propriedades mecanicas
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20/10/2010
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MAM0411
Ciência dos Materiais
Profa. María Cristina Moré Farias
Tema 7
Propriedades Mecânicas dos Materiais
Parte 1
Propriedades Mecânicas dos Metais
• Conteúdo– Tensão e deformação (definição e correlação)
– Módulo de elasticidade, limite de escoamento, resistência à tração, alongamento, ductilidade, tenacidade
– Dureza (macro e micro)
Por que estudar propriedades mecânicas?
• Materiais em serviços estão sujeitos a forças (avião,
automóveis, etc.)
– Conhecer o material
– Projetar (sem deformação excessiva e sem falha)
• Conhecer como são medidas as várias propriedades
mecânicas e o que estas representam
• Necessárias para projeto de estruturas/componentes
mecânicos (deformação aceitável / evitar falhas)
Como são medidas as propriedades mecânicas
• Experimentos de laboratório padronizados
– (ASTM; www.astm.org)
– Natureza da carga aplicada
• Tração, compressão, cisalhamento, torção
• Constante, flutuante
– Duração da aplicação da carga
• Fração de segundos, anos
– Condições ambientais
• Temperatura
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Ilustração de como uma carga de tração/compressão produz o
alongamento/contração
Tração
Compressão
Ilustração da deformação de cisalhamento/torcional
TorçãoCisalhamento
Tensão e Deformação –Ensaio de Tração
• O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre a deformação e carga aplicada
• O comportamento mecânico pode ser verificado por meio de um ensaio de tensão-deformação– A amostra é deformada até a sua fratura
mediante uma carga de tração gradativamente crescente que é aplicada na direção uniaxial ao longo do eixo mais comprido de um corpo-de-prova
Tensão e Deformação
• Resultado de um ensaio de tração é
um registro da carga em função do
alongamento
• Carga-deslocamento são dependentes
do tamanho da amostra
– Normalização da carga e do
alongamento para minimizar efeitos dos
fatores geométricos
• Tensão de engenharia
• Deformação de engenharia
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Tensão e Deformação
Tensão de engenharia (σσσσ)
Carga instantânea aplicada (N)
Área da seção transversal inicial (m2)
Tensão de engenharia ou Tensão (MPa); 1 MPa = 106 N/m2
Deformação de engenharia (εεεε)
Comprimento inicial (m)
Comprimento instantâneo (m)
Deformação de engenharia ou Deformação(adimensional ou %)
0A
F=σ
0
0
0l
ll
l
li−
=∆
=ε
Tensão e Deformação –Ensaio de Compressão
• O ensaio de compressão é conduzido de maneira semelhante (temperatura, velocidade de deformação, material, ambiente) à do ensaio de tração, porém a força aplicada é compressiva (contração)
• O cálculo de s e é similar ao do ensaio de tração; força/tensão/deformação de compressão (negativa)
• Muitos materiais têm comportamento sob tração e sob compressão semelhantes, exceto muitos polímeros e compósitos
Tensão e Deformação –Ensaio de Compressão
• O ensaio de compressão é utilizado para – Estudo do comportamento do material sob deformações grandes
e permanentes;
– Estudo de materiais frágil sob tração (baixa σtraçao; trincas); indústria de construção civil (considerando, também, o teor de água contido nos corpos-de-prova); cerâmicas
– Estudo estatístico do comportamento mecânico de diferentes materiais, concreto, madeira, compósitos, materiais frágeis
– Estudo paramétrico de processos de conformação, laminação, forjamento, extrusão, etc.
– Análise do modo de deformação (flambagem, cisalhamento, abaulamento)
Tensão e Deformação –Ensaios de Cisalhamento
• Ensaio de Cisalhamento
θγ tan=
0A
F=τ
Tensão de cisalhamento
Deformação de cisalhamento
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Inclinação = Módulo de elasticidade
Descarga
Carga
Deformação
Tens
ão
Propriedades Elásticas
• Deformação elástica: a peça retorna à sua forma original após liberada a carga aplicada
• Tensão e deformação são proporcionais entre si (Lei de Hooke)
σ = E εMódulo de Elasticidade ouMódulo de Young (GPa); 1 GPa = 109 N/m2 = 103 MPaResistência à separação de átomos adjacentes(forças de ligação interatômicas)Rigidez do material
Deformação Elástica
x0
xl
2/lx2
∆∆∆∆εεεε====
x
yz
σz
σz
∆lx / 2
l0x
l0z
∆lz / 2
z0
zl
2/lz2
∆∆∆∆εεεε====
y
xεεεε
εεεενννν ====
Coeficiente de PoissonRigidez do material na direção perpendicular à direção de aplicação da carga
Deformação Elástica
Deformação Reversívellei de Hooke
Elástica linear
Elástica não linear
Relação entre Coeficiente de Poisson e Módulo Elástico
)1(2 ν+= GE
Onde G = módulo de cisalhamentoγ
τ=G γτ G=
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Propriedades Plásticas
• Deformação plástica: a peça sofre uma deformação permanente após liberada a carga aplicada
• Tensão e deformação não são proporcionais entre si
σ = K εn
Constante de proporcionalidade
Coeficiente de encruamento
Escoamento aumento relativamente grande na deformação, acompanhado por uma pequena variação na tensão
Elástico
Tens
ão
Deformação
P
σσσσe
Plástico
Propriedades Plásticas
Tens
ão
Deformação
0,002
σσσσe
Escoamentoimperceptível
P
Deformação
Tens
ão
σσσσe
Limite de escoamento inferior
Limite de escoamento superior
EscoamentoNítido
(discordâncias)
Limite de Escoamento (MPa)Resistência à deformação plástica
Propriedades de Tração Propriedades Plásticas
M
LR
Deformação
Tens
ão
Limite de resistência à tração (MPa)
F
Fratura
Pescoço
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Propriedades Plásticas
• Ductilidade– Grau de deformação plástica suportado pelo material até a fratura
• Material frágil (experimenta pouca deformação)• Material dúctil (experimenta considerável deformação)
– Utilidade em projetos e em operações de fabricação
Frágil
Dúctil
Deformação
Tens
ão
(%)100l
llAL0
0f ××××
−−−−====
Alongamentolf : Comprimento final após fratura
l0 : Comprimento inicial
(%)100A
AARA0
f0 ××××
−−−−====
Estricção (redução de área)
Af : Área final após fratura
A0 : Área inicial
Tenacidade
Resiliência
A capacidade do material de absorver energia durante a deformação e devolve-la
após o descarregamento
Corresponde a energia que pode ser retornada ao sistema mecânico após descarregamento
Tenacidade
Corresponde a energia que é dissipada no sistema mecânico
devido a deformação plástica de um de seuscomponentes
Energia necessária para deformar o material plasticamente
a, resiliência b, tenacidade
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Propriedades Mecânicas Típicas de Metais e Ligas
Liga metálica
Módulo do elasticidade, E
(GPa)
Coeficiente de Poisson,
ν
Limite de escoamento, LE
(MPa)
Limite de resistência, LR
(MPa)
Ductilidade, AL
(%)
Alumínio 69 0,33 35 90 40
Cobre 110 0,34 69 200 45
Latão (70Cu-30Zn
97 0,34 75 300 68
Níquel 207 0,31 138 480 40
Aço 207 0,30 180 380 25
Titânio 107 0,34 450 520 25
Comportamento Elástico após Deformação Plástica
Dureza
• Resistência à deformação localizada (ao risco ou à formação de uma marca permanente)– Área, profundidade ou largura da
impressão residual (marca ou risco) medida e correlacionada com um valor numérico (dureza do material)
– Vários métodos de dureza com aplicações específicas recomendáveis
– Faixa de cargas de 100 N – 0,1 mN– Penetradores com formato padronizado– Condições específicas de pré-carga e
carga– Correlação entre dureza e resistência
mecânica– Tabela de conversões de durezas
Métodos para determinar a dureza
• Dureza por risco
• Dureza dinâmica por rebote
• Dureza quase-estática por penetração
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Dureza por risco
• Habilidade de um material de riscar outro material ou de ser riscado
por outro sólido
• Pouco utilizado nos materiais metálicos
• Maior aplicação no campo da mineralogia
• Ensaios de dureza por risco
– Dureza Mohs
– Diamante (10) risca todos o outros minerais
– Zafira (9) risca os que seguem
– Talco - Silicato de Magnésio (1)
– Metais (4 - 8)
Dureza por rebote
• Energia de deformação consumida para formar a marca
• Altura alcançada no rebote de um êmbolo com ponta de diamante
• Ensaios de dureza por rebote
– Dureza Shore
• Peças grandes
• Ensaios em campo
• Altas temperaturas
Dureza por penetração (ou indentação)
• É uma medida da deformação plástica essencialmente e da
deformação elástica em menor extensão
• Calculada pela carga máxima dividida pela área da impressão
• Depende do tempo de carregamento, temperatura e de outras
condições do meio de operação
Faixas de cargas do ensaio de indentação
100 N 10 mN 0,1 µµµµN
Macrodureza Microdureza Nanodureza
1 mN10 N
Independente da carga Dependente da carga
Deformação plástica predominante
Influência significativa da deformação elástica
500 µm 5 - 20 nm2 - 20 µm
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Escalas – Método - Penetradores
Dureza Convencional“Indentação Convencional”
Indentação Instrumentada“Dureza Instrumentada”
Dureza
Escala Cálculo
Macro Micro NanoConven-cional
Analítico
MOMOMEV
MEVAFM
Macro Micro Nano
BrinellRockwellVickers
VickersKnoop
BerkovichVickers
Cúbico...
Curvas P-h
Dureza convencional
IndentaçãoInstrumentada
Macrodureza convencionalBrinell (# HB)
• Indentador esférico
• Aço temperarado (HBs)
• WC (HBw)
• Ensaio
– 1 – 15 s
– Tabela de valores
• ASTM E-10-93/ NBR 6394
• Aplicações
– Componentes fundidos, forjados e laminados
)dDD)(D(
P2102,0HB22 −−
=π
P (N)D (mm2)
Macrodureza convencionalRockwell (# HR”C”)
• Indentador
– Esfera de aço
– Cone de diamante
• Ensaio
– Comum
– Superficial
– Tabela de valores
• ASTM E-18-94/ NBR 6671
• Aplicações
– Metais(ferrosos, não ferrosos, forjados fundidos), plásticos, borracha, madeira
– Superfícies
Profundidade de penetração é correlacionada a um número (leitura direta na escala da máquina)
)pp()CC(HR 021 −−−−−−−−−−−−====
Macrodureza convencionalVickers (# HV)
• Indentador
– Pirâmide de diamante
• Ensaio
– HV independe da carga
– Tabelas de conversão
• NBR 66-72
• Aplicações
– Metais
– Corpos-de-prova finos,
pequenos e irregularesP (N; kfg)D (mm2)
2
2
d
P189,0
d
)2/(senP22102,0HV
====
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅====
θθθθ
HV (kfg/mm2) ou GPa
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Correlação entre dureza e resistência mecânica
• Dureza Brinell
– Estimativa da resistência de um
material
– Correlação usada quando não se
dispõe de um máquina de
ensaio de tração ou situação
inversa
– Aplicável para HB < 380
α ≈ 3,6 – 5,20
• Dureza Vickers
– A dureza pode também ser correlacionada com o limite de proporcionalidade
β ≈ 0,3 – 3,0
HBu αααασσσσ ====
HVp ββββσσσσ ====
Conversão de dureza Rockwell em dureza Brinell
)dDD)(D(
P2102,0HB22 −−
=π
)pp()CC(HR 021 −−−−−−−−−−−−====
)HB(DPP
CCHR 021
ππππ
−−−−−−−−====
Tabela de conversões de dureza
Rockwell CHRC
BrinellHB
VickersHV
65 739 832
50 481 513
25 253 266
Microdureza convencionalVickers e Knoop
• Determinação da dureza de pequenas áreas do corpo-de-
prova
– Gradiente de dureza de camadas superficiais (tratamento térmico),
revestimentos, tintas
– Microconstituintes
– Zona termicamente afetada (ZTA) em soldas
– Materiais frágeis (vidro)
• Ensaio
– Penetradores de diamante
– Microscópio óptico
– Cargas menores que 1 kgf
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Microdureza convencionalVickers e Knoop
22p l
P23,14
cl
PAPHK ============
(d1:d2=1:1)
Knoop
Vickers
2
2
d
P189,0
d
)2/(senP22102,0HV
====
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅====
θθθθ
(l:b = 7:1)
Microdureza de microconstituintes
A
A – Bainita - 458 HV
HV (50 gf)HV 0,5
B – Austenita - 434 HV
B
C – Martensita - 539 HV
C
E – Perlita - 390 HV
E
D – Carboneto M7C3 -1730 HV
D
Resumo
• Várias propriedades mecânicas dos metais podem ser obtidas através dos ensaios de tensão-deformação– Módulo de elasticidade– Coeficiente de Poisson– Limite de escoamento– Limite de resistência– Tenacidade
• A dureza é outra propriedade mecânica importante– Brinell– Rockell– Vickers– Knoop