAMENTO E=σ/ε LIMITE DE RUPTURA Deformação, ε R. Caram - 6

7 ENSAIO DE TRAÇÃO Tensão, σ Tensão, σ Tensão, σ Deformação, ε MATERIAL FRÁGIL Deformação, ε MATERIAL DÚCTIL 0,2% Deformação, ε MATERIAL DÚCTIL R. Caram - 7

8 EXERCÍCIO UM ENSAIO DE TRAÇÃO DE UMA LIGA DE ALUMÍNIO RESULTOU NOS DADOS A SEGUIR: CARGA (kn) TENSÃO (MPa) COMPRIMENTO (cm) DEFORMAÇÃO 0 0 5,080 0,0 18, ,090 0,002 36, ,100 0,004 45, ,106 0,005 54, ,110 0,006 59, ,116 0,007 63, ,131 0,010 72, ,208 0,025 72, ,331 0,050 70, ,420 0,067 O CORPO DE PROVA EXIBIA 1,28 cm DE DIÂMETRO E 5,08 cm DE COMPRIMENTO ÚTIL. OS DIÂMETROS DO CORPO DE PROVA NA CARGA MÁXIMA E NA FRATURA ERAM 1,23 cm E 1,20 cm, RESPECTIVAMENTE. DESENHE A CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO, CALCULE O MÓDULO DE ELASTICIDADE, A TENSÃO DE ESCOAMENTO A 0,2% DE DEFORMAÇÃO, A % DE ALONGAMENTO E A % DE REDUÇÃO EM ÁREA. R. Caram - 8

9 CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO R. Caram - 9

10 TIPOS DE MATERIAIS MATERIAL FRÁGIL E RESISTENTE (VIDRO, CERÂMICO) Tensão, σ MATERIAL DÚCTIL E RESISTENTE (METAIS) MATERIAL MUITO DÚCTIL E POUCO RESISTENTE (POLÍMEROS) Deformação, ε R. Caram - 10

11 DEFORMAÇÃO ELÁSTICA TIPO DE DEFORMAÇÃO NÃO PERMANENTE QUE DESAPARECE COM A RETIRADA DO ESFORÇO MECÂNICO LEI DE HOOK: RELAÇÃO ENTRE TENSÃO APLICADA E DEFORMAÇÃO RESULTANTE: E=σ/ε UNIDADES: psi=lb/in 2 ou N/m 2 =Pa E É CONHECIDO COMO MÓDULO DE YOUNG E AÇO = 2,0x10 5 MPa E LIGAS Al = 0,7x10 5 MPa SEM DEFORMAÇÃO DEFORMAÇÃO POR TRAÇÃO DEFORMAÇÃO POR COMPRESSÃO R. Caram - 11

12 MÓDULO DE ELASTICIDADE E VARIA COM A DIREÇÃO CRISTALOGRÁFICA EX.: FERRO DIREÇÃO E [111] 2,83x10 5 MPa [100] 1,25x10 5 MPa MÓDULO DE ELASTICIDADE R. Caram - 12

13 DISTÂNCIAS INTERATÔMICAS EXISTEM TRÊS TIPOS DE LIGAÇÕES FORTES AS FORÇAS NESSAS LIGAÇÕES ATRAEM DOIS OU MAIS ÁTOMOS QUAL É O LIMITE DESSA ATRAÇÃO? FORÇA DE REPULSÃO OS ÁTOMOS TÊM UMA DISTÂNCIA DE SEPARAÇÃO ONDE A FORÇA DE REPULSÃO É IGUAL À FORÇA DE ATRAÇÃO. F A F R = = - ( Z e)( Z e) 1 4πε nb a n +1 2 a 2 o (Z e)(z e) F = T 4πε a 2 o Z: VALÊNCIA ε O =8,85X10-12 C 2 /Nm 2 a=distância INTERATÔMICA e=1,6x10-19 C LIGAÇÃO IÔNICA DO NaCl, n ASSUME VALORES ENTRE 7 E 9. nb a n +1 g S N N S R. Caram - 13

14 FORÇAS INTERATÔMICAS DISTÂNCIA INTERATÔMICA É RESULTADO DA INTERAÇÃO ENTRE FORÇAS DE REPULSÃO E DE ATRAÇÃO (Z e)(z e) F = T 4πε a 2 o VARIAÇÃO DE F T nb a n +1 COM A DISTÂNCIA LEVA À ENERGIA DE LIGAÇÃO ENTRE ÁTOMOS OU ÍONS. ESSA FORÇA ESTÁ ASSOCIADA À TENSÃO NECESSÁRIA PARA SEPARAR DOIS ÁTOMOS OU ÍONS. FR FA F A FT F R a o =r cátion + r ânion Distância entre átomos ou íons, a MÓDULO DE ELASTICIDADE É OBTIDO PELA DERIVAÇÃO DE F T EM RELAÇÃO À DISTÂNCIA, EM POSIÇÕES PRÓXIMAS AO PONTO DE a o EQUILÍBRIO. R. Caram - 14

15 DEFORMAÇÃO POR CISALHAMENTO MÓDULO DE ELASTICIDADE TRANSVERSAL (G) G=τ/γ τ = TENSÃO DE CISALHAMENTO γ = DEFORMAÇÃO ELÁSTICA POR CISALHAMENTO γ=tgα R. Caram - 15

16 DEFORMAÇÃO PLÁSTICA EXISTEM DOIS MECANISMOS: DESLIZAMENTO DE PLANOS MACLAÇÃO DESLIZAMENTO É PROVOCADO POR TENSÕES DE CISALHAMENTO R. Caram - 16

17 PLANOS COMPACTOS ESTRUTURA CFC PLANOS {111} E DIREÇÕES <1-10> =12 SISTEMAS ESTRUTURA CCC PLANOS {110} E DIREÇÕES <-111> = 12 SISTEMAS PLANOS {211} E DIREÇÕES <-111> = 12 SISTEMAS PLANOS {321} E DIREÇÕES <-111> = 24 SISTEMAS ESTRUTURA HC PLANOS {0001} E DIREÇÕES <11-20> = 3 SISTEMAS PLANOS {10-10} E DIREÇÕES <11-20> = 3 SISTEMAS PLANOS {10-11} E DIREÇÕES <11-20> = 6 SISTEMAS R. Caram - 17

18 BANDAS DE DESLIZAMENTO MONOCRISTAL DE ZINCO F PLANOS BASAIS HC F PLANOS BASAIS HC VISTA FRONTAL VISTA LATERAL R. Caram - 18

19 DISCORDÂNCIAS E A DEFORMAÇÃO MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS O movimento de uma discordância pode ser comparado ao movimento de uma dobra em um tapete R. Caram - 19

20 DISCORDÂNCIAS E A DEFORMAÇÃO MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS R. Caram - 20

21 DEFORMAÇÃO DE MONOCRISTAIS R. Caram - 21

22 DEFORMAÇÃO DE MONOCRISTAIS LEI DE SCHMID τ= FORÇA DE CISALHAMENTO ÁREA DE DESLIZAMENTO τ=fs/as τ=fcos λ/acosφ=f/a cos λ/cosφ=σcos λ/cosφ R. Caram - 22

23 EXERCÍCIO CONSIDERE UM MONOCRISTAL DE PRATA. A TENSÃO LIMITE DE CISALHAMENTO DESSE METAL É IGUAL A 0,48 MPa. SUPONDO QUE TAL CRISTAL É SOLICITADO NA DIREÇÃO [001] POR UMA TENSÃO DE TRAÇÃO σ, DETERMINE O VALOR DESSA TENSÃO PARA QUE O PLANO (111) SOFRA DESLIZAMENTO NA DIREÇÃO [0-11] R. Caram - 23

24 EXERCÍCIO CONSIDERE O MESMO PROBLEMA, MAS COM TENSÃO DE TRAÇÃO NA DIREÇÃO [011], COM DESLIZAMENTO NO PLANO (111) E DIREÇÃO [-110]. R. Caram - 24

25 MACLAS MACLAS PODEM SURGIR A PARTIR DE TENSÕES TÉRMICAS OU MECÂNICAS. TAL DEFEITO OCORRE QUANDO PARTE DA REDE CRISTALINA É DEFORMADA, DE MODO QUE A MESMA FORME UMA IMAGEM ESPECULAR DA PARTE NÃO DEFORMADA. PLANO CRISTALOGRÁFICO DE SIMETRIA ENTRE AS REGIÕES DEFORMADAS E NÃO DEFORMADA, É CHAMADO DE PLANO DE MACLAÇÃO. R. Caram - 25

26 MACLAS R. Caram - 26

27 MACLAS MACLA R. Caram - 27

28 ENSAIO DE DUREZA MEDIDA DE RESISTÊNCIA DE UM MATERIAL A PENETRAÇÃO. DUREZAS SÃO MEDIDAS RELATIVAS E A COMPARAÇÃO ENTRE AS DIFERENTES ESCALAS DEVE SER FEITA DE MANEIRA CUIDADOSA ENSAIOS DE DUREZA SÃO BASTANTE USADOS: SIMPLES E BARATOS ENSAIO NÃO DESTRUTIVO ALGUMAS PROPRIEDADES PODEM SER ESTIMADAS A PARTIR DA DUREZA R. Caram - 28

29 ENSAIO DE DUREZA DUREZA BRINELL: TESTE ANTIGO E MAIS UTILIZADO BOLA DE AÇO OU CARBETO DE W É USADA PARA IMPRESSIONAR SUPERFÍCIE CARGAS: 500 OU kg POR 30 s MEDIDAS: DIÂMETRO DA IMPRESSÃO R. Caram - 29

30 ENSAIO DE DUREZA DUREZA VICKERS: SEMELHANTE À DUREZA BRINELL PIRÂMIDE DE DIAMANTE É USADA PARA IMPRESSIONAR SUPERFÍCIE CARGAS: MENORES QUE A DUREZA BRINELL MEDIDAS: DIÂMETRO DO LOSÂNGO 25 µm R. Caram - 30

31 ENSAIO DE DUREZA DUREZA ROCKWELL: SEMELHANTE ÀS DUREZAS BRINELL E VICKERS CONE DE DIAMANTE OU ESFERA DE AÇO SÃO USADOS PARA IMPRESSIONAR SUPERFÍCIE CARGAS: DE 15 A 150 kg MEDIDAS: PRODUNDIDADE DE PENETRAÇÃO R. Caram - 31

32 PROPRIEDADES MECÂNICAS ELASTICIDADE: CAPACIDADE EM SE DEFORMAR ELASTICAMENTE, SEM ATINGIR O CAMPO ELÁSTICO RELAÇÃO ENTRE TENSÃO E DEFORMAÇÃO É DADA PELO MÓDULO DE ELASTICIDADE DUCTILIDADE: CAPACIDADE EM SE DEFORMAR PLASTICAMENTE, SEM ATINGIR A RUPTURA FRAGILIDADE: OPOSTO À DUCTILIDADE DUREZA: CAPACIDADE EM RESISTIR À PENETRAÇÃO EM SUA SUPERFÍCIE TENACIDADE: CAPACIDADE EMN ARMAZENAR ENERGIA SEM SE ROMPER RESISLIÊNCIA: CAPACIDADE EM ARMAZENAR ENERGIA NO CAMPO ELÁSTICO FLUÊNCIA: CAPACIDADE EM SE DEFORMAR LENTAMENTE, QUANDO SUBMETIDO A TENSÕES MENORES QUE A DE ESCOAMENTO, SOB ALTAS TEMPERATURAS RESISTÊNCIA: MÁXIMA CARGA SUPORTADA R. Caram - 32

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