PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS

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1 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

2 Materiais Sujeitos a forças e cargas Liga de Al da asa de um avião Propriedades mecânicas (Ashby, 2007)

3 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

4 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

5 Técnicas de ensaio padronizadas Engenheiro de materiais e metalúrgicos produção e fabricação de materiais para atender a condições de serviço. Microestrutura X propriedades mecânicas

6 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.

7 a) Tração - b) Compressão - d) Torção - c) Cisalhamento envolve tensões que tendem a causar deslizamento a porções adjacentes do material Fig. - Maneiras principais segundo as quais uma carga pode ser aplicada. (Callister, 2007)

8 ENSAIOS DE TRAÇÃO Ensaio mais comum tração (avaliar diversas propriedades mecânicas). Fig. Corpo de prova padrão para ensaios de tração com seção reta circular

9 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;

10 Máquina de ensaio de tração Representação esquemática do dispositivo usado para conduzir ensaios tensãodeformação por tração.

11 Máquina de ensaio de tração Equipamento que mede as propriedades mecânicas de metais usando forças de tração.

12 Para minimizar fatores geométricos, carga e alongamento são normalizados Tensão de engenharia F A 0 Deformação de engenharia l i l l 0 0 l l 0

13 Tensão Unidades N 2 m ou MPa lbf pol psi 2 Deformação Adimensional m / m pol/ pol %

14 ENSAIOS DE COMPRESSÃO Semelhante ao ensaio de tração Forças compressivas Convenção Forças compressão (negativa) Ensaios de tração são mais comuns

15 ENSAIOS DE CISALHAMENTO E TORÇÃO Forças Puramente cisalhante F A 0 Torção é uma variação do cisalhamento puro eixos de máquinas de acionamento brocas helicoidais ensaios em eixos sólidos cilíndricos ou tubos.

16 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 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS 1cos 2 ' cos 2 2 sen 2 ' sen cos 2

17 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)

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19 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

20 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.

21 Deformação não permanente; Pequena alteração no espaçamento interatômico e na extensão de ligações interatômicas; E CERÂMICAS > E METAIS > E POLÍMEROS Aumento da temperatura Redução do E;

22 Módulo de elasticidade em função da temperatura para tungstênio, aço e alumínio

23 Tensão de compressão também induz comportamento elástico = G Deformação de cisalhamento Módulo de cisalhamento

24 ANELASTICIDADE PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS 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).

25 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.

26 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. x z y z Metais e ligas varia de 0,25 0,35

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28 Para materiais isotrópicos E 2G. 1 Para maioria dos materiais G 0,4.E

29 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;

30 (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)

31 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

32 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

33 Curva típica Tensão-Deformação de Engenharia em um ensaio de tração de um metal.

34 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.

35 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.

36 DUCTILIDADE PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Representa uma medida do grau de deformação plástica que foi suportado quando da fratura; Pode ser expressa como: l l 0 Al % f. 100 alongamento percentual l 0 A 0 A RA %. 100 redução de área percentual f A 0

37 DUCTILIDADE Importância PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS 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.

38 Representações esquemáticas do comportamento tensão-deformação em tração para materiais frágeis e materiais dúcteis carregados até a fratura.

39 Tabela - Propriedades mecânicas típicas de vários metais e ligas em estado recozido

40 Figura Comportamento tensão-deformação de engenharia para o ferro em três temperaturas diferentes.

41 RESILIÊNCIA PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Capacidade de um material absorver energia quando ele é deformado elasticamente e, depois, com o descarregamento, ter sua energia recuperada. Módulo de resiliência, U r 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. U r e 0. d

42 RESILIÊNCIA PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS U r e 0. d Supondo uma região elástica linear Ur 1. e 2 e 1 Ur. 2 ee 2 1 e E e. 2 E 2E Materiais resilientes limite de escoamento elevado módulo de elasticidade pequeno MOLA

43 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.

44 TENACIDADE PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS 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.

45 TENSÃO VERDADEIRA E DEFORMAÇÃO VERDADEIRA Redução de área na região do pescoço F A 0 Área inicial da seção reta (não considera deformação e redução de área).

46 TENSÃO VERDADEIRA E DEFORMAÇÃO VERDADEIRA Tensão verdadeira v v F A i Área da seção reta instantânea sobre a qual a deformação está ocorrendo Deformação verdadeira v v ln l l i 0

47 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 tensãodeformação em tração mostrando os fenômenos de recuperação da deformação elástica e encruamento.

48 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)

49 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

50 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

51 Tabela Técnicas de ensaio de dureza 2 kgf/mm

52 ENSAIO ROCKWELL Várias escalas penetrador piramidal diamante esfera 1/16 esfera 1/8 Carga 60 kgf 100 kgf 150 kgf PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS 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

53 ENSAIO ROCKWELL Tabela Escalas de dureza Rockwell. Escalas Tabela Escalas de dureza Rockwell superficial.

54 ENSAIO BRINELL PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS 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 Carga HB..2 P DD Dd 2 2 ex.: 150 HB Diâmetro da impressão Diâmetro do penetrador

55 Tabela Condições de testes de dureza e aplicações típicas Teste Penetrador Carga (Kgf) Aplicação Brinell Esfera de 10 mm 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

56 ENSAIO KNOOP E VICKERS penetrador de diamante (piramidal) Carga gf Deve ser realizada uma preparação da superfície

57 DUREZA POR REBOTE PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS 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.

58 DUREZA POR REBOTE PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS 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.

59 DUREZA POR REBOTE PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Figura Esboço de equipamentos de rebote utilizados na determinação das durezas Shore C e D.

60 CONVERSÃO DE DUREZA PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Figura Comparação entre várias escalas de dureza.

61 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 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Figura Relação entre dureza e resistência a tração para aço, latão e ferro fundido.

62 VARIABILIDADE NAS PROPRIEDADES DOS MATERIAIS Fatores de incerteza dos dados medidos: Método de ensaio; PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS 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).

63 FATORES DE PROJETO/SEGURANÇA Cálculos de carga são aproximados Variabilidade das propriedades mecânicas devem ser introduzidas folgas no projeto. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS N ' p c p tensão de projeto c nível de tensão calculado N fator de projeto t e N t tensão admissível ou tensão de trabalho e limite de escoamento N fator de segurança N muito grande SUPERDIMENSIONADO N 1,2 e 4

64 - Exercício 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 originalmente com 250 mm de comprimento e que foi submetido a uma tensão de tração de 345 MPa.

65 - 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 l 0 = 5,08 cm): Carga (N) 0 0,0000 l (cm) , , , , , , ,27 (carga máxima) ,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.