Ciências dos Materiais - Aula 13 - Propriedades Mecânicas dos Materiais

ROTEIRO DE AULA
• Conceitos de tensão e de deformação
• Ensaio de tração
– Tensão de engenharia x deformação de engenharia
– Tensão real x deformação real
– Efeito da velocidade
– Efeito da temperatura
– Propriedades mecânicas de polímeros
– Propriedades mecânicas de cerâmicos
• Ensaio de dureza
2

3
ENSAIOS de MATERIAIS
• Ensaios Destrutivos: tração, dobramento, flexão,
torção, fadiga, impacto, compressão, desgaste,
dureza (às vezes), etc.
• Ensaios Não-Destrutivos: raios X, raios , ultra-
som, partículas magnéticas, correntes parasitas,
líquidos penetrantes, dureza (às vezes), etc.
• Servem para avaliar um material desconhecido.

6
PROPRIEDADES MECÂNICAS
Metal, Polímero Tração
Diagrama tensão x deformação
Máquina de tração - carga aplicada e
deformação sofrida pelo corpo são
registradas. Mudança: tipo de agarras e
forma do corpo-de-prova.
Cerâmicos Flexão


Metal
x
x
x
Polímero
Cerâmico
Elastômero
x
CURVAS  x  CARACTERÍSTICAS DE
METAIS, POLÍMEROS E CERÂMICOS
Flexão à quatro pontos.
Diagrama de solicitações
em um corpo-de-prova.
Resistência à tração

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Propriedades Mecânicas
• Descrevem como o material reage às forças físicas
(solicitação mecânica)
• Força (Tensão)  Alongamento (Deformação)
• Manifestada pela capacidade do material a desenvolver
deformações reversíveis ou irreversíveis, e resistir à
fratura
• Resultam de propriedades inerentes do material
• Determinado através de testes mecânicos padronizados
descritos em detalhes nas Normas de cada país, quando
existem.
• As normas brasileiras são elaboradas pela ABNT e ainda
são insuficiente para certos materiais como os polímeros
• Outras normas muito usadas são a ASTM (American
Society for Testing and Materials), BS (British Standards
Institution), DIN (Deutsches Institut für Normung), etc.

8
• Tipos de solicitação
– Força lenta (estática - tração)
– Força rápida (impacto)
– Força variável/oscilante (vibração - fadiga)
– Carga constante (fluência)
– Altas/baixas temperaturas
• oxidação,
• modificação nas propriedades

9
Propriedades Relacionadas
• Massa Específica (Densidade): É definida
como a razão entre a massa de um objeto
por seu volume. Unidade = kg/m3
– De uma liga binária
• Volume Específico: definido como a razão
entre o volume de um objeto por sua
massa. Unidade = m3/kg
2
2
1
1
100


CC



10
Propriedades Relacionadas
• Pressão (tensão): pascal – Pa  N/m2
– Em engenharia:
• 1 kgf/mm2  10 MPa; 1 kgf/cm2  100 kPa
• Energia: joule – J  N.m;
– Em engenharia:(kgf.m)

11
• Resistência: Possui várias definições dependendo do tipo de
material e da aplicação (resistência a quê?).
• Importante entender a maneira em que é definida e medida.
– Para os metais a medida mais comum de resistência é a tensão de
escoamento, medida em ensaios de tração.
– Para os polímeros é melhor medir a resistência à tração na ruptura,
que é a tensão no ponto onde a curva de deformação se torna não
linear.
– Para a cerâmica a resistência é mais difícil de definir. A típica
tensão de ruptura na compressão é ±10 vezes maior que durante a
tração. Efeito de trincas submicroscópicas que se propagam em
função da tensão de tração de maneira perpendicular ao eixo de
tração. O valor mais utilizado é a primeira.

12
F
F
F
F

A0
F
F
F

Tração Cisalhamento Torção
Compressão

13
Coeficiente de Poisson
(propriedade elástica)
• Razão entre as deformações lateral e
axial
z
y
z
x
ou




 
x
y
z
z
 x = y quando o material é isotrópico e
a tensão aplicada for uniaxial (apenas na
direção “z”), em tração ou compressão.

14
Material
Módulo de
Elasticidade
[GPa]
Coeficiente de
Poisson
Tungstênio 407 0,28
Aço 207 0,30
Níquel 207 0,31
Titânio 107 0,34
Cobre 110 0,34
Latão 97 0,34
Alumínio 70 0,33
Magnésio 45 0,35

15
Anisotropia
• Quando uma propriedade medida é
dependente da direção do ensaio.
• Diz-se que este material tem
comportamento anisotrópico.
• Material policristalino tende a ser
isotrópico.

16
• tensão simples: cabo
• torção: eixo da máquina
o
 
Fs
A
Note:  = M/AcR
Estados de tensão comuns
o
 
F
A
Ao = seção transversal
Área (inicial)
FF

17
Canyon Bridge, Los Alamos, NM
• Compressão Simples
Ao
Balanced Rock, Arches
National Park
(σ < 0).
Outros estados de tensão

18
• Tensão bi-axial • Compressão hidrostática
Fish under waterTanque pressurizado
z > 0
 > 0
 < 0h
Outros estados de tensão
Peixe na água

19
Deformação Elástica
• Máxima tensão que o material
pode suportar sem apresentar
deformação permanente após
retirada da carga
• Para muitos materiais é
considerado o limite prático que
um componente pode resistir e
continuar trabalhando como
projetado. Além deste limite os
esforços podem deformar o
material a tal ponto de
comprometer sua função
• Lei de Hooke: tensão é
proporcional à deformação
•  [Tensão] = E x  (deformação)
• E = Módulo de Elasticidade

20
Anelasticidade
• É dito quando a deformação elástica
continua após a aplicação da carga, i.e., é
dependente do tempo, ou vice-versa.
Também conhecido por comportamento
viscoelástico em polímeros. (Ex.:
travesseiro viscoelástico - NASA)
• Metais: normalmente a componente
anelástica é pequena.

21
Viscoelasticidade
Elástico Viscoelástico

22
Ensaio de Tração
• Deformação Plástica
• Deformação permanente, a
que permanece após a
retirada da força.
• Átomos mudam de posição
dentro da estrutura
cristalina.
• Como se determinam estas
propriedades dos materiais?
– Ensaios de tração
• Ensaios de tração
• Mais simples dos ensaios
• Permite a determinação de
diversas propriedades
mecânicas importantes.
• Consiste em aplicar uma força
de intensidade crescente
(tração uniaxial) até a ruptura
do material, medindo
simultaneamente a força e o
alongamento.
• NBR ISO 6892 – T amb.
• NM-ISO 783 – T elevadas

23
Normas
• NBR ISO 6892-1 - Materiais metálicos - Ensaio de
tração à temperatura ambiente
• NM-ISO 783 - Materiais metálicos - Ensaio de tração a
temperatura elevada
• NBR 9979 - Determinação do fator de rigidez (K) de um
sistema de ensaio de tração
• NBR 7549 - Alumínio e suas ligas - Produtos laminados,
extrudados e fundidos - Ensaio de tração
• NBR NM-ISO 7500-1 - Materiais metálicos - Calibração
de máquinas de ensaio estático uniaxial - Parte 1:
Máquinas de ensaio de tração/compressão - Calibração
do sistema de medição da força
• NBR 6207 - Arame de aço - Ensaio de tração

24
Ensaios em metais
• Norma ASTM E 8M:
– Temperatura: 10 a 38 °C;
– Medições dimensionais: micrômetro;
– Amostras usinadas;
– Não podem ser trabalhadas a frio
– Amostras planas, espessura de 0,13 até 19
mm;
– Amostras redondas, diâmetro padrão: 12,5
mm entre outros;

25
ASTM E 8
Ensaio de tração materiais metálicos

26
Amostra retangular
ASTM E 8

27
Curva Tensão () x Deformação ()
• A deformação não possui unidade, porém pode-se ter: mm/mm; cm/cm; %
 = tensão (MPa, kgf/cm2, kgf/mm2, N/mm2)
F = força (carga) aplicada (N, kgf ou lbf)
A0 = área da seção reta transversal (cm2, mm2)
 = (li - l0)/l0 = l/l0
 = F/A0
 = deformação
l0 = comprimento inicial da amostra
li = comprimento instantâneo/final
Ensaio de tração

28
O que acontece com o material?
• O material se deforma de
acordo com a tração aplicada
dando como resposta uma
curva onde podem ser
identificadas 4 regiões de
comportamentos distintos
–0A região de
comportamento elástico
–AB região de escoamento
de discordâncias
–BU região de encruamento
uniforme
–UF região de encruamento
não uniforme

29
Curvas dos ensaios de tração
1. Módulo de elasticidade;
2. Tensão limite de
elasticidade;
3. Tensão limite de
resistência (Resistência
Mecânica);
4. Tensão de ruptura;
5. Ductilidade,
6. Tenacidade,
7. Resiliência.
• Diferem muito para cada tipo de material
• Pode-se obter informações como:

30
Módulo de Elasticidade (E)
• A deformação elástica de
um corpo é dado pela lei de
Hooke
=E.
• O E fornece uma indicação
da rigidez do material.
• Depende das forças
interatômicas. Qto > o ponto
de fusão do metal, > o E
• Quanto maior o E, menor a
deformação elástica.
Metal Tf (C) E (MPa)
Pb 327 13500
Mg 650 45000
Al 660 70000
Fe 1538 207000
W 3410 400000

32
Tensão limite de elasticidade -
Limite de escoamento
 Região AX da curva
 Escoamento - Se
caracteriza por um aumento
grande na deformação
acompanhado por pequena
variação na tensão
(dúcteis). Região A-X
 Limite de elasticidade -
Máxima tensão que o
material pode suportar sem
apresentar deformação
permanente após a retirada
da carga (último a obedecer
a lei de Hooke). Ponto A
A

34
Limite de
proporcionalidade –
tensão proporcional a
deformação
convencional, n – 0,2%
de deformação
mensurável.
Tensão limite de elasticidade =

35
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

36
Tensão limite de Resistência =
Resistência Mecânica
• Tensão correspondente
ao ponto de carga
máxima atingida durante
o ensaio, igual à carga
máxima dividida pela
área inicial do corpo de
prova.
• Dá uma indicação da
tenacidade do material.
• Após esta tensão tem
início a fase de ruptura.
u
Tenacidade é a quantidade
de energia que um material é
capaz de absorver antes da
ruptura

37
Tensão de Ruptura
• Última tensão
suportada pelo material
na ruptura.
• Serve para auxiliar ao
engenheiro a predizer o
comportamento 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.

38
Ductilidade
• É a medida de
quanta deformação,
ou esforço, um
material pode
resistir até se
romper.
• A forma mais
comum de medir a
ductilidade de um
material é pela
percentagem da
variação do
comprimento do
corpo testado.
AL% = ((lf - l0 )/l0) x 100
RA% = ((A0 – Af )/A0) x 100

39
Tenacidade
• Corresponde à
capacidade do
material de absorver
energia até a fratura.
• É quantificada pelo
módulo de
tenacidade.
• A maneira de se
avaliar a tenacidade
consiste em
considerar a área total
sob a curva tensão-
deformação. Dúctil: Ut= f (e + u)/2
Frágil: Ut = 2/3 u f
f0

40
Resiliência
• Medida pelo módulo de
resiliência.
• É a capacidade do
material de absorver
energia quando
deformado
elasticamente e liberá-
la quando
descarregado (área
sob a curva).
• A propriedade associada
é dada pelo módulo de
resiliência (Ur)
e
e

41
Resumo das curvas  vs 

43
a) Não deformado b) Deformado a frio

45
Cisalhamento
0A
F

 - tensão cisalhante (MPa)
 - deformação (%)
 tg
 G
G – módulo de cisalhamento

46
Torção
Os ensaios de torção são
executados em eixos
sólidos cilíndricos ou em
tubos, principalmente. Uma
tensão cisalhante  é função
do torque aplicado T,
 = F.d
enquanto a deformação ,
está relacionada ao ângulo
de torção .
 = tg 
d

47
Compressão
• Usados para conhecer o comportamento de
material submetido a grandes deformações
plásticas, em casos de processos de fabricação
ou quando o material é frágil (sob tração).
• ASTM E9a – metais;
• NBR 5739 – concreto cilíndrico

48
Efeito da temperatura
T
e
n
s
ã
o
Deformação
Baixa Temperatura
Alta Temperatura

50
Efeito da temperatura na curva tensão versus deformação do cloreto de
sódio policristalino com tamanho de grão constante (d=200m)
Efeito da temperatura

51
Efeito da velocidade de
ensaio
Alta Velocidade
Baixa Velocidade
Deformação
T
e
n
s
ã
o

52
Tensão e Deformação Verdadeiras
• No cálculo da tensão de deformação ( = F/A0) não é levado em consideração a
variação da área da seção reta (A0).
TENSÃO VERDADEIRA:
Onde:
Ai = é a área da seção transversal instantânea (mm2)
li = comprimento instantâneo
l0 = comprimento inicial
*Se não há variação de volume  Ai.li = A0.l0
DEFORMAÇÃO VERDADEIRA:
* v = ln (Ai/A0)
iA
F

0
ln
l
li
v 

64
Ensaios em polímeros
• Norma ASTM D 638:
– Polímeros reforçados ou não;
– Espessura até 14 mm;
– Espessura menor que 1 mm – usar ASTM D
882;
– Polímeros rígidos;
– Polímeros não-rígidos;

67
Polímeros não-rígidos
• Amostras com dimensões até 4 mm – Tipo IV;
• Acima de 7 até 14 – Tipo III;
• As amostras podem ser usinadas nas
dimensões;
• Material isotrópico: 5 amostras;
• Material anisotrópico: 5 amostras // e 5 amostras
┴;
• Temperatura: 23±2 °C;
• Umidade: 50±5 %

68
• Velocidade não especificada: entre 0,5 a 5
min de tempo total para ruptura.

69
Plásticos rígidos: deformam-se pouco, são mais quebradiços
Plásticos flexíveis: deformam-se facilmente, mas não tendem a romper-se
facilmente; deformação irreversível
Elastômeros: deformam-se facilmente, mas com reversibilidade
Fibras: muita resistência e pequena deformação
Plásticos flexíveis:
PEAD, PEBD, PP
Plásticos rígidos: PS,
PMMA, PC, PET, PA,
POM, PVC rígido;
Elastômeros: borracha
natural, neoprene,
polibutadieno,
NBR, SBR;
Fibras: PA, PAN, PET,
kevlar, fibra de
carbono

70
Deformação plástica: permanente, irreversível
Deformação elástica: reversível
Peça original
Tracionamento encerrado
Durante tracionamento
Plásticos AMORFOS / TERMOFIXOS:
 as cadeias não se desenrolam
 material resiste à deformação
 ruptura com pequena ou nenhuma deformação
Plásticos SEMICRISTALINOS, com Tg< ambiente:
 a parte amorfa se desenrola  pequena deformação elástica.
 material resiste à deformação até ruptura de planos da estrutura cristalina
 deformação plástica
 material rompe após grande deformação

71
Curva tensão vs deformação para um polímero termoplástico
parcialmente cristalino (esquemático).

72
Análise da curva de tensão x deformação em
polímeros
a
b
c
d
e
Resiliência
Estiramento
Tensão Limite de Resistência

77
Estrutura esferulita / cristalito
crystalline
region
amorphous
region
Região
cristalina
Região
amorfa

80
Elastômeros
Sem tensão Sob tensão

81
Elastômero: poucas ligações cruzadas  deformação elástica
Plástico flexível: sem ligações cruzadas  deformação plástica
Termofixo plástico: muitas ligações cruzadas  pouca deformação

82
Fibras PLÁSTICAS:
 as cadeias não se desenrolam, porque não há o que ser
desenrolado  alto nível de orientação molecular
 alta resistência à deformação e ruptura por tração
 materiais: poliamida (PA), poliacrilonitrila (PAN), PET, acetato de
celulose

84
Flexão
• Cerâmicos, metais duros, ferro fundido, aço
ferramenta e aço rápido (endurecidos);
• Materiais dúcteis não;
• Ensaio em três pontos e quatro pontos;
• Módulo ruptura na flexão (Suf);
• Módulo de elasticidade (E);
• Módulo de resiliência (Urf);
• Módulo de tenacidade (Utf).
• Influenciado por: velocidade, temperatura,
defeitos superficiais, microestrutura.

85
Flexão
• Porque usar:
– Difícil de preparar amostras com a geometria
exigida;
– Difícil prender e segurar a amostra sem
fraturar;
– Materiais frágeis podem falhar com 0,1% de
deformação – necessita amostras
perfeitamente alinhadas.

86
Resistência à flexão
• Tensão normal (ou ruptura):  = 9(Mf . Y) / Iz
– Onde:
– Mf = momento fletor;
– Y = distância até linha neutra;
– Iz = função da geometria da seção transversal da peça.
ENSAIO DE
FLEXÃO

87
Cerâmicos
σ x ε Não-cristalinos
Comportamento de deformação

89
Torção
• Componentes mecânicos;
• Geometria cilíndrica;
• Influenciado por: temperatura, TG,
impurezas, TT, anisotropia, acabamento
superficial;
• e – escoamento;
• u – ruptura;
• G – módulo elasticidade transversal.

90
Torção
 tg
Os ensaios de torção são
executados em eixos sólidos
cilíndricos ou em tubos,
principalmente.
Uma tensão cisalhante  é função
do torque aplicado T (F.d),
enquanto a deformação , está
relacionada ao ângulo de torção .
 G

91
Torção
• ASTM A 938
• Escoamento
– e = 0,6 e
• Ruptura
– u = 0,8 u (materiais dúcteis);
– u = 1,0 a 1,3 u (materiais frágeis).
– Ensaios de arames
Diâmetro do arame (mm) Máxima velocidade de torção
(rpm)
Até 1,02
De 1,02 a 3,61
Acima de 3,61
90
60
30

92
Torção
Materiais dúcteis:
Rompem por cisalhamento
em um plano de tensões
máxima perpendicular ao
seu eixo;
Materiais frágeis:
Rompem em função de
combinação de tensão de
tração numa direção e
compressão em outra
perpendicular a outra,
resultando um força a 45°.

97
Aços com diferentes
concentrações de carbono
Transição dúctil-frágil (cont.)

98
Transição dúctil-frágil (cont.)
Aços com diferentes
concentrações de manganês

100
Impacto
• Analisa comportamento dúctil-frágil;
• Ensaios Charpy e Izod;
• ASTM E23;
• Eimpacto = M.g.(H – h´)
H

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