Ciência dos Materiais Aula 6. Propriedades Mecânicas Parte I

a. Processamentob. Tensão x Deformaçãoc. Ensaios destrutivosd. Propriedades mecânicase. Mecanismos de deformaçãof. Endurecimento e recuperação

ftec!

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.

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

Utiliza-se corpos de prova para o ensaio mecânico, por razões técnicas e econômicas, pois não é praticável em muitos casos realizar o ensaio na própria peça.

Métodos de manufaturaa. Processamento

Fonte: www.ndsm.ufrgs.br Materiais e Processos

http://www.ndsm.ufrgs.br

O processamento da maior parte dos materiais metálicos se inicia com sua fundição em fornos que funcionam como reservatórios para os metais em estado líquido.

(H.F. Taylor, M.C. Flemings and J. Wulff, “Foundry Enqineerinq”, Wiley, 1959, p. 58.)

Fundição em molde permanente. Na metade esquerda do molde, está

representada a peça solidificada com o canal de ataque e o macho metálico. A peça final está representada à frente do

molde.

Canal de ataque

Macho metálico

Peça solidificada

Peça Final

Fundiçãoa. Processamento

(Cortesia da Companhia General Motors.)

(a) Vazamento de uma liga de alumínio em molde permanente. (b) Pistões de uma liga de alumínio depois de serem retirados do molde.(c) Pistão, tratado termicamente e usinado.

Ver o filme sobre processo de fundição:www.youtube.com/watch?v=Pi8m7CVUV8s

Fundiçãoa. Processamento

http://www.youtube.com/watch?v=Pi8m7CVUV8s

Laminação

(H.E. McGannon (ed.), �The Making, Shaping and Treating of Steel�, 9. ed., United States Steel, 1971, p. 677. Cortesia da United States Steel Corporation.)

A laminação a quente e a frio são muito usadas no processamento de metais e de suas ligas, por meio deste processo podem ser obtidas chapas finas ou grossas, com grandes comprimentos e seções transversais uniformes.

Esquema da sequência de operações de laminação a quente para a transformação de um lingote em uma placa, em um trem de laminadores reversível.

(Cortesia da Bethlehem Steel Co.)

a. Processamento

A e x t r u s ã o é u m p r o c e s s o d e conformação plástica, na qual sob a ação de uma tensão elevada, o material é forçado a passar por uma abertura em uma matriz, provocando a redução de sua seção transversal.

Ver o filme sobre processo de extrusão:www.youtube.com/watch?v=oIFCvqDLcz0

(G. Dieter, Mechanical Metallurgy, 2. ed., McGraw-Hill, 1976, p. 639. Reproduzido com permissão da The McGraw-Hill Companies.) Principais *pos de extrusão de metais: (a) direta e (b) inversa

Extrusãoa. Processamento

No processo de forjamento o metal é martelado ou p r e n s a d o n a f o r m a desejada. A maior parte das operações do forjamento é realizada com o material quente, em alguns casos a frio. Podem ser realizados por impacto ou em prensa.

Ver o filme sobre produção das katanas:www.youtube.com/watch?v=LmRCCy7Bta8

Forjamentoa. Processamento

http://www.youtube.com/watch?v=LmRCCy7Bta8

b. Tensão x DeformaçãoTodos materiais quando em serviço estão sujeitos à forças e tensões, por isso é preciso conhecer suas características e projetar de modo que toda deformação que ele venha a sofrer não seja excessiva ou leve o material a fratura.

Algumas dessas características são: resistência, dureza, ductilidade e rigidez.

Para avaliar essas características são feitos ensaios em laboratório, simulando as condições de uso do material.

Tempo e temperatura de realização dos testes são fatores de extrema importância.

O p a p e l d o e n g e n h e i r o d e estruturas é determinar as tensões e suas distribuições em membros que estão sujeitos a cargas bem definidas. Essa avaliação pode ser feita por técnicas experimentais de ensaio ou por meio de análises teór icas e matemát icas das tensões.

Os engenheiros de materiais se preocupam com a produção de m a t e r i a i s p a r a a t e n d e r a s exigências previstas por essas análises de tensão.

Fonte: media-cache-ak0.pinimg.com/originals/b9/4b/2e/b94b2ef472bded9ea8c90ab35e3ae71b.jpg

Fonte: en.wikipedia.org/wiki/Samuel_Beckett_Bridge

b. Tensão x Deformação

http://media-cache-ak0.pinimg.com/originals/b9/4b/2e/b94b2ef472bded9ea8c90ab35e3ae71b.jpg

http://en.wikipedia.org/wiki/Samuel_Beckett_Bridge


a) Tração: a força atuante tende a provocar um alongamento do elemento,. b) Compressão: a força atuante tende a produzir uma redução do elemento. c) Flexão: a força atuante provoca uma deformação do eixo perpendicular do elemento. d) Torção: as forças atuam em um plano perpendicular ao eixo e cada seção transversal tende a girar em relação às outras. e) Flambagem: esforço de compressão em uma barra de seção transversal pequena em relação ao comprimento, tendendo a produzir curvatura na barra. f) Cisalhamento: forças atuantes tendem a produzir um efeito de corte, isto é, um deslocamento linear entre seções transversais.

Solicitações

b. tensão deformaçãoA tensão de engenharia é definida pela relação:

σ = F (Força média uniaxial) A0 (Área original da seção) As unidades (SI):Tensão: MPa (106 N/m2)Força: N (Newton)Área: m2

1 PSI = 6.89 x 103 PaPSI = Pounds Square Inches

F

F

A deformação é definida pela relação:

ε = L - L0 (Mudança de comprimento) L (Comprimento inicial) Unidade (SI):Deformação: m/mComprimentos: m (metros)

F

F


Exercício em aulaUma barra de alumínio de 12mm de diâmetro foi submetida a uma força de 11 . 1 2 0 N . C a l c u l e a t e n s ã o d e engenharia nessa barra:


Exercício 3)Uma barra de alumínio de 1,27mm de largura, 0,10cm de espessura e 20,3mm de comprimento possui inicialmente a marcação na sua parte central de 5,2mm de distância. Após a deformação essa marcação passa a ser de 6,65mm (conforme indicado na figura abaixo). Calcule a deformação nominal e o alongamento percentual da barra.


(Cortesia da Instron Corporation.)

c. Ensaios DestrutivosEnsaio de tração: NBR 6152/2002Serve para avaliar a resistência mecânica de metais e suas ligas.Nesse ensaio o material é tracionado até romper em um intervalo de tempo relativamente curto, à temperatura ambiente e velocidade constante.Os dados de força são obtidos pela célula de carga e as deformações pelo extensômetro.

Célula de cargaExtensímetro

Corpo de prova

Ensaio de tração: NBR 6152/2002A figura apresenta os detalhes de operação do ensaio de tração e a fotografia apresenta um extensímetro de uma máquina de ensaio de tração.

Célula de cargaExtensímetro

Corpo de prova

(H.W. Hayden, W.G. Moffatt and John Wulff, �The Structure and Properties of MateriaIs�, vol. 3: �Mechanical Behavior�, Wiley, 1965, Figura 1.1, p. 2.)

c. Ensaios Destrutivos

Ver vídeo:https://www.youtube.com/watch?v=VTNwWTK98sw

Ensaio de tração: NBR 6152/2002As figuras a seguir apresentam exemplos de formas geométricas mais utilizadas para corpos de prova de tração: (a) Corpo de prova de tração redondo normalizado, com comprimento de referência de 51 mm, (b) corpo de prova de tração retangular normalizado, com comprimento de referência de 51 mm.

(Extraído H.E. McGannon (ed.), �The Making, Shaping, and Treating of Steel�, 9. ed., United States Steel, 1971, p. 1.220. Cortesia da United States Steel Corporation.)

c. Ensaios Destrutivos

d. Propriedades MecânicasMódulo de elasticidadeNa primeira parte do ensaio o material se deforma elasticamente, caso seja removida a força o material volta ao seu comprimento inicial.Metais e ligas geralmente apresentam uma relação linear entre tensão e deformação na região elástica, que é descrita pela lei de Hooke ou de proporcionalidade.

(Cortesia da Aluminum Company of America.)

σ (Tensão)ε (Deformação)E = (Pa, Pascal)

E é o módulo de elasticidade ou módulode Young e é função das ligações químicaspresentes nos materiais.

Módulo de elasticidade

σ (Tensão)ε (Deformação)

E =

d. Propriedades Mecânicas

σ (Tensão)

ε (Deformação)E =

d. Propriedades MecânicasMódulo de elasticidade x temperatura

Tensão de escoamentoRepresenta a tensão a partir da qual a deformação plástica passa a ser significativa.

(Cortesia de Aluminum Company of America.)

tensãode escoamento

510


0,002 ou 0,2%

Gráfico de materiais frágeis, que se

deformam muito pouco quando

submetidos a tensão de tração.

Tensão de escoamentoRepresenta a tensão a partir da qual a deformação plástica passa a ser significativa.

Limite deEscoamento


Gráfico de materiais d ú c t e i s , q u e s e d e f o r m a m m a i s facilmente quando submetidos a tensão de tração.

EstricçãoMáxima tensão alcançada na curva de tensão x deformação, durante a aplicação da tensão


EstricçãoEmpescoçamento

Tens

ão (M

Pa)

Deformação (admensional)

Limite de resistência à traçãoMáxima tensão alcançada na curva de tensão x deformação, durante a aplicação da tensão


Tipos de curvas(a) Curva típica para aços de alta resistência, (b) Curva típica de aços de baixo/médio % carbono,(c) Curva típica do ferro fundido cinzento, (d) Curva típica de materiais bastante dúcteis como cobre.


ResiliênciaÉ uma medida de quantidade de energia que um material pode absorver na região elástica do gráfico tensão x deformação.

(Cortesia de Aluminum Company of America.)


TenacidadeÉ uma medida de quantidade de energia que um material pode absorver antes de fraturar,


Maleabilidade: facilidade do material de ser transformado em lâminas;

Ductilidade: facilidade do material de ser transformado em fios;

Flexibilidade: facilidade do material de ser dobrado, mas não

recuperando a forma anterior.


DuctilidadeMedida do grau de deformação plástica que foi suportada até a fratura. Um material que apresenta pouca ou nenhuma deformação até sua fratura é um material frágil (deformação de fratura < 5%).


DurezaÉ a resistência de um material metálico a deformação plástica (permanente) e é medida forçando uma ponta de penetração (identador) em uma superfície de penetração.

(Cor

tesi

a da

Pag

e- W

ilson

Co.

)


Durezad. Propriedades Mecânicas

Os contornos de grãos aumentam a resistência mecânica dos metais e ligas, são obstáculos para o movimento das discordâncias. Em temperaturas elevadas se tornam regiões frágeis.

A temperatura ambiente metais com grão refinados são mais fortes, mais duros, mais resistentes e mais suscetíveis ao aumento de resistência por meio de encruamento.

Deformação plásticae. Mecanismos de Deformação

Para que os cristais possam se deformar com tensões de cisalhamento mais baixas, tem de existir uma grande densidade de defeitos (~10 cm/cm ), à medida que o metal solidifica, e quando o cristal metálico é deformado são criadas muito mais.

6

Uma pequena tensão de cisalhamento origina o movimento de uma

discordância em aresta em (a), (b) e (c). Durante a deformação plástica, uma

discordância se move por meio de um cristal metálico de um modo

semelhante ao que ocorre com uma ondulação que é empurrada ao longo de um tapete colocado sobre o solo.

(a) (b)

(c) (d)

2

e. Mecanismos de Deformação

Nos cristais reais, as discordâncias podem ser observadas em um microscópio eletrônico de transmissão, utilizando folhas finas de metal, as discordâncias aparecem como linhas devido ao desarranjo dos átomos próximos a elas, o que interfere na transmissão do feixe de elétrons do microscópio.

Discordâncias em uma amostra de alumínio ligeiramente deformada,observada por microscopia eletrônica de transmissão. As grãos estão relativamente livres de discordância, mas estão separadas por contornos de grãos com uma alta densidade de discordâncias.

Deformação plástica


Escorregamento atômico (a) em um plano compacto CFC e HC e (b) em um plano não compacto CCC. Em um plano compacto, o escorregamento é favorecido porque é necessária uma força menor para mover os átomos de uma posição para a seguinte, como está indicado pelo declive das barras sobre os átomos.


Tamanho de grão:


(“Metals Handbook,” vol. 7, 8. ed., American Society for Metals, 1972, p. 4.)

Vários tamanhos de grãos ASTM de chapas de aço de baixo carbono:(a) Número 7 (b) Número 8 (c) Número 9

(a) (b) (c)

Tamanho de grãos ASTM.


Tamanho de grão:


(M. Eisenstadt, �Introduction to Mechanical Properties of Materials,� Macmillan, 1971, p. 258.)

Curvas de tensão deformação do cobre mono e policristalino. O cobre policristalino apresenta resistência mecânica mais elevada devido aos contornos de grão que dificultam o escorregamento.


A equação de Hall_Petch relaciona a tensão de escoamento de um metal com seu diâmetro médio de grão: σy = σ0 + k / (d)

(M. Eisenstadt, �Introduction to Mechanical Properties of Materials,� Macmillan, 1971, p. 258.)

σy = σo + k / (d)1/2

σ y = T e n s ã o d e escoamentod = diâmetro médio do grãoσ0 e k são constantes de cada metal

f. Endurecimento e Recuperação

1/2


(G.C. Smith, S. Charter and S. Chiderley da Cambridge University)

Alumínio policristalino deformado plasticamente. Note-se que as bandas de escorregamento são paralelas no

interior do grão, mas que há descontinuidade nos contornos. (Ampliação 60×.)

(Z. Shen, R.H. Wagoner and W.A.T. Clark, Scripta Met., 20: 926 (1986).)

Discordâncias empilhadas em um contorno de grão, observadas em uma folha fina de aço inoxidável

utilizando microscopia eletrônica de transmissão.(Ampliação 20.000×.)


Durante a deformação as discordâncias não podem passar de um grão para o outro em linha reta, as linhas de escorregamento mudam de direção. Com o aumento do número de grãos (com seu refino), o número de contornos de grão também aumentará, dificultando o movimento das discordâncias e aumentando a resistência do material.


(J.E. Boyd in �Metals Handbook�, vol. 8: �Metallography, Structures, and Phase Diagrams�, 8. ed., American Society for Metals, 1973, p. 221. Reimpresso com permissão de ASM International. Todos os direitos reservados. www.asminternational.org.)

Fotomicrografias obtidas no microscópio óptico de estruturas deformadas em amostras de cobre que foram laminadas a frio sofrendo

(a) 30% de redução da seção transversal(b) 50% de redução da seção transversal


Na deformação plástica a frio, os grãos sofrem distorções uns em relação aos outros, devido a criação, devido à criação, movimento e rearranjo das discordâncias.

(a) (b)


O encruamento acontece pela diminuição do tamanho dos grãos e pelo aumento da densidade das discordâncias.

(J.E. Boyd in �Metals Handbook�, vol. 8: �Metallography, Structures, and Phase Diagrams�, 8. ed., American Society for Metals, 1973, p. 221.

Reimpresso com permissão de ASM International. Todos os direitos reservados. www.asminternational.org.)

Porcentagem de deformação a frio em função do limite de resistência à tração e do alongamento até a fratura para o cobre desoxigenado. O grau de deformação a frio é expresso pela porcentagem de redução de área da seção reta da amostra metálica.

f. Endurecimento e RecuperaçãoDeformação plástica

Endurecimento de metais por solução sólidaA adição de elementos de liga através de soluções sólidas substitucionais e intersticiais promove o aumento da resistência mecânica dos metais.O endurecimento por solução sólida é afetado por dois fatores:

1. Fator tamanho relativo: a diferença entre o tamanho dos átomos de soluto e solvente distorce a rede, tornando o movimento das discordâncias mais difícil,

2. Ordem de curta distância: a mistura segue uma determinada ordem de curta distância ou agrupamento de átomos idênticos, o que também dificulta o movimento das discordâncias.

Exemplo: Latão produzido para cartuchos (70%Cu e 30%Zn).


Porcentagem de deformação a frio em função do limite de resistência à tração e alongamento até a quebra

da liga 70% de Cu e 30% de Zn.

f. Endurecimento e RecuperaçãoEndurecimento de metais por solução sólida

Os processos de conformação mecânica aumentam a resistência, porém deixam o material menos dúctil. Para corrigir isso o material é aquecido a uma temperatura elevada, durante um considerável intervalo de tempo, a estrutura do material irá sofrer recuperação, recristalização e crescimento de grãos.

(“Metals Handbook”, vol. 7, 8. ed., American Society for Metals, 1972, p. 243. Reimpresso com permissão de ASM International. Todos os direitos reservados. www.asminternational.org.)

(a) Deformada a frio 85%, seção longitudinal. Os grãos estão fortemente alongados. (b) Deformada a frio 85% e aquecida durante 1h a 302 ºC para alívio de tensões. A estrutura

apresenta vestígios de recristalização que melhoram a conformabilidade da chapa. (c) Deformada a frio 85% e recozida a 316 ºC durante 1h. A estrutura apresenta grãos recristalizados

e bandas de grãos não recristalizados.

f. Endurecimento e RecuperaçãoRecuperação e recristalização

(a) (b) (c)

(Adaptado de Z.D. Jastrzebski, �The Nature and Properties of Engineering Meterials�, 2. ed., Wiley, 1976, p. 228.)

Recuperação: é o rearranjo das discordâncias devido à t e m p e r a t u r a , c o m diminuição da resistência e aumento da ductilidade.R e c r i s t a l i z a ç ã o : é a nucleação de novos grãos na estrutura recuperada, que começam a crescer.Recozimento: tratamento térmico aplicado para alivio de tensões internas no material.

Efeito do recozimento na alteração da estrutura e propriedades mecânicas de um metal deformado a frio.

f. Endurecimento e RecuperaçãoRecuperação e recristalização

(“Metals Handbook”, vol. 2, 9. ed., American Society for Metals, 1979, p. 320.)

(a) Efeito da temperatura de recozimento no limite de resistência à tração.


Chapa com 1 mm de espessura (liga 85% Cu-15% Zn), previamente laminada a frio até 50%. O tempo de recozimento foi de 1h em todas as temperaturas.

(b) Efeito da temperatura de recozimento no alongamento até a fratura.

Recuperação e recristalização

merci

de rien

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