Aula 07 __propriedades_mecanicas_dos_metais

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS

CMA – CIÊNCIA DOS MATERIAIS 2º Semestre de 2014

Prof. Júlio César Giubilei Milan


Materiais – Sujeitos a forças e cargas

• Liga de Al da asa de um avião

Propriedades mecânicas (Ashby, 2007)

Materiais – Sujeitos a forças e cargas

• Aço do eixo de um automóvel

Carga → deformação (não deve ser excessiva / fratura)

Comportamento mecânico → resposta ou deformação a uma carga aplicada


Propriedades importantes → resistência, dureza, ductilidade, rigidez

Propriedades avaliadas através de experimentos de laboratório

• Natureza da carga aplicada •Tração • Compressão • Cisalhamento

• Duração da aplicação • Condições ambientais


Técnicas de ensaio padronizadas

Engenheiro de materiais e metalúrgicos → produção e fabricação de materiais para atender a condições de serviço.

Microestrutura X propriedades mecânicas


Se uma carga estática ou que se altera lentamente é aplicada sobre uma seção reta ou superfície → comportamento mecânico verificado num simples ensaio de tensão-deformação.


a) Tração -

Fig. - Maneiras principais segundo as quais uma carga pode ser aplicada. (Callister, 2007)


c) Cisalhamento – envolve tensões que tendem a causar deslizamento a porções adjacentes do material

b) Compressão -

d) Torção -

ENSAIOS DE TRAÇÃO

Ensaio mais comum → tração (avaliar diversas propriedades mecânicas).

Fig. Corpo de prova padrão para ensaios de tração com seção reta circular


Máquina de ensaio de tração

• Carga axial gradativamente aplicada;

• medição contínua com células de carga;

• Alongamento a taxa constante;

• medição com extensômetro;

• Ensaio destrutivo;

• Corpo de prova padronizado;



Representação esquemática do dispositivo usado para conduzir ensaios tensão-deformação por tração.



Equipamento que mede as propriedades mecânicas de metais usando forças de tração.


Para minimizar fatores geométricos, carga e alongamento são normalizados

Tensão de engenharia

Deformação de engenharia

0A

F

00

0

l

l

l

lli


Unidades

Tensão

ou

Deformação

Adimensional

%

2m

N2pol

lbf

MPa psi

mm / polpol/


ENSAIOS DE COMPRESSÃO

Semelhante ao ensaio de tração → Forças compressivas

Convenção → Forças compressão (negativa)

Ensaios de tração são mais comuns


ENSAIOS DE CISALHAMENTO E TORÇÃO

Forças Puramente cisalhante

Torção é uma variação do cisalhamento puro

• eixos de máquinas de acionamento

• brocas helicoidais

• ensaios em eixos sólidos cilíndricos ou tubos.

0A

F


CONSIDERAÇÕES GEOMÉTRICAS A RESPEITO DO ESTADO DE TENSÕES

O estado de tensão é uma função

das orientações dos planos sobre

os quais as tensões atuam

2

2cos1cos' 2

2

2cos'

sensen


COMPORTAMENTO TENSÃO-DEFORMAÇÃO

O grau que uma estrutura se deforma ou se esforça depende da magnitude da tensão imposta.

Para maioria dos metais (tensão de tração)

= (Lei de Hooke)

Módulo de elasticidade

Módulo de Young

E = 45 GPa (Mg) a 407 GPa (W)


DEFORMAÇÃO ELÁSTICA

Módulo de elasticidade pode ser considerado como sendo uma rigidez, ou uma resistência do material à deformação elástica.

Quanto maior E – menor a deformação que resultará da aplicação de uma tensão


• Módulo de elasticidade pode ser considerado como sendo uma rigidez, ou uma resistência do material à deformação elástica.

• Quanto maior E – menor a deformação que resultará da aplicação de uma tensão.

• Importante parâmetro de projeto utilizado para calcular flexões elásticas.


• Deformação não permanente;

• Pequena alteração no espaçamento interatômico e na extensão de ligações interatômicas;

• ECERÂMICAS > EMETAIS > EPOLÍMEROS

• Aumento da temperatura → Redução do E;


Módulo de elasticidade em função da temperatura para tungstênio, aço

e alumínio


Tensão de compressão também induz comportamento elástico

•

• = G

Deformação de cisalhamento

Módulo de cisalhamento


ANELASTICIDADE

• Maioria dos materiais → componente de deformação elástica que é dependente do tempo.

ANELASTICIDADE → necessidade de tempo para recuperação completa, ou seja, retornar ao estado inicial sem deformação.

• Para metais → componente anaelástica é pequena e geralmente desprezada.

• Polímeros → magnitude significativa (comportamento viscoelástico).


• Uma tensão de tração → deformação na direção da tensão.

Alongamento axial (z) (deformação positiva) e contrações laterais (x e y) em resposta à imposição de uma tensão de tração.


• Constrição nas direções laterais (x e y) perpendiculares a direção de tensão aplicada.

• Contrações → deformações compressivas x e y determinadas.

• Se o material for isotrópico e a tensão uniaxial → x = y

• Coeficiente de poison → definido como a razão entre as deformações lateral e axial.

z

y

z

x

Metais e ligas

varia de 0,25 – 0,35


• Para materiais isotrópicos

• Para maioria dos materiais

1.2GE

EG .4,0


DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

• Corresponde a quebra de ligações com átomos vizinhos originais e em seguida formação de novas ligações com átomos vizinhos;

• Mecanismo de deformação é diferente para materiais cristalinos e amorfos;

• Sólidos cristalinos → escorregamento;


(a) Comportamento tensão-deformação típico para um metal, mostrando deformação

elástica e plástica, o limite de proporcionalidade P e limite de escoamento e, conforme

determinado pelo método da pré-deformação de 0,002 (b)


ESCOAMENTO E LIMITE DE ESCOAMENTO

• Ponto de escoamento → onde ocorre o afastamento inicial da linearidade na curva tensão-deformação →

limite de proporcionalidade;

• Pré-deformação específica de 0,002 → tensão limite de escoamento (e);

• Tensão limite de escoamento representa uma medida da sua resistência a deformação plástica

• Al baixa resistência → 35 MPa

• Aços de elevada resistência → 1400 MPa


LIMITE DE RESISTÊNCIA A TRAÇÃO

• Limite de resistência a tração, LTR, é a tensão no ponto máximo da curva tensão-deformação de engenharia.

• Empescoçamento →

• A resistência a fratura corresponde à tensão aplicada quando da ocorrência da fratura.

• LRT pode variar:

• 50 MPa para um alumínio

•3000 MPa para aços de elevada resistência

* Valores usados em projetos → tensão limite de escoamento


Curva típica Tensão-Deformação de Engenharia em um ensaio de tração de um metal.


Comportamento típico da curva tensão-deformação de engenharia até a fratura do

material, ponto F. Limite de resistência a tração, LTR, está indicado no ponto M.


Ensaios de tração para cerâmicas são difíceis – ensaios alternativos são usados

para medir a resistência destes materiais frágeis.

Polímeros diferem dos metais e cerâmicas nas propriedades de resistência

devido a viscoelasticidade.


DUCTILIDADE

• Representa uma medida do grau de deformação plástica que foi suportado quando da fratura;

• Pode ser expressa como:

• alongamento percentual

• redução de área percentual

100.%0

0

l

llAl

f

100.%0

0

A

AARA

f


DUCTILIDADE

• Importância

• Fornece ao projetista uma indicação do grau segundo o qual uma estrutura irá se deformar plasticamente antes de se fraturar;

• especifica o grau de deformação permissível durante operações de fabricação

• Materiais frágeis, em geral, deformação de fratura < 5%.

• E → insensível a tratamentos térmicos, pré-deformação ou impurezas.


Representações esquemáticas do comportamento tensão-deformação em tração para

materiais frágeis e materiais dúcteis carregados até a fratura.


Tabela - Propriedades mecânicas típicas de vários metais e ligas em estado recozido


Figura – Comportamento tensão-deformação de engenharia para o ferro em três

temperaturas diferentes.


RESILIÊNCIA

• Capacidade de um material absorver energia quando ele é deformado elasticamente e, depois, com o descarregamento, ter sua energia recuperada.

Módulo de resiliência, Ur representa a energia de deformação por unidade de volume exigida para tensionar um material desde um estado de ausência de carga até a sua tensão limite de escoamento.

e

dUr

0

.


RESILIÊNCIA

e

dUr

0

.

Supondo uma região elástica linear eerU .2

1

Materiais resilientes → limite de escoamento

elevado → módulo de elasticidade

pequeno MOLA

EEU Ee

eeer2

.2

1.

2

1 2


Representação esquemática mostrando como o módulo de resiliência (que

corresponde à área sombreada) é determinado a partir do comportamento

tensão-deformação em tração do material.


TENACIDADE

• Representa uma medida da habilidade de um material em absorver energia até a sua fratura

• geometria dos corpos de prova;

• forma como a carga é aplicada

• Carregamento dinâmico.

Tenacidade ao entalhe

• Carregamento estático.

Gráfico -

Área sob a curva - até a fratura.


TENSÃO VERDADEIRA E DEFORMAÇÃO VERDADEIRA

Redução de

área na

região do

pescoço

0A

F

Área inicial

da seção

reta (não

considera

deformação

e redução

de área).


TENSÃO VERDADEIRA E DEFORMAÇÃO VERDADEIRA

• Tensão verdadeira → v

• Deformação verdadeira → v

i

vA

F

0

lnl

liv

Área da seção reta instantânea sobre a qual

a deformação está ocorrendo


RECUPERAÇÃO ELÁSTICA DURANTE UMA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

Deformações compressiva, cisalhante e torcional

Compressão → não existe valor máximo → não há formação de pescoço → modo de fratura diferente

Figura – Diagrama esquemático tensão-deformação em tração mostrando os fenômenos de recuperação da deformação elástica e encruamento.


DUREZA

Medida da resistência de um material a uma deformação plástica localizada (impressão ou risco).

Escala Mohs → qualitativa, um tanto arbitrária

1 (talco) – 10 (diamante)


DUREZA

Técnicas quantitativas

• Penetrador forçado contra superfície sob condições controladas de carga e taxa de aplicação

profundidade, ou

tamanho da impressão.

Valores são relativos e não absolutos

CUIDADO ao comparar durezas determinadas por técnicas diferentes


DUREZA

• Ensaios simples e barato

• Ensaios não destrutivos

• Outras propriedades mecânicas podem ser estimadas

• Em geral, nas medições de macrodureza a carga aplicada é superior a 2 N

• Os ensaios mais utilizados são: Rockwell e Brinell


Tabela – Técnicas de ensaio de dureza

2/mmkgf


ENSAIO ROCKWELL

• Várias escalas

penetrador

piramidal diamante

esfera 1/16 ”

esfera 1/8 ”

Carga

60 kgf

100 kgf

150 kgf

Diferença de profundidade entre carga e pré carga (10 kgf)

* No resultado deve se especificar o número e o símbolo da escala

• ex.: 50 HRC

Rockwell superficial

Pré carga: 3 kgf

Cargas: 15 kgf

30 kgf

45 kgf

Corpos de prova finos e

delgados


ENSAIO ROCKWELL

• Escalas

Tabela – Escalas de dureza Rockwell.

Tabela – Escalas de dureza Rockwell superficial.


ENSAIO BRINELL

• penetrador esférico (aço ou metal duro)

Ø 10 mm (penetrador)

Carga 500 e 3000 kgf

Tempo de aplicação: 10 e 30 s

superfície lisa e plana

ex.: 150 HB

22.

.2

dDDD

PHB

Carga

Diâmetro da impressão

Diâmetro do penetrador


Tabela – Condições de testes de dureza e aplicações típicas

Teste Penetrador Carga (Kgf) Aplicação

Brinell Esfera de 10 mm 3.000 Ferro fundido e aço

Brinell Esfera de 10 mm 500 Ligas não ferrosas

Rockwell A Cone de diamante 60 Materiais muito duros

Rockwell B Esfera de 1/16 pol 100 Latão, aço de baixa resistência

Rockwell C Cone de diamante 150 Aço de alta resistência

Rockwell D Cone de diamante 100 Aço de alta resistência

Rockwell E Esfera de 1/8 pol 100 Materiais muito macios

Rockwell F Esfera de 1/16 pol 60 Alumínio, materiais macios

Vickers Pirâmide de diamante 10 Todos os materiais

Knoop Pirâmide de diamante 0,5 Todos os materiais


ENSAIO KNOOP E VICKERS

• penetrador de diamante (piramidal)

Carga 1 – 1000 gf

Deve ser realizada uma preparação da superfície


DUREZA POR REBOTE

• É um ensaio dinâmico cuja impressão na superfície do

material é causada pela queda livre de um êmbolo com

uma ponta padronizada de diamante e peso conhecido.

• O valor da dureza é proporcional à energia de deformação

consumida para formar a marca no material ou corpo de

prova, e representada pela altura alcançada no rebote do

êmbolo por meio de um número.

• material dúctil consome mais energia altura

menor do êmbolo no retorno dureza menor.

• material frágil consome menos energia altura

maior do êmbolo no retorno dureza maior.


DUREZA POR REBOTE

• Método muito usado na determinação de dureza de

materiais metálicos finais ou acabados (dividido em escalas

de acordo com as durezas dos materiais).

• Equipamento Shore leve e portátil adequado a peças

grandes (ex.: cilindro de laminador, trens de pouso de avião

e ensaios em campo).

• Marca superficial é pequena indicado no levantamento

de dureza de peças acabadas

• Facilidade de aplicação em condições adversas ex.:

altas temperaturas.


DUREZA POR REBOTE


Figura – Esboço de equipamentos de rebote utilizados na determinação das durezas Shore C e D.

CONVERSÃO

DE DUREZA

Figura – Comparação entre várias escalas

de dureza.


CORRELAÇÃO ENTRE DUREZA E O LIMITE DE RESISTÊNCIA A TRAÇÃO

• Limite de resistência a tração e a dureza são indicadores da resistência de um material a deformação plástica.

• Proporcionais

• Para maioria dos aços • LRT (MPa) = 3,45 HB

• LRT (Psi) = 500 HB

Figura – Relação entre dureza e resistência a tração para aço, latão e ferro fundido.


VARIABILIDADE NAS PROPRIEDADES DOS MATERIAIS

• Fatores de incerteza dos dados medidos: • Método de ensaio;

• Variações nos procedimentos de fabricação dos corpos de prova;

• Influências do operador;

• Calibração dos equipamentos;

• Falhas na homogeneidade.

• Probabilidade da liga apresentar falhas sob dadas circunstâncias?

• Valor típico desejável (média dos dados).


FATORES DE PROJETO/SEGURANÇA

• Cálculos de carga são aproximados

• Variabilidade das propriedades mecânicas

→ devem ser introduzidas folgas no projeto

• p – tensão de projeto

• c – nível de tensão calculado

• N’ – fator de projeto

• t – tensão admissível ou tensão de trabalho

• e – limite de escoamento

• N – fator de segurança

cp N .'

Ne

t

N muito grande →

SUPERDIMENSIONADO

N → 1,2 e 4


A partir do comportamento tensão-deformação em tração para o corpo de prova de latão (figura abaixo) determine:

a) O módulo de elasticidade. b) A tensão limite de escoamento para uma pré deformação de 0,002. c) A carga máxima que pode ser suportada por um corpo de provas cilíndrico que

possui um diâmetro original de 12,8 mm. d) A variação no comprimento de um corpo de provas originalmen- te com 250 mm de comprimento e que foi submetido a uma tensão de tração de 345 MPa.

PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS - Exercício

Os dados a seguir foram coletados em um corpo de prova padronizado, com 1,283 cm de diâmetro, referente a uma liga de cobre (comprimento inicial l0 = 5,08 cm):

Carga (N)

l (cm)

0 0,0000

13.345 0,00424

26.680 0,00846

33.362 0,01059

40.034 0,02286

46.706 0,1016

53.379 0,66

55.158 1,27 (carga máxima)

50.170 2,59 (fratura)

Depois da fratura, o comprimento total era de 7,655 cm, com um diâmetro de 0,950 cm. Construa o gráfico tensão-deformação e calcule o limite convencional de escoamento de 0,2 %, com (a) o limite de resistência à tração; (b) o módulo de elasticidade; (c) o alongamento percentual; (d) a redução percentual de área; (e) a tensão de engenharia na fratura; (f) a tensão verdadeira na fratura; e (g) o módulo de resiliência.

PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS - Exercício

Aula 07 __propriedades_mecanicas_dos_metais

Science

Transcript of Aula 07 __propriedades_mecanicas_dos_metais