Por que estudar as propriedades mecânicasdos metais ?

É obrigação dos Engenheiros e Técnicos compreender como as várias

propriedades mecânicas são medidas e o que essas propriedades

representam; elas serão necessárias para projeto de

estruturas/componentes.

O conhecimento dessas propriedades é importante para que não ocorram

falhas e/ou níveis inaceitáveis de deformação.

PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS

LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO – MÁXIMA TENSÃO DETRAÇÃO QUE PODE SER SUPORTADA SEM QUE HAJAFRATURA.

LIMITE DE ESCOAMENTO – TENSÃO NECESSÁRIA PARAINICIAR A DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DE UM MATERIALTRACIONADO.

DUCTILIDADE – CAPACIDADE DE UM MATERIAL DEFORMARELASTICAMENTE SEM SOFRER FRATURA.

PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS

TENACIDADE – QUANTIDADE DE ENERGIA ABSORVIDA PORUM MATERIAL À MEDIDA QUE SE FRATURA (DEFORMAÇÃOPLASTICA).

DUREZA – MEDIDA DE RESISTÊNCIA DE UM MATERIAL ÀDEFORMAÇÃO PELA INDENTAÇÃO DA SUA SUPEFÍCIE OUPOR ABRASÃO.

RESILIÊNCIA – CAPACIDADE DE UM MATERIAL EM ABSORVERENERGIA QUANDO ELE É DEFORMADO ELASTICAMENTE.

Considerações - Ensaio de TraçãoEnsaio amplamente utilizado na indústria de componentes

mecânicos como teste para controle das especificações da entrada de

matéria-prima.

Ensaio relativamente simples e de realização rápida além de

fornecer informações significativas para o projeto e fabricação de peças e

componentes.

Consiste na aplicação de carga de tração uniaxial crescente em

corpo-de-prova até a ruptura.

Objetivo compreender como reage o material devido aos esforços de

tração, avaliando as deformações, limites de resistência e a ruptura do material.

Definição do Ensaio de Tração

O ensaio de tração consiste em submeter o material a umesforço que tende a alongá-lo até a ruptura. Os esforços oucargas são medidos na própria máquina de ensaio.

No ensaio de tração o corpo é deformado poralongamento, até o momento em que se rompe.

Os ensaios de tração permitem conhecer como osmateriais reagem aos esforços de tração, quais os limites detração que suportam e a partir de que momento se rompem.

Deformação Antes da RupturaImagine um corpo preso numa das extremidades, submetido a uma força,como na ilustração ao lado. Quando esta força é aplicada na direção doeixo longitudinal, se diz que se trata de uma força axial.

Observe novamente a ilustração anterior. Repare que a força axial estádirigida para fora do corpo sobre o qual foi aplicada. Quando a força axialestá dirigida no sentido mostrado, trata-se de uma força axial de tração.

A aplicação de uma força axial de tração num corpo preso produz umadeformação, isto é, um aumento no seu comprimento com diminuição daárea da seção transversal.

Fatores de influênciaOs resultados fornecidos pelo ensaio de tração são fortementes

influenciados pela:

Composição química da liga (AISI 1020, AISI 1040...)

Temperatura do ensaio

Velocidade de deformação

Anisotropia do material (é a característica que uma substância possui em que uma certa propriedade física varia com a direção).

Tamanho de grão

Tratamento térmico

Influência da Composição QuímicaQuanto maior a quantidade de carbono existente no aço maior a sua resistência mecânica e, conseqüentemente, menor a sua ductilidade e tenacidade.

Influência da temperatura e da taxa de deformação no ensaio de tração

Aumento de resistência e perda de ductilidade embaixas temperaturas.

Influência da temperatura no ensaio detração

AnisotropiaEM MATERIAS DEFORMADOS TERMOMECANICAMENTE (LAMINAÇÃO,

FORJAMENTO, EXTRUSÃO, ETC...) AS PROPRIDADES MECÂNICAS VARIAMDE ACORDO COM A DIREÇÃO.

POR ESTE MOTIVO É IMPORTANTE A DIREÇÃO QUE É EXTRAÍDO O CORPO DEPROVA.

Direção Longitudinal

Direção Transversal Direção

Laminação

AnisotropiaBandeamento microestrutural influencia na resistência a tração. Sentidolongitudinal a direção de laminação possui maior resistência a tração doque no sentido transversal.

Orientação dos Corpos-de-Prova

Ensaio de Tração

alongamento

magnitude da carga aplicada

Máquina do Ensaio

Corpo-de-prova padrão1

1 ASTM Standards E 8 and E 8M, “Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials.”

O comprimento útil é 50 mm.

Os corpos-de-prova também podem ter seção retangular (chapa, placa ou perfil)

Diâmetro padrão 12.8 mm;

Onde o comprimento da seção reduzida deve ser no mínimo 4 vezes seudiâmetro, 60 mm é o valor comum;

Especificações dos Corpos-de-Prova

A parte útil do corpo de prova, identificada no desenho anterior por Lo, é a região ondesão feitas as medidas das propriedades mecânicas do material.As cabeças são as regiões extremas, que servem para fixar o corpo de prova à máquinade modo que a força de tração atuante seja axial. Devem ter seção maior do que a parteútil para que a ruptura do corpo de prova não ocorra nelas.Suas dimensões e formas dependem do tipo de fixação à máquina. Os tipos de fixaçãomais comuns são:Entre as cabeças e a parte útil há um raio de concordância para evitar que a rupturaocorra fora da parte útil do corpo de prova (Lo).Segundo a ABNT, o comprimento da parte útil dos corpos de prova utilizados nos ensaiosde tração deve corresponder a 4 vezes o diâmetro da seção da parte útil.

Especificações dos Corpos-de-ProvaPor acordo internacional, sempre que possível um corpo de prova deveter 10 mm de diâmetro e 50 mm de comprimento inicial. Não sendopossível a retirada de um corpo de prova deste tipo, deve-se adotar umcorpo com dimensões proporcionais a essas.

Corpos de prova com seção retangular são geralmente retirados deplacas, chapas ou lâminas. Suas dimensões e tolerâncias de usinagemsão normalizadas pela ISO/R377 enquanto não existir norma brasileiracorrespondente. A norma brasileira (NBR 6152, dez./1980) somenteindica que os corpos de prova devem apresentar bom acabamento desuperfície e ausência de trincas.

AlongamentoAumento de comprimento que ocorre quando serealiza um ensaio de tração.

Curva Tensão-Deformação Convencional/Engenharia

x

σ

ε

Tipos de Deformação

Deformação elástica: não é permanente. Uma vezcessados os esforços, o material volta à sua formaoriginal.

Deformação plástica: é permanente. Uma vez cessadosos esforços, o material recupera a deformação elástica,mas fica com uma deformação residual plástica, nãovoltando mais à sua forma original.

Curva Tensão-Deformação Convencional/Engenharia

σ

ε

x

σp = σe

σu

1

2

1. Regime elástico – Lei de Hooke σ = Eε

2. Regime plástico – deformações permanentes

Resiliência = área da região 1 da curva

Tenacidade = área total da curva (1+2)

x

Tensão máxima, após ela começa a estricção !

Ruptura !

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Materiais Dúcteis e FrágeisMateriais Dúcteis: Qualquer material que possa ser submetidoa grandes deformações antes da ruptura é chamado dematerial dúctil. Freqüentemente, os engenheiros escolhemmateriais dúcteis para o projeto, pois estes são capazes deabsorver choque ou energia e, quando sobrecarregados,exibem, em geral, grande deformação antes de falhar.

Materiais Frágeis: Os materiais que apresentam pouco ounenhum escoamento são chamados de materiais frágeis.

Tipos de Falhas

Tipos de Falhas(a) Fratura frágil: pouca deformação, superfícies praticamente paralelas

entre si.(b) Fratura muito dúctil: muita deformação, superfícies em forma de

cones.(c) Fratura dúctil: há deformação considerável, porém menor do que no

exemplo (b).

Relações de Tensão e DeformaçãoCom os dados registrados no ensaio, se determina a tensão nominal ou deengenharia dividindo a carga aplicada P pela área da seção transversal inicial docorpo de prova So.

A deformação normal ou de engenharia é encontrada

dividindo-se a variação no comprimento de referência L,

pelo comprimento de referência inicial Lo.

So

P

Lo

L

Módulo de Elasticidade ou Módulo de Youngσ

ε

σp

E

y = a.x σ = E.ε

E = σ / ε

Fornece uma indicação da rigidez do material, e depende fundamentalmente das

forças de ligação interatômica do material;

Varia com a temperatura;

Aumenta com o aumento da temperatura de fusão do material (avaliando materiais

diferentes);

Módulo de Elasticidade ou Módulo de Young

Módulo de Elasticidade ou Módulo de YoungO módulo de elasticidade do aço (Eaço= 210 GPa) é cerca de três vezes maior

que o correspondente para ligas de alumínio (EAl = 70 GPa), conseqüentemente,

quanto maior o módulo de elasticidade, menor a deformação elástica resultante

da aplicação de uma determinada carga.

Coeficiente de Poisson (v):

Esse coeficiente mede a rigidez do material na direção perpendicular à

direção de aplicação da carga uniaxial, considerando εx = εy; O valor

numérico desse coeficiente é determinado conforme segue:

εx

εy

Coeficiente de Poisson (v):

EscoamentoA maioria dos metais apresenta nas curvas tensão/deformação, umatransição do comportamento elástico para o comportamento plástico.

Curva tensão-deformação: não apresenta um limite de escoamento nítido.

Curva tensão-deformação: transição elastoplástica émuito bem definida e ocorre de forma abrupta.

Tensão de EscoamentoO limite de escoamento pode ser contínuo ou descontínuo.

contínuo descontínuo

σp = σeσp

σe = ???

Escoamento ContínuoMetodologia para determinação do limite de escoamento

Adotar a tensão correspondente a umadeformação permanente igual ao valor “n”.

O valor de n pode assumir:

Metais e ligas em geral

n = 0,2 % (e = 0,002);

Cobre e suas ligas

n = 0,5 % (e = 0,005);

Ligas metálicas muito duras.

n = 0,1 % (e = 0,001);

contínuo

0,002

σe

Comportamento tensão-deformação Material Dúctil eFrágil

Corpo de Prova após EnsaioNo ensaio de tração, pode-se observar na superfíciefraturada três regiões distintas, denominadas zonafibrosa, radial e de cisalhamento.

A zona fibrosa, no centro do corpo-de-prova,corresponde à propagação lenta da fratura,predominantemente pelo mecanismo de coalescimentode microcavidades.

Corpo de Prova após EnsaioNa zona radial, predomina a fratura

frágil, de propagação rápida, que produz

marcas radiais na superfície, apontando

para a origem da fratura. A fratura frágil

produz pouca deformação plástica

associada.

A zona de cisalhamento se forma sempre

junto à superfície livre, em conseqüência

da diminuição da seção resistente do

corpo-de-prova. Isto causa a diminuição

de sua rigidez e maior possibilidade de

deformação plástica. Nesta região, nota-

se o coalescimento das microcavidades.

Corpo de Prova após EnsaioUm corpo-de-prova após fratura, num ensaio de tração, apresenta os

aspectos típicos onde a fratura dúctil é denominada “taça e cone”. A zona

fibrosa forma a “taça” e a zona de cisalhamento formando o “cone”.