Propriedades Mecânicas de Metais

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METAIS – 
PROPRIEDADES 
MECÂNICAS 
A partir do comportamento tensão-deformação em tração para a amostra de latão, 
determine: 
a) O módulo de elasticidade; 
b) A tensão limite de escoamento a um nível de pré-deformação de 0,002 
c) A carga máxima que pode ser suportada por um corpo de prova cilíndrico com 
um diâmetro original de 12,8mm 
d) A variação no comprimento do corpo de prova originalmente com 250mm que é 
submetido a uma tensão em tração de 345MPa 
 
 
• Corresponde à capacidade do material de absorver energia quando 
deformado elasticamente 
• A propriedade associada é dada pelo módulo de resiliência (Ur) 
Ur= y
2/2E 
 
 
Menor tenacidade 
Polímeros nãoreforçados 
Deformação de engenharia, e 
Tensão de 
Engenharia,  
Menor tenacidade (cerâmicas) 
maior tenacidade 
(metais) 
ENSAIOS DE FRATURA POR IMPACTO 
Os resultados dos ensaios de tração em laboratório não 
podiam ser extrapolados para prever o comportamento das 
fraturas 
Ex: Sob algumas circunstâncias, metais dúcteis fraturam 
abruptamente e com pouca deformação plástica 
Para medir a energia de impacto, tenacidade ao entalhe, 
resistência ao choque – resistência que o metal opõe à 
ruptura sob ação de uma carga instantânea), usa-se a 
técnica de Charpy 
MEDE O TRABALHO NECESSÁRIO PARA ROMPER A PEÇA POR FLEXÃO 
DINÂMICA 
Dureza 
 
•É uma medida da resistência de um material a uma deformação 
plástica localizada (uma pequena impressão ou um risco). 
•Os principais ensaios de dureza são: Brinell, Rockwell, Vickers e 
Knoop. 
•Um penetrador é forçado contra a superfície do metal a ser 
testado. 
•A dureza depende diretamente das forças de ligação entre os 
átomos, íons ou moléculas. 
•Vantagens: 
•São simples e baratos, nenhum corpo de prova especial 
precisa ser preparado 
•Ensaio não destrutivo - o corpo de prova não é fraturado 
nem excessivamente deformado 
•Outra propriedades mecânicas podem ser estimadas a partir 
de dados obtidos para ensaios de dureza. Ex: LRT 
 
• Incerteza de projeto implica que não se vai ao limite. 
• Fator de segurança, N 
N
y
trabalho

 
Em geral valores de 
N entre 1.2 a 4 
Fatores de segurança ou de projeto 
TENSÃO E DEFORMAÇÃO 
VERDADEIRAS 
• A curva de tensão x deformação convencional, estudada anteriormente, 
não apresenta uma informação real das características tensão e deformação 
porque se baseia somente nas características dimensionais originais do 
corpo de prova ou amostra e que na verdade são continuamente alteradas 
durante o ensaio. 
 
 
• r = F/Ai 
 
 onde Ai é a área da seção 
transversal (m2) 
 
RELAÇÃO ENTRE TENSÃO REAL E 
CONVENCIONAL 
 
• r =  (1+ e) 
 
 
 
Válida para situações até 
a formação do pescoço 
Deformação no Cisalhamento 
 
 
• Metais: G = 0,4E 
Questões importantes... 
• Como falhas no material iniciam a fratura? 
• Como estimar a tensão de fratura? 
• Como a taxa e a história de carregamento e a temperatura 
afetam a tensão de fratura? 
Navio- carregamento cíclico de ondas. 
FALHA MECÂNICA 
• PREVENÇÃO:Difícil de ser garantida! 
 
• Causas: 
• Seleção e processamento dos materiais de 
forma não apropriada. 
• Projeto inadequado dos componentes; 
• Má utilização 
FRATURA 
• Consiste na separação do material em 2 ou mais partes devido 
à aplicação de uma carga estática (constante ou que se 
modifica lentamente) à temperaturas relativamente baixas em 
relação ao ponto de fusão do material. 
• A fratura pode ser dúctil ou frágil, conforme ilustrado abaixo 
para o rompimento de uma tubulação. 
• FRATURA DÚCTIL: 
• Deformação plástica substancial caracterizada por 
extensa deformação plástica na vizinha de uma trinca 
que está avançando. 
• Com grande absorção de energia antes da fratura. 
• Processo lento à medida que o comprimento da trinca 
se estende. 
 
 
Alumínio 
TRINCA ESTÁVEL: 
Resiste a qualquer extensão 
adicional a menos que exista um 
aumento na tensão aplicada!! 
Altamente dúctil: 
•Metais extremamente macios 
•(ouro puro e chumbo puro) – TA; 
•Metais a temperaturas elevadas 
 Empescoçam até fratura pontual 
Moderadamente dúctil: 
•Tipo mais comuns; 
•Fratura precedida por uma 
quantidade moderada de 
empescoçamento; 
•Processo ocorre em vários 
estágios 
FRATURA FRÁGIL 
 
 
 
MECANISMO DA FRATURA DÚCTIL 
Form. do pescoço 
Form. de 
cavidades 
Coalescência 
de vazios 
Form. e prop. 
da trinca em ang. 
de 450 em rel. à  fratura 
 
• FRATURA FRÁGIL: 
• Exibe pouca ou nenhuma deformação plástica; 
• Baixa absorção de energia; 
• As trincas se espalham de maneira extremamente rápida 
(instáveis). 
• Uma vez iniciada a propagação da trinca, continua 
espontaneamente sem aumento da tensão. 
• Ocorre repentinamente. 
Aço doce 
• Comportamento tensão-deformação (T ambiente): 
• DaVinci (há 500 anos!) observou que:... 
 --qto mais longo o fio, menor a carga necessária para rompê-lo. 
 
• Motivos: 
 --falhas causam fratura prematura. 
 --Amostras maiores têm mais falhas! 
MATERIAIS IDEAIS X MATERIAIS REAIS 
Princípios da mecânica da fratura 
Concentração de tensões 
 
• É a forma de falha ou ruptura que ocorre nas estruturas 
sujeitas à forças dinâmicas e cíclicas 
• Nessas situações o material rompe com tensões muito 
inferiores à correspondente à resistência à tração 
(determinada para cargas estáticas) 
• É comum ocorrer em estruturas como pontes, aviões, 
componentes de máquinas 
• A falha por fadiga é geralmente de natureza frágil mesmo 
em materiais dúcteis. 
 
 
FADIGA 
• A fratura ou rompimento do material por fadiga 
geralmente ocorre com a formação e propagação de 
uma trinca. 
• A trinca inicia-se em pontos onde há imperfeição 
estrutural ou de composição e/ou de alta concentração 
de tensões (que ocorre geralmente na superfície) 
• A superfície da fratura é geralmente perpendicular à 
direção da tensão à qual o material foi submetido. 
• É a maior causa individual de falhas em metais: 90% 
Iniciação e propagação de trincas 
• O processo de falha por fadiga é caracterizado por três etapas distintas: 1) 
iniciação, 2) propagação de trincas e 3) falha que ocorre rapidamente, tão 
logo a trinca atinja um tamanho crítico. 
• A vida em fadiga é o número de ciclos até a ruptura que envolve os dois 
primeiros processos já que a contribuição do terceiro é negligível. 
• As proporções relativas de iniciação e propagação de trincas dependem do 
material e da condição de teste. 
• Em baixas tensões a iniciação de trincas é lenta e o material tem uma vida 
em fadiga elevada. 
• Aumentando a tensão as trincas são iniciadas mais rapidamente e a 
propagação predomina. O material tem vida curta em fadiga. 
• As trincas em fadiga seguidamente surgem na superfície do material em 
algum ponto de concentração de tensões. 
• Efeitos ambientais – térmicos e de corrosão 
• Submete-se o corpo de prova a um ciclo de tensões a uma 
amplitude relativamente grande (2/3LRT). 
• Conta o número de ciclos até a falha. 
• O procedimento é repetido com outros corpos de prova 
com amplitudes máximas de tensões progressivamente 
menores. 
• Dados plotados  em função do log de número de ciclos 
até a falha 
 RESULTADOS DO ENSAIO DE FADIGA 
CURVA -N OU CURVA WOHLER 
 
 
 
A CURVA -N REPRESENTA A TENSÃO VERSUS NÚMERO 
 DE CICLOS PARA QUE OCORRA A FRATURA. 
 
Normalmente para N utiliza-se escala logarítmica 
 
Limite de resistência à 
fadiga (Rf): em certos 
materiais (aços, 
titânio,...) abaixo de um 
determinado limite de 
tensão abaixo do qual o 
material nunca sofrerá 
ruptura por fadiga. 
 
 
Para os aços o limite de 
resistência à fadiga 
(Rf) está entre 35-65% 
do limite de resistência 
à tração. 
Abaixo do LRF a falha por fadiga 
não irá ocorrer. Maior valor de  que 
não irá causar falhas!!! 
 Resistência à 
fadiga (f): em 
alguns materiais a 
tensão na qual 
ocorrerá a falhadecresce 
continuamente 
com o número de 
ciclos (ligas não 
ferrosas: Al, Mg, 
Cu,...). Nesse caso 
a fadiga é 
caracterizada por 
resistência à fadiga 
 
• Vida em fadiga (Nf): corresponde 
ao número de ciclos necessários 
para ocorrer a falha em um nível de 
tensão específico. 
FATORES QUE INFLUENCIAM A 
VIDA EM FADIGA 
• Tensão Média: o aumento do nível médio de tensão 
leva a uma diminuição da vida útil 
• Efeitos de Superfície: variáveis de projeto (cantos 
agudos e demais descontinuidades podem levar a 
concentração de tensões e então a formação de 
trincas) e tratamentos superficiais (polimento, 
jateamento, endurecimento superficial melhoram 
significativamente a vida em fadiga) 
• Efeitos do ambiente: fadiga térmica (flutuações na 
temperatura) e fadiga por corrosão. 
• Para estender a vida em fadiga de um material deve-
se: 
• a) reduzir o nível médio de tensões, 
• b) eliminar descontinuidades e cantos vivos, 
• c) polir a superfície, 
• d) impor tensões residuais compressivas 
• e) enrijecer a superfície por nitretação. 
• Efeitos ambientais – tensões térmicas podem ser 
induzidas em componentes sujeitos a T elevadas e 
flutuantes, Ataques químicos ou por umidade podem 
levar a uma redução na vida em fadiga por corrosão. 
FLUÊNCIA (CREEP) 
FATORES QUE AFETAM A FLUÊNCIA 
• Temperatura 
• Módulo de elasticidade 
• Tamanho de grão 
Em geral, quanto maior o ponto de fusão, maior o módulo de 
elasticidade e maior o tamanho de grão maior é a resist. à 
fluência. 
RESUMO 
• Fratura – resposta a uma carregamento um material pode falhar de 
forma frágil (sem deformação plástica) ou dúctil (com grande 
deformação plástica). Em ambos os casos há a formação e propagação 
de trincas. 
• Sob tensão, materiais muito dúcteis formam um pescoço e fraturam num 
ponto. Formações de copo e cone aparecem em materiais 
moderadamente dúcteis. 
• Materiais dúcteis possuem trincas estáveis (não propagam a não ser que 
haja aumento na tensão aplicada). A fratura não é catastrófica e por isto 
este modo de fratura é preferido. 
• Materiais frágeis apresentam trincas instáveis que propagam muito 
rapidamente de forma catastrófica e sem deformação plástica. 
• Fadiga – tipo comum de falha catastrófica em que a 
tensão aplicada varia com o tempo. São feitos 
gráficos de tensão vs. Log. do número de ciclos. 
Em muitos materiais quanto menor a tensão, maior 
a sua vida em fadiga. 
• A resistência à fadiga é representada pela tensão de 
ruptura após um número específico de ciclos. 
• Muitos materiais apresentam tensão decrescente e 
estabilizada em função do tempo e o material não 
rompe. Dados apresentam variações significativas 
devido a falhas internas. 
Resumo 
• Fluência – é a deformação plástica, dependente do tempo, em materiais 
sujeitos a uma força ou tensão constantes em temperaturas superiores a, 
aproximadamente, 0,4Tm. 
• Uma curva de fluência típica (Deformação vs. Tempo), normalmente 
apresenta 3 regiões: 1) A fluência primária ou transiente em que a taxa de 
deformação (inclinação) diminui com o tempo; 2) A região secundária em 
que o gráfico torna-se linear com o tempo (taxa de deformação constante) e 
3) a fluência terciária em que há aumento na taxa de deformação 
imediatamente antes da ruptura. 
• Parâmetros importantes de projeto incluem a taxa de deformação no estado 
estacionário (inclinação da região linear) e o tempo de vida até a ruptura. 
• Efeitos de tensão e temperatura em fluência – aumento nestes parâmetros 
provoca: a) aumento na deformação instantânea inicial; b) aumento na taxa 
de deformação no estado estacionário; c) redução na vida em fadiga.