Propriedades Mecânicas dos Materiais

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - DEM PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS -PGCEM Propriedades Mecânicas dos Materiais Mestrando: Roger Hoél Bello Professora: Dra Daniela Becker

Bibliografia Callister Jr., W. D. Ciência e engenharia de materiais: Uma introdução. LTC, 5ed., cap 6, 8, 13 e 16, 2002. Shackelford, J.F. Ciências dos Materiais, Pearson Prentice Hall, 6ed., cap 6, 2008.

Objetivos Introduzir os conceitos básicos associados com as propriedades mecânicas dos materiais; Avaliar fatores que afetam as propriedades mecânicas dos materiais; Rever alguns dos testes básicos utilizados para avaliar muitas destas propriedades.

Sumário Introdução Propriedades mecânicas Metais; Polímeros; Cerâmicas. Impacto Dureza

Introdução O que são propriedades mecânicas? Definem a resposta do material à aplicação de forças (solicitação mecânica). Força (tensão) Resposta (deformação) Principais Propriedades: Resistência, módulo de elasticidade, ductilidade, tenacidade, resiliência, dureza. Determinação das propriedades mecânicas Ensaios mecânicos

Como determinar as propriedades mecânicas?? Através de ensaios mecânicos; Utiliza-se normalmente corpos de prova ; Utilização de normas técnicas para o procedimento das medidas e confecção do corpo de prova.

Natureza das cargas

Tipos de Solicitação: Ensaios Mecânicos Força lenta (estática) (ensaio de tração); Força rápida (impacto); Força variável (vibração); Presença de trincas, entalhes ou defeitos de fabricação; Altas temperaturas (oxidação, modificação nas propriedades).

Ensaio mecânico (estático) Se uma carga estática ou que se altera lentamente e aplicada sobre uma seção reta ou superfície o comportamento mecânico verificado num simples ensaio de tensão-deformação.

Ensaio de tração

Ensaio de tração - metais

Ensaio de tração - polímeros

Curva tensão x deformação Polímeros Metais

Curva tensão x deformação A partir da curva de tensão deformação pode-se obter os seguintes ensaios: Módulo de elasticidade ou de Young; Resiliência; Tensão e deformação no ponto de escoamento; Tensão máxima (LRT); Tensão e deformação na ruptura; Ductilidade; Tenacidade.

Conceitos importantes Real

Conceitos importantes

Tipos de deformações DEFORMAÇÃO ELÁSTICA Precede à deformação plástica; É reversível; Desaparece quando a tensão é removida; É praticamente proporcional à tensão aplicada (obedece a lei de Hooke). DEFORMAÇÃO PLÁSTICA 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

Limítrofe entre Região Elástica x Plástica Limite de escoamento superior Limite de escoamento inferior Comportamento de certas ligas especialmente aços de baixo teor de carbono

Limite de Escoamento 20

Propriedades obtidas da curva ( ) x ( ) Região elástica E= / =N/mm 2 Módulo de Elasticidade É o quociente entre a tensão aplicada e a deformação elástica resultante; Está relacionado com a rigidez do material ou à resist. à deformação elástica; Está relacionado diretamente com as forças das ligações interatômicas. P Tg = E A lei de Hooke só é válida até este ponto Lei de Hooke: = E

Propriedades obtidas da curva ( ) x ( ) Região elástica Comportamento não linear Alguns metais como ferro fundido cinzento, concreto e muitos polímeros apresentam um comportamento não linear na parte elástica da curva tensão x deformação

Propriedades obtidas da curva ( ) x ( ) Região elástica

Propriedades obtidas da curva ( ) x ( ) Região plástica

Propriedades obtidas da curva ( ) x ( ) Região plástica Metais

Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação Tensão de Ruptura (N/mm 2 ) Corresponde à tensão que promove a ruptura do material O limite de ruptura é geralmente inferior ao limite de resistência em virtude de que a área da seção reta para um material dúctil reduz-se antes da ruptura 29

Tensão Propriedades obtidas da curva ( ) x ( ) Região plástica Polímeros Limite de resistência à tração Tensão de escoamento Deformação

Propriedades obtidas da curva ( ) x ( ) Região plástica Polímeros

Propriedades obtidas da curva ( ) x ( ) Região plástica ductilidade

Aparência das Fraturas Dúctil Frágil

Propriedades obtidas da curva ( ) x ( ) Região plástica Corresponde à capacidade do material de absorver energia até sua ruptura tenacidade 36

Influência do Tempo e Temperatura

Exemplos Ferro PMMA

Aplicação

Propriedades mecânicas dos materiais cerâmicos Comparação de propriedades com os materiais metálicos -São mais duros e resistentes ao desgaste -São materiais, que quando isentos de defeitos, apresentam altos valores de σ f (tensão de ruptura); -São mais resistentes a temperaturas elevadas sofrendo de menores problemas de fluência. -As temperaturas máximas de serviço são consideravelmente mais elevadas: Zircônia 2077 ºC, Alumina 1949 ºC, Carbeto de silício 1649 ºC. -Não se deformam plasticamente e tem baixa tenacidade a fratura -Em geral, são isolantes térmicos e elétricos.

Materiais Cerâmicos e Vidros Curvas de ensaios de tração f latão f Ductilidade de 35% Ductilidade inferior a 0.1% f f = Tensão na ruptura antes de ser atingida a tensão máxima

Propriedades Mecânicas de cerâmicas Fratura frágil Apresentam pouca ou nenhuma absorção de energia durante a fratura (ausência de deformação plástica); Os valores de LTR (resistência a fratura) são bastante inferiores aos estimados pela teoria a partir das forças de ligação interatômicas. Isso se deve à presença de defeitos críticos, que atuam como amplificadores de tensão.

O grau de amplificação depende do comprimento da trinca, assim como do raio de curvatura da ponta da trinca. São fatores microestruturais amplificadores de tensão : trincas de superfície, microtrincas internas, poros e arestas de grão.

Tensão de ruptura X tamanho da trinca para vidros

Comportamento em tração X Compressão Para tensões de compressão, não há amplificação de tensões com a presença de defeitos. Assim, as cerâmicas apresentam valores de tensão máxima em ensaios de compressão superiores aos mesmo valores obtidos em ensaios de tração.

Comportamento tensão-deformação Por razões práticas e racionais, o ensaio empregado para se estudar o comportamento X ε de materiais cerâmicos é o de flexão em 3 ou 4 pontos. M= momento fletor máximo c = distância do centro do CP até as fibras mais externas I = momento de inércia da seção reta F = carga aplicada

ENSAIO DE FLEXÃO as principais propriedades obtidas do ensaio de flexão são: - módulo de ruptura na flexão ( uf ) - módulo de elasticidade (E) - módulo de resiliência (U rf ) - módulo de tenacidade (U tf )

Influência da porosidade na rigidez

Influência da porosidade na resistência a flexão Poros reduzem a área de seção reta Eles atuam como concentradores de tensão

Exercício

Resistência ao impacto

Resistência ao impacto Choque ou impacto é um esforço de natureza dinâmica O comportamento dos materiais sob ação de cargas dinâmicas é diferente de quando está sujeito à cargas estáticas A capacidade de um determinado material de absorver energia do impacto está ligada à sua tenacidade, que por sua vez está relacionada com a sua resistência e ductilidade; O ensaio de resistência ao choque dá informações da capacidade do material absorver e dissipar essa energia; Como resultado do ensaio de choque obtém-se a energia absorvida pelo material até sua fratura, porém qual comportamento é encontrado???

Transição Dúctil - Frágil Uma das principais funções dos ensaios de impacto é determinar se um material apresenta transição dúctil frágil com a diminuição da temperatura. Uma análise da superfície de fratura de CPs testados em diferentes temperaturas indicam a transição dúctil-frágil pelo % de fratura dúctil e frágil em cada temperatura.

Fratura dúctil e frágil O processo de fratura envolve duas etapas: formação e propagação das trincas. A modalidade da fratura é dependente do mecanismo de propagação das trincas Fratura dúctil Fratura frágil Extensa deformação plástica na vizinhança da trinca. Processo prossegue de maneira lenta (trinca estável) Presença de deformação plástica dá um alerta de que uma fratura é iminente Mais energia de deformação é necessária pois geralmente são mais tenazes Trincas se espalham de maneira extremamente rápida com muito pouca deformação plástica (trinca instável) Ocorre repentinamente e catastroficamente, conseqüência da espontânea e rápida propagação de trincas

ENSAIO DE RESISTENCIA AO CHOQUE IZOD CHARPY Chapy: comum nos EUA Izod: comum na Europa

Corpos de prova

Exemplos de entalhe r=0,25mm r=1,00mm r=0,10mm Ensaio de impacto Charpy ISO179-1

Influência do Entalhe

EFEITO DA TEMPERATURA NA RESISTÊNCIA AO IMPACTO O ensaio de resistência ao choque caracteriza o comportamento dos materiais quanto à transição do comportamento dúctil para frágil em função da temperatura

OUTROS FATORES QUE INFLUEM NA TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO Tamanho de grão; Grau de encruamento; Composição (% elementos de liga, como a % de carbono nos aços); Presença de impurezas ou fases; Tratamento térmico; Os materiais cerâmicos apresentam também transição frágil-dúctil que ocorre usualmente à altas temperaturas (geralmente acima de 1000 C)

Polímeros São frágeis à baixas temperaturas porque a rotação dos átomos na molécula requer energia térmica A maioria dos polímeros apresentam transição dúctil-frágil que é geralmente abaixo da ambiente

Materiais cristalinos MATERIAIS CFC - Permanecem dúcteis (não apresenta transição dúctil-frágil) porque nesta estrutura há muitos planos de escorregamento disponíveis MATERIAIS CCC - Apresentam uma transição de frágil para dúctil em função da temperatura

Exemplos 13/04/1912 RMS TITANIC Navio petroleiro rompido catastroficamente no porto de Nova York em 1975.

Estudo TITANIC Os resultados de impacto das três séries de CPs : Em altas temperaturas, as amostras longitudinais do casco tem melhor propriedade que as transversais. Em baixa temperatura, as amostras longitudinais e transversais tem a mesma energia de impacto. A temperatura de transição dúctil frágil para energia de impacto de 20J é de - 27 C (ASTM A 36), 32 C (casco longitudinal) e 56 C(casco transversal). Durante a colisão, a temperatura da água do mar era de -2 o C

Dureza

Definição de dureza É a medida da resistência de um material a uma deformação localizada (por exemplo, uma pequena impressão ou um risco) Vantagens: São simples e barato ensaio é não destrutivo Outras propriedades mecânicas podem ser estimadas

Dureza Vários ensaios: Risco (escala de dureza de MOHS); Ressalto (método SHORE); Penetração (BRINNEL, VICKERS, ROCKWELL).

Dureza

Por Risco Dureza Mohs Escala de dureza Mohs é uma tabela de 10 minerais padrões em que o anterior é riscado pelo posterior na seguinte ordem: talco, gipsita, calcita, fluorita, apatita, ortoclásio, quartzo, topázio, safira e diamante. Por tanto, ela serve para classificação de minérios in loco, no campo ou em laboratório. Este tipo de medida de dureza é de grande utilidade na área de mineralogia e geologia, mas apresenta pouco interesse na área de materiais e metalurgia.

Por Risco Dureza Mohs

Dureza por Penetração No ensaio de dureza por penetração, aplica-se uma carga Q sobre a superfície polida do material a ser ensaiado através de um penetrador e mede-se a marca deixada pelo penetrador após a remoção da carga.

Método Brinell (HB) Força Q Ø da esfera Cavidade permanente causado pela esfera HB π 2Q

Método Rockwell (HR)

Dureza Vickers e Knoop Utiliza um penetrador de diamante, o que torna o ensaio aplicável a todos os tipos de materiais; A área da impressão é proporcional à força aplicada, o que torna o ensaio insensível à força aplicada.

Dureza Vickers

Dureza Knoop

Dureza Vickers e Knoop

Dureza Shore A impressão Shore é pequena e serve para medir durezas de peças já acabadas ou usinadas. A máquina shore é leve, portátil e pode, portanto, ser adaptada em qualquer lugar, podendo com isso, medir a dureza de peças muito grandes, exemplo cilindros de laminação. Usada para medida de dureza por penetração em polímeros (escalas A, B, C, D, DO, E, M, O, OO, OOO, OOO-S, R)

Dureza Shore Escalas mais usadas

DUROMETRO SHORE MANUAL (ANALÓGICO)

DUROMETRO SHORE MANUAL (DIGITAL)