INTRODUÇÃO: A seleção inadequada dos materiais é a origem da maior proporção de falhas em projetos

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1 Universidade Federal do Paraná Curso de Engenharia Industrial Madeireira ELEMENTOS ORGÂNICOS DE MÁQUINAS I AT-096 Dr. Alan Sulato de Andrade alansulato@ufpr.br

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3 INTRODUÇÃO: Antes de iniciar o conteúdo, devemos lembrar que rotineiramente assumimos que os materiais se comportam de forma homogênea e isotrópica no que concerne a suas propriedades. Porém, sabemos que na prática, isto não ocorre. Material homogêneo: possui as mesmas propriedades físicas e mecânicas em todo o seu volume; Material isotrópico: possui essas mesmas propriedades em todas as direções.

4 INTRODUÇÃO: A seleção inadequada dos materiais é a origem da maior proporção de falhas em projetos

5 INTRODUÇÃO: Existe uma grande gama de propriedades visando a a caracterização de qualquer material, dentre as principais, podemos citar: Físicas, Térmicas, Químicas, Ópticas, Magnéticas, Elétricas, Mecânicas,

6 INTRODUÇÃO: Algumas podem ser consideradas mais importantes que outras dependendo da forma de utilização do material. No caso de projetos de elementos ou máquinas complexas, as principais características a serem determinadas seriam quanto as propriedades mecânicas do material do qual equipamento ou dispositivo será construído.

7 INTRODUÇÃO: Assim, a determinação e/ou conhecimento das propriedades mecânicas é imprescindível 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.

8 INTRODUÇÃO: As propriedades mecânicas de um material são geralmente determinadas por meio de testes destrutivos ou não destrutivos (para alguns casos) de amostras sob condições controladas. Dentre varias condições de controle, podemos ressaltar o controle da temperatura, umidade do ar, velocidade de carregamento, carga aplicada, tempo de ensaio entre outros.

9 INTRODUÇÃO: Tipos de ensaios: Quanto à integridade: Destrutivos, Não-destrutivos Quanto à velocidade de carregamento: Estáticos (Cargas aplicada de forma lenta em estado de equilíbrio) Dinâmicos (carga aplicada de forma rápida ou cíclica) Carga constante (Cargas aplicadas de forma extremamente lenta por longos períodos)

10 INTRODUÇÃO: Há inúmeros tipos de ensaios que os materiais podem ser submetidos, sendo que em muitos casos um mesmo teste pode fornecer dados sob uma ou mais propriedades mecânicas. Porém, por melhor que seja as condições do ensaio, o resultado obtido não refletirá exatamente o que você obterá quando o projeto for colocado em serviço.

11 INTRODUÇÃO: A única forma de solucionar esta situação seria ensaiando um protótipo real do sistema que você projetou, porém em muitos casos isto não seria possível (Inviável financeiramente). Vale lembrar que é responsabilidade do engenheiro garantir a segurança de seu projeto. Ex.: Fabricantes de aviões, automóveis entre outros testam o conjunto acabado sob condições de serviços reais ou simuladas.

12 INTRODUÇÃO: Hoje em dia, empresas fornecedoras de materiais realizam testes internos de qualidade dos materiais e oferecem ao mercado produtos com garantia ou selos de qualidade. Esta garantia informa por exemplo, valor mínimo de determinadas propriedades que um determinado material apresenta.

13 INTRODUÇÃO: Na ausência ou impossibilidade de realizar tais testes específicos, o engenheiro deve adaptar e aplicar dados de propriedades dos materiais publicados de testes padronizados para a situação específica. Diversas associações definiram normas para testar amostras e procedimentos de testes para uma variedade de medidas de propriedades de materiais (ABNT, ASTM, DIN).

14 INTRODUÇÃO: Dentre os principais ensaios realizados, iremos ressaltar alguns que são normalmente realizados na determinação das propriedades dos metais (ferrosos e não-ferrosos), principal matéria prima utilizada para a construção de equipamentos e dispositivos: Ensaio de Tração, Ensaio de Compressão, Ensaio de Flexão, Ensaio de Torção, Ensaio de Dureza.

15 ENSAIO DE TRAÇÃO: O ensaio de tração é um dos mais importantes testes destrutivos para a determinação de propriedades mecânicas. O procedimento de ensaio pode ser sintetizado da seguinte forma: Um corpo de prova padronizado é submetido à uma carga de tração constante e de forma lenta, sob a ação desta força, o corpo de prova começa a se deformar, a deformação progressiva do corpo de prova faz com que haja uma diminuição da área da seção transversal de tal forma que este não suporta a carga aplicada e rompe-se.

16 ENSAIO DE TRAÇÃO: Corpo de prova e equipamento utilizado no ensaio

17 ENSAIO DE TRAÇÃO: Deflectômetro eletrônico A Início B Instantes antes do rompimento Corpo de prova sendo ensaiado em equipamento

18 ENSAIO DE TRAÇÃO: O ensaio de tração mostra como resultado, uma curva onde se relaciona a carga aplicada ( σ-tensão) e o alongamento do corpo de prova (ε-deformação). Nesta curva diversas propriedades quantitativas do material podem ser determinadas, como: Máxima tensão e deformação; Tensão e deformação de fratura; Tensão de escoamento; Limite de proporcionalidade e de elasticidade; Módulo de elasticidade; Resiliência e tenacidade;

19 ENSAIO DE TRAÇÃO:

20 ENSAIO DE TRAÇÃO: Prescede à deformação plástica É reversível Desaparece quando a tensão é removida É praticamente proporcional à tensão aplicada (obedece a lei de Hooke) É provocada por tensões que ultrapassam o limite de elasticidade É irreversível porque é resultado do deslocamento permanente dos átomos e portanto não desaparece quando a tensão é removida Elástica Plástica Diagrama de tensão e deformação

21 ENSAIO DE TRAÇÃO: Diagrama de tensão e deformação

22 ENSAIO DE TRAÇÃO: Tensão: É definida como sendo força por unidade de área e pode ser determinada no corpo de prova como sendo: σ = A 0 Onde F é a carga aplicada e A 0 é a área inicial da secção transversal do corpo de prova. F

23 ENSAIO DE TRAÇÃO: Deformação: É a mudança de comprimento por unidade de comprimento inicial e é calculada como: ε = l l l Onde l e l 0 correspondem ao comprimento medido sob a ação da força e o inicial, respectivamente. 0 0

24 ENSAIO DE TRAÇÃO: Estricção: É outra propriedade que define a deformação do material, e definida como: = A0 A A Onde A e A 0 são a área medida sob a ação da força e a inical, respectivamente. 0

25 ENSAIO DE TRAÇÃO: Módulo de elasticidade: O módulo de elasticidade pode ser determinado na região onde a tensão é proporcional a deformação. Essa região se encerra no limite de proporcionalidade e é válida a lei de Hooke. É determinado pela razão entre a tensão e a deformação: E = σ ε

26 ENSAIO DE TRAÇÃO: Resiliência e tenacidade: Resiliência e a capacidade do material absorver energia quando deformado elasticamente e devolvê-la quando é cessado o esforço. Devido à segunda lei da termodinâmica, é impossível recuperar toda a energia absorvida pelo material durante a fase de carregamento.

27 ENSAIO DE TRAÇÃO: Resiliência e tenacidade: Tenacidade corresponde à capacidade do material deformar-se plasticamente e absorver energia antes da ruptura. Ambas as propriedades podem ser obtidas integrandose a curva tensão deformação, sendo a resiliência até o limite elástico e a tenacidade até a ruptura;

28 ENSAIO DE TRAÇÃO: Ductilidade e fragilidade: A tendência de um material a deformar-se significativamente antes de se romper é uma medida de sua ductilidade. A ausência de deformação significativa antes da ruptura é chamada de fragilidade. Em geral, materiais com mais de 5% de alongamento após a região elástica e antes da ruptura são considerados dúcteis. Sendo este valor menor que 5% o material pode ser considerado frágil.

29 ENSAIO DE TRAÇÃO: Ductilidade e fragilidade: Material A Material B σ σ ξ ξ Diagrama de tensão e deformação para material dúctil (a) e frágil (b) Ex.: (a) Alumínio, (b) Concreto

30 ENSAIO DE TRAÇÃO: Ductilidade e fragilidade:

31 ENSAIO DE TRAÇÃO: Ductilidade e fragilidade: Sobreposição dos diagrama de tensão e deformação para material dúctil e frágil

32 ENSAIO DE TRAÇÃO: Ductilidade e fragilidade: a b Ruptura dos corpos de prova no ensaio de tração para material dúctil (a) e frágil (b)

33 ENSAIO DE TRAÇÃO: Ductilidade e fragilidade: Os mesmos materiais podem apresentar comportamento frágil ou dúctil dependendo de como são fabricados, trabalhados ou tratados termicamente. Essas propriedades são definidas pelo tipo de fratura e podem ser decisivas na escolha do material, por exemplo, em fuselagem de avião é sempre desejável utilizar um material dúctil e não um frágil.

34 ENSAIO DE COMPRESSÃO: Podemos observar o esforço de compressão na construção mecânica, principalmente em estruturas e em equipamentos como suportes, bases de máquinas, barramentos etc. Às vezes, a grande exigência requerida para um projeto é a resistência à compressão. Nesses casos, o projetista deve especificar um material que possua boa resistência à compressão, que não se deforme facilmente e que assegure boa precisão dimensional quando solicitado por esforços de compressão.

35 ENSAIO DE COMPRESSÃO: O ensaio de compressão é o mais indicado para avaliar essas características. O ensaio de pode ser realizado com a mesma máquina que realiza o ensaio de tração, bastando somente que se inverta o sentido de aplicação da carga. Gerando basicamente as mesmas informações do ensaio de tração, porém aplicando uma carga de compressão no material.

36 ENSAIO DE COMPRESSÃO: Os corpos de prova para esse tipo de ensaio usualmente são cilindros cuja comprimento não deve exceder à 6 vezes o diâmetro para se evitar a flambagem. É possível obter diagramas tensãodeformação em algumas situações. Muitas normas estabelecem um tempo de ensaio, evitando assim o auto esmagamento do equipamento.

37 ENSAIO DE COMPRESSÃO: Deflectômetro eletrônico Ensaio de compressão

38 ENSAIO DE COMPRESSÃO: Materiais dúcteis: Durante esse ensaio, os materiais dúcteis não se rompem mas se deformam continuamente até formar uma "bolacha" ou danificar a máquina. Usualmente têm resistência a compressão semelhantes ã tração. Quando apresenta esse tipo de comportamento são chamado de materiais uniformes.

39 ENSAIO DE COMPRESSÃO: Materiais frágeis: Rompem-se durante o ensaio. A fratura é característica e se apresenta superfície áspera e inclinada. Geralmente têm resistência muito maior à compressão que a tração. Quando apresenta resistência a tração diferente da de compressão são chamados de materiais não uniformes.

40 ENSAIO DE COMPRESSÃO: Materiais dúcteis e frágeis: a b Ruptura dos corpos de prova no ensaio de compressão para material dúctil (a) e frágil (b)

41 ENSAIO DE FLEXÃO: Nesse tipo de ensaio uma barra simplesmente apoiada em cada extremidade como uma viga é carregada transversalmente no centro de seu comprimento até a falha ocorrer. Em algumas aplicações industriais, envolvendo materiais de alta resistência, é muito importante conhecer o comportamento do material quando submetido a esforços de flexão.

42 ENSAIO DE FLEXÃO: Quando esta força provoca somente uma deformação elástica no material, dizemos que se trata de um esforço de flexão. Quando produz uma deformação plástica, temos um esforço de dobramento. Isso quer dizer que, no fundo, flexão e dobramento são etapas diferentes da aplicação de um mesmo esforço, sendo a flexão associada à fase elástica e o dobramento à fase plástica.

43 ENSAIO DE FLEXÃO: Equipamento utilizado no ensaio de flexão

44 ENSAIO DE FLEXÃO: Demonstração do ensaio de flexão e a distribuição das tensões internas

45 ENSAIO DE FLEXÃO: Utilização do conceito de linha neutra para produção de vigas estruturais.

46 ENSAIO DE FLEXÃO: Se o material for dúctil, não haverá ruptura e a falha será por escoamento. Se o material for frágil, a viga se romperá. a b Ruptura dos corpos de prova no ensaio de flexão para material dúctil (a) e frágil (b)

47 ENSAIO DE TORÇÃO: Corpos de prova circulares são submetidos a esforços de torção até se romperem a fim de obter as propriedades de cisalhamento. Usualmente o corpo de prova é marcado com linha longitudinal para facilitar a determinação do ângulo de rotação antes da ruptura. Com a análise desta marca pode determinar o tipo de comportamento do material.

48 ENSAIO DE TORÇÃO: Materiais dúcteis e frágeis: Em materiais dúcteis haverá linha formará uma trajetória helicoidal, em materiais frágeis a linha permanecerá reta; a b Ruptura dos corpos de prova no ensaio de torção para material dúctil (a) e frágil (b)

49 ENSAIO DE TORÇÃO: Equipamento utilizado no ensaio de torção

50 ENSAIO DE TORÇÃO: Resistência de cisalhamento: É a resistência a falha por cisalhamento do material e é determinada durante o ensaio. Pode ser determinada calculando-se a tensão de cisalhamento em um corpo de prova quando aplicado um torque. = τ GrΘ l 0 Onde, τ é a tensão de cisalhamento, r é o raio do corpo de prova, l 0 é o comprimento, Θ é a rotação em radianos e G é o módulo de elasticidade transversal.

51 ENSAIO DE TORÇÃO: Módulo de rigidez transversal É o recíproco do módulo de elasticidade e pode ser definido como: G E = 2(1 + v) Onde E é o módulo de elasticidade, υ é o coeficiente de Poisson (razão entre a deformação específica lateral e longitudinal) sendo que para a maior parte do metais, fica em torno de 0.3 (Tabelado).

52 ENSAIO DE TORÇÃO: Resistência de cisalhamento: Como essa tensão é diretamente proporcional ao raio, pode-se afirmar que ela é máxima na periferia e mínima no centro. Desta forma, durante o teste o material situado externamente já se encontra na fase plástica enquanto a porção interna ainda está na elástica. Desta forma, tubos de parede fina pode ser considerado como um corpo de prova melhor para este tipo de ensaio do que uma barra maciça, podendo dar uma medida melhor da resistência ao cisalhamento.

53 DUREZA: Em princípio pode-se definir a dureza como a resistência à deformação permanente: por penetração; absorção de energia sob carga dinâmica; resistência à ação do risco, à abrasão ou ao corte.

54 DUREZA: As principais características da determinação da dureza dos metais são: método rápido; não destrutivo; Permite avaliar: as condições de fabricação; tratamento das ligas metálicas; diferenças estruturais locais; influência de elementos de lisa.

55 DUREZA: Princípio do ensaio de dureza: A dureza é obtida pela resistência à penetração de um penetrador, que pode ser: esfera; pirâmide; tronco de cone; Os penetradores são usualmente feitos de metal duro, aço temperado ou diamante; Sendo forçado a penetrar no material a ser ensaiado pela aplicação de uma carga estática, provocam uma impressão, assim da análise da impressão chega-se a valor da dureza do material.

56 DUREZA: Equipamento utilizado no ensaio de dureza

57 DUREZA BRINELL: O ensaio consiste em aplicar uma carga estática (P) com uma esfera de aço (diâmetro D). Ao penetrar, a esfera imprime uma calota esférica, de diâmetro inferior ao do penetrador (d). Apresenta algumas limitações, não poder ser empregado em peças muito finas e em materiais muito duros (aço duro temperado, metal duro e outros), mais duros ou de dureza idêntica à das esferas penetradoras, que se deformariam durante a aplicação da carga. Hbn = π D( D 2P D 2 d 2

58 DUREZA ROCKWELL: O princípio de funcionamento é o mesmo do Brinell, mas emprega outro penetrador. Outra distinção é a forma como a dureza é mensurada, como um número proporcional à profundidade de penetração. No processo industrial há três faixas principais de dureza Rockwell (A, C e D) em função da variação da carga aplicada). Hrw = t

59 DUREZA VICKERS: Este ensaio tem a vantagem em relação aos demais de fornecer uma escala contínua de dureza para uma determinada carga. Pode determinar a dureza de materiais muito moles até materiais extremamente duros. O penetrador consiste de uma ponte de diamante com forma de pirâmide de base quadrada e ângulo de vértice de 136 e as cargas variam de 10 a 120 kgf; d Hvk = 1,72 P d 2

60 EXERCÍCIO Desafio 7: Identifique quais seriam as propriedades dos materiais mais importantes a serem levantadas na avaliação das seguintes situações: Estrutura de suporte de motor, Eixo de um motor, Trem de pouso de avião, Cabo para um guindaste, Prato de uma prensa hidráulica, Dentes de uma serra para madeira.