TM229 - Introdução aos Materiais

Transcrição

1 TM229 - Introdução aos Materiais Propriedades mecânicas Ana Sofia C. M. D Oliveira

2 Propriedades mecânicas Resistência - Tração - Escoamento - Compressão - Flexão - Cisalhamento - Fluência - Tensão de Ruptura Conformabilidade - % alongamento - % de redução de área - Raio de flexão Resiliência - Modulo de elasticidade - Modulo de flexão - Modulo de cisalhamento Tenacidade - Resistência ao impacto - Sensibilidade ao entalhe - Intensidade da tensão critica Durabilidade - Dureza - Resistência ao desgaste - Resistência a fadiga

3 Ensaios Mecânicos Permitem quantificar as propriedades mecânicas

4 Elástica Estrutura retorna a sua forma original quando se remove a carga Plástica Carga aplicada provoca uma deformação permanente Tração T e n s ã o Compressão Flexão Tendência para separar/romper o componente Flexão do componente Tendência para esmagar ou colapsar o componente Cisalhamento Cisalhamento do componente Torção Torção do componente

5 Ensaio de tração Uniaxial

6 Curva Tensão x Deformação de engenharia ( metal dúctil ) Modulo de elasticidade medida da rigidez Tensão de escoamento Tensão máxima ou limite de resistência Dutilidade (redução de área; deformação) Coef de encruamento Estricção estado triaxial de tensões

7 Curva tensão- deformação

8 Efeito da temperatura nas propriedades mecânicas

9 Testes de dureza

10 Ensaios de dureza Propriedade que se relaciona diretamente com a resistência mecânica do material mede a resistência do material a deformação plástica localizada. Quanto maior o limite de resistência de um material metálico, maior a sua dureza. Frequentemente a dureza do material é proporcional a sua resistência ao desgaste e durabilidade Nos aços a dureza é utilizada como uma medida da resistência a abrasão

11 Os ensaios de dureza podem ser por penetração, risco ou choque. No caso dos materiais metálicos, os métodos mais utilizados são os ensaios de dureza por penetração Brinell Vickers Knoop Rockwell

12 Tenacidade Capacidade de absorver energia até a ruptura Resistência a propagação de trincas Resiliência Capacidade de absorver energia elástica

13 Ensaio de impacto

14 Ensaios de impacto (Charpy e Izod) Máquina de Ensaio (pêndulo) Corpos de Prova - Charpy - Izod Fonte [1]

15 Ensaios de impacto (Charpy e Izod) - Alta taxa de carregamento - CP entalhado (concentrador de tensões) O impacto é dado no sentido de abrir a trinca. Pode-se variar a temperatura de ensaio utilizando-se misturas de nitrogênio e álcool para refrigeração.

16 Influência da Temperatura Metais ccc transição dúctil-frágil (Fratura por clivagem) FRATURA FRÁGIL - Pouca deformação plástica macroscópica - Brilhante (no caso da fratura por clivagem) - Facetas e degraus de clivagem ou trincas intergranulares - Mecanismo: clivagem ou fragilização intergranular FRATURA DÚCTIL - Muita deformação plástica macroscópica (expansão lateral do cp); Aspecto fosco. - Expansão lateral do corpo de prova - Microvazios (dimples) - Mecanismo: cisalhamento

17 Parâmetros de tenacidade obtidos no ensaio de impacto - Energia absorvida para fratura; - Temperatura de transição dúctil-frágil (quanto menor, melhor); - Porcentagem de fratura dúctil; - Expansão lateral.

18 Metais CFC não apresentam transição dúctil-fragil A resistência mecânica e a tenacidade muitas vezes caminham em sentidos opostos O engenheiro procura por ligas mais resistentes e mais tenazes. Por exemplo : o refino de grãos é um mecanismo de endurecimento que também melhora a tenacidade dos materiais metálicos.

19 materiais de grãos finos exigem uma mais alta energia para fratura e apresentam temperatura de transição dúctil-frágil mais baixa do que materiais de grãos grosseiros. contornos de grão são obstáculos à movimentação de discordâncias -> refino de grãos provoca o endurecimento dos materiais metálicos. contornos de grão são obstáculos à propagação de trincas -> obrigando que estas mudem de direção na passagem de um grão para outro.

20 Composição química -Baixam a tenacidade: Enxofre, fósforo e carbono. -Melhoram tenacidade: Manganês e níquel

21 Fadiga

22 Fadiga Falha mecânica que ocorre devido a esforços (tensões e deformações) flutuantes. Estes esforços geralmente são aleatórios. Nos ensaios de fadiga são empregados ciclos de tensão ou deformação bem definidos.

23 Para esses ciclos são definidos os seguintes parâmetros: a é a amplitude de tensões r = ( máx. - mín. ) = 2 a máx. e mín., tensões mín e máx; R = mín / máx. é a tensão média médio

24 Propagação da trinca de fadiga em função do ciclo de tensão propagação

25 Superfície exposta a fadiga, formação de concentradores de tensão Mecanismo de fadiga

26 Aspectos superfície de fadiga Aspecto macroscópio: marcas de praia Aspecto microscópico:estrias de fadiga

27 Curvas S-N Tensão limite de fadiga abaixo dele o n. de ciclos é infinito Efeito da tensão média

28 Fluência

29 Fluência Falha que ocorre em altas temperaturas sob carga constante. Deformação permanente e dependente do tempo, que pode gerar defeitos internos que levam à ruptura do material. Antes da falha, o componente experimenta deformação plástica, o que compromete a geometria e e a precisão dimensional dos componentes. As temperaturas em que os mecanismos de fluência se tornam operantes são geralmente superiores a 0,4T H. Temp. Homologa = T de teste T fusão

30 Estágios do comportamento em fluência: e I II III X Região de ruptura Região de encruamento Região de Taxa de deformação contante 1 e ss Parâmetros importantes retirados do ensaio de fluência: - taxa de deformação no estágio II e - vida em fluência (tempo total para ruptura) t

31 Efeito da tensão e da temperatura na curva de fluência Efeito da tensão Efeito da temperatura

32 Mecanismos de fluência: Difusão de átomos e lacunas pelo interior dos grãos (Nabarro-Herring) Difusão de átomos e lacunas pelos contornos de grão (Coble); Deslizamento de discordâncias; Movimentação de discordâncias por escalagem; Deslizamento de contornos de grão.

33 Difusão de átomos e lacunas pelo interior dos grãos (Nabarro- Herring) Difusão de átomos e lacunas pelos contornos de grão (Coble);

34 Deslizamento de discordâncias; Movimentação de discordâncias por escalagem escalagem de discordâncias Rápido movimento das lacunas -> metal flui rápidamente

35 Deformação e Recristalização

36 Aumento da resistência mecânica Multiplicação de discordâncias

37 A deformação nos metais causa alongamento dos grãos na direção de deformação Material inicial Material deformado

38 Processos de conformação mecânica que envolvem o encruamento dos metais Laminação

39 Durante o recozimento de um metal encruado podem ocorrer os seguintes fenômenos: Recuperação Recristalização Crescimento de grãos

40 Recuperação Na recuperação ocorrem somente modificações a nível substrutural e sub-atômico. Diminuição da densidade de defeitos pontuais, as discordâncias se re-arranjam em configurações que minimizam a energia interna do metal - o processo de poligonização, que dá origem a sub-grãos.

41 Recristalização Nucleação de novos grãos livres de deformação e o crescimento destes até que se toquem Existe uma deformação crítica (e c ) para a recristalização e uma temperatura abaixo da qual não há recristalização Temperatura de recristalização x % de deformação.

42 Variação das propriedades mecânicas com o as etapas do recozimento

43 Latão encruado Início do processo de recristalização (nucleação de pequenos grãos) 580 o C - 3s

44 580 o C 5s Recristalização parcial ~ 0.50 Fonte: [2] Recristalização total 580 o C 8s

45 CRESCIMENTO DE GRÃOS 580 o C 15 minutos 750 o C 10 minutos

46 Crescimento de Grãos Quando todos os grãos recristalizados se tocam e continuando a aquecer ocorre o crescimento dos grãos, que é, em muitos casos, indesejável do ponto de vista das propriedades mecânicas a baixas temperaturas. A força motriz para o crescimento dos grãos é a diminuição da energia associada a superfície dos contornos de grão, uma vez que, crescendo o grão diminui a área dos contornos.

47 Cinética de recristalização Efeito da temperatura no tempo de recristalização

48 Fatores que influem na cinética de recristalização Temperatura - A velocidade de recristalização aumenta exponencialmente com a temperatura. Grau de deformação prévia Quanto maior a deformação prévia, mais rapidamente acontece a recristalização Presença de impurezas no metal - Pequenas porcentagens, como 0.01%, de um átomo estranho em solução sólida podem elevar a temperatura de recristalização de algumas centenas de graus. Assim, um metal extra puro geralmente recristaliza em temperaturas muito mais baixas do que um metal de pureza comercial. Explica-se esse fato da seguinte maneira: na recristalização os contornos de grão se movimentam quando ocorre nucleação e crescimento. A presença de átomos estranhos nas atmosferas associadas a esses contornos retarda muito a sua movimentação e, assim, diminui a velocidade de recristalização. Presença de precipitados muito finos nos contornos de grão - A presença de precipitados finos nos contornos de grão também pode impedir o movimento dessas superfícies e, dessa forma, retardar a recristalização. Um exemplo típico de aplicação deste conceito é a microadição de Ti, Nb ou V nos aços para retardar a recristalização. Esses elementos formam carbonetos muito finos nos contornos de grão, os quais impedem o movimento das paredes.