INTRODUÇÃO E PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS

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1 INTRODUÇÃO E PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS 1

2 TIPOS DE MATERIAIS Metais Cerâmicas Polímeros Semicondutores Compósitos Ligas ferrosas e não ferrosas Al 2 O 3 e SiO 2 -NaO 2 -CaO Polietileno, fenólicos e PET Silício e GaAs Fibra de carbono, duplex titânio-aço 2

3 PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 3

4 Correlação Estrutura-Propriedade- Aplicação-Processamento Mecânicas Magnéticas Térmicas Corrosão Fadiga Desgaste Outros MICROESTRUTURA Processamentos termo-mecânicos Tratamentos térmicos Processamentos mecânicos PROPRIEDADE DEFORMAÇÃO APLICAÇÃO 4

5 ESTRUTURA O conceito de estrutura é fundamental na Engenharia de Materiais e na Metalurgia! A estrutura atômica é importante para a definição de alguns aspectos do comportamento dos materiais. No entanto, a análise clássica começa na estrutura cristalina. 5

6 ESTRUTURA A maior parte dos metais e ligas industriais e praticamente todos os aços são empregados em condições em que os átomos se organizam regularmente em cristais. O modo como os átomos de um metal ou de uma liga se organizam em um cristal define uma série de propriedades deste metal. 6

7 ESTRUTURA Ligas ferrosas tem estrutura cúbica de face centrada (CFC), por exemplo, não são magnéticas. 7

8 ESTRUTURA Já as ligas de estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) são ferromagnéticas a temperatura ambiente. 8

9 ESTRUTURA Os metais em geral não cristalizam no sistema hexagonal simples porque o fator de empacotamento é muito baixo, exceto cristais com mais de um tipo de átomo. O sistema Hexagonal Compacta é mais comum nos metais (ex: Mg, Zn) 9

10 ESTRUTURA 10

11 ESTRUTURA A quantidade de cada uma das fases eventualmente presentes são características que ocorrem em uma escala de dimensões que se convenciona chamar de microestrutural (micron). O controle da estrutura é uma das ferramentas mais importantes para obtenção de ligas metálicas com as propriedades e desempenho desejados. 11

12 PROPRIEDADES DOS METAIS Condutividade Elétrica: Eletricidade é a passagem de elétrons em um condutor. Bons condutores são, na grande maioria, da família dos metais (baixa resistência a passagem de corrente elétrica): ouro, prata, alumínio e cobre. 12

13 PROPRIEDADES DOS METAIS Assim como alguns novos materiais, de propriedades físicas alteradas, que conduzem energia com perda mínima, denominados supercondutores. Curiosidade: Exemplos de supercondutores (baixíssima resistência a passagem de corrente elétrica): Óxidos cerâmicos; Borocarbetos; Compostos intermetálicos. 13

14 PROPRIEDADES DOS METAIS Já, a porcelana, o plástico, o vidro e a borracha são bons isolantes. Isolantes são materiais que não permitem o fluxo da eletricidade. 14

15 PROPRIEDADES DOS METAIS Condutividade Térmica: O que determina se um material será bom ou mau condutor térmico são as ligações em sua estrutura atômica ou molecular. Assim, os metais são excelentes condutores de calor: devido ao fato de possuírem os elétrons mais externos "fracamente" ligados, tornando-se livres para transportar energia por meio de colisões através do metal. 15

16 PROPRIEDADES DOS METAIS Por outro lado temos que materiais como lã, madeira, vidro, papel e isopor são maus condutores de calor (isolantes térmicos): Os elétrons mais externos de seus átomos estão firmemente ligados. 16

17 PROPRIEDADES MECÂNICAS POR QUÊ ESTUDAR? A determinação e/ou conhecimento das propriedades mecânicas é muito importante para a escolha do material para uma determinada aplicação, bem como para o projeto e fabricação do componente. As propriedades mecânicas definem o comportamento do material quando sujeitos à esforços mecânicos, pois estas estão relacionadas à capacidade do material de resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper e sem se deformar de forma incontrolável. 17

18 Principais propriedades mecânicas Resistência à tração Elasticidade Ductilidade Fluência Fadiga Dureza Tenacidade,... Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade do material de resistir às forças mecânicas e/ou de transmiti-las 18

19 TIPOS DE TENSÕES QUE UMA ESTRUTURA ESTA SUJEITA Tração Compressão Cisalhamento Torção 19

20 Como determinar as propriedades mecânicas? A determinação das propriedades mecânicas é feita através de ensaios mecânicos. Utiliza-se normalmente corpos de prova (amostra representativa do material) para o ensaio mecânico, já que por razões técnicas e econômicas não é praticável realizar o ensaio na própria peça, que seria o ideal. Geralmente, usa-se normas técnicas para o procedimento das medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os resultados sejam comparáveis. 20

21 NORMAS TÉCNICAS As normas técnicas mais comuns são elaboradas pelas: 21

22 TESTES MAIS COMUNS PARA SE DETERMINAR AS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Resistência à tração (+ comum) Resistência à compressão Resistência à torção Resistência ao choque (impacto) Resistência ao desgaste Resistência à fadiga Dureza Etc 22

23 RESISTÊNCIA À TRAÇÃO É medida submetendo-se o material à uma carga ou força de tração, paulatinamente crescente, que promove uma deformação progressiva de aumento de comprimento NBR-6152 para metais 23

24 ESQUEMA DE MÁQUINA PARA ENSAIO DE TRAÇÃO PARTES BÁSICAS Sistema de aplicação de carga dispositivo para prender o corpo de prova Sensores que permitam medir a tensão aplicada e a deformação promovida (extensiômetro) 24

25 RESISTÊNCIA À TRAÇÃO É o teste mais simples. Permite determinar diversas propriedades mecânicas importantes. Consiste em aplicar uma força (carga) de intensidade crescente, tracionando o material até sua ruptura. Corpo de prova Máquina de ensaio Célula de carga e extensiômetro Curvas: força x alongamento tensão x deformação 25

26 RESITÊNCIA À TRAÇÃO TENSÃO ( ) X Deformação ( ) = F/Ao Kgf/cm 2 ou Kgf/mm 2 ou N/ mm 2 Área inicial da seção reta transversal Força ou carga Como efeito da aplicação de uma tensão tem-se a deformação (variação dimensional). A deformação pode ser expressa: O número de milímetrosa de deformação por milímetros de comprimento O comprimento deformado como uma percentagem do comprimento original Deformação( )= l f -l o /l o = l/l o lo= comprimento inicial lf= comprimento final 26

27 Comportamento dos metais quando submetidos à tração Resistência à tração Dentro de certos limites, a deformação é proporcional à tensão (a lei de Hooke é obedecida) Lei de Hooke: = E 27

28 A deformação pode ser: Elástica Plástica 28

29 Deformação Elástica e Plástica DEFORMAÇÃO ELÁSTICA Prescede à deformação plástica É reversível Desaparece quando a tensão é removida É praticamente proporcional à tensão aplicada (obedece a lei de Hooke) DEFORMAÇÃO PLÁSTICA É provocada por tensões que ultrapassam o limite de elasticidade É irreversível porque é resultado do deslocamento permanente dos átomos e portanto não desaparece quando a tensão é removida Elástica Plástica 29

30 Módulo de elasticidade ou Módulo de Young E= / =Kgf/mm 2 É o quociente entre a tensão aplicada e a deformação elástica resultante. Está relacionado com a rigidez do material ou à resist. à deformação elástica Está relacionado diretamente com as forças das ligações interatômicas P Tg = E A lei de Hooke só é válida até este ponto Lei de Hooke: = E 30

31 Deformação Elástica Precede a deformação plástica. A deformação não é permanente (reversível) posição inicial após retirada a força. o material retorna à A Tensão é proporcional à deformação (Lei de Hooke) 31

32 Módulo de Elasticidade para alguns metais Quanto maior o módulo de elasticidade mais rígido é o material ou menor é a sua deformação elástica quando aplicada uma dada tensão MÓDULO DE ELASTICIDADE GPa [E] 10 6 Psi Magnésio AlumÍnio Latão Titânio Cobre Níquel Aço Tungstênio

33 Módulo de Elasticidade o módulo de elasticidade : mais rígido é o material (menor é a sua deformação elástica) O comportamento elástico também é observado quando forças compressivas, tensões de cisalhamento ou de torção são aplicadas ao material E 33

34 DEFORMAÇÃO PLÁSTICA: Escoamento Esse fenômeno é nitidamente observado em alguns metais de natureza dúctil, como aços com baixo teor de carbono. Caracteriza-se por um grande alongamento sem acréscimo de carga. Para a maioria dos materiais metálicos, a deformação elástica persiste apenas até deformações de 0,005. Após este ponto ocorre a deformação plástica (não-reversível). A lei de Hooke não é mais válida! Em nível atômico, a Deformação Plástica é causada pelo deslizamento, onde ligações atômicas são quebradas pelo movimento de deslocamento, e novas ligações são formadas. 34

35 Comportamento não-linear Alguns metais como ferro fundido cinzento, concreto e muitos polímeros apresentam um comportamento não linear na parte elástica da curva tensão x deformação 35

36 Considerações gerais sobre módulo de elasticidade Como consequência do módulo de elasticidade estar diretamente relacionado com as forças interatômicas: Os materiais cerâmicos tem alto módulo de elasticidade, enquanto os materiais poliméricos tem baixo Com o aumento da temperatura o módulo de elasticidade diminui * Considerando o mesmo material sendo este monocristalino, o módulo de elasticidade depende apenas da orientação cristalina 36

37 O COEFICIENTE DE POISSON PARA ELONGAÇÃO OU COMPRESSÃO Qualquer elongação ou compressão de uma estrutura cristalina em uma direção, causada por uma força uniaxial, produz um ajustamento nas dimensões perpendiculares à direção da força z x 37

38 O COEFICIENTE DE POISSON PARA TENSÕES DE CISALHAMENTO Tensões de cisalhamento produzem deslocamento de um plano de átomos em relação ao plano adjacente Módulo de Cisalhamento ou de rigidez A deformação elástica de cisalhamento é dada ( ): = tg 38

39 Forças de compressão, cisalhamento e torção O comportamento elástico também é observado quando forças compressivas, tensões de cisalhamento ou de torção são impostas ao material 39

40 O FENÔMENO DE ESCOAMENTO Esse fenômeno é nitidamente observado em alguns metais de natureza dúctil, como aços baixo teor de carbono. Caracteriza-se por um grande alongamento sem acréscimo de carga. 40

41 Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação Tensão de escoamento y= tensão de escoamento (corresponde a tensão máxima relacionada com o fenômeno de escoamento) Escoamento De acordo com a curva a, onde não observase nitidamente o fenômeno de escoamento Alguns aços e outros materiais exibem o comportamento da curva b, ou seja, o limite de escoamento é bem definido (o material escoa- deforma-se plasticamente-sem praticamente aumento da tensão). Neste caso, geralmente a tensão de escoamento corresponde à tensão máxima verificada durante a fase de escoamento Não ocorre escoamento propriamente dito 41

42 Limite de Escoamento quando não observa-se nitidamente o fenômeno de escoamento, a tensão de escoamento corresponde à tensão necessária para promover uma deformação permanente de 0,2% ou outro valor especificado (obtido pelo método gráfico indicado na fig. Ao lado) Fonte figura: Prof. Sidnei Paciornik do Departamento de Ciência dos Materiais 42 e Metalurgia da PUC-Rio

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44 Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação Resistência à Tração (Kgf/mm 2 ) Corresponde à tensão máxima aplicada ao material antes da ruptura É calculada dividindo-se a carga máxima suportada pelo material pela área de seção reta inicial 44

45 Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação Tensão de Ruptura (Kgf/mm 2 ) Corresponde à tensão que promove a ruptura do material O limite de ruptura é geralmente inferior ao limite de resistência em virtude de que a área da seção reta para um material dúctil reduz-se antes da ruptura 45

46 Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação Ductilidade em termos de alongamento Corresponde ao alongamento total do material devido à deformação plástica %alongamento= (l f -l o /l o )x100 onde l o e l f correspondem ao comprimento inicial e final (após a ruptura), respectivamente ductilidade 46

47 DUTILIDADE Definição: Representa uma medida do grau de deformação plástica que o material suportou quando de sua fratura, ou seja, corresponde à elongação total do material devido à deformação plástica. Alongamento Percentual: l f lo AL% x100 l o Onde l 0 e l f correspondem, respectivamente, aos comprimentos inicial e final (após a ruptura) do material. Redução de Área Superficial: Onde A 0 e A f correspondem, Af Ao RA% x100 A o respectivamente, as áreas da seção reta inicial e final (após a fratura) do material. 47

48 Ductilidade expressa como alongamento Como a deformação final é localizada, o valor da elongação só tem significado se indicado o comprimento de medida Ex: Alongamento: 30% em 50mm 48

49 Ductilidade expressa como estricção Corresponde à redução na área da seção reta do corpo, imediatamente antes da ruptura Os materiais dúcteis sofrem grande redução na área da seção reta antes da ruptura Estricção= área inicial-área final área inicial 49

50 DUTILIDADE: Frágil x Dúctil Materiais frágeis: são considerados, de maneira aproximada, como sendo aqueles que possuem uma deformação de fratura que é inferior a 5%

51 Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação Resiliência Corresponde à capacidade do material de absorver energia quando este é deformado elasticamente A propriedade associada é dada pelo módulo de resiliência (U r ) esc U r = esc2 /2E Materiais resilientes são aqueles que têm alto limite de elasticidade e baixo módulo de elasticidade (como os materiais utilizados para molas) 51

52 Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação Tenacidade Corresponde à capacidade do material de absorver energia até sua ruptura tenacidade 52

53 Algumas propriedades mecânicas para alguns metais 53

54 VARIAÇÃO DA PROPRIEDADES MECÂNICAS COM A TEMPERATURA 54

55 Propriedade Mecânica x Temperatura Transição Frágil - Dúctil Exemplos 55

56 ENSAIO DE IMPACTO sample final height initial height 56

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60 ENSAIO DE IMPACTO 60

61 Durezas Rockwell Superficial - N, T, W - P(15, 30, 45 Kgf) Correlação LRT (MPa) = 3,45 x HB LRT (psi) = 500 x HB 61