6.Propriedades Mecânicas dos Metais Cópia

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01
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS
Ciência dos materiais
Propriedades Mecânicas dos Materiais
1
As propriedades mecânicas determinam a resposta do material à APLICAÇÃO DE CARGAS.
INTRODUÇÃO
São FUNDAMENTAIS para o projeto de componentes mecânicos de máquinas e estruturas.
Ciência dos materiais
Propriedades Mecânicas dos Materiais
INTRODUÇÃO
SOCIEDADES TÉCNICAS estabelecem as normas de execução desses ensaios.
As propriedades são determinadas através de ENSAIOS.
Ensaio de compressão
Ensaio de dobramento
Ensaio de tração
Ciência dos materiais
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INTRODUÇÃO
Ciência dos materiais
Propriedades Mecânicas dos Materiais
4
INTRODUÇÃO
Os ensaios são realizados em CORPOS DE PROVA. 
Ciência dos materiais
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INTRODUÇÃO
Os ensaios mecânicos levam em consideração: 
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TRAÇÃO
Ciência dos materiais
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COMPRESSÃO
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CISALHAMENTO
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TORÇÃO
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ENSAIO DE TRAÇÃO
Permite a avaliação de diversas propriedades mecânicas .
Utiliza um corpo de prova PADRÃO ou produtos de forma adequada (fios, barras, chapas delgadas).
É um ensaio DESTRUTIVO .
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ENSAIO DE TRAÇÃO
Ciência dos materiais
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ENSAIO DE TRAÇÃO
12
Moderna máquina de ensaio.
Corpos de prova.
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ENSAIO DE TRAÇÃO
DEFORMAÇÃO
TENSÃO
Ruptura do corpo de prova
O ensaio é DESTRUTIVO
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ENSAIO DE TRAÇÃO: TENSÃO E DEFORMAÇÃO 
TENSÃO DE ENGENHARIA (): 
DEFORMAÇÃO DE ENGENHARIA ():
* psi: pounds per square inch, libra-força por polegada quadrada
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CONSIDERAÇÕES GEOMÉTRICAS: ESTADO DE TENSÃO
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DEFORMAÇÃO ELÁSTICA 
NÃO É PERMANENTE: quando a força é removida, o corpo volta a sua forma original.
NÃO HÁ A QUEBRA DE LIGAÇÕES QUÍMICAS entre os átomos do material.
ANELASTICIDADE: a deformação elástica não é instantânea, mas dependente do tempo. É desprezível para os metais. 
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DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
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LEI DE HOOKE
Durante a DEFORMAÇÃO ELÁSTICA, TENSÃO () e DEFORMAÇÃO () são DIRETAMENTE PROPORCIONAIS.
MÓDULO DE ELASTICIDADE ou MÓDULO DE YOUNG (MPa).
MÓDULO DE ELASTICIDADE é uma medida da RIGIDEZ do material.
Sir Robert Hooke
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LEI DE HOOKE
O módulo de elasticidade é igual à INCLINAÇÃO DA CURVA  x : 
 (DEFORMAÇÃO)
 (TENSÃO)
1
2
2
1

E = tan()
CARGA
DESCARGA

E1 > E2
1
2

Material 1 é MAIS RÍGIDO.
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MÓDULO DE ELASTICIDADE TANGENCIAL E SECANTE
Para os materiais que não obedecem à Lei de Hooke definem-se os MÓDULOS DE ELASTICIDADE TANGENCIAL e SECANTE (EXEMPLOS: concreto e ferro fundido cinzento).
 (DEFORMAÇÃO)
 (TENSÃO)
= Módulo secante
= Módulo tangencial
2
1
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MÓDULO DE ELASTICIDADE X TEMPERATURA
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EXEMPLO
SOLUÇÃO: como a deformação é elástica, a lei de Hooke é válida:
Tem-se para o cobre: E = 110 GPa = 110 X 103 MPa. Da definição de deformação,  = l/l0, logo: 
Uma amostra de COBRE originalmente com 305 mm de comprimento é tracionada com uma tensão de 276 MPa. Se a sua deformação é INTEIRAMENTE ELÁSTICA, qual será o alongamento resultante?
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COEFICIENTE DE POISSON ()
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E, G,  PARA ALGUNS METAIS E LIGAS
Liga
Módulo de Elasticidade
Coeficiente de Poisson
GPa
106psi
Alumínio
69
10
0,33
Latão
97
14
0,34
Cobre
110
16
0,34
Magnésio
45
6,5
0,29
Níquel
207
30
0,31
Aço
207
30
0,30
Titânio
107
15,5
0,34
Tungstênio
407
59
0,28
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DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
É PERMANENTE: quando o esforço aplicado é removido, o corpo NÃO retorna à sua forma original.
Tem início quando é ultrapassada a FASE ELÁSTICA do material.
A plasticidade do material é de grande importância prática para:
 OPERAÇÕES DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA (LAMINAÇÃO, FORJAMENTO, ESTRICÇÃO, entre outras).
 Projetos de elementos estruturais
Ocorre principalmente em metais através do MOVIMENTO DE DISCORDÂNCIAS.
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O FENÔMENO DO ESCOAMENTO
Deformação
Elástico
Plástico
Tensão
0,002
P
Deformação
Tensão
Limite de escoamento superior
Limite de escoamento inferior
e
e
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LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO (LRT)
LRT
Tensão de ruptura
F
M
DEFORMAÇÃO
TENSÃO
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Limite de Resistência à Tração (LRT)
Ciência dos materiais
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EXEMPLO 6.3, PÁGINA 88
A partir do comportamento TENSÃO-DEFORMAÇÃO em tração para a amostra de LATÃO mostrada na figura seguinte, determine: 
O módulo de elasticidade.
A tensão limite de escoamento a um nível de pré-deformação de 0,002.
A CARGA MÁXIMA que pode ser suportada por um corpo de prova cilíndrico com um diâmetro inicial de 12,8 mm.
A VARIAÇÃO DO COMPRIMENTO de um corpo de prova originalmente com 250 mm que é submetido a uma tensão de tração de 345 MPa.
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30
SOLUÇÃO
Módulo de elasticidade (E): 
150
0,0016
250
450
345
0,06
Limite de escoamento:
0,002
E  250 MPa
l para l0 = 250 mm e  = 345 MPa: 
Carga máxima (r0 = 6,4 mm):
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RECUPERAÇÃO ELÁSTICA DURANTE A DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
Ciência dos materiais
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DUCTILIDADE
DÚCTIL
FRÁGIL
Ciência dos materiais
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DUCTILIDADE
É uma medida do grau de DEFORMAÇÃO PLÁSTICA até a FRATURA.
Medidas de ductilidade:
ALONGAMENTO PERCENTUAL APÓS A RUPTURA (%AL):
ESTRICÇÃO ou REDUÇÃO DE ÁREA APÓS A RUPTURA (%RA):
Ciência dos materiais
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MATERIAIS FRÁGEIS X MATERIAIS DÚCTEIS
Deformação
Tensão
Dúctil
Frágil
Ciência dos materiais
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PROPRIEDADES MECÂNICAS X TEMPERATURA
Comportamento TENSÃO X DEFORMAÇÃO de engenharia para o FERRO em três temperaturas diferentes.
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RESILIÊNCIA
Capacidade do material ABSORVER energia na região ELÁSTICA e depois devolvê-la, com o descarregamento.
MÓDULO DE RESILIÊNCIA (Ur): energia/volume (J/m3) necessária para deformar o material desde σ = 0 até o seu LIMITE DE ESCOAMENTO. 
É igual à ÁREA SOB A CURVA  ×  até o limite de escoamento.
SE A REGIÃO ELÁSTICA É LINEAR:
0,002
 e
 e
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TENACIDADE
Capacidade do material absorver energia até a sua fratura.
CARREGAMENTO ESTÁTICO: é representada pela área abaixo do diagrama tensão x deformação.
CARREGAMENTO DINÂMICO COM ENTALHE: é representada pela energia absorvida no ensaio de impacto.
MATERIAL TENAZ:
 RESISTÊNCIA ELEVADA.
 DUCTILIDADE ELEVADA. 
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Ensaios de tenacidade à fratura
 CTOD modificado
 SE (B) direção NQ
 Flexão de três pontos a 3 ± 1 °C.
 determinação do K
 avaliação do caminho da trinca
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Ensaios de fratura – Análise micrográfica das amostras ensaiadas
K=71 MPam0,5
K=69 MPam0,5
Ensaios de tenacidade à fratura
Ciência dos materiais
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Ensaio de Impacto
Ciência dos materiais
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Ensaio de Impacto
NBR NM 281-1, NBR NM 281-2
 Medir a quantidade de energia absorvida pelo material, quando o mesmo é submetido a um esforço de impacto de valor conhecido.
 tenacidade (natureza qualitativa e relativa)
 condições mais severas para potencial de fratura
 deformação à temperatura baixa
 elevada taxa de deformação
 estado de tensão triaxial
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Ensaio de Impacto
Procedimento de ensaio
Corpos de prova
Ciência dos materiais
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Ensaio de Impacto
Transição dúctil-frágil
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Ensaio de Impacto
Fratura dúctil
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Ensaio de Impacto
Fratura frágil
Ciência dos materiais
Propriedades Mecânicas dos Materiais
Ensaio de Impacto
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Propriedades Mecânicas dos Materiais
Caso Titanic - 15 de abril de 1912
20 J
Transição dúctil – frágil: 40-50°C
Água do mar
15/04/1992
2°C
The royal mail ship Titanic: Did a metallurgical failure cause a night to remember? JOM, 50(1)(1998), pp.12-18
Importância do conhecimento da transição dúctil-frágil
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TENSÃO E DEFORMAÇÃO VERDADEIRAS
TENSÃO VERDADEIRA (V):
Onde:
F: carga instantânea.
Ai: área da seção reta instantânea do corpo de prova.
DEFORMAÇÃO VERDADEIRA (V):
Onde:
li: comprimento instantâneo do corpo de prova.
l0: comprimento inicial do corpo de prova.
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Tensão verdadeira e deformação verdadeira
Se não houver variação de volume do corpo de prova durante a deformação (Aili = A0l0):
As relações acima são válidas SOMENTE ATÉ O EMPESCOÇAMENTO. 
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TENSÃO E DEFORMAÇÃO VERDADEIRAS
Para alguns metais e ligas, até o INÍCIO DO EMPESCOÇAMENTO: 
Onde K e n (EXPOENTE DE ENCRUAMENTO) são constantes que dependem do material e da sua condição. 
Deformação
Tensão
Engenharia
Corrigida
Verdadeira
M e M’: início do empescoçamento.
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EXMPLO 6.4, PÁGINA 92
(a) A ductilidade é:
Um corpo de prova cilíndrico de aço, com diâmetro inicial de 12,8 mm, é tracionado até a FRATURA. Sua resistência à fratura f determinada foi de 460 MPa. Se o diâmetro na seção reta no momento da fratura é de 10,7 mm, determine: 
 A ductilidade em termos de redução de área percentual.
 A tensão verdadeira no momento da fratura.
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SOLUÇÃO
(b) A tensão verdadeira é definida como:
A força F no momento da fratura é:
Logo: 
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DUREZA
Friedrich Mohs (1773 – 1825), mineralogista alemão.
Resistência à DEFORMAÇÃO PLÁSTICA LOCALIZADA ou à PENETRAÇÃO.
ESCALA DE MOHS: primeira escala de dureza.
TALCO: 1
DIAMANTE: 10
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ENSAIOS DE DUREZA
A dureza dos metais é medida através de ENSAIOS DE DUREZA.
Durômetro
D
d
Penetrador
Impressão
São simples e baratos.
Não são destrutivos.
Permitem que se estime outras propriedades mecânicas importantes.
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ENSAIO DE DUREZA BRINELL
Johan August Brinell (1849 – 1925), engenheiro sueco.
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ENSAIO DE DUREZA BRINELL
Originalmente, a carga empregada era de 3.000 kgf e o diâmetro D da esfera, de 10 mm. 
Condições para o uso de OUTRAS CARGAS e OUTROS DIÂMETROS DE ESFERAS (para que HB1 = HB2 = ... HBn):
G é uma constante empírica que depende do material.
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ENSAIO DE DUREZA ROCKWELL
Método mais utilizado, pois é muito simples, não exigindo nenhuma habilidade especial do operador.
Utiliza vários penetradores e cargas, cujas combinações formam diferentes escalas, adequadas para cada metal e liga. A escala é representada por uma letra do alfabeto, a qual identifica o penetrador utilizado (esferas de diversos diâmetros e cone de diamante). Exemplos:
Escala C (HRC): carga de 150 kgf sobre um cone de diamante de 120º.
Escala B (HRB): carga de 100 kgf sobre uma esfera de 1/16 pol.
A dureza do material é medida por um índice determinado a partir da PROFUNDIDADE DE PENETRAÇÃO resultante da aplicação de uma carga inicial menor, seguida por outra maior. A dureza é indicada por esse índice (número) seguido do símbolo da escala. Exemplo: 80 HRB. 
Há dois tipos de ensaios:
ROCKWELL: carga menor de 10kg; carga maior de 60, 100 ou 150 kg.
ROCKWELL SUPERFICIAL: carga menor de 3 kg, carga maior de 15, 30 e 45 kg. Realizado em corpos de prova mais finos.
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Ensaio de dureza rockwell
Seqüência do ensaio: 
Aplicação da carga inicial ou pré-carga (F0).
Aplicação da carga complementar (F1).
Carga principal (F = F0 + F1).
O valor da dureza é lido diretamente 
 do durômetro.
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ENSAIO DE MICRODUREZA VICKERS
Adequado para medir a dureza de regiões pequenas do corpo de prova.
Penetrador empregado: PIRÂMIDE DE DIAMANTE DE BASE QUADRADA.
Utiliza cargas muito menores do que os ensaios Brinell e Rockwell (de 1 a 1.000 g).
A dureza Vickers (HV) é dada pela relação: 
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ENSAIO DE MICRODUREZA VICKERS
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CONVERSÃO DE DUREZA
Não existe um sistema de conversão geral entre as diversas escalas. Isso se deve:
Às diferenças experimentais entre as diversas técnicas.
Ao fato de que a dureza não é uma propriedade bem definida.
Quando a conversão é possível, ela é determinada experimentalmente e os dados dependem do material.
Os dados de conversão mais confiáveis são os do aços. Tabelas de conversão detalhadas para outros metais podem ser encontradas na norma ASTM E 140: “Standard Hardness Conversion Tables for Metals”. 
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CORRELAÇÃO ENTRE DUREZA E LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO
Para alguns metais (aços, ferros fundidos, latão) a dureza e o LRT são praticamente proporcionais.
Para a maioria dos aços, vale a relação: 
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FATORES DE PROJETO/SEGURANÇA
Devido às INCERTEZAS DE PROJETO (magnitude das cargas aplicadas, níveis de tensão existentes nas condições de serviço), introduzem-se FOLGAS DE PROJETO como medida de segurança.
Essa folga é estabelecida ao se definir: 
TENSÃO DE PROJETO, P:
Onde N’ é um fator maior que a unidade e C é a tensão calculada.
 
TENSÃO ADMISSÍVEL ou TENSÃO DE TRABALHO, t: 
Onde E é o limite de escoamento do material e N é o FATOR DE
SEGURANÇA (N > 1).
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DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DE METAIS POLICRISTALINOS
A presença do contorno de grão interfere na deformação plástica do material.
Como os grãos estão orientados de maneira aleatória, a direção do escorregamento varia de um grão para o outro.
Em cada grão, o escorregamento (deformação plástica) ocorre de acordo com o mecanismo descrito anteriormente.
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Deformação plástica de metais policristalinos
Durante a deformação, o material se mantém coeso ao longo dos contornos de grão (OS GRÃOS NÃO SE SEPARAM).
Os grãos MAIS FAVORAVELMENTE ORIENTADOS em relação ao esforço aplicado se deformam primeiro.
A deformação de cada grão é restrita pelos grãos vizinhos.
Materiais policristalinos SÃO MAIS RESISTENTES do que materiais monicristalinos.
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Deformação plástica de metais policristalinos
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Amostra de material policristalino (a) antes da deformação plástica e (b) depois da deformação.
(a)
(b)
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MECANISMOS DE AUMENTO DE RESISTÊNCIA EM METAIS
Para metais MONOFÁSICOS, existem 3 mecanismos de aumento de resistência mecânica: 
REDUÇÃO DO TAMANHO DO GRÃO.
FORMAÇÃO DE SOLUÇÃO SÓLIDA (FORMAÇÃO DE LIGAS).
ENCRUAMENTO (TRABALHO A FRIO).
Todas essas técnicas se baseiam no seguinte princípio: RESTRINGIR OU DIFICULTAR O MOVIMENTO DAS DISCORDÂNCIAS TORNA O MATERIAL MAIS RESISTENTE MECANICAMENTE OU MAIS DURO. 
IMPORTANTE: O GANHO DE RESITÊNCIA MECÂNICA É ACOMPANHADO POR PERDA DE PLASTICIDADE. 
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RECOZIMENTO
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Os efeitos do encruamento (aumento da resistência mecânica e da dureza, perda de plasticidade) podem ser revertidos através de um tratamento térmico conhecido como RECOZIMENTO.
Com o recozimento, a estrutura do material anterior à deformação plástica é recuperada, através do seu aquecimento acima de sua temperatura de recristalização.
A temperatura de recristalização pode ser formalmente definida como: A MENOR TEMPERATURA NA QUAL A ESTRUTURA DEFORMADA DE UM METAL TRABALHADO A FRIO (ENCRUADO) É RESTAURADA OU É SUBSTITUÍDA POR UMA ESTRUTURA NOVA, LIVRE DE TENSÕES, APÓS A PERMANÊNCIA NESSA TEMPERATURA POR UM TEMPO DETERMINADO.
Pode-se ainda definir temperatura de recristalização como a TEMPERATURA NA QUAL A ESTRUTURA É SUBSTITUÍDA EM 1 HORA.
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Recozimento 
O recozimento é composto por 2 etapas: 
RECUPERAÇÃO: ocorre o alívio de tensões internas e a restauração de propriedades físicas como a condutividade elétrica. Não há modificação estrutural sensível, apenas alguma redução do número de discordâncias.
RECRISTALIZAÇÃO: processo em que se forma um novo conjunto de grãos sem deformação (EQUIAXIAIS), com baixas densidades de discordâncias. As propriedades mecânicas alteradas pelo trabalho a frio são restauradas: o material perde DUREZA e RESISTÊNCIA, ganhando novamente PLASTICIDADE.
A recristalização depende de dois fatores: TEMPO e TEMPERATURA. QUANTO MAIOR O TEMPO de aquecimento, MENOR É A TEMPERATURA necessária para que o processo ocorra. Inversamente, QUANTO MAIOR A TEMPERATURA, MENOR O TEMPO necessário para a recristalização se completar.
A FORÇA MOTRIZ da recristalização é DIFERENÇA DE ENERGIA EXISTENTE ANTES E DEPOIS DA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA A FRIO.
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A ÚNICA maneira de se refinar o tamanho do grão de uma material metálico monofásico consiste em se DEFORMAR PLASTICAMENTE OS GRÃOS EXISTENTES E INICIAR A FORMAÇÃO DE NOVOS GRÃOS (RECRISTALIZAÇÃO).
Existe um nível mínimo de deformação plástica (encruamento) abaixo do qual a estrutura NÃO pode ser recristalizada. Quanto mais encruado o material, menor é a temperatura de recristalização, a qual se aproxima de um valor constante.
À etapa de recristalização, pode ou não se seguir o processo de CRESCIMENTO DE GRÃO. Normalmente, procura-se EVITAR que isso aconteça, em virtude das propriedades mecânicas inferiores associadas a uma granulometria mais grosseira, interrompendo-se o recozimento ao final da recristalização.
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Recozimento
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