Propriedades Mecânicas

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1 Propriedades Mecânicas

2 Deformação Elástica 1. Inicial 2. Cargas moderadas Força das ligações 3. Após alívio da carga Retorna ao início δ F Elástica significa reversível F Linear δ Não-Linear

3 Deformação Plástica (Metais) 1. Inicial 2. Carregamento Quebra das Ligações & Escorregamento De planos 3. Alívio da carga planos deformados δ elástica + plástica δ plástica F F Plástica significa permanente! δ δ plástica δ elástica

4 Tensão Tração, σ: Tensão de Engenharia Ft Tensão Cisalhamento, τ: Ft F Area, A Area, A Fc σ = F t Área original Ft N = 22 A o m τ = F c A o Fc F Ft Unidade de Tensão: N/m 2 = Pa

5 Estados Comuns de Tensões Tração Simples : cabo F F Ao = área seção transversal Quando carregado σ = F A o σ σ Torção (cisalhamento): eixo da polia A c M 2R M Fc A o τ = F c A o τ

6 Outros estados comuns de tensões Compressão Simples: σ = F A o

7 Outros estados comuns de tensões Tensão Bi-axial : Compressão Hidrostática : σ θ > 0 σ z > 0 σ < 0 h

8 Deformação de Engenharia Deformação de Tração: ε= δ L o w o δ/2 L o Deformação Lateral : ε δ L = L w o δ L /2 Deformação de Cisalhamento: θ Δx γ = Δx/y = tan θ y 90º 90º - θ Deformação é sempre adimensional.

9 Ensaio de Tensão-Deformação Maquina Típica de Ensaio Corpo de Prova Típico extensometer specimen gauge length

10 Propriedades Lineares Elásticas Módulo of Elasticidade, E: (Módulo de Young) Lei de Hooke: σ = E ε σ E F ε Elasticidade Linear F Tensão Simples

11 Coeficiente de Poisson, ν Coeficiente de Poisson, ν: ε L ε ν = L ε ε metais: ν ~ 0.33 cerâmicas: ν ~ 0.25 polimeros: ν ~ ν Unidades: E: [GPa] ν: adimensional ν > 0.50 densidade aumenta ν < 0.50 densidade diminui

12 Propriedades Mecânicas O módulo elástico é proporcional às forças de ligação do Metal

13 Outras Propriedades Elasticas Módulo Elástico de Cisalhamento, G: τ = G γ τ G γ M simple torsion test Módulo Elástico do volume, K: P = -K Δ V Vo P K ΔV Vo P M P P Relações especiais para materiais isotrópicos: G = E 2(1 + ν) K = E 3(1 2ν)

14 E(GPa) 10 9 Pa Metals Alloys Tungsten Molybdenum Steel, Ni Tantalum Platinum Cu alloys Zinc, Ti Silver, Gold Aluminum Magnesium, Tin Comparação entre Módulos de Young (E) Graphite Ceramics Semicond Diamond Si carbide Al oxide Si nitride <111> Si crystal <100> Glass -soda Concrete Graphite Polymers Composites /fibers Polyester PET PS PC PP HDPE PTFE LDPE Carbon fibers only CFRE( fibers)* Aramid fibers only AFRE( fibers)* Glass fibers only GFRE( fibers)* GFRE* CFRE* GFRE( fibers)* CFRE( fibers) * AFRE( fibers) * Epoxy only Wood( grain) Based on data in Table B2, Callister 7e. Composite data based on reinforced epoxy with 60 vol% of aligned carbon (CFRE), aramid (AFRE), or glass (GFRE) fibers.

15 Tração Simples: Ao δ= FL o EA o F Relações de Elasticidade Linear δ L = ν Fw o EA o δ/2 Torção Simples: α= 2ML o πr o 4 G M = momento α = ângulo de torção w o L o L o δ L /2 Material, geometria, e parâmetros de carregamento, todos contribuem para a deflexão. grande módulo elástico minimiza a deflexão elástica 2r o

16 Deformação Plástica (Permanente) (a temperaturas baixas, i.e. T < T fusão /3) Ensaio de tração simples Inicial// Elástica Tensão de Engenharia, σ ε p Elástica + Plástica permanente (plástica) Deformação de Engenharia, ε Deformação Plástica

17 Limite de Escoamento, σ y Tensão na qual a deformação plástica notadamente ocorreu. ε p = Tensão de Tração, σ σ y ε p = Deformação, ε

18 Limite de Escoamento: Comparação 2000 Metals/ Alloys Steel (4140) qt Graphite/ Ceramics/ Semicond Polymers Composites/ fibers Valores na Yield strength, σ y (MPa) Ti (5Al-2.5Sn) W (pure) a Cu (71500) Mo (pure) cw Steel (4140) a Steel (1020) cd Al (6061) ag Steel (1020) hr Ti (pure) Ta (pure) a Cu (71500) hr Al (6061) a Hard to measure, since in tension, fracture usually occurs before yield. dry PC Nylon 6,6 PET humid PVC PP HDPE Hard to measure, in ceramic matrix and epoxy matrix composites, since in tension, fracture usually occurs before yield. Temperatura ambiente a = annealed hr = hot rolled ag = aged cd = cold drawn cw = cold worked qt = quenched & tempered 10 Tin (pure) LDPE

19 Limite de Resistência, TS Máxima tensão na curva Tensão-Deformação de engenharia TS Tensão de Engenharia σ y Typical response of a metal strain Deformação de Engenharia F = fratura Pescoço: atua como concentrador de tensão Metais: início da formação de pescoço Polímeros: ocorre o alinhamento das cadeias poliméricas com início da fratura.

20 Limite de Resistência: Comparação Tensile strength, TS (MPa) Metals/ Alloys Steel (4140) qt W (pure) Ti (5Al-2.5Sn) Steel (4140) a a Cu (71500) Cu (71500) hr cw Steel (1020) Al (6061) Ti (pure) ag a Ta (pure) Al (6061) a Graphite/ Ceramics/ Semicond Diamond Si nitride Al oxide Si crystal <100> Glass-soda Concrete Graphite Polymers Nylon 6,6 PC PET PVC PP HDPE LDPE Composites/ fibers C fibers Aramid fib E-glass fib AFRE( fiber) GFRE( fiber) CFRE( fiber) wood( fiber) GFRE( fiber) CFRE( fiber) AFRE( fiber) wood ( fiber) Valores na Temperatura ambiente a = annealed hr = hot rolled ag = aged cd = cold drawn cw = cold worked qt = quenched & tempered AFRE, GFRE, & CFRE = aramid, glass, & carbon fiber-reinforced epoxy composites, with 60 vol% fibers. 1

21 Ductilidade Deformação Plástica até a fratura: %EL = L f L o L o x 100 Tensão de Engenharia, σ menor %EL maior %EL L o A o A f L f Deformação de Engenharia, ε outra medida de ductilidade: A A f %RA = x 100 A o - o

22 Tenacidade Energia para fraturar por unidade de volume do material Aproximadamente a área abaixo da curva tensão-deformação de engenharia Tensão de Engenharia, σ Baixa tenacidade (cerâmicas) Deformação de Engenharia, ε Alta Tenacidade (metais) Tenacidade muito baixa (polímeros não reforçados) Fratura Frágil: energia elástica Fratura Dúctil: energia elástica + plástica

23 FRACTOGRAFIAS FRATURA FRATURA DÚCTIL FRÁGIL

24 Fratura transgranular Fratura intergranular

25 Resiliência, U r Habilidade de um material em absorver energia no regime elástico. Melhor representado pela área abaixo da curva no regime elástico U = ε r 0 y σdε Assumindo um regime elástico linear: U r 1 2 σ y ε y

26 Recuperação da deformação Elástica

27 Dureza Resistência à deformação permanente da superfície. Alta dureza significa: -- resistente à deformação plástica ou trincamento por compressão. -- resistente ao desgaste (risco). e.g., Esfera 10 mm Aplicação de carga conhecida Medida da deformação após remoção da carga D d Pequena indentação significa alta dureza muitos plásticos latão Ligas de Al Aços de fácil usinagem Aços de difícil usinagem Ferramentas De corte Nitretos e carbetos diamante Dureza

28 Dureza: Medida

29 Dureza Escalas

30 Dureza vs Limite de Resistência

31 Tensão e Deformação Verdadeira A área altera com a deformação Tensão Verdadeira σt = F A i Deformação Verdadeira ε T = ln l ( l ) i o σ ε T T = σ = ( 1+ ε) ( + ε) ln 1

32 Endurecimento Aumento da σ y devido a deformação plástica. σ σ y1 σ y0 Alto endurecimento Baixo endurecimento Ajuste da Curva Tensão-deformação: σ T Tensão verdadeira : (F/A) = K( ε ) n T ε endurecimento: n = 0,15 (alguns aços) até n = 0,5 (alguns cobres) Deformação verdadeira : ln(l/l o )

33 Fator de projeto e/ou de segurança Incertezas de projeto significam não atingir o limite. Fator de segurança, N σ working = σ y N N comumente varia de 1,2 a 4,0

34 Materiais Iônicos Na temperatura ambiente (T amb ) o comportamento é usualmente elástico, com fratura frágil. Para cerâmicas o ensaio de Flexão em três pontos é o mais comum. Ensaio de tração não é comum em materiais frágeis.

35 Materiais Iônicos Comportamento Tensão-Deformação Momento fletor máximo M c Distância do centro do CP à superfície I Momento de inércia da seção transversal Retangular Circular

36 Materiais Iônicos Comportamento Tensão-Deformação

37 Materiais Iônicos Comportamento Tensão-Deformação

38 Resistência em Temperaturas Elevadas Temperatura do ensaio (T > 0,4 T fusão ). σ σ ε Fluência = Creep Test x. ε ss = Taxa de deformação por fluência tempo

39 Influência da Porosidade Módulo de Elasticidade Al 2 O 3 P = fração volumétrica de porosidade

40 Influência da Porosidade Resistência à Flexão Al 2 O 3 P = fração volumétrica de porosidade

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42 EXAME MICROSCÓPICO Quando um metal atacado quimicamente é observado ao microscópio pode-se localizar os contornos de grãos. Primeiramente o metal é cuidadosamente polido, de forma a se obter uma superfície plana e espelhada. Em seguida ele é atacado quimicamente por um curto período de tempo. Os átomos na área dos contornos de grãos serão removidos mais facilmente que os outros átomos e deixarão uma linha que pode ser vista com o microscópio. O contorno de grão atacado não atua como um espelho perfeito como acontece com o restante do grão.

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46 FRACTOGRAFIAS FRATURA FRATURA DÚCTIL FRÁGIL

47 Fratura transgranular Fratura intergranular

48 DEFORMAÇÃO MECÂNICA

49 RECUPERAÇÃO, RECRISTALIZAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS

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