Aula 07 __propriedades_mecanicas_dos_metais

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
CMA – CIÊNCIA DOS MATERIAIS
2º Semestre de 2014
Prof. Júlio César Giubilei Milan

Materiais – Sujeitos a forças e cargas
• Liga de Al da asa de um avião
Propriedades mecânicas (Ashby, 2007)

Materiais – Sujeitos a forças e cargas
• Aço do eixo de um automóvel
Carga → deformação (não deve ser excessiva / fratura)
Comportamento mecânico → resposta ou deformação a
uma carga aplicada

Propriedades importantes → resistência, dureza,
ductilidade, rigidez
Propriedades avaliadas através de experimentos de
laboratório
• Natureza da carga aplicada
•Tração
• Compressão
• Cisalhamento
• Duração da aplicação
• Condições ambientais

Técnicas de ensaio padronizadas
Engenheiro de materiais e metalúrgicos → produção e
fabricação de materiais para atender a condições de
serviço.
Microestrutura X propriedades mecânicas

Se uma carga estática ou que se altera lentamente
é aplicada sobre uma seção reta ou superfície →
comportamento mecânico verificado num simples
ensaio de tensão-deformação.

a) Tração -
Fig. - Maneiras principais segundo as quais uma carga pode ser aplicada. (Callister, 2007)
c) Cisalhamento – envolve
tensões que tendem a causar
deslizamento a porções
adjacentes do material
b) Compressão -
d) Torção -

ENSAIOS DE TRAÇÃO
Ensaio mais comum → tração (avaliar diversas
propriedades mecânicas).
Fig. Corpo de prova padrão para ensaios de tração com seção reta circular

Máquina de ensaio de tração
• Carga axial gradativamente aplicada;
• medição contínua com células de carga;
• Alongamento a taxa constante;
• medição com extensômetro;
• Ensaio destrutivo;
• Corpo de prova padronizado;

Representação esquemática do dispositivo usado para conduzir ensaios tensão-
deformação por tração.

Equipamento que mede as propriedades mecânicas de metais usando forças de
tração.

Para minimizar fatores geométricos, carga e
alongamento são normalizados
Tensão de engenharia
Deformação de engenharia
0A
F

00
0
l
l
l
lli 




Unidades
Tensão
ou
Deformação
Adimensional
%
2
m
N
2
pol
lbf
MPa psi
mm / polpol/

ENSAIOS DE COMPRESSÃO
Semelhante ao ensaio de tração → Forças compressivas
Convenção → Forças compressão (negativa)
Ensaios de tração são mais comuns

ENSAIOS DE CISALHAMENTO E TORÇÃO
Forças Puramente cisalhante
Torção é uma variação do cisalhamento puro
• eixos de máquinas de acionamento
• brocas helicoidais
• ensaios em eixos sólidos cilíndricos ou tubos.
0A
F


CONSIDERAÇÕES GEOMÉTRICAS A RESPEITO DO ESTADO DE
TENSÕES
O estado de tensão é uma função
das orientações dos planos sobre
os quais as tensões atuam







2
2cos1
cos' 2 







2
2
cos'
 sen
sen

COMPORTAMENTO TENSÃO-DEFORMAÇÃO
O grau que uma estrutura se deforma ou se esforça
depende da magnitude da tensão imposta.
Para maioria dos metais (tensão de tração)
  
 =   (Lei de Hooke)
Módulo de elasticidade
Módulo de Young
E = 45 GPa (Mg) a 407 GPa (W)

DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
Módulo de elasticidade pode ser considerado como sendo uma rigidez, ou uma
resistência do material à deformação elástica.
Quanto maior E – menor a deformação que resultará da aplicação de uma tensão

• Módulo de elasticidade pode ser considerado como
sendo uma rigidez, ou uma resistência do material à
deformação elástica.
• Quanto maior E – menor a deformação que resultará
da aplicação de uma tensão.
• Importante parâmetro de projeto utilizado para
calcular flexões elásticas.

• Deformação não permanente;
• Pequena alteração no espaçamento
interatômico e na extensão de ligações
interatômicas;
• ECERÂMICAS > EMETAIS > EPOLÍMEROS
• Aumento da temperatura → Redução do E;

Módulo de elasticidade em função da temperatura para tungstênio, aço
e alumínio

Tensão de compressão também induz
comportamento elástico
•   
•  = G 
Deformação de cisalhamento
Módulo de cisalhamento

 ANELASTICIDADE
• Maioria dos materiais → componente de deformação
elástica que é dependente do tempo.
ANELASTICIDADE → necessidade de tempo para
recuperação completa, ou seja, retornar ao estado
inicial sem deformação.
• Para metais → componente anaelástica é pequena e
geralmente desprezada.
• Polímeros → magnitude significativa (comportamento
viscoelástico).

• Uma tensão de tração → deformação na direção da
tensão.
Alongamento axial (z) (deformação positiva) e contrações laterais (x e y) em resposta à imposição de
uma tensão de tração.

• Constrição nas direções laterais (x e y)
perpendiculares a direção de tensão aplicada.
• Contrações → deformações compressivas x e y
determinadas.
• Se o material for isotrópico e a tensão uniaxial → x =
y
• Coeficiente de poison  → definido como a razão
entre as deformações lateral e axial.
z
y
z
x




 
Metais e ligas
 varia de 0,25 – 0,35

• Para materiais isotrópicos
• Para maioria dos materiais
  1.2GE
EG .4,0

 DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
• Corresponde a quebra de ligações com átomos
vizinhos originais e em seguida formação de novas
ligações com átomos vizinhos;
• Mecanismo de deformação é diferente para materiais
cristalinos e amorfos;
• Sólidos cristalinos → escorregamento;

(a) Comportamento tensão-deformação típico para um metal, mostrando deformação
elástica e plástica, o limite de proporcionalidade P e limite de escoamento e, conforme
determinado pelo método da pré-deformação de 0,002 (b)

ESCOAMENTO E LIMITE DE ESCOAMENTO
• Ponto de escoamento → onde ocorre o afastamento
inicial da linearidade na curva tensão-deformação →
limite de proporcionalidade;
• Pré-deformação específica de 0,002 → tensão limite
de escoamento (e);
• Tensão limite de escoamento representa uma medida
da sua resistência a deformação plástica
• Al baixa resistência → 35 MPa
• Aços de elevada resistência → 1400 MPa

LIMITE DE RESISTÊNCIA A TRAÇÃO
• Limite de resistência a tração, LTR, é a tensão no ponto
máximo da curva tensão-deformação de engenharia.
• Empescoçamento →
• A resistência a fratura corresponde à tensão aplicada
quando da ocorrência da fratura.
• LRT pode variar:
• 50 MPa para um alumínio
•3000 MPa para aços de elevada resistência
* Valores usados em projetos → tensão limite de escoamento

Curva típica Tensão-Deformação de Engenharia em um ensaio de tração de um metal.

Comportamento típico da curva tensão-deformação de engenharia até a fratura do
material, ponto F. Limite de resistência a tração, LTR, está indicado no ponto M.

Ensaios de tração para cerâmicas são difíceis – ensaios alternativos são usados
para medir a resistência destes materiais frágeis.
Polímeros diferem dos metais e cerâmicas nas propriedades de resistência
devido a viscoelasticidade.

DUCTILIDADE
• Representa uma medida do grau de deformação
plástica que foi suportado quando da fratura;
• Pode ser expressa como:
• alongamento percentual
• redução de área percentual
100.%
0
0





 

l
ll
Al
f
100.%
0
0





 

A
AA
RA
f

DUCTILIDADE
• Importância
• Fornece ao projetista uma indicação do grau segundo
o qual uma estrutura irá se deformar plasticamente
antes de se fraturar;
• especifica o grau de deformação permissível durante
operações de fabricação
• Materiais frágeis, em geral, deformação de fratura < 5%.
• E → insensível a tratamentos térmicos, pré-deformação
ou impurezas.

Representações esquemáticas do comportamento tensão-deformação em tração para
materiais frágeis e materiais dúcteis carregados até a fratura.

Tabela - Propriedades mecânicas típicas de vários metais e ligas em estado recozido

Figura – Comportamento tensão-deformação de engenharia para o ferro em três
temperaturas diferentes.

RESILIÊNCIA
• Capacidade de um material absorver energia quando
ele é deformado elasticamente e, depois, com o
descarregamento, ter sua energia recuperada.
Módulo de resiliência, Ur representa a energia de
deformação por unidade de volume exigida para tensionar
um material desde um estado de ausência de carga até a sua
tensão limite de escoamento.

e
dUr


0
.

RESILIÊNCIA

e
dUr


0
.
Supondo uma região elástica linear eerU .
2
1

Materiais resilientes → limite de escoamento
elevado → módulo de elasticidade
pequeno
MOLA
EE
U Ee
eeer
2
.
2
1
.
2
1 2
 







Representação esquemática mostrando como o módulo de resiliência (que
corresponde à área sombreada) é determinado a partir do comportamento
tensão-deformação em tração do material.

TENACIDADE
• Representa uma medida da habilidade de um
material em absorver energia até a sua fratura
• geometria dos corpos de prova;
• forma como a carga é aplicada
• Carregamento dinâmico.
Tenacidade ao entalhe
• Carregamento estático.
Gráfico -
Área sob a curva - até a fratura.

TENSÃO VERDADEIRA E DEFORMAÇÃO VERDADEIRA
Redução de
área na
região do
pescoço
0A
F

Área inicial
da seção
reta (não
considera
deformação
e redução
de área).

TENSÃO VERDADEIRA E DEFORMAÇÃO VERDADEIRA
• Tensão verdadeira → v
• Deformação verdadeira → v
i
v
A
F

0
ln
l
li
v 
Área da seção reta instantânea sobre a qual
a deformação está ocorrendo

RECUPERAÇÃO ELÁSTICA DURANTE UMA DEFORMAÇÃO
PLÁSTICA
Deformações compressiva, cisalhante e
torcional
Compressão → não existe valor máximo →
não há formação de pescoço → modo de
fratura diferente
Figura – Diagrama esquemático tensão-
deformação em tração mostrando os fenômenos
de recuperação da deformação elástica e
encruamento.

DUREZA
Medida da resistência de um material a uma
deformação plástica localizada (impressão ou risco).
Escala Mohs → qualitativa, um tanto arbitrária
1 (talco) – 10 (diamante)

DUREZA
Técnicas quantitativas
• Penetrador forçado contra superfície sob condições
controladas de carga e taxa de aplicação
 profundidade, ou
 tamanho da impressão.
Valores são relativos e não absolutos
CUIDADO ao comparar durezas determinadas por
técnicas diferentes

DUREZA
• Ensaios simples e barato
• Ensaios não destrutivos
• Outras propriedades mecânicas podem ser estimadas
• Em geral, nas medições de macrodureza a carga
aplicada é superior a 2 N
• Os ensaios mais utilizados são: Rockwell e Brinell

Tabela – Técnicas de ensaio de dureza
2
/mmkgf

ENSAIO ROCKWELL
• Várias escalas
 penetrador
 piramidal diamante
 esfera 1/16 ”
 esfera 1/8 ”
 Carga
 60 kgf
 100 kgf
 150 kgf
Diferença de profundidade entre carga e pré carga (10 kgf)
* No resultado deve se especificar o número e o símbolo da escala
• ex.: 50 HRC
Rockwell superficial
Pré carga: 3 kgf
Cargas: 15 kgf
30 kgf
45 kgf
Corpos de prova finos e
delgados

ENSAIO ROCKWELL
• Escalas
Tabela – Escalas de dureza Rockwell.
Tabela – Escalas de dureza Rockwell superficial.

ENSAIO BRINELL
• penetrador esférico (aço ou metal duro)
 Ø 10 mm (penetrador)
 Carga 500 e 3000 kgf
 Tempo de aplicação: 10 e 30 s
 superfície lisa e plana
ex.: 150 HB
 22
.
.2
dDDD
P
HB



Carga
Diâmetro da impressão
Diâmetro do penetrador

Tabela – Condições de testes de dureza e aplicações típicas
Teste Penetrador Carga (Kgf) Aplicação
Brinell Esfera de 10 mm 3.000 Ferro fundido e aço
Brinell Esfera de 10 mm 500 Ligas não ferrosas
Rockwell A Cone de diamante 60 Materiais muito duros
Rockwell B Esfera de 1/16 pol 100 Latão, aço de baixa resistência
Rockwell C Cone de diamante 150 Aço de alta resistência
Rockwell D Cone de diamante 100 Aço de alta resistência
Rockwell E Esfera de 1/8 pol 100 Materiais muito macios
Rockwell F Esfera de 1/16 pol 60 Alumínio, materiais macios
Vickers Pirâmide de diamante 10 Todos os materiais
Knoop Pirâmide de diamante 0,5 Todos os materiais

ENSAIO KNOOP E VICKERS
• penetrador de diamante (piramidal)
 Carga 1 – 1000 gf
Deve ser realizada uma preparação da superfície

DUREZA POR REBOTE
• É um ensaio dinâmico cuja impressão na superfície do
material é causada pela queda livre de um êmbolo com
uma ponta padronizada de diamante e peso conhecido.
• O valor da dureza é proporcional à energia de deformação
consumida para formar a marca no material ou corpo de
prova, e representada pela altura alcançada no rebote do
êmbolo por meio de um número.
• material dúctil  consome mais energia altura
menor do êmbolo no retorno  dureza menor.
• material frágil  consome menos energia altura
maior do êmbolo no retorno  dureza maior.

DUREZA POR REBOTE
• Método muito usado na determinação de dureza de
materiais metálicos finais ou acabados (dividido em escalas
de acordo com as durezas dos materiais).
• Equipamento Shore  leve e portátil  adequado a peças
grandes (ex.: cilindro de laminador, trens de pouso de avião
e ensaios em campo).
• Marca superficial é pequena  indicado no levantamento
de dureza de peças acabadas
• Facilidade de aplicação em condições adversas  ex.:
altas temperaturas.

DUREZA POR REBOTE
Figura – Esboço de equipamentos de rebote utilizados na determinação das durezas Shore C e D.

CONVERSÃO
DE DUREZA
Figura – Comparação entre várias escalas
de dureza.

CORRELAÇÃO ENTRE DUREZA E O LIMITE DE
RESISTÊNCIA A TRAÇÃO
• Limite de resistência a tração e a dureza são indicadores da
resistência de um material a deformação plástica.
• Proporcionais
• Para maioria dos aços
• LRT (MPa) = 3,45 HB
• LRT (Psi) = 500 HB
Figura – Relação entre dureza e resistência a
tração para aço, latão e ferro fundido.

VARIABILIDADE NAS PROPRIEDADES DOS MATERIAIS
• Fatores de incerteza dos dados medidos:
• Método de ensaio;
• Variações nos procedimentos de fabricação dos corpos de prova;
• Influências do operador;
• Calibração dos equipamentos;
• Falhas na homogeneidade.
• Probabilidade da liga apresentar falhas sob dadas
circunstâncias?
• Valor típico desejável (média dos dados).

FATORES DE PROJETO/SEGURANÇA
• Cálculos de carga são aproximados
• Variabilidade das propriedades mecânicas
→ devem ser introduzidas folgas no projeto
• p – tensão de projeto
• c – nível de tensão calculado
• N’ – fator de projeto
• t – tensão admissível ou tensão de trabalho
• e – limite de escoamento
• N – fator de segurança
cp N  .'

N
e
t
 
N muito grande →
SUPERDIMENSIONADO
N → 1,2 e 4

A partir do comportamento tensão-deformação em tração para o corpo de prova de
latão (figura abaixo) determine:
a) O módulo de elasticidade.
b) A tensão limite de escoamento para uma pré deformação de 0,002.
c) A carga máxima que pode ser suportada por um corpo de provas cilíndrico que
possui um diâmetro original de 12,8 mm.
d) A variação no comprimento de
um corpo de provas originalmen-
te com 250 mm de comprimento
e que foi submetido a uma tensão
de tração de 345 MPa.
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS - Exercício

Os dados a seguir foram coletados em um corpo de prova padronizado, com 1,283
cm de diâmetro, referente a uma liga de cobre (comprimento inicial l0 = 5,08 cm):
Carga
(N)
l (cm)
0 0,0000
13.345 0,00424
26.680 0,00846
33.362 0,01059
40.034 0,02286
46.706 0,1016
53.379 0,66
55.158 1,27 (carga
máxima)
50.170 2,59 (fratura)
Depois da fratura, o comprimento total era de 7,655
cm, com um diâmetro de 0,950 cm. Construa o gráfico
tensão-deformação e calcule o limite convencional de
escoamento de 0,2 %, com
(a) o limite de resistência à tração;
(b) o módulo de elasticidade;
(c) o alongamento percentual;
(d) a redução percentual de área;
(e) a tensão de engenharia na fratura;
(f) a tensão verdadeira na fratura; e
(g) o módulo de resiliência.
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS - Exercício

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