Ciência dos materiais Aula 7. Profª Mª Patrícia Cristina Costa Ladeira

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1 Ciência dos materiais Aula 7 Profª Mª Patrícia Cristina Costa Ladeira patricialadeira@aedu.com patricia.ladeira@yahoo.com.br

2 Metais 2 Versáteis Mais de 70 na tabela periódica Inúmeras propriedades químicas, mecânicas, elétricas, térmicas, magnéticas e ópticas

3 Metais 3

4 Propriedades químicas 4 Capacidade de se combinarem com outros elementos e formar ligas Adição de Ni e Cr ao aço gera uma série de aços inoxidáveis muito utilizados: Aços austeníticos: estruturas em construção civil Aços ferríticos: sistema de exaustão de gases em motores de combustão; Aços martensíticos: mineração e instrumentos odontológicos.

5 Propriedades químicas 5 Catálise de reações orgânicas : Ni, V, Mo, Co, terras raras, grupo da platina. Metais de transição: compostos de coordenação coloridos

6 Propriedades químicas 6 Ferro metálico Cinza Óxido de ferro Vermelho Estátua da Liberdade Cobre castanho/laranja brilhante Carbonato de cobre verde fosco

7 Propriedades mecânicas 7 Nos dão a gama de utilidades do material e informações sobre vida útil. Podemos realizar ensaios e analisar a resposta (em forma de deformação) à tensão aplicada. Dentre as propriedades mecânicas temos: ductilidade, resistência, dureza, tenacidade, resiliência, maleabilidade, resistência ao impacto, resistência à fratura

8 Propriedades mecânicas 8 Geralmente são anisotrópicas, ou seja, diferentes em cada direção. Elas dependem do tipo e direção de conformação do material Direção longitudinal: mesma direção da conformação Direção transversal: perpendicular à conformação

9 Propriedades mecânicas 9 Os ensaio mecânicos se baseiam na aplicação de uma tensão e observação da deformação ocorrida

10 Ensaio de tração 10 No ensaio de tração uma amostra é submetida a tensão de tração até seu rompimento Pela coleta dos dados de tensão x deformação podemos obter dados a respeito de algumas propriedades do material analisado Geralmente os corpos de prova são cilíndricos, com diâmetro de aproximadamente 12,8 mm e comprimento da seção reduzida de 60 mm

11 Ensaio de tração 11 A característica carga-deformação depende do tamanho do corpo de prova Para minimizar os fatores geométricos aplicamos a tensão de engenharia (σ) e a deformação de engenharia (ε), dados por: σ = F A 0 ε = l 1 l O l O = Δl l O

12 Ensaio de compressão 12 O material é submetido a tensão de compressão Aplicam-se as mesmas fórmulas do ensaio de tração, porém: A tensão de compressão é considerada como sendo negativa A deformação também fornece um valor negativo, uma vez que o l 0 é maior que o l i Pela dificuldade de realizar esse ensaio, ele só é aplicado quando deseja-se avaliar grandes deformações plásticas, ou quando o material é frágil sob tração

13 Ensaio de cisalhamento 13 Quando aplica-se força cisalhante pura, a tensão cisalhante (τ) é determinada da seguinte forma: τ = F A O A tensão cisalhante (γ) é a tangente do ângulo de deformação θ γ = tan θ

14 Ensaio de torção 14 O ensaio de torção é uma variação do cisalhamento puro A torção gera uma rotação em torno do eixo longitudinal Os ensaios de torção aplicam corpos de prova cilíndricos ou tubos A tensão cisalhante é uma função do torque T A deformação cisalhante está relacionado ao ângulo de torção ϕ

15 Geometria e estado de tensão 15 σ = σ cos² θ = σ 1 + cos 2θ 2 τ = σ sen² θ = σ sin 2θ 2

16 Comportamento Tensãodeformação 16 Todo material sofre deformação de acordo com a tensão aplicada Quando metais são submetidos a tensões baixas, eles apresentam deformação proporcional à tensão aplicada A Lei de Hooke expressa a proporção tensãodeformação σ = Eε A taxa de proporcionalidade E é conhecida como módulo de elasticidade ou módulo de Young A unidade de E é GPa ou psi

17 Comportamento tensãodeformação 17

18 Comportamento tensãodeformação 18 O processo de deformação, no qual esta é proporcional a tensão é chamado de deformação elástica É possível obter um gráfico linear de σ x ε com inclinação igual a E Quando a relação σ x ε não é linear, é possível obter as inclinações das retas secante ou tangente a curva

19 Comportamento tensãodeformação 19 Assim como as tensões de tração, as tensões de compressão e de cisalhamento também geram deformações elásticas Sob baixas tensões, a características de tensãodeformação são similares para tração e compressão, inclusive o E Tensões de cisalhamento e a deformação causada são relacionados por: τ = Gγ G é o módulo de cisalhamento

20 Comportamento tensãodeformação 20 Os módulos de elasticidade diminuem com o aumento da temperatura

21 Anelasticidade 21 As deformações elásticas não são permanentes Ao cessar a tensão, os materiais retomam sua forma original Alguns materiais precisam de um tempo para que retome a sua forma original, esse comportamento é chamado de anelasticidade Metais geralmente possuem tempo de recuperação da forma original muito curto Alguns polímeros, conhecidos como viscoelásticos, levam um tempo maior para voltarem à forma original depois de cessar a tensão

22 Propriedades elásticas dos materiais 22 Quando um material sofre alongamento devido a tensão de tração, seu diâmetro sobre contração Materiais isotrópicos apresentam ε x e ε y iguais A deformação ε z se relaciona com as deformações ε x e ε y por meio do coeficiente de Poisson (ν) ν = ε x ε z = ε y ε z E = 2G(1 + υ)

23 Deformação plástica 23 A Lei de Hooke só é obedecida para metais até uma deformação de aproximadamente 0,005 Acima disso a deformação não é mais proporcional a tração e ela passa a ser permanente Deformações permanentes são chamadas de deformação plástica

24 Escoamento 24 A primeira propriedade é o escoamento O escoamento é onde a deformação deixa de ser elástica e passa a ser plástica O limite de proporcionalidade indica a transição da região linear para a não linear na curva tensão-deformação Quando há a dificuldade de identificar o limite de proporcionalidade no gráfico, desenha-se uma reta paralela à região linear a partir de ε = 0,002 e determina-se o limite de escoamento pela intercepção desta reta com a curva tensão-deformação O limite de escoamento é a tensão aplicada no momento que há o processo de escoamento Quando a deformação elástica não é linear, adota-se limite de escoamento em ε aproximadamente 0,005

25 Escoamento 25

26 Limite de resistência a tração 26 O limite de resistência a tração é o ponto máximo da curva tensãodeformação Após este ponto, a tensão diminui até que o corpo de prova se rompa No ponto máximo da curva, há a formação de um pescoço no corpo de prova, onde futuramente ocorre a fratura

27 Ductilidade 27 A ductilidade é uma medida do quanto o material se deformou plasticamente até a fratura Quanto mais o material se deformar, mais dúctil ele é A ductilidade pode ser dada pelo aumento percentual do comprimento (%AL) do corpo de prova ou redução percentual da área (%RA) %AL = l f l 0 l 0 x100 %RA = A 0 A f A 0 x100 Como a fratura ocorre no pescoço, corpos de prova curtos terão maior %AL, devendo-se indicar sempre o l o do corpo

28 Ductilidade 28

29 Resiliência 29 A resiliência é a capacidade que o material possui de absorver energia durante a deformação elástica O módulo de resiliência, U r, é dado por: ε lσdε U r = න 0 U r = 1 2 σ lε l

30 Resiliência 30 A unidade do módulo de resiliência é J/m³, equivalente a Pa U r = 1 2 σ lε l = 1 2 σ l σ l E = σ 2 l 2E

31 Tenacidade 31 O termo tenacidade pode ser usado em diferentes contextos Um deles é como sendo a capacidade de um material absorver energia até a fratura Em um gráfico de tensão-deformação, para um ensaio de tração, a tenacidade é a área total sob a curva

32 Recuperação elástica após deformação plástica 32

33 Dureza 33 A dureza é uma resistência a pequenas deformações plásticas. Ex: uma impressão ou um risco Os primeiros ensaios foram realizados para minerais considerando a capacidade de um material riscar outro Escala Mohs: o material menos duro, talco, recebeu a classificação 1 e o mais duro, diamante, classificação 10 Ensaios mais recentes dão valores quantitativos Se baseiam na impressão de pequenas marcas na superfície do material Quanto mais profunda a marca, mais macio e menos duro é o material Diferentes técnicas dão valores diferentes

34 Ensaio de dureza 34 São simples e baratos não precisa preparar um corpo de prova específico para o ensaio São não destrutivos a única deformação é uma pequena impressão na superfície Pode-se estimar outras propriedades, como a resistência a tração

35 Dureza Rockwell 35 Primeiro é aplicada uma carga inferior e depois uma carga superior A dureza é dada pela diferença de profundidade de uma carga para outra A ponteira é um cone de diamante, ou esferas de aço com diâmetros de 1/16, 1/8, 1/4 e 1/2in Deve-se sempre indicar a escala aplicada no ensaio, por exemplo, 80 HRB e 60 HR30W Vista lateral Vista superior

36 Dureza Rockwell 36 Carga inferior igual a 10 Kg

37 Dureza Rockwell superficial 37 Carga inferior igual a 3 Kg

38 Dureza Brinell 38 Aplica-se um penetrador esférico de aço endurecido ou de carbeto de tungstênio, com diâmetro de 10 mm As cargas aplicadas (P) variam de 500 a 3000 Kg A dureza Brinell (HB) é dada por: HB = πd D 2P D 2 d² Vista lateral Vista superior

39 Microdureza Vickers e knoop 39 Utilizam penetradores de diamante piramidal As cargas aplicada variam de 1 a 1000 g As escalas de microdureza Vickers e Knoop são muito semelhantes HV = 1,854 P d² l Vista lateral Vista superior HK = 14,2 P l²

40 Correlação entre dureza e limite de resistência a tração 40 Tanto dureza quanto limite de resistência a tração indicam a resistência do material a sofrer deformação plástica Para a maioria dos metais, essas duas propriedades são proporcionais LRT MPa = 3,45 x HB LRT psi = 500 x HB

41 Propriedades elétricas 41 Principal propriedade elétrica é a condutividade Aumento de temperatura redução da condutividade Resistividade inversa à condutividade

42 Propriedades elétricas 42 Melhores condutores tem 1 elétron de valência apenas Semicondutores podem ter a condutividade aumentada com dopagem ou aquecimento

43 Propriedades térmicas 43 Metais são excelentes condutores térmicos Propriedade aproveitada, por exemplo, em radiadores e utensílios domésticos

44 Propriedades magnéticas 44 Ferromagnetismo: são fortemente atraídos por imãs (Fe,Ni, Co etc) Paramagnetismo: são fracamente atraídos por imãs (Al, Na, Mg, Ca etc) Diamagnetismo, não são atraídos por imãs (Hg, Au, Bi, Ag etc)

45 Propriedades óticas 45 Brilhantes Prateados/acinzendados exceto Au e Cu Absorvem e refletem, imediatamente, todos os comprimentos de onda Formam superfícies espelhadas

46 Melhorias nas propriedades 46 Ligas Diferentes processamentos Ligas amorfas (resfriamento a uma taxa de milhões de graus por segundo)

47 Bibliografia 47