COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas (CECS) BC-1105: MATERIAIS E SUAS PROPRIEDADES COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS

2 Propriedades Mecânicas dos Materiais : Introdução IMPORTÂNCIA Aplicações onde são necessárias solicitações mecânicas. Atender as exigências de serviço previstas. 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.

3 Propriedades Mecânicas dos Materiais : Introdução Descrevem o comportamento do material sob carregamento mecânico (tração, compressão, flexão e cisalhamento). PROPRIEDADES MECÂNICAS Fatores: natureza da carga aplicada, duração da aplicação, condições ambientais. Podem variar com a temperatura, tempo, nível de solicitação, condições climáticas, etc. Medidas através de testes padrões normatizados.

4 Propriedades Mecânicas dos Materiais : Introdução PRINCIPAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS Resistência à Tração Elasticidade Ductilidade Resistência ao impacto Fluência Fadiga Dureza Tenacidade Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade do material de resistir às forças mecânicas e/ou de transmití-las.

5 Como Determinar as Propriedades Mecânicas dos Materiais? 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.

6 Conceitos de Tensão e Deformação O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre a sua resposta (ou DEFORMAÇÃO) a uma carga (ou TENSÃO) que esteja sendo aplicada sobre um corpo fabricado deste material. Algumas propriedades mecânicas importantes são a resistência, a dureza, a ductilidade e a rigidez. As deformações podem ser ELÁSTICAS ou PLÁSTICAS. As DEFORMAÇÕES ELÁSTICAS não são permanentes, isto é, são deformações que desaparecem quando a tensão aplicada é retirada. Dito de outra forma, as deformações elásticas são reversíveis, sendo resultado da ação de forças conservativas. As DEFORMAÇÕES PLÁSTICAS são permanentes, isto é, permanecem após a tensão aplicada ser retirada. Deformações plásticas são irreversíveis, sendo acompanhadas por deslocamentos atômicos permanentes.

7 Conceitos de Tensão e Deformação As TENSÕES podem ser de TRAÇÃO, COMPRESSÃO, TORÇÃO. CISALHAMENTO ou TRAÇÃO COMPRESSÃO CISALHAMENTO TORÇÃO Note que a tensão e a pressão são grandezas fisicamente análogas, ambas tendo unidades de força dividida por área (no Sistema Internacional: Newton/metro 2 ).

8 Tensão - Deformação: TRAÇÃO SIMPLES x z y d o d TRAÇÃO SIMPLES (TENSÃO UNIAXIAL): força aplicada sobre o corpo é perpendicular as suas superfícies. Assumiremos que a reação à força de tração se distribui homogeneamente no sólido. TENSÃO DE ENGENHARIA σ σ = F / A o DEFORMAÇÃO DE ENGENHARIA ε l l 0 A o " = (l # l 0 ) / l 0 = $l / l 0 Na deformação por tração, normalmente ocorre: alongamento ao longo do eixo de aplicação da força; contração ao longo dos dois outros eixos. Para Deformações Elásticas: COEFICIENTE DE POISSON ν: ν = - (ε x / ε) = - (ε y / ε) onde ε x = ε y = (d o - d) / d o = Δd / d o. MÓDULO DE ELASTICIDADE (MÓDULO DE YOUNG ou MÓDULO DE RIGIDEZ) σ = E. ε E polímeros ~ 1 GPa e E metais e cerâmicas ~ GPa

9 Tensão - Deformação: CISALHAMENTO SIMPLES CISALHAMENTO SIMPLES: força aplicada sobre o corpo é paralela a suas superfícies. TENSÃO DE ENGENHARIA τ DEFORMAÇÃO γ τ = F / A o γ = tg θ MÓDULO DE CISALHAMENTO G τ = G. γ Para materiais isotrópicos, no regime elástico, vale a relação: E = 2G (1 + ν) Para muitos metais: G ~ 0,4 E

10 Ensaio de Tração Os CORPOS DE PROVA utilizados nos ensaios de tração podem ter diferentes formas e dimensões. As medidas de TENSÃO são feitas com uma CÉLULA DE CARGA. As medidas de DEFORMAÇÃO são feitas com um EXTENSÔMETRO ou diretamente sobre o corpo de prova. Corpo de Prova CORPO DE PROVA MÁQUINA DE ENSAIO

11 Curva Tensão - Deformação TENSÃO (σ) LRT LE.E ε LP.P 0,2% ε u ε T DEFORMAÇÃO (ε) Comportamento representativo da curva TENSÃO DE ENGENHARIA em função da DEFORMAÇÃO DE ENGENHARIA obtida num ENSAIO DE TRAÇÃO de um corpo metálico. σ = F / A o ε = (l - l o ) / l o = Δl / l o O ponto P corresponde ao LIMITE DE PROPORCIONALIDADE (LP); a deformação a partir do ponto P é plástica, e antes do ponto P é elástica. O ponto E ε corresponde ao LIMITE DE LIMITE DE ESCOAMENTO (LE), que será discutido mais adiante. O ponto M corresponde ao LIMITE DE RESISTÊNCIA A TRAÇÃO (LRT), que é a tensão máxima atingida durante o ensaio. A deformação (ε u ) no ponto M corresponde ao máximo valor de ε com alongamento uniforme. Deformações maiores que ε u ocorrem com estricção (empescoçamento). A fratura ocorre no ponto F. A deformação (ε T ) na fratura corresponde ao alongamento total.

12 Curva Tensão - Deformação Em uma escala atômica, a DEFORMAÇÃO ELÁSTICA macroscópica é manifestada como pequenas alterações no espaçamento interatômico e na extensão de ligações interatômicas. Para a maioria dos materiais metálicos, as deformações elásticas ocorrem até deformações de ~ 0,5%. Quando as deformações ultrapassam o limite de proporcionalidade, a relação entre a tensão e a deformação deixa de ser linear (lei de Hooke), produzindo-se deformação permanente, a chamada DEFORMAÇÃO PLÁSTICA. Na prática, muitas vezes, é difícil definir a posição do ponto P com precisão. Como conseqüência, geralmente se define uma TENSÃO LIMITE DE ESCOAMENTO (LE) como sendo a tensão necessária para se produzir uma pequena quantidade de deformação plástica. Por exemplo, o ponto E ε corresponde a uma deformação plástica de ε = 0,002 = 0,2%. σ LE. E ε ε

13 Curva Tensão - Deformação Quando o fenômeno de escoamento não é nítido, a tensão de escoamento é aquela necessária para promover uma deformação permanente de X%.

14 Deformação Elástica Curva Tensão vs. Deformação σ coeficiente angular = módulo de elasticidade F Força de Ligação vs. Distância Interatômica Átomos fortemente ligados Átomos fracamente ligados r Define-se o MÓDULO DE ELASTICIDADE como sendo o coeficiente angular da curva σ vs. ε, na região linear da curva. Como a curva tem origem no ponto (0,0), σ = E.ε (Lei de Hooke) ε O módulo de elasticidade é proporcional ao valor da derivada df/dr no ponto r = r 0. O módulo de elasticidade representa uma medida da intensidade das forças de ligação interatômicas.

15 Deformação Elástica Alguns materiais são elásticos mas não têm uma relação linear entre tensão e deformação.

16 σ Curva Tensão - Deformação Porcentagem de LRT LE alongamento %ε T $ %" T = l f # l 0 ' & ) x100 % l 0 ( ε LE ε E (deformação elástica total) ε LR ε P (deformação plástica total) ε T ε Porcentagem de redução de área %RA & A ' A O f # % RA = $! x100 % AO " LE, LRT e E representam habilidades do material de suportar cargas em diferentes condições. ε LE, ε E, ε LR, ε P, a resiliência e a tenacidade quantificam a habilidade do material em se deformar.

17 Deformação de Engenharia e Deformação Real Consideremos uma amostra cilíndrica homogênea sujeita a uma tensão uniaxial ao longo do eixo do cilindro. A área inicial da seção transversal da amostra é A 0 e seu comprimento é l 0. Devido à aplicação da tensão, o comprimento da amostra varia de a e la 0 área de A 0 a A N. l N l N l 0 A o A N F F A DEFORMAÇÃO DE ENGENHARIA ε vale " = l N # l 0. l 0 Suponha agora, que a variação do comprimento da amostra é feita em N passos de tal forma que: " R = l 1# l 0 l 0 + l 2 # l 1 l l N # l N#1 l N#1 = N l i # l $ i#1. i=1 l i#1 Para N grande, podemos substituir a somatória por uma integral " R = l dl # N = ln l N = ln(" + 1). l 0 l l 0 e ε R é a denominada DEFORMAÇÃO REAL e a sua correlação com ε é apresentada na equação acima.

18 Deformação de Engenharia e Deformação Real Seja l 0 = 1,0 m e consideremos dois valores para o comprimento final, l = 2 l N1 = 2,0 m e l = / 2 = 0,5 m. 0 N2 l0 Para a deformação de engenharia obtemos l N1 = 2,0m " # 1 = l N2 = 0,5m " # 2 = 2,0 $1,0 1,0 0,5 $1,0 1,0 = 1,0 = $0,5 (Os resultados não apresentam a simetria física esperada.) Para a deformação real obtemos l N1 = 2,0m " # R1 = ln2 l N2 = 0,5m " # R 2 = ln0,5 = $ln2 (Os resultados apresentam a simetria física esperada.) A deformação de engenharia coincide com a deformação real apenas para deformações suficientemente pequenas.

19 Tensão de Engenharia e Tensão Real Para cada instante de tempo t, a TENSÃO REAL σ R é definida como a força aplicada (F) dividida pela área da seção transversal [A=A(t)] sobre a qual atua. A N F " R = F A A TENSÃO DE ENGENHARIA σ é dada por " = F A 0 l N l 0 A o " # R = F A 0 A 0 A = # A 0 A. Materiais sólidos são basicamente incompressíveis, portanto, seu volume é praticamente constante durante um ensaio de tração. Assim, se l é o comprimento da amostra no instante de tempo t: F A 0 l 0 = A l " A 0 A = l l 0 = # +1 " $ R = $(# +1)

20 Curva Tensão Real - Deformação Real Real Tensão Engenharia Deformação " R = F A = "(# +1) " R = ln l N l 0 = ln(" +1)

21 Recuperação Elástica e Encruamento O material com limite de escoamento σ yo é tracionado até D. Após descarregamento sofre RECUPERAÇÃO ELÁSTICA. Quando recarregado, por ter sofrido ENCRUAMENTO apresenta limite de escoamento maior σ yi

22 Materiais Dúcteis e Frágeis Curva Tensão - Deformação σ material frágil Curva Tensão - Deformação material dúctil para o latão TENACIDADE = ÁREA SOB A CURVA = Capacidade de absorver Energia sem fraturar ε

23 Propriedades de Tração de Alguns Metais Yield strength : limite (ou tensão) de escoamento Tensile strength : limite de resistência a tração Ductility : ductilidade (medida pela porcentagem de alongamento)

24 Curvas de Tração de Materiais Frágeis (Materiais Cerâmicos) Curva Tensão - Deformação Alumina Vidro

25 Curvas de Tração de Materiais Poliméricos Curva Tensão - Deformação Polímero frágil Polímero Plástico (ductil) Elastômero

26 Curvas de Tração de Materiais Poliméricos Parcialmente Cristalinos O limite de escoamento superior corresponde ao início da formação de pescoço (estricção). A tensão cai até o limite inferior de escoamento devido à diminuição da seção resistente. Na região do pescoço, as cadeias moleculares se orientam, o que leva a um aumento localizado de resistência. Em conseqüência, a deformação plástica prossegue em uma região vizinha à do pescoço (de menor resistência), resultando em um aumento do comprimento do pescoço. A tensão de escoamento aumenta devido ao aumento da resistência do polímero (alinhamento de cadeias). Nos metais, a deformação plástica se concentra no pescoço logo após a sua formação, levando rapidamente à ruptura.

27 Efeito da Temperatura sobre as Curvas Tensão - Deformação Curvas Tensão - Deformação obtidas com o corpo de prova mantido a diferentes temperaturas. Acrílico Ferro

28 Dureza O ensaio consiste na aplicação de uma carga conhecida através de um penetrador de geometria conhecida e na medição da área da impressão produzida na superfície do corpo de prova. Ensaio de grande importância tecnológica (controle de qualidade) Dureza, ao contrário do limite de escoamento e da tenacidade à fratura, não é um parâmetro característico do material (depende da máquina, da carga, do tipo de penetrador, etc )

29 Dureza As primeiras medidas de dureza foram feitas comparando a capacidade dos diversos materiais de riscarem uns aos outros (Dureza Mohs). Dureza: resistência de um material à deformação (plástica e elástica) localizada. Ensaios de Dureza

30 Comparação da Dureza de Alguns Materiais

31 Relação entre Dureza e Limite de Resistência a Tração Para a maioria dos aços: LRT (MPa) = 3,45 x HB

32 Ensaio de Flexão (Materiais Cerâmicos)