PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS

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1 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS Professor: Anael Krelling 1

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4 ENSAIO DE TRAÇÃO PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS 4

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6 σ σ max σ rup σ esc ε 6

7 Força Área inicial da seção transversal Kgf/mm 2 N/mm 2 MPa Variação de comprimento Comprimento inicial %? 7

8 COMPORTAMENTO DOS METAIS QUANDO SUBMETIDOS A TRAÇÃO 8

9 EXEMPLO Um corpo de prova de cobre (E=110 GPa) com comprimento inicial de 305mm é submetido a um ensaio de tração com uma tensão de 276 MPa. Considerando que a deformação é completamente elástica, qual será o alongamento (Δl) do corpo de prova? 9

10 MÓDULO DE ELASTICIDADE LONGITUDINAL 10

11 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 A lei de Hooke só é válida para o regime elástico! 11

12 MÓDULO DE ELASTICIDADE [E] GPa 10 6 Psi Magnésio AlumÍnio Latão Titânio Cobre Níquel Aço Tungstênio

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15 COEFICIENTE DE POISSON 15

16 EXEMPLO Uma tensão de tração é aplicada no sentido longitudinal de um corpo de prova cilíndrico de latão (ν=0,34 e E=97GPa) que possui diâmetro inicial de 10mm. Determine a magnitude da força requerida para produzir uma variação no diâmetro (Δd) de 2, mm sabendo que a deformação é completamente elástica. Solução no quadro! 16

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18 DUCTILIDADE 18

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20 DUCTILIDADE X TEMPERATURA 20

21 RESILIÊNCIA É a capacidade de um material absorver energia quando deformado elasticamente e libera-la quando descarregada. É a área sob a curva de tensão - deformação calculada da origem até o limite de proporcionalidade, na pratica substitui o σ prop para σ esc U r = esc2 /2E 21

22 TENACIDADE É a energia total necessária para ocorrer a fratura do corpo de prova, ou seja é a capacidade do material absorver energia devido à deformação até a ruptura 22

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24 ESTUDO DA DEFORMAÇÃO DEFORMAÇÃO ELÁSTICA Ocorre antes da deformação plástica; É reversível; O material volta ao seu estado inicial quando há remoção da tensão; Obedece à Lei de Hooke. 24

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27 DEFORMAÇÃO PLÁSTICA PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS É provocada por tensões maiores que a tensão de escoamento; É irreversível porque é resultado do deslocamento dos átomos e, portanto, não desaparece quando a tensão é retirada. 27

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29 MICROESTRUTURALMENTE 29

30 DISCORDÂNCIAS E DEFORMAÇÃO PLÁSTICA 30

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32 Densidades de Discordâncias Típicas Materiais solidificados lentamente = 10 3 discord./mm2 Materiais deformados= discord./mm2 Materiais deformados e tratados termicamente= discord./mm2 32

33 Discordâncias existem em materiais cristalinos. Materiais cerâmicos apresentam estruturas cristalinas mais complexas e ligações mais direcionais (discordâncias imóveis) A movimentação de discordâncias é o principal fator envolvido na deformação plástica de metais e ligas A mobilidade de discordâncias pode ser alterada por diversos fatores (composição, processamento ) (manipulação das propriedades mecânicas do material) Nos materiais cristalinos o principal mecanismo de deformação plástica geralmente consiste no escorregamento de planos atômicos através da movimentação de discordâncias. Já nos materiais amorfos consiste no escoamento viscoso. A movimentação das discordâncias se dá preferencialmente através de planos específicos e, dentro desses planos, em direções específicas, ambos com a maior densidade atômica de um dado reticulado cristalino. 33

34 34

35 ENSAIOS DE DUREZA Ensaio mais rápido não há necessidade de preparação de amostras com formato padrão; Equipamento menos sofisticado (em termos, valia antigamente); Qualquer tipo de material sólido; Peças grandes ou pequenas; PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS Teste não destrutivo as amostras não são fraturadas nem deformadas extensivamente, deformação é localizada. 35

36 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. 36

37 DUREZA SEGUNDO CALLISTER, 1995 Dureza é uma medida da resistência do material à deformação plástica localizada; Medidas de dureza são somente relativas e muito cuidado deve ser tomado para comparar medidas realizadas por diferentes técnicas. 37

38 TIPOS DE TESTES DE DUREZA Mohs Brinell Rockwell Vickers Shore Knoop Nanoindentação Indentação instrumentada 38

39 DUREZA MOHS 1822; O que risca o que! Minerais do talco ao diamante. 39

40 DUREZA BRINELL PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS O ensaio de dureza Brinell consiste em comprimir lentamente uma esfera de aço temperado, de diâmetro D, sobre uma superfície plana, polida e limpa de um metal, por meio de uma carga F, durante um tempo t, produzindo uma calota esférica de diâmetro d. 40

41 John August Brinell ( ) Sueco Penetradores esféricos; Cargas elevadas; Medida óptica da deformação deixada pelo penetrador; Uso generalizado em instalações metalúrgicas como controle de qualidade. 41

42 EXEMPLO Uma amostra foi submetida a um ensaio de dureza Brinell no qual se usou uma esfera de 2,5mm de diâmetro e aplicou-se uma carga de 187,5 kgf. As medidas dos diâmetros de impressão foram de 1mm. Qual a dureza do material ensaiado? 42

43 Tensão Máxima X HB 43

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46 DUREZA ROCKWELL PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS É hoje o processo de dureza mais utilizado no mundo inteiro devido à rapidez e facilidade de execução. Neste método, a carga do ensaio é aplicada em etapas, ou seja, primeiro se aplica uma pré-carga, para garantir um contato firme entre o penetrador e o material ensaiado, e depois aplica-se a carga do ensaio propriamente dita. A leitura do grau de dureza é feita diretamente num mostrador acoplado à máquina de ensaio, de acordo com uma escala predeterminada, adequada à faixa de dureza do material. Os penetradores utilizados na máquina de ensaio de dureza Rockwell são do tipo esférico (esfera de aço temperado) ou cônico (cone de diamante com 120º de conicidade). 46

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48 DESCRIÇÃO DO PROCESSO Aproximar a superfície do corpo de prova do penetrador; Submeter o corpo de prova a uma pré-carga; Aplicar a carga maior até o ponteiro parar; Retirar a carga maior e fazer a leitura do valor indicado no mostrador, na escala apropriada. Nos ensaios de dureza Rockwell normal utiliza-se uma pré-carga de 10 kgf e a carga maior pode ser de 60, 100 ou 150 kgf. Nos ensaios de dureza Rockwell superficial a pré-carga é de 3 kgf e a carga maior pode ser de 15, 30 ou 45 kgf. 48

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51 DUREZA VICKERS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS Este método leva em conta a relação ideal entre o diâmetro da esfera do penetrador Brinell e o diâmetro da calota esférica obtida, e vai além porque utiliza outro tipo de penetrador, que possibilita medir qualquer valor de dureza, incluindo desde os materiais mais duros até os mais moles. A dureza Vickers se baseia na resistência que o material oferece à penetração de uma pirâmide de diamante de base quadrada e ângulo entre faces de 136º, sob uma determinada carga. 51

52 Força [Kgf] Área de impressão Diagonal média de impressão [mm] 52

53 EXEMPLO Encontrar o valor de dureza Vickers de um material que apresentou 0,24mm e 0,26mm de medida de diagonal da impressão, após aplicação de uma força de 10 kgf. 53

54 Neste método, ao contrário do que ocorre no Brinell, as cargas podem ser de qualquer valor, pois as impressões são sempre proporcionais à carga, para um mesmo material. Deste modo, o valor de dureza será o mesmo, independentemente da carga utilizada. Por uma questão de padronização, as cargas recomendadas são: 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120 kgf. Para aplicações específicas, voltadas principalmente para superfícies tratadas (carbonetação, têmpera) ou para a determinação de dureza de microconstituintes individuais de uma microestrutura, utiliza-se o ensaio de microdureza Vickers. A microdureza Vickers envolve o mesmo procedimento prático que o ensaio Vickers, só que utiliza cargas menores que 1 kgf. A carga pode ter valores tão pequenos como 10 gf. 54

55 al_didatico/

56 QUALIDADE DO PENETRADOR 56

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58 58

59 DUREZA KNOOP PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS 59

60 Penetração menor; Materiais frágeis; Medidas de anisotropia. 60

61 61

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63 REBOTE - ESCLEROSCÓPIO 63

64 O peso do martelo é de aproximadamente 2,5 gf e cai de uma altura aproximada de 25cm (10 ) sobre a superfície do material a testar. 64

65 DUREZA SHORE PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS 65

66 O durômetro é uma evolução do antigo escleroscópio, no qual o princípio de medição de queda de peso foi substituído por um sistema de medição por mola. O durômetro é um instrumento popular para medir a dureza de indentação de borrachas, plásticos e materiais com comportamento similar. Os tipos mais comuns de instrumentos são o Modelo A para materiais mais moles e o modelo D para materiais mais duros. A operação do instrumento é bastante simples. O material é submetido a uma pressão definida aplicada através de uma mola calibrada que atua sobre o indentador, que pode ser esférico ou cônico. Um dispositivo de indicação fornece a profundidade de indentação. O valor da dureza é dado pela profundidade da penetração no material sob teste. Por causa da resiliência de algumas borrachas e plásticos, a leitura da dureza pode mudar ao longo do tempo, por isso o tempo de indentação às vezes acompanha o valor medido da dureza. As escalas Shore A e Shore D são indicadas para a medição de dureza de borrachas/elastômeros e usadas também para plásticos moles como poliolefinas, fluoropolímeros e vinis. A escala A é usada para borrachas moles enquanto que a escala D é usada para borrachas mais duras. 66

67 O Durômetro Shore A é específico para medição da dureza relativa em borrachas e plásticos moles. Se o indentador penetra completamente no material, a leitura obtida é zero. Se não ocorrer penetração, a leitura é 100. As leituras são adimensionais. As diferentes escalas Shore A,B,C,D,DO,M,O,OO,OOO,OOO-S e R foram criadas utilizando 7 formas diferentes de indentadores, 5 diferentes molas, 2 diferentes extensões do indentador e duas diferentes especificações dos suportes. As escalas A e D são as mais utilizadas. A escala M usa uma mola de pouca força e foi desenvolvida para permitir o teste de pequenas peças como anéis O que não podem ser testados na escala A normal. Como os materiais respondem de forma diferente às diferentes escalas, não há correlação entre escalas. Os resultados obtidos deste teste são medidas úteis da resistência relativa à indentação para várias gamas de polímeros. Entretanto, o teste de dureza Shore não serve para prever outras propriedades como resistência, abrasão ou desgaste, e não deve ser usado sozinho para especificação de projeto de produto. 67

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