Ciências dos materiais- 232

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1 Aula Ciências dos materiais a aula - Imperfeições em Sólidos - Propriedades Mecânicas dos Metais - Falhas em Materiais Terça Semana par 19:00 às 20:40 21:00 às 22:40 Professor: Luis Gustavo Sigward Ericsson Curso: Engenharia Mecânica Série: 6º/ 5º Semestre

2 Aula Aula 2 1 Imperfeições em Sólidos Imperfeições em Sólidos Cristal arranjo regular e periódico dos átomos Defeito irregularidade (imperfeição ou erro ) no arranjo cristalino Defeitos Cristalinos A classificação dos defeitos cristalinos é frequentemente feita de acordo com a geometria ou dimensão dos defeitos. Defeitos pontuais Dimensão zero Defeitos lineares uma dimensão (unidimensional) Defeitos planos (interfaciais) fronteiras (2 dimensões) Defeitos volumétricos 3 dimensões 2

3 Defeitos Pontuais Vacâncias Aula Aula 2 1 Imperfeições em Sólidos Envolve a falta de um átomo (uma posição do reticulado, normalmente ocupada, encontra-se vazia) São formados durante a solidificação do cristal ou como resultado das vibrações atômicas (O número de vacâncias aumenta exponencialmente com a temperatura) As propriedades dos materiais podem ser controladas criando ou controlando estes defeitos Distorção nos planos Vacância 3

4 Defeitos Pontuais Átomos Intersticiais Aula Aula 2 1 Imperfeições em Sólidos Um átomo extra no interstício do cristal (mesmo material) Produz uma distorção no reticulado, uma vez que o átomo é, geralmente, maior que o interstício. A formação de um defeito intersticial implica na criação de uma vacância Existem em concentrações menores que as vacâncias interstício Distorção nos planos 4

5 Aula Aula 2 1 Imperfeições em Sólidos Defeitos Lineares (Discordâncias) As discordâncias estão associadas com a cristalização e a deformação (origem: térmica, mecânica e supersaturação de defeitos pontuais). A presença deste defeito é a responsável pela deformação, falha e rompimento dos materiais. A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou por tratamentos térmicos. 5

6 Aula Aula 2 1 Imperfeições em Sólidos Defeitos Lineares (Discordâncias) Discordância é um defeito linear ou unidimensional em torno do qual alguns dos átomos estão desalinhados. Discordância em inglês é chamada dislocation. Podem ser: Cunha Hélice Mista 6

7 Aula Aula 2 1 Imperfeições em Sólidos Defeitos Lineares (Discordâncias) Discordância em Cunha Envolve um plano extra de átomos O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha de discordância Envolve zonas de tração e compressão 7

8 Aula Aula 2 1 Imperfeições em Sólidos Defeitos Lineares (Discordâncias) Discordância em Cunha Átomos acima da linha de discordância estão espremidos (compressão) e os átomos abaixo da linha estão separados (tração) 8

9 Aula Aula 2 1 Imperfeições em Sólidos Defeitos Lineares (Discordâncias) Discordância em Hélice Produz distorção na rede O vetor de burger é paralelo à direção da linha de discordância Formada por uma tensão de cisalhamento A parte superior do cristal é deslocada uma distância atômica 9

10 Aula Aula 2 1 Imperfeições em Sólidos Defeitos Lineares (Discordâncias) Discordância em Hélice 10

11 Aula Aula 2 1 Imperfeições em Sólidos Defeitos Lineares (Discordâncias) Discordância - Cunha vs Hélice Discordância em Cunha Discordância em Hélice 11

12 Aula Aula 2 1 Imperfeições em Sólidos Defeitos Lineares (Discordâncias) Discordância mista 12

13 Defeitos Interfaciais Contorno de Grão Aula Aula 2 1 Imperfeições em Sólidos A forma do grão é controlada pela presença dos grãos circunvizinhos O tamanho de grão é controlado por: Energia Composição Taxa de cristalização ou solidificação Energia do contorno de grão é similar à da energia da superfície externa, ou seja, mais elevada que no interior do grão. 13

14 Defeitos Interfaciais Contorno de Grão Aula Aula 2 1 Imperfeições em Sólidos Corresponde à região que separa dois ou mais cristais de orientações diferentes em materiais policristalinos um cristal = um grão No interior de cada grão todos os átomos estão arranjados segundo um único modelo e única orientação, caracterizada pela célula unitária Material com apenas uma orientação cristalina, ou seja, que contém apenas um grão é chamado de monocristal 14

15 Defeitos Interfaciais Aula Aula 2 1 Imperfeições em Sólidos Maclas ou Cristais Gêmeos ( Twins ) É um tipo especial de contorno de grão. Os átomos de um lado do contorno são imagens espelhadas dos átomos do outro lado do contorno. A macla ocorre num plano definido e numa direção específica, dependendo da estrutura cristalina. 15

16 Soluções Sólidas Aula Aula 2 1 Imperfeições em Sólidos Um metal considerado puro sempre tem impurezas (átomos estranhos) presentes Metal com 99,9999% de pureza = impurezas por cm 3. A presença de impurezas promove a formação de defeitos pontuais na estrutura do metal. As impurezas podem ser adicionadas intencionalmente com a finalidade: aumentar a resistência mecânica aumentar a resistência à corrosão Quando a adição é feita intencionalmente formam-se as ligas. 16

17 Soluções Sólidas Aula Aula 2 1 Imperfeições em Sólidos A estrutura do cristal é mantida e não formam-se novas estruturas. As soluções sólidas formam-se mais facilmente quando impureza e hospedeiro tem estrutura e dimensões eletrônicas semelhantes. As impurezas são chamadas soluto (< quantidade) e a matriz é chamada solvente (> quantidade). 17

18 Soluções Sólidas Substitucionais Aula Aula 2 1 Imperfeições em Sólidos Há a substituição de átomos do solvente no reticulado cristalino por átomos de soluto. Átomos de soluto e do solvente devem ter aproximadamente o mesmo tamanho. Para formar uma solução sólida substitucional ambos os átomos de soluto e de solvente devem obedecer uma série de condições chamadas Regras de Hume Rothery. 18

19 Soluções Sólidas Substitucionais Regras de Hume Rothery Aula Aula 2 1 Imperfeições em Sólidos Raio atômico deve ter uma diferença de no máximo 15%, caso contrário pode promover distorções na rede e assim formação de nova fase Estrutura cristalina mesma Eletronegatividade próximas Valência mesma ou maior que a do hospedeiro (diferença máxima 1 unidade). Tanto o soluto como o solvente devem obedecer a essas regras simultaneamente. 19

20 Soluções Sólidas Intersticiais Aula Aula 2 1 Imperfeições em Sólidos Os átomos de impurezas ocupam os espaços dos interstícios. Como os materiais metálicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posições intersticiais são relativamente pequenas. Geralmente, no máximo 10% de impurezas são incorporadas nos interstícios. 20

21 Exercícios Aula Aula 2 1 Imperfeições em Sólidos 1) Cite as principais diferenças entre as soluções substitucionais e intersticiais. 2) Descreva com as suas palavras o que são defeitos pontuais e lineares 21

22 Aula 2 Propriedades Aula 1 Mecânicas dos Metais Propriedades Mecânicas A determinação e/ou conhecimento das propriedades mecânicas principal fator para a seleção de materiais para diversas aplicações. é o 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. Super Light Car Life Cycle Assessment 22

23 Aula 2 Propriedades Aula 1 Mecânicas dos Metais Tipos de Tensões Tração Compressão Cisalhamento Flexão Torção Carga estática muda lentamente comportamento mecânico Teste tensão-deformação 23

24 Aula 2 Propriedades Aula 1 Mecânicas dos Metais Classificação dos Ensaios Mecânicos 24

25 Aula 2 Propriedades Aula 1 Mecânicas dos Metais Ensaio de Tração Um corpo de prova é deformado, geralmente até a fratura, por uma carga de tração, que aumenta gradativamente, aplicada uniaxialmente ao longo do eixo maior do corpo de prova. O equipamento de tração é projetado para alongar o espécime a uma taxa constante e ao mesmo tempo medir instantaneamente a carga aplicada e o alongamento correspondente. 25

26 stress Aula 2 Propriedades Aula 1 Mecânicas dos Metais Ensaio de Tração A representação gráfica de um ensaio de tensão-deformação é um gráfico de carga ou tensão vs. alongamento ou deformação. TS F = fracture or ultimate strength y Typical response of a metal strain strain 26

27 Aula 2 Propriedades Aula 1 Mecânicas dos Metais Ensaio de tração Tensão ( ) vs. Deformação (e) Tensão de Engenharia σ = F A o Deformação de Engenharia ε = l i l o l o = Δl l o 27

28 Aula 2 Propriedades Aula 1 Mecânicas dos Metais Ensaio de tração Ensaios de Compressão Similar ao ensaio de tração, exceto que a força aplicada é compressiva. Valem as mesmas equações do ensaio de tração. Deformações compressivas são negativas, uma vez que l o > l i. Testes compressivos são importantes quando o material é frágil em tração. 28

29 Aula 2 Propriedades Aula 1 Mecânicas dos Metais Ensaio de tração Deformação Elástica 1. Initial 2. Small load 3. Unload bonds stretch Elástico significa reversível! d F F d return to initial Linearelastic Non-Linearelastic 29

30 Aula 2 Propriedades Aula 1 Mecânicas dos Metais Ensaio de tração Deformação Elástica O grau no qual a estrutura deforma depende da intensidade de uma tensão imposta σ = E ε Lei de Hooke E representa o módulo de Young (módulo de elasticidade) Quando a deformação é proporcional à tensão aplicada tem-se uma deformação elástica. A deformação elástica é uma deformação não permanente, ou seja, ao se remover a tensão o corpo de prova retorna ao seu tamanho inicial. 30

31 Aula 2 Propriedades Aula 1 Mecânicas dos Metais Ensaio de tração Deformação Elástica A inclinação da curva tensão vs. deformação dá o valor do módulo de Young (E). Quanto maior o módulo, mais resistente é o material, ou seja menor é a deformação elástica resultante da aplicação de uma tensão. Módulo de Young ou Módulo de Elasticidade 31

32 Aula 2 Propriedades Aula 1 Mecânicas dos Metais Ensaio de tração Deformação Elástica Ex.: Um corpo de prova de cobre de 305 mm de comprimento é tracionado com uma tensão de 276 MPa. Se a deformação é completamente elástica, qual será o alongamento resultante? Dados: = 276 MPa l o = 305 mm E Cu = 110 GPa 32

33 Aula 2 Propriedades Aula 1 Mecânicas dos Metais Ensaio de tração Propriedades Elásticas dos Materiais Quando uma tensão de tração é imposta, ocorre um alongamento elástico e uma deformação elástica e z na direção da tensão aplicada. Para tensão uniaxial e material isotrópico: e x = e z Mesmas propriedades em qualquer direção Razão de Poisson: ν = ε x ε z = ε y ε z Para materiais isotrópicos é possível relacionar os módulos de elasticidade e de cisalhamento E = 2G 1 + ν 33

34 Aula 2 Propriedades Aula 1 Mecânicas dos Metais Ensaio de tração Deformação Plástica Para a maioria dos metais a deformação elástica permanece somente para deformações de cerca de 0,5 % (e = 0,005). Além desse ponto não há mais proporção entre tensão de deformação e ocorre deformação permanente, não-recuperável ou deformação plástica. 34

35 Aula 2 Propriedades Aula 1 Mecânicas dos Metais Ensaio de tração Propriedades de Tração A maioria das estruturas é projetada para garantir que ao se aplicar uma tensão ocorra apenas deformação elástica. Ao ocorrer uma deformação plástica, a estrutura ou componente não é capaz de agir como projetado. É necessário conhecer o ponto em que ocorre a transição entre deformação plástica e elástica. Para metais que têm uma transição gradual procura-se o ponto em que ocorre a transição, o que não é facilmente determinável. Esse ponto é chamado de limite de proporcionalidade. Alguns aços e outros materiais apresentam um escoamento muito bem definido e ocorre abruptamente. 35

36 Aula 2 Propriedades Aula 1 Mecânicas dos Metais Ensaio de tração Propriedades de Tração 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% (obtido pelo método gráfico indicado na figura ao lado) 36

37 Aula 2 Propriedades Aula 1 Mecânicas dos Metais Ensaio de tração Propriedades de Tração Resistência à tração Após o escoamento, a tensão necessária para continuar a deformação plástica em metais aumenta até um máximo (M) e então diminui até uma provável fratura (P). 37

38 Aula 2 Propriedades Aula 1 Mecânicas dos Metais Ensaio de tração Propriedades de Tração A L o o A f L f Ductilidade Mede o grau de deformação plástica que foi atingido na fratura. Um material que experimenta muito pouca ou nenhuma deformação plástica antes da fratura é denominado frágil ("brittle"). Materiais frágeis - deformação menor que 5%. Porcentagem de elongação Porcentagem de Redução de Área 38

39 Aula 2 Propriedades Aula 1 Mecânicas dos Metais Ensaio de tração Propriedades de Tração Resiliência Mede a capacidade de um material absorver energia quando é deformado elasticamente (após descarregamento a sua energia é recuperada). Assumindo uma região elástica linear A propriedade associada é o módulo de resiliência, U r, que é a energia de deformação por unidade de volume requerida para tensionar o material a partir do estado não-carregado até o ponto de escoamento. 39

40 Aula 2 Propriedades Aula 1 Mecânicas dos Metais Ensaio de tração Propriedades de Tração Tenacidade É a medida da capacidade de um material absorver energia até a fratura. 40

41 Aula 2 Propriedades Aula 1 Mecânicas dos Metais Ensaio de tração Propriedades de Tração Recuperação elástica após deformação plástica Depois do descarregamento após um ensaio de tração, parte da deformação total é recuperada como deformação elástica. A inclinação da curva de descarregamento é paralela à parte elástica da curva. 41

42 Exercícios Aula 2 Aula Propriedades 1 Mecânicas dos Metais 1) Cite as principais diferenças entre os comportamentos de deformação plástica e elástica. 2) Quais as propriedades que podem ser obtidas num ensaio de tração e o que cada uma representa. 3) Na escala atômica o que significa estar sofrendo deformação elástica, deformação plástica, ruptura. 4) Para cada tipo de material Metálico, plástico e cerâmico, diga por intuição como são as seguintes propriedades: Módulo de elasticidade, Tensão de Escoamento, LRT, Ductilidade, condutividade elétrica e térmica. Faça uma tabela. 42

43 Aula 21 Falhas em materiais Fratura Consiste na separação do material em 2 ou mais partes devido à aplicação de uma carga estática à temperaturas relativamente baixas em relação ao ponto de fusão do material 43

44 Fratura Aula 21 Falhas em materiais Dúctil a deformação plástica continua até uma redução na área para posterior ruptura (É observada em materiais CFC) Frágil não ocorre deformação plástica, requerendo menos energia que a fratura dúctil que consome energia para o movimento de discordâncias e imperfeições no material (É observada em materiais CCC e HC) Fraturas dúcteis Fratura frágil 44

45 Fratura Exemplo: Falha em tubo Fratura dúctil : - Um pedaço - Grandes deformações Aula 21 Falhas em materiais Fratura frágil: - Muitas partes - Pequenas deformações 45

46 Aula 21 Falhas em materiais Fratura Mecanismo da Fratura Dúctil a) Empescoçamento b) Formação de cavidades c) Coalescimento das cavidades d) Formação e propagação da trinca em um ângulo de 45º e) Rompimento do material por propagação da trinca 46

47 Fadiga Aula 21 Falhas em materiais É a forma de falha ou ruptura que ocorre nas estruturas sujeitas à forças dinâmicas e cíclicas Nessas situações o material rompe com tensões muito inferiores à correspondente à resistência à tração (determinada para cargas estáticas) É comum ocorrer em estruturas como pontes, aviões, componentes de máquinas A falha por fadiga é geralmente de natureza frágil mesmo em materiais dúcteis. 47

48 Fadiga Aula 21 Falhas em materiais A fratura ou rompimento do material por fadiga geralmente ocorre com a formação e propagação de uma trinca. A trinca inicia-se em pontos onde há imperfeição estrutural ou de composição e/ou de alta concentração de tensões (que ocorre geralmente na superfície) A superfície da fratura é geralmente perpendicular à direção da tensão à qual o material foi submetido crack origin 48

49 Fadiga CURVA -N Aula 21 Falhas em materiais A curva -N representa a tensão versus número fratura. Normalmente para N utiliza-se escala logarítmica de ciclos para que ocorra a Vida em fadiga (N f ): o número de ciclos necessários para ocorrer a falha em um nível de tensão específico. 49

50 Aula 21 Falhas em materiais Fadiga Fatores que Afetam a Vida em Fadiga Tensão Média: o aumento do nível médio de tensão leva a uma diminuição da vida útil Efeitos de Superfície: variáveis de projeto (cantos agúdos e demais descontinuidades podem levar a concentração de tensões e então a formação de trincas) e tratamentos superficiais (polimento, jateamento, endurecimento superficial melhoram significativamente a vida em fadiga) Efeitos do ambiente: fadiga térmica (flutuações na temperatura) e fadiga por corrosão (ex. pontos de corrosão podem atuar como concentradores de tensão) 50

51 Fluência Aula 21 Falhas em materiais Quando um metal é solicitado por uma carga, imediatamente sofre uma deformação elástica. Com a aplicação de uma carga constante, a deformação plástica progride lentamente com o tempo (fluência) até haver um estrangulamento e ruptura do material Velocidade de fluência (relação entre deformação plástica e tempo) aumenta com a temperatura Esta propriedade é de grande importância especialmente na escolha de materiais para operar a altas temperaturas Este fenômeno é observado em todos os materiais, e torna-se importante à altas temperaturas (T = 0,4.T F ) primary elastic secondary tertiary 51

52 Exercícios Aula 21 Falhas em materiais 1) Cite as principais diferenças entre fraturas dúctil e frágil. 2) Quais são as características dos fenômenos de fluência e fadiga. 52