PROPRIEDADES MECÂNICAS I Fundamentos

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1 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA PROGRAMA DE CIÊNCIA DOS MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS I Fundamentos Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima, D. C. SUMÁRIO Introdução Tensões e Deformações Ensaio de tração Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Ten Cel Sousa Lima de 14

2 Generalidades INTRODUÇÃO Os materiais, quando em serviço, estão sujeitos a diversos tipos de cargas; por exemplo, a liga de Al das asas de um avião e o aço da estrutura das pontes Desta forma, é necessário conhecer as propriedades mecânicas dos materiais para que não haja deformações excessivas ou falhas Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Propriedades mecânicas INTRODUÇÃO As propriedades mecânicas relacionam a deformação ou resposta de um material a uma carga aplicada e são determinadas por meio de ensaios mecânicos Os ensaios mecânicos podem ser classificados quanto à: - Integridade da peça - Velocidade de aplicação da carga Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Ten Cel Sousa Lima de 14

3 Ensaios mecânicos INTRODUÇÃO - Quanto à integridade da peça (a) Ensaios destrutivos Promovem a ruptura ou inutilização da peça Ensaio de flexão (b) Ensaios não destrutivos Não comprometem a integridade do componente Ensaio de ultra-som Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Ensaios mecânicos INTRODUÇÃO - Quanto à velocidade de aplicação da carga (a) Estáticos Carga aplicada lentamente, que induz a sucessivos estados de equilíbrio (tração, compressão, flexão, dureza, torção) (b) Dinâmicos Esforço rápido ou cíclico (fadiga, impacto) (c) Carga constante Aplicada durante longo período (fluência) Barra Hopkinson impacto a alta velocidade Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Ten Cel Sousa Lima de 14

4 Normas técnicas INTRODUÇÃO Os ensaios mecânicos consistem em métodos normalizados (normas técnicas) que objetivam levantar propriedades mecânicas dos materiais sob a ação de esforços e são expressas em função de tensões e/ou deformações Com o uso de normas, resultados obtidos são semelhantes e reprodutíveis e com isto podem ser comparados quando realizados por diferentes laboratórios Exemplos de algumas das normas mais utilizadas Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Tensão Resistência de um corpo a uma força aplicada por unidade de área Existem 4 tipos de tensões às quais uma estrutura está sujeita e que podem ser reproduzidas por meio de ensaios tensão-deformação: Tração Compressão Cisalhamento Torção Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Ten Cel Sousa Lima de 14

5 Deformação Há 2 tipos de deformações possíveis quando um material é submetido a esforços: - Deformação elástica Não é permanente; o material retorna à sua forma original uma vez cessado o esforço - Deformação plástica É permanente; o material recupera a deformação elástica quando cessa o esforço, mas permanece com uma deformação residual plástica e assim não retorna à sua forma anterior Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Respostas de deformação Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Ten Cel Sousa Lima de 14

6 Respostas de deformação Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Ensaio de Tração Consiste na aplicação de uma carga de tração em um CP normalmente até a ruptura Regime plástico Fornece a relação entre a tensão de tração e a deformação produzida u e Escoamento É o ensaio mais amplamente utilizado nos metais, por ser simples e relativamente rápido Regime elástico Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Ten Cel Sousa Lima de 14

7 P Ensaio de Tração P S 0 - tensão de engenharia (Pa) - P carga aplicada (N) - S 0 seção transversal inicial (m 2 ) l l l 0 0 l l 0 - deformação de engenharia (adimensional) - l 0 comprimento inicial (m) - l comprimento de referência para cada carga P (m) P Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Ensaio de Compressão Consiste na aplicação de uma carga compressiva uniaxial tração As fórmulas usadas para o cálculo de tensão e deformação são as mesmas do ensaio de tração O ensaio é menos empregado em metais do que o de tração, devido a dificuldades inerentes do processo, mas é usado na indústria de construção civil e de cerâmica, em materiais frágeis e em produtos acabados compressão Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Ten Cel Sousa Lima de 14

8 Ensaio de Cisalhamento P S 0 tensão cisalhante (Pa) - P carga aplicada (N) - S 0 seção transversal inicial (m 2 ) P tg P deformação cisalhante (adimensional) - ângulo de deformação Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Ensaio de Cisalhamento Teste de resistência adesiva de bráquetes ao esmalte Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Ten Cel Sousa Lima de 14

9 Ensaios de Torção É empregado em produtos acabados na indústria de componentes mecânicos e biomédicos que sofrem esforços de torção: - Turbinas; - Rotores; - Brocas; - Eixos; - Dispositivos cirúrgicos Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Considerações Geométricas O estado de tensão que atua sobre um plano é função de sua orientação em relação à tensão aplicada Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Ten Cel Sousa Lima de 14

10 Máquina de Ensaios As máquinas de ensaios mecânicos estão disponíveis comercialmente desde 1886 e evoluíram desde os modelos puramente mecânicos até os atuais, com controle eletrônico e interface digital UTM Instron Máquina de ensaio de tração Little-Giant (1890) Pode ser do tipo dedicada ou versátil, também chamada de máquina universal de ensaios (UTM), que pode ser utilizada para ensaios de tração, compressão ou flexão Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Máquina de Ensaios Cabeçote móvel Garra Garra Força CP Esquema de funcionamento A máquina é constituída por uma parte fixa e outra móvel (cabeçote ou pistão), responsável pela aplicação da carga, que fixam verticalmente o CP por meio de garras Durante o ensaio mede-se, simultaneamente, a carga aplicada e a deformação do material Existem 2 tipos de mecanismos de aplicação de carga: - Eletromecânico - Servo-hidráulico Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Ten Cel Sousa Lima de 14

11 Máquina de Ensaios Mecanismo eletromecânico - Constituído por fusos e colunas guias - Capacidade máxima: cerca de 600 kn - Velocidade: entre 1 µm e 500 mm/min Esquema de mecanismo eletromecânico Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Máquina de Ensaios Mecanismo servo-hidráulico Servo loop Válvula CP - Constituído por cilindro e pistão acionados hidraulicamente - Capacidade máxima: cerca de kn - Velocidade: entre 1 µm/h e 10 m/s Pistão Esquema de mecanismo Servo-hidráulico Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Ten Cel Sousa Lima de 14

12 Máquina de Ensaios Garras Célula de carga Célula de carga Extensômetro Garras Máquina de ensaio eletromecânica Máquina de ensaio servohidráulica Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Medição de carga e deformação Célula de carga Dispositivo eletrônico ou hidráulico usado para converter a força aplicada em sinal elétrico; mede a força aplicada Extensômetro A medida da deformação pode ser realizada por meio de uma série de dispositivos, tais como extensômetros, e strain-gages; mede a deformação ao longo do eixo longitudinal do CP Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Ten Cel Sousa Lima de 14

13 Corpo-de-prova CP com seção retangular são retirados de placas, chapas ou lâminas com espessura igual à da chapa CP circulares são feitos se o produto for de seção circular ou irregular ou produzido por fundição (fundição de um tarugo extra para posterior usinagem do CP) Em peças pequenas, os métodos fornecem opções de CP reduzidos Existem produtos que podem ser ensaiados diretamente, tais como barras, fios e arames Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Medição de tensão e de deformação Ensaio de uma barra de Al de 12,5 mm de diâmetro Força (kn) (MPa) Extensômetro (mm) Regime plástico ,00 0,0000 5,0 40,7 50,03 0,0006 u 10,0 81,5 50,06 0, ,0 122,2 50,09 0,0018 e Escoamento 20,0 163,0 50,12 0, ,0 203,7 50,15 0, ,0 244,5 50,18 0,0036 Regime elástico 35,6 290,1 52,00 0, ,6 290,1 53,00 0, ,8 275,4 55,20 0,1040 Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Ten Cel Sousa Lima de 14

14 REFERÊNCIAS Estudo principal - Livro texto (W.D. Callister, Ciência e Engenharia do Materiais - Uma Introdução - 7ª Edição) Capítulo 6 Propriedades mecânicas dos metais Até o item 6.2 Estudo complementar - Livro texto Itens restantes do Capítulo 6 - D.R. Askeland, Ciência e Engenharia dos Materiais - A. Garcia, J.A. Spim & C.A. dos Santos, Ensaios dos Materiais, LTC Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., Rio de Janeiro, RJ, S.A. de Souza, Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos, Ed. Edgard Blucher Ltda, São Paulo, SP, 1982 Propriedades Mecânicas - Ten Cel Sousa Lima de 27 Ten Cel Sousa Lima de 14