TM703 Ciência dos Materiais PIPE Pós - Graduação em Engenharia e Ciências de Materiais

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1 TM703 Ciência dos Materiais PIPE Pós - Graduação em Engenharia e Ciências de Materiais Carlos Mauricio Lepienski Laboratório de Propriedades Nanomecânicas Universidade Federal do Paraná Aula 5 1º sem. 2015

2 Propriedades Mecânicas Quais são as propriedades mecânicas? Elasticidade x Plasticidade Interações entre átomos Forças elétricas Processamento de materiais

3 Tensão e deformação F = k x Lei de Hooke

4 Termos importantes em propriedades mecânicas Elasticidade Viscoelasticidade Aneslaticidade Resiliência Módulo de elasticidade Limite de escoamento Tensão máxima suportada Tensão de ruptura Ductilidade Tenacidade Dureza Indentação instrumentada Tribologia Rigidez Fragilidade Módulo de Poisson Fluência Fadiga

5 Testes de tensão versus deformação stress strain

6 Lei de Hooke Attractive a o L L = cte L F / A o repulsive F / A o = cte (L L)/L = cte

7

8 Relação entre tensão e deformação Rigidez e submissão elástica Rigidez Submissão elástica

9 Aspecto Matricial Lei de Hooke Generalizada - Isotrópico

10 Teste de Tração Curva típica de tensão x deformação em um teste de tração para um material metálico

11

12 Máquina universal de testes mecânicos

13 Testes de tração

14 tensão deformação tensão l F A 0 l l 0 0 Curvas típicas aço alta resistência aço baixo teor de carbono ferro fundido cobre deformação

15 Teste de Tração Curva típica de tensão x deformação em um teste de tração para um material metálico

16 Detalhes da parte inicial da curva tensão x deformação

17 Outros aspectos da curva tensão deformação

18 Tipos de ruptura

19 Exemplos de ruptura em metais

20 Planos de escorregamento

21 Efeito da adição de carbono em Ferro

22 Testes mecânicos Teste de tração Teste de compressão Teste de flexão Teste de torção Teste de impacto Teste de dureza Teste de resistência ao risco

23 Tipos de carregamentos: (a) Tração (b) Compressão (c) Cisalhante (d) Torsional

24 Sensor de força Teste de Tração Sensor de deformação

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27 Materiais Dúcteis e Frágeis Dúcteis Grande deformação plástica antes da fratura Frágeis - Pequena deformação plástica antes da fratura

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30 Dútil Frágil Efeito da temperatura em ferro

31 Deformação plástica por deslizamento a estado não-deformado b deformação elástica c deformação elasto-plástica com tensão aplicada d deformação plástica (plano de deslizamento AB) após a retirada da tensão aplicada Necessita muita energia se não houver discordância na rede

32 Deformação plástica está predominantemente relacionada ao movimento de discordâncias

33 Planos de deslizamento preferenciais em sistemas cúbicos

34 3 Direções de deslizamento (slip directions) em -Fe (CCC)

35 Estados de deformação e tensionamento A o F sen F A o /cos F cos

36 Testes de cisalhamento e torsão Torque T Tensão de cisalhamento Ângulo de torsão Deformação de cisalhamento

37 Deformação elástica E, módulo de elasticidade G, módulo de cisalhamento

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39 Razão de Poisson Material isotropico E ~ 2,7 G metais

40 From Table 7.1

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46 Comportamento elástico não linear

47 Escoamento (Yielding) Limite de resistência à deformação plastica

48 Comparação entre elongação relativa e verdadeira T. l n l o )/l o = l n /l o ) 1 T l 1 l o )/l o + l 2 l 1 )/l l n l n-1 )/l n-1 T = ʃ dl/l = ln (l n /l o ) l n /l o = 1 + l 2l = l l)/l = +1 T = ln (1 + ) l 2l T = ln (2l/l) = ln 2 = + 0,69 T = ln ( 1 + ) =

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51 Informações obtidas da curva tensão deformação Módulo de elasticidade Tensão de escoamento Resiliência Tensão máxima suportada Tensão de ruptura Ductilidade Tenacidade

52 Módulo de Elasticidade

53 Comportamento Elástico e Comportamento Plástico

54 Resiliência

55 Elasticidade e Anelasticidade Quando a deformação desaparece com a retirada da tensão mas a relação entre a tensão e a deformação é diferente no alívio das tensões do que o foi na aplicação tem-se o fenômeno da anelasticidade. Metais e Cerâmicas Elastômeros Borracha

56 Tenacidade

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58 Tensão de escoamento Yield Strength

59 Sempre há alguma recuperação elástica

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67 Como determinar propriedades mecânicas sem ter que fazer uma amostra com formato padrão para ensaios de tração, compressão, flexão ou torção?

68 Resposta Determinando a dureza! Ensaio mais rápidor Equipamento menos sofisticado (em termos valia antigamente) Qualquer tipo de material sólido. s Peças grandes ou pequenas. Teste não destrutivo.

69 O que é dureza?

70 O que é dureza? Resistência à penetração de um penetrador Resistência ao risco Resistência à deformação plástica

71 Callister, 1995

72 Medidas de dureza Características gerais dos testes de dureza uso de ponta rígida penetração normal na amostra deformação plástica da amostra sob teste Medida da dureza Avaliação da deformação plástica deixada na penetração

73 Livro de Referência Histórica D. Tabor - Hardness of Metals 1951

74 Medidas de dureza são sempre relativas! Dureza não é uma grandeza física!

75 Vantagens dos testes de dureza São simples e baratos Não necessita de preparação extensiva em formatos específicos É geralmente não destrutivo Outras propriedades podem ser estimadas a partir da dureza tensão de escoamento

76 Processos de penetração quaseestáticos Brinell Vickers Rockwell Knoop

77 Processos dinâmicos de penetração Shore Esclerômetros Indentação Instrumentada

78 Escala Mohs Friedrich Mohs foi um cientista alemão que viveu de 1773 a Diamond Corundum Topaz Quartz Orthoclase (Feldspar) Apatite Fluorite Calcite Gypsum Talc

79 1 Talc 6 Feldspar 2 Gypsum 7 Quartz 3 Calcite 8 Topaz 4 Fluorite 9 Corundum Ruby or Sapphire 5 Apatite 10 Diamon

80 Dureza Mohs A. Mikowski e P. C. Soares Jr.

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82 Tipos de medida de dureza quase estáticos Testes com medida de área Brinell Vickers Midrodureza Vickers Knoop Teste com escala de penetração Rockwell

83 Tipos de Testes de Dureza W. Callister Materials Science

84

85 Indentação com ponta esférica em um filme de Cromo

86 Nanoindentação O que é? Indentação instrumentada em nanoescala Aplicação de força controlada com medida simultânea de força, penetração e tempo. Sistemas com resolução de micronewtons ( N) e nanômetros (nm).

87 Introdução Nanoindentação O que é? Aplicação de força a uma ponta de forma que penetre num material sob teste. A penetração e a força são medidas em função do tempo. A penetração é da ordem de nanômetros. As propriedades mecânicas dos materiais são determinados a partir da curva força vs deformação. Propriedades usualmente medidas: dureza e módulo de elasticidade

88 Testes mecânicos Deformação elástica e plástica Teste de tensão/compressão uniaxial Teste de dureza Testes de impacto Testes de torção e flexão Outros testes

89 Teste de tensão uniaxial P L A tensão = = P/A defromação = = [L f -L i ]/L i y n E = / tensão /compressão uniaxial

90 Testes de dureza Características gerais dos testes de dureza uso de ponta rígida penetração normal na amostra deformação plástica da amostra sob teste Medida da dureza Avaliação da deformação plástica deixada na penetração

91 Dureza Convencional Resumindo: Carga estática aplicada via um penetrador de geometria conhecida Área de contato residual determinada por medida da impressão residual com um microscópio óptico

92 Dureza Convencional Limitações Óptica: para baixas cargas a impressão é muito pequena para ser observada num microscópio óptico e difícil de encontrar em microscópios eletrônico e de força atômica. Medições: Não permite cálculo do módulo de elasticidade Não permite calcular as energias envolvidas nem a evolução dinâmica da penetração. Aplicações: Filmes finos apresentam influência do substrato Grandes volumes do material são avaliados

93 Indentação Instrumentada O que é Indentação Instrumentada? Instrumento que proporciona a habilidade de medir a profundidade de penetração de um penetrador, h, sob a ação de uma força aplicada, F, por meio de um teste em forma de ciclo. Possui a capacidade de medir tanto as deformações plásticas como as deformações elásticas do material que está sendo testado.

94 Indentação Instrumentada Podem ser usados penetradores esféricos ou piramidais O principal objetivo é determinar a dureza e o módulo de elasticidade mas outras propriedades também podem ser medidas. Trata-se de uma medida indireta onde deve-se determinar a força aplicada e a área de contato do penetrador com a amostra quando a força máxima é aplicada a partir da leitura contínua da força e da profundidade de penetração. A pressão média de contato e portanto a dureza podem ser estimadas. A validade dessas medidas estão diretamente ligadas à qualidade dos dados brutos e ao potencial do método de determinação da área de contato a partir dos dados brutos de força e penetração.

95 Esquema de um sistema de indentação instrumentada

96 Indentação Instrumentada Curva Carga - Penetração Força aplicada e penetração são medidos dinamicamente durante o ciclo de carga e descarga. Dureza e Módulo de elasticidade são calculados diretamente dos resultados da curva força-penetração. Carga Aplicada Carga Penetração h Descarga

97 Deformação Elasto-Plástica Comportamento dos Materiais Elástico Plástico Elasto - Plástico Curvas Tensão-deformação F F F Curvas de Indentação h h h Impressões das indentações

98 Exemplos de aplicações em materiais

99 Penetradores Berkovich (142.3 ) Canto de cubo (90 ) Vickers (136 ) Cônico (R < 3 µm) Cônico com ponta Esférica (R > 1 µm)

100 Dureza da Indentação Instrumentada Dureza II Força Máxima aplicada, F m, é obtida da curva de carga x penetração. A área de contato projetada, A p, é determinada a partir da determinação da profundidade de contato F m Carga Aplicada H F A m p Profundidade

101 Área de contato projetada Como determinar h c? Superfície Inicial h c h t Perfil da superfície sob carregamento Contato Real h c h t F m S Oliver & Pharr Medida de h t

102 Indentação Instrumentada F m F m Medida de F m e h t h t S h t Cálculo da Rigidez h c h t F S m Cálculo da profundidade de contato Cálculo do módulo de Elasticidade Reduzido Cálculo da Dureza E * 2 H IT S F A A p m Cálculo do Módulo de Elasticidade p 1 E * A p C hc C1h c C2hc C3hc Cálculo da Área de Contato Projetada 2 (1 ) (1 E E i 2 i )...

103 Teste de pequenos volumes Indentação Instrumentada permite testar pequenos volumes de materiais 0.7 um 4 um

104 Minerais da escala Mohs medidos pela técnica de nanoindentação Load on sample (mn) talc 2 - gypsum 3 - calcite 4 - fluorite 5 - apatite 6 - orthoclase 7 - quartz 8 - topaz Minerais da escala Mohs embutidos em enxofre Displacement into surface (nm) Carga versus deslocamento Carga aplicada de 20gf

105 Vantagens da Indentação Instrumentada Medidas em baixas cargas Dureza Módulo de Elasticidade Medidas da penetração Controle da penetração com a espessura dos filmes Alta resolução no posicionamento Teste de pequenos volumes Testes de uma mesma região em profundidades diferentes Controle preciso do tempo de teste Medida de propriedades dependentes do tempo Medida de grandezas relacionadas a energia (F x h)

106 Características dos Materiais

107 Testes para avaliar a resistência à fratura

108 Testes de Fadiga

109

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112 Testes de fluência

113

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115 Teste de fluência variação da deformação com o tempo em função do aumento da temperatura e da tensão aplicada

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119 Elasticidade e Anelasticidade Quando a deformação desaparece com a retirada da tensão mas a relação entre a tensão e a deformação é diferente no alívio das tensões do que o foi na aplicação tem-se o fenômeno da anelasticidade. Metais e Cerâmicas Elastômeros Borracha

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