Principais propriedades mecânicas

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1 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. Está intimamente ligado com às forças internas de atração existentes entre os átomos e sua estrutura cristalina.

2 Para entender como um material se deforma em função da carga, tempo, temperatura ou outra condição, é necessário discutir o teste padrão de propriedade mecânica

3 MTS Máquina Universal de Ensaios

4 Tipos de carga Tração Compressão Cisalhamento Torção

5 Para comparar materiais de diferentes tamanhos, a carga é calculada por unidade de área Tensão de engenharia: F= carga aplicada perpendicularmente na seção da amostra A 0 = área antes da aplicação da força Deformação ou alongamento de engenharia: Δl = variação do comprimento L 0 = comprimento inicial Tensão-deformação: Positivas para cargas trativas Negativas para cargas compressivas Tensão cisalhante: F= carga aplicada paralelamente a seção da amostra Deformação cisalhante: θ= ângulo da deformação A torção é a variação do cisalhamento. A tensão é em função do torque T, e o ângulo de torção é φ.

6 Deformação elástica É reversível. A elasticidade é a capacidade que o material tem de se deformar, quando submetido a um esforço. Contudo quando este esforço é retirado volta as suas dimensões iniciais. Geralmente a deformação é pequena, exceto para plásticos. Exemplo: mola Deformação plástica É irreversível. Quando a tensão é removida o material não retorna a dimensão original.

7 Comportamento da deformação elástica: Num teste de tração, se a deformação é elástica, a relação tensão-deformação é dada pela lei de Hooke: E= módulo de Young ou módulo de elasticidade, e tem a mesma unidade de tensão (N/m 2 ou Pa) Maior módulo de Young maior a dureza do material

8 Limite de escoamento (σ y ) É a tensão necessária para produzir uma pequena quantidade de deformação plástica. Na maioria dos países o deslocamento é 0,2 ou 0,1% (e=0,002 ou 0,001) Limite proporcional (P) É a tensão mais alta na qual a tensão é diretamente proporcional a deformação. σ y é a medida da resistência para a deformação plástica

9 Deformação elástica não linear Em alguns materiais (muitos polímeros, ferro fundido cinzento, concreto...) a deformação elástica não é linear, mas ainda é reversível. Força de separação da interação atômica

10 Anelasticidade Deformação elástica dependente do tempo, e não só a carga aplicada. É muito comum em polímeros. Uma taxa finita de deformação atômico/molecular ocorre depois da carga inicial, e depois do relaxamento, mas retorna as dimensões iniciais depois de algum tempo. Comportamento visco-elástico

11 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 Em material monocristalino o módulo de elasticidade depende da direção de aplicação da tensão nos eixos cristalográficos, pois a interação atômica varia com a direção. Neste caso especifica-se as constantes elásticas

12 Coeficiente de Poisson A taxa de deformação lateral e axial é chamado de coeficiente de Poisson (ν). ν é adimensional e mostra que a deformação lateral é oposta a longitudinal. Um valor teórico para materiais isotrópicos : 0,25 Valor máximo: 0,50 Valor típico: 0,24 0,30

13 Modulo de cisalhamento Relação de tensão e deformação cisalhante: Onde e G é o módulo cisalhante (N/m 2 ) Para materiais isotrópicos: Geralmente, cristais simples são elasticamente anisotrópicos, ou seja, o comportamento elástico varia com a direção cristalográfica.

14 Deformação plástica Tensão e deformação não são proporcionais Deformação não reversível Deformação ocorre pela quebra e rearranjo das ligações atômicas. Em materiais cristalinos (metais) ocorre inicialmente a movimentação das discordâncias. Para aplicações estruturais, o limite de escoamento é a propriedade mais importante que a tensão máxima, desde que a estrutura do material tenha deformado dentro dos limites aceitos. Limite de resistência Máx. tensão: MPa Tensão de ruptura Estricção

15 Para aços de baixo carbono, a curva tensãodeformação possui um limite de escoamento superior e inferior. A tensão de escoamento, neste caso, é dado pela média dos pontos de menor tensão.

16 Ductilidade É a medida da deformação até a fratura. É definida por: Elongação na fratura Redução de área na fratura Indica a extensão na qual um metal pode ser deformado sem fraturar em conformação mecânica como laminação e a extrusão.

17 O limite de escoamento e a tensão máxima varia com tratamento térmico e mecânico, nível de impurezas, etc. Esta variação ocorre devido o comportamento das discordâncias do material. Geralmente o módulo elástico são insensíveis a estes efeitos. O aumento da temperatura diminui o limite de escoamento, tensão máxima e módulo de elasticidade, mas aumenta a ductilidade do material.

18 Aço-mola de alto carbono Aço estrutural Tenacidade É a capacidade de um material em absorver energia na região plástica, até a fratura. É a área total sob a curva tensão-deformação, que indica a quantidade de trabalho por unidade de volume que pode ser realizado no material sem causar a sua fratura. Unidade: J/m 3 A tenacidade pode ser medida pelo teste de impacto. É um parâmetro que compreende tanto a resistência quanto a ductilidade.

19 Curva tensão-deformação verdadeira Tensão verdadeira é a carga dividida pela área instantânea da região do pescoço, o qual continua a crescer até a fratura. É também conhecida como curva de escoamento. σ t = σ (1+ε) ε t = ln(1+ ε)

20 TENSÃO CORRETA PARA A REGIÃO ONDE INICIA-SE A FORMAÇÃO DO PESCOÇO σ r = kε r n Log σ r =log k+ n log ε r Para ε r = 1 σ r =k K e n são constantes que dependem do material e dependem do tratamento dado ao mesmo, ou seja, se foram tratados termicamente ou encruados K= coeficiente de resistência (quantifica o nível de resistência que o material pode suportar) n= coeficiente de encruamento (representa a capacidade com que o material distribui a deformação) correta A tensão correta de ruptura é devido a outros componentes de tensões presentes, além da tensão axial

21 Recuperação elástica durante a deformação plástica Se um material está sendo deformado plasticamente e é descarregado, ocorre uma deformação permanente. Se a tensão é reaplicada, o material responde elasticamente e começa um novo escoamento de um ponto mais alto que o original. A essa nova quantidade de deformação elástica é chamada de recuperação elástica.

22 Dureza É a medida da resistência do material a deformação plástica localizada (habilidade do material em arranhar, indentar outro material) Tipos de testes de dureza: Rockwell, Brinell, Vickers, etc. Tipos de indentador: Esfera, cone, piramidal Parâmetros: Condições controladas de carga e taxa de carregamento, profundidade e tamanho da indentação. Teste fácil e não destrutivo Ambos, tensão máxima e dureza pode estimar o grau de resistência a deformação plástica. A dureza é proporcional a tensão máxima mas note que a constante de proporcionalidade é deferente para materiais diferentes.

23 Qual é o limite de deformação seguro? Na engenharia, o limite de escoamento é usualmente um parâmetro interessante Tensão de trabalho: N= fator de segurança > 1 Tensão de trabalho < limite de escoamento

24 Mecanismos de aumento da resistência em metais (mec. de endurecimento): Endurecimento por deformação encruamento Teoria de Taylor, Mott, Seeger, etc) Endurecimento por contorno de grão Endurecimento por solução sólida Endurecimento por dispersão de partículas incoerentes (mec. de Orowan) Endurecimento por precipitação coerente Um material cristalino metálico pode deformarse plasticamente por: Movimento das discordâncias Maclação mecânica Difusão Transformação de fase

25 Propriedades mecânicas em materiais cerâmicos: Alto módulo de elasticidade São frágeis e duros Resistência a tração menor que a compressão Alongamento plástico desprezível Deformam por fluência Fase vítrea e porosidade reduz consideravelmente a resistência mecânica

26 Propriedades mecânicas em materiais poliméricos: A - Material termorígido ou termoplástico vítreo (poliestireno) frágil como a cerâmica B - Material termoplástico parcialmente cristalino dúcteis como os metais C - Elastômeros atípicos, muito elástico Importante: Temperatura de transição vítrea