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Professor: Luis Gustavo Sigward EricssonCurso: Engenharia MecânicaSérie: 6º/ 5º Semestre

Ciências dos materiais- 232

Terça

Semana par

19:00 às 20:40

21:00 às 22:40

2a aula- Imperfeições em Sólidos- Propriedades Mecânicas dos Metais- Falhas em Materiais

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Aula 2 – Imperfeições em Sólidos

Imperfeições em Sólidos

Cristal – arranjo regular e periódico dos átomos

Defeito – irregularidade (imperfeição ou “erro”) no arranjo cristalino

Defeitos Cristalinos

A classificação dos defeitos cristalinos é frequentemente feita de acordo com a geometria ou dimensão dos defeitos.

Defeitos pontuais – Dimensão zero

Defeitos lineares – uma dimensão (unidimensional)

Defeitos planos (interfaciais) – fronteiras (2 dimensões)

Defeitos volumétricos – 3 dimensões

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Defeitos Pontuais

Envolve a falta de um átomo (uma posição do reticulado,normalmente ocupada, encontra-se vazia)

São formados durante a solidificação do cristal ou comoresultado das vibrações atômicas (O número de vacânciasaumenta exponencialmente com a temperatura)

As propriedades dos materiais podem ser controladas criandoou controlando estes defeitos

Vacâncias


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Vacância

Distorçãonos planos

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Defeitos Pontuais

Um átomo extra no interstício do cristal (mesmo material)

Produz uma distorção no reticulado, uma vez que o átomo é, geralmente,maior que o interstício.

A formação de um defeito intersticial implica na criação de uma vacância

Existem em concentrações menores que as vacâncias

Átomos Intersticiais


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interstício

Distorçãonos planos

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Defeitos Lineares (Discordâncias)

As discordâncias estão associadas com a cristalização e a deformação

(origem: térmica, mecânica e supersaturação de defeitos pontuais).

A presença deste defeito é a responsável pela deformação, falha e

rompimento dos materiais.

A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser

controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou

por tratamentos térmicos.


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Discordância é um defeito linear ou unidimensional em torno do qual

alguns dos átomos estão desalinhados.

Discordância em inglês é chamada “dislocation”.

Podem ser:

Cunha

Hélice

Mista


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Envolve um plano extra de átomos

O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha de discordância

Envolve zonas de tração e compressão

Discordância em Cunha


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Átomos acima da linha de discordância estão espremidos

(compressão) e os átomos abaixo da linha estão separados (tração)



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Produz distorção na rede

O vetor de burger é paralelo à direção da linha de discordância

Formada por uma tensão de cisalhamento

A parte superior do cristal é deslocada uma distância atômica

Discordância em Hélice


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Discordância - Cunha vs Hélice


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Discordância mista


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Defeitos Interfaciais

Contorno de Grão


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• A forma do grão é controlada pela presença dos grãos circunvizinhos

• O tamanho de grão é controlado por:

Composição

Taxa de cristalização ou solidificação

• Energia

Energia do contorno de grão é similar à da energia da superfícieexterna, ou seja, mais elevada que no interior do grão.

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Contorno de Grão


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– Corresponde à região que separa doisou mais cristais de orientaçõesdiferentes em materiais policristalinos

um cristal = um grão

– No interior de cada grão todos osátomos estão arranjados segundo umúnico modelo e única orientação,caracterizada pela célula unitária

Material com apenas uma orientação cristalina, ou seja, que contém apenas um grão é chamado de monocristal

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Maclas ou Cristais Gêmeos (“Twins”)


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• É um tipo especial de contorno de grão.

• Os átomos de um lado do contorno são imagens espelhadas dos átomosdo outro lado do contorno.

• A macla ocorre num plano definido e numa direção específica,dependendo da estrutura cristalina.

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Soluções Sólidas


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Um metal considerado puro sempre tem impurezas (átomos estranhos)

presentes

Metal com 99,9999% de pureza = 1022-1023 impurezas por cm3.

A presença de impurezas promove a formação de defeitos pontuais na

estrutura do metal.

As impurezas podem ser adicionadas intencionalmente com a

finalidade:

• aumentar a resistência mecânica

• aumentar a resistência à corrosão

Quando a adição é feita intencionalmente formam-se as ligas.

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Soluções Sólidas


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A estrutura do cristal é mantida e não formam-se novas estruturas.

As soluções sólidas formam-se mais facilmente quando impureza ehospedeiro tem estrutura e dimensões eletrônicas semelhantes.

As impurezas são chamadas soluto (< quantidade) e a matriz é chamadasolvente (> quantidade).

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Soluções Sólidas

Substitucionais


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• Há a substituição de átomos do solvente no reticulado cristalino porátomos de soluto.

• Átomos de soluto e do solvente devem ter aproximadamente o mesmotamanho.

• Para formar uma solução sólida substitucional ambos os átomos de solutoe de solvente devem obedecer uma série de condições chamadas “Regrasde Hume – Rothery”.

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Soluções Sólidas

Substitucionais


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Regras de Hume – Rothery

Raio atômico – deve ter uma diferença de no máximo 15%, caso contrário pode promover distorções na rede e assim formação de nova fase

Estrutura cristalina – mesma

Eletronegatividade – próximas

Valência – mesma ou maior que a do hospedeiro (diferença máxima 1 unidade).

Tanto o soluto como o solvente devem obedecer a essas regras simultaneamente.

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Soluções Sólidas

Intersticiais


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Os átomos de impurezas ocupam os espaços dos interstícios.

Como os materiais metálicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posições intersticiais são relativamente pequenas.

Geralmente, no máximo 10% de impurezas são incorporadas nos interstícios.

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Exercícios


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1) Cite as principais diferenças entre as soluções substitucionais eintersticiais .

2) Descreva com as suas palavras o que são defeitos pontuais e lineares

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Propriedades Mecânicas

Aula 2 – Propriedades Mecânicas dos Metais

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A determinação e/ou conhecimento das propriedades mecânicas é oprincipal fator para a seleção de materiais para diversas aplicações.

As propriedades mecânicas definem o comportamento do material quandosujeitos à esforços mecânicos, pois estas estão relacionadas à capacidade domaterial de resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper e semse deformar de forma incontrolável.

Super Light Car Life Cycle Assessment

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Tipos de Tensões


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• Tração

• Compressão

• Cisalhamento

• Flexão

• Torção

Cargaestática

muda lentamentecomportamento mecânico

Teste tensão-deformação

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Classificação dos Ensaios Mecânicos


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Ensaio de Tração


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• Um corpo de prova é deformado, geralmente até a fratura, por uma carga detração, que aumenta gradativamente, aplicada uniaxialmente ao longo do eixomaior do corpo de prova.

• O equipamento de tração é projetado para alongar o espécime a uma taxaconstante e ao mesmo tempo medir instantaneamente a carga aplicada e oalongamento correspondente.

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Ensaio de Tração


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• A representação gráfica de um ensaio de tensão-deformação é um gráfico decarga ou tensão vs. alongamento ou deformação.

y

strain

Typical response of a metal

TS

stre

ss

strain

F = fracture or

ultimate

strength

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Tensão de Engenharia

Deformação de Engenharia

𝜎 =𝐹

𝐴𝑜

𝜀 =𝑙𝑖 − 𝑙𝑜𝑙𝑜

=Δ𝑙

𝑙𝑜

Ensaio de tração

Tensão () vs. Deformação (e)

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Similar ao ensaio de tração, exceto que a forçaaplicada é compressiva.

Valem as mesmas equações do ensaio de tração.

Deformações compressivas são negativas, umavez que lo > li.

Testes compressivos são importantes quando omaterial é frágil em tração.

Ensaio de tração

Ensaios de Compressão

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Ensaio de tração

Deformação Elástica

Elástico significa reversível!

2. Small load

F

d

bonds stretch

1. Initial 3. Unload

return to initial

F

d

Linear-elastic

Non-Linear-elastic

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Ensaio de tração


O grau no qual a estrutura deforma depende

da intensidade de uma tensão imposta

E representa o módulo de Young (módulo de

elasticidade)

Quando a deformação é proporcional à tensão aplicada tem-se uma

deformação elástica. A deformação elástica é uma deformação não

permanente, ou seja, ao se remover a tensão o corpo de prova retorna ao

seu tamanho inicial.

Lei de Hooke𝜎 = 𝐸 ∙ 𝜀

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A inclinação da curva tensão vs.deformação dá o valor do módulode Young (E).

Quanto maior o módulo, maisresistente é o material, ou sejamenor é a deformação elásticaresultante da aplicação de umatensão.

Módulo de Young ou

Módulo de Elasticidade

Ensaio de tração


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Ex.: Um corpo de prova de cobre de 305 mm de comprimento é

tracionado com uma tensão de 276 MPa. Se a deformação é

completamente elástica, qual será o alongamento resultante?

Dados: = 276 MPalo = 305 mmECu = 110 GPa

Ensaio de tração


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Ensaio de tração

Propriedades Elásticas dos Materiais

Quando uma tensão de tração é imposta, ocorre

um alongamento elástico e uma deformação

elástica ez na direção da tensão aplicada.

Para tensão uniaxial e material isotrópico:

Mesmas propriedades em qualquer direçãoex = ez

Para materiais isotrópicos é possível relacionar os módulos de elasticidade e de cisalhamento

Razão de Poisson: 𝜈 = −𝜀𝑥𝜀𝑧

= −𝜀𝑦

𝜀𝑧

𝐸 = 2𝐺 1 + 𝜈

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Ensaio de tração

Deformação Plástica

Para a maioria dos metais a deformação elástica permanece somente para deformações de

cerca de 0,5 % (e = 0,005). Além desse ponto não há mais proporção entre tensão de

deformação e ocorre deformação permanente, não-recuperável ou deformação plástica.

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Ensaio de tração

Propriedades de Tração

A maioria das estruturas é projetada para garantir que ao se aplicar uma tensão ocorra

apenas deformação elástica. Ao ocorrer uma deformação plástica, a estrutura ou

componente não é capaz de agir como projetado.

É necessário conhecer o ponto em que ocorre a transição entre deformação plástica e

elástica.

Para metais que têm uma transição gradual

procura-se o ponto em que ocorre a transição,

o que não é facilmente determinável. Esse

ponto é chamado de limite de

proporcionalidade.

Alguns aços e outros materiais apresentam um

escoamento muito bem definido e ocorre

abruptamente.

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Ensaio de tração


Limite de Escoamento

Quando não observa-senitidamente o fenômeno deescoamento, a tensão deescoamento corresponde à tensãonecessária para promover umadeformação permanente de 0,2%(obtido pelo método gráficoindicado na figura ao lado)

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Ensaio de tração


Resistência à tração

Após o escoamento, a tensãonecessária para continuar adeformação plástica em metaisaumenta até um máximo (M) eentão diminui até uma provávelfratura (P).

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Ductilidade

Mede o grau de deformaçãoplástica que foi atingido nafratura.

Um material que experimentamuito pouca ou nenhumadeformação plástica antes dafratura é denominado frágil("brittle").

Materiais frágeis - deformaçãomenor que 5%.


Porcentagem de elongação

Lf

AoAf

Lo

Porcentagem de Redução de Área

Ensaio de tração

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Resiliência

Mede a capacidade de ummaterial absorver energia quandoé deformado elasticamente (apósdescarregamento a sua energia érecuperada).

A propriedade associada é omódulo de resiliência, Ur , que é aenergia de deformação porunidade de volume requeridapara tensionar o material a partirdo estado não-carregado até oponto de escoamento.

Assumindo uma região elástica linear

Ensaio de tração

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Ensaio de tração


Tenacidade

É a medida da capacidade de ummaterial absorver energia até afratura.

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Ensaio de tração


Recuperação elástica após deformação plástica

Depois do descarregamento após umensaio de tração, parte dadeformação total é recuperada comodeformação elástica. A inclinação dacurva de descarregamento é paralelaà parte elástica da curva.

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Exercícios


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1) Cite as principais diferenças entre os comportamentos de deformação plásticae elástica.

2) Quais as propriedades que podem ser obtidas num ensaio de tração e o quecada uma representa.

3) Na escala atômica o que significa estar sofrendo deformação elástica,deformação plástica, ruptura.

4) Para cada tipo de material – Metálico, plástico e cerâmico, diga por intuiçãocomo são as seguintes propriedades: Módulo de elasticidade, Tensão deEscoamento, LRT, Ductilidade, condutividade elétrica e térmica. Faça umatabela.

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Fratura

Aula 2 – Falhas em materiais

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Consiste na separação do material em 2 ou mais partes devido à aplicação de

uma carga estática à temperaturas relativamente baixas em relação ao ponto

de fusão do material

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Fratura

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Fraturas dúcteisFratura frágil

• Dúctil – a deformaçãoplástica continua até umaredução na área paraposterior ruptura (Éobservada em materiais CFC)

• Frágil – não ocorredeformação plástica,requerendo menos energiaque a fratura dúctil queconsome energia para omovimento de discordânciase imperfeições no material (Éobservada em materiais CCCe HC)


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Fratura

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• Fratura dúctil :- Um pedaço- Grandes deformações

• Fratura frágil:- Muitas partes - Pequenas deformações

Exemplo: Falha em tubo


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Fratura

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Mecanismo da Fratura Dúctil

a) Empescoçamento

b) Formação de cavidades

c) Coalescimento das cavidades

d) Formação e propagação da trinca

em um ângulo de 45º

e) Rompimento do material por

propagação da trinca


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Fadiga

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• É a forma de falha ou ruptura que ocorrenas estruturas sujeitas à forças dinâmicase cíclicas

• Nessas situações o material rompe comtensões muito inferiores àcorrespondente à resistência à tração(determinada para cargas estáticas)

• É comum ocorrer em estruturas comopontes, aviões, componentes demáquinas

• A falha por fadiga é geralmente denatureza frágil mesmo em materiaisdúcteis.


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Fadiga

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• A fratura ou rompimento do material porfadiga geralmente ocorre com a formação epropagação de uma trinca.

• A trinca inicia-se em pontos onde háimperfeição estrutural ou de composiçãoe/ou de alta concentração de tensões (queocorre geralmente na superfície)

• A superfície da fratura é geralmenteperpendicular à direção da tensão à qual omaterial foi submetido


crack origin

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Fadiga

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CURVA -N

A curva -N representa a tensão versus número de ciclos para que ocorra afratura.Normalmente para N utiliza-se escala logarítmica

Vida em fadiga (Nf): o número de ciclos necessários para ocorrer a falha em

um nível de tensão específico.


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Fadiga


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Fatores que Afetam a Vida em Fadiga

Tensão Média: o aumento do nível médio de tensão leva a uma diminuição da

vida útil

Efeitos de Superfície: variáveis de projeto (cantos agúdos e demais

descontinuidades podem levar a concentração de tensões e então a formação

de trincas) e tratamentos superficiais (polimento, jateamento, endurecimento

superficial melhoram significativamente a vida em fadiga)

Efeitos do ambiente: fadiga térmica (flutuações na temperatura) e fadiga por

corrosão (ex. pontos de corrosão podem atuar como concentradores de

tensão)

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Fluência

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• Quando um metal é solicitado por uma carga,imediatamente sofre uma deformaçãoelástica. Com a aplicação de uma cargaconstante, a deformação plástica progridelentamente com o tempo (fluência) até haverum estrangulamento e ruptura do material

• Velocidade de fluência (relação entredeformação plástica e tempo) aumenta com atemperatura

• Esta propriedade é de grande importânciaespecialmente na escolha de materiais paraoperar a altas temperaturas

• Este fenômeno é observado em todos osmateriais, e torna-se importante à altastemperaturas (T = 0,4.TF)


elastic

primary secondary

tertiary

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Exercícios

52

1) Cite as principais diferenças entre fraturas dúctil e frágil.

2) Quais são as características dos fenômenos de fluência e fadiga.


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