Aula 6 Propriedades Dos Materiais Parte I

02/05/2012

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MATERIAIS E SUAS PRINCIPAIS PROPRIEDADES

Disciplina: Tecnologia dos Materiais

Professoras: M.Sc. Luana Sena

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Introdução

Todo Engenheiro está rotineiramente interessado nos materiais que lhes são disponíveis.

Qualquer que seja o seu produto (edifício, computador, veículo espacial), o engenheiro deve ter um largo conhecimento das propriedades características do comportamento dos materiais que vai usar.

Estudar tais propriedades significa, em um primeiro momento, observar criticamente os fenômenos que nos cercam e questionar por que ocorrem.

Objetivo

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Introduzir os conceitos básicos associados com as

propriedades mecânicas dos materiais;

Avaliar fatores que afetam as propriedades

mecânicas dos materiais;

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

POR QUÊ ESTUDAR?

• A determinação e/ou conhecimento das propriedades

mecânicas é muito importante para a escolha do material para

uma determinada aplicação, bem como para o projeto e

fabricação do componente.

• As propriedades mecânicas definem o comportamento do

material quando sujeitos à esforços mecânicos, pois estas

estão relacionadas à capacidade do material de resistir ou

transmitir estes esforços aplicados sem romper e sem se

deformar de forma incontrolável.

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Muitos materiais, quando em serviço, estão sujeitos a

forças ou cargas;

Exemplos:

• O aço no eixo de um automóvel;

• a liga de alumínio a partir da qual a asa de um avião é

construída.

Aviões utilizam ligas de alumínio de

alta resistência e materiais

compósitos reforçados com fibras

de carbono e kevlar.

Importância do estudo do

comportamento de mecânico de materiais

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Os materiais utilizados em esportes

precisam ser leves, rígidos, resistentes

e tenazes. Os ensaios mecânicos

permitem avaliar estas propriedades.

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Ao fazer a sua escolha, o Engenheiro deve levar em conta

propriedades tais como:

• resistência mecânica;

• condutividade elétrica e/ ou térmica;

• densidade, entre outras.

Além disso, deve considerar:

• o comportamento do material durante o processamento e o

uso (plasticidade, estabilidade elétrica, durabilidade química,

etc),

• custo e disponibilidade.

Com que critério é feita a escolha do material

adequado para uma determinada peça?

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Exemplo:

Os pára-lamas dos automóveis, devem ser

confeccionados com um metal que seja facilmente

moldável, mas que deverá resistir à deformação por

impacto.

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Exemplo:

Materiais usados na manufatura de um automóvel

• Ferro

• Aço

• Vidro

• Plástico

• Borracha etc.

Somente para o aço há cerca de 2000 (dois mil) tipos

de modificações.

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É impossível para o Engenheiro ter um conhecimento detalhado dos muitos milhares de materiais disponíveis, assim como manter-se informado dos novos desenvolvimentos.

Deve ter um conhecimento adequado dos princípios gerais que governam as propriedades de todos os materiais.

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São as que se relacionam com o comportamento dos

materiais metálicos, quando sujeitos a cargas externas.

Elas representam a resistência dos materiais metálicos

quando solicitados por cargas e são expressas em

termos de tensão e/ ou deformação.

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As principais propriedades mecânicas dos materiais

metálicos são:

resistência mecânica

resistência ao impacto

resistência à fadiga

dureza

plasticidade ou ductilidade

tenacidade.

Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade do material de resistir às forças mecânicas e/ou de transmiti-las.

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Como determinar as propriedades

mecânicas?

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• A determinação das propriedades mecânicas é feita através de ensaios mecânicos.

• Utiliza-se normalmente corpos de prova (amostra representativa do material) para o ensaio mecânico, já que por razões técnicas e econômicas não é praticável realizar o ensaio na própria peça, que seria o ideal.

• Geralmente, usa-se normas técnicas para o procedimento das medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os resultados sejam comparáveis.

Normas técnicas

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As normas técnicas mais comuns são elaboradas pelas:

• ASTM (American Society for Testing and Materials)‏

• ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas)‏

Ensaios Mecânicos

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Há inúmeros tipos de ensaios que os materiais podem

ser submetidos, sendo que em muitos casos um mesmo

teste pode fornecer dados sob uma ou mais

propriedades mecânicas.

Por melhor que seja as condições do ensaio, o resultado

obtido não refletirá exatamente o que você obterá

quando o projeto for colocado em serviço.

Ensaios Mecânicos

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A única forma de solucionar esta situação seria

ensaiando um protótipo real do sistema que você

projetou, porém em muitos casos isto não seria possível

(Inviável financeiramente). Vale lembrar que é

responsabilidade do engenheiro garantir a segurança de

seu projeto.

Ex.: Fabricantes de aviões, automóveis entre outros

testam o conjunto acabado sob condições de serviços

reais ou simuladas.

Ensaios Mecânicos

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Hoje em dia, empresas fornecedoras de materiais realizam

testes internos de qualidade dos materiais e oferecem ao

mercado produtos com garantia ou selos de qualidade.

Esta garantia informa por exemplo, valor mínimo de

determinadas propriedades que um determinado material

apresenta.

Testes mais comuns para se determinar as

propriedades mecânicas dos metais

• Resistência à tração

• Resistência à compressão

• Resistência à torção

• Resistência ao flexão

• Dureza

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Tipos de tensões que uma estrutura está

sujeita

Resistência à tração

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O ensaio de tração é um dos mais importantes testes

destrutivos para a determinação de propriedades

mecânicas.

A resistência à tração é medida submetendo-se

o material à uma carga ou força de tração,

gradativamente crescente, que promove uma

deformação progressiva de aumento de

comprimento.

NBR-6152 para metais.


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Procedimento de ensaio: Um corpo de prova

padronizado é submetido à uma carga de tração

constante e de forma lenta, sob a ação desta

força, o corpo de prova começa a se deformar, a

deformação progressiva do corpo de prova faz

com que haja uma diminuição da área da seção

transversal de tal forma que este não suporta a

carga aplicada e rompe-se.

Tração

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Ensaio de Tração

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A partir da curva de tensão (σ) vs deformação (ε) pode-se

obter os seguintes ensaios:

• Máxima tensão e deformação;

• Tensão e deformação de fratura;

• Tensão de escoamento;

• Limite de proporcionalidade e de elasticidade;

• Módulo de elasticidade;

• Resiliência e tenacidade;

RESITÊNCIA À TRAÇÃO TENSÃO () X Deformação ()‏

= F/Ao Kgf/cm2 ou Kgf/mm2 ou N/ mm2

Como efeito da aplicação de uma tensão tem-se a deformação (variação dimensional).

A deformação pode ser expressa:

•O número de milímetros de deformação por milímetros de comprimento

• O comprimento deformado como uma percentagem do comprimento original

Deformação()= lf-lo/lo= l/lo

lo= comprimento inicial

lf= comprimento final

Força ou carga

Área inicial da seção reta transversal Tensão de

engenharia

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Exemplo 01:

Nas alternativas abaixo, qual a peça

solicitada por maior tensão?

a) Uma barra de alumínio, de seção retangular de

0,97 cm x 1,21 cm solicitada por uma carga de

tração 16,75 kgf.

b) Uma barra de aço de seção circular de

diâmetro 0,505 cm, sob uma carga de10,8 kgf.

Comportamento dos metais quando

submetidos à tração


Dentro de certos limites,

a deformação é proporcional

à tensão (a lei de Hooke é

obedecida)‏

Lei de Hooke: = E

Resistência à Tração

Resistência à Tração (Kgf/mm2)‏

• Corresponde à tensão máxima aplicada ao material antes da ruptura

• É calculada dividindo-se a carga máxima suportada pelo material pela área de seção reta inicial

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Como efeito da tensão, tem-se a “deformação”.

Pode ser:

Elástica

Plástica

É expressa em uma das duas maneiras:

O número de centímetros de deformação por centímetros do comprimento, ou

O comprimento deformado como uma percentagem do comprimento original.

Deformação Elástica e Plástica

DEFORMAÇÃO ELÁSTICA • Prescede à deformação

plástica

• É reversível

• Desaparece quando a tensão é removida

• É praticamente proporcional à tensão aplicada (obedece a lei de Hooke)‏

DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

• É provocada por tensões que ultrapassam o limite de elasticidade

• É irreversível porque é resultado do deslocamento permanente dos átomos e portanto não desaparece quando a tensão é removida

Elástica Plástica

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Deformação Elástica

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Módulo Elástico ou de Young

É o quociente entre a tensão aplicada e a deformação

elástica resultante. Ele está relacionado com a “rigidez do

material”.

O valor deste módulo é em função da composição do

material e é apenas indiretamente relacionado com as

demais propriedades mecânicas.

Esta característica, resultante dos ensaios de tração ou

compressão é expressa em kgf/mm2 ou em Pa.

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Módulo Elástico ou de Young

Módulo de elasticidade para alguns metais

Quanto maior o módulo de elasticidade mais rígido é o material ou menor é a sua deformação elástica quando aplicada uma dada tensão

MÓDULO DE ELASTICIDADE

[E]

GPa 106 Psi

Magnésio 45 6.5

AlumÍnio 69 10

Latão 97 14

Titânio 107 15.5

Cobre 110 16

Níquel 207 30

Aço 207 30

Tungstênio 407 59

Considerações gerais sobre

módulo de elasticidade Como consequência do módulo de elasticidade

estar diretamente relacionado com as forças

interatômicas:

• Os materiais cerâmicos tem alto módulo de

elasticidade, enquanto os materiais poliméricos

tem baixo.

• O módulo de elasticidade dos metais se

encontra em um nível intermediário entre os

módulos dos materiais cerâmicos e dos

poliméricos.

Exemplo 2

= E. = E.L/L0 => L = L0/E

E é obtido de uma tabela ECu = 110 x 103 MPa

Assim: L = 276 MPa x 305 mm/110 x 103 MPa = 0,77 mm

Uma peça de cobre de 305 mm é tracionada com uma tensão de

276 MPa. Se a deformação é totalmente elástica, qual será o

alongamento ? Sendo o modulo de elasticidade do cobre igual a

110 GPa.

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Deformação Plástica É a deformação permanente provocada por tensões que

ultrapassam o limite de elasticidade.

A deformação plástica é o resultado de um deslocamento permanente dos átomos que constituem o material e, portanto, difere da deformação elástica onde os átomos mantêm suas posições relativas.

A figura 02 abaixo mostra a relação plástica tensão – deformação. A deformação plástica que se segue à deformação elástica inicial não é reversível. A deformação elástica continua a aumentar durante a deformação plástica, mas é reversível.

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Deformação Plástica

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Curva de Tensão – Deformação

Dentre as várias formas de analisar o

comportamento mecânico de um material, a

análise da curva “tensão x deformação”

apresenta-se como uma das mais

adequadas, principalmente se o material for

utilizado sob carregamento estático (tração

ou compressão).

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Como quase todo padrão, a curva apresentada

representa um comportamento ideal, onde o

material deforma-se inicialmente de forma

elástica, passa por uma região de escoamento e

se deforma plasticamente antes da ruptura.

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Exemplo 03:

Em uma haste de cobre são marcados dois traços

que distam entre si, 50 mm. A haste é tencionada

de forma que a distância entre os traços passa a

ser de 56,7 mm. Calcular a deformação.

Exemplo 04

Se o Módulo Médio de Elasticidade de um aço é

21.000 kgf/mm2, quanto se elongará um fio de

0,25 cm de diâmetro e de 3,0 m de comprimento,

quando solicitado por uma carga de 500 kgf.

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