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ELEMENTOS ORGÂNICOS DE MÁQUINAS IELEMENTOS ORGÂNICOS DE MÁQUINAS IATAT--096096

Universidade Federal do ParanáUniversidade Federal do ParanáCurso de Engenharia Industrial MadeireiraCurso de Engenharia Industrial Madeireira

ATAT--096096

Dr. Alan Dr. Alan SulatoSulato de Andrade de Andrade

[email protected]@ufpr.br

PROPRIEDADE DOS MATERIAISPROPRIEDADE DOS MATERIAIS


INTRODUÇÃO:

� Antes de iniciar o conteúdo, devemos lembrar querotineiramente assumimos que os materiais secomportam de forma homogênea e isotrópica no queconcerne a suas propriedades. Porém, sabemos quecomportam de forma homogênea e isotrópica no queconcerne a suas propriedades. Porém, sabemos quena prática, isto não ocorre.

� Material homogêneo: possui as mesmaspropriedades físicas e mecânicas em todo o seuvolume;

� Material isotrópico: possui essas mesmaspropriedades em todas as direções.


INTRODUÇÃO:

� A seleção inadequada dos materiais é a origem damaior proporção de falhas em projetos


INTRODUÇÃO:

� Existe uma grande gama de propriedades visando aa caracterização de qualquer material, dentre asprincipais, podemos citar:principais, podemos citar:� Físicas,� Térmicas,� Químicas,� Ópticas,� Magnéticas,� Elétricas,� Mecânicas,


INTRODUÇÃO:

� Algumas podem ser consideradas mais importantesque outras dependendo da forma de utilização domaterial.material.No caso de projetos de elementos ou máquinascomplexas, as principais características a seremdeterminadas seriam quanto as propriedadesmecânicas do material do qual equipamento oudispositivo será construído.


INTRODUÇÃO:

� Assim, a determinação e/ou conhecimento daspropriedades mecânicas é imprescindível para aescolha do material para uma determinada aplicação,escolha do material para uma determinada aplicação,bem como para o projeto e fabricação docomponente.

� As propriedades mecânicas definem ocomportamento do material quando sujeitos àesforços mecânicos, pois estas estão relacionadas àcapacidade do material de resistir ou transmitir estesesforços aplicados sem romper e sem se deformar deforma incontrolável.


INTRODUÇÃO:

� As propriedades mecânicas de um material sãogeralmente determinadas por meio de testesdestrutivos ou não destrutivos (para alguns casos) dedestrutivos ou não destrutivos (para alguns casos) deamostras sob condições controladas.Dentre varias condições de controle, podemosressaltar o controle da temperatura, umidade do ar,velocidade de carregamento, carga aplicada, tempode ensaio entre outros.


INTRODUÇÃO:

� Tipos de ensaios:� Quanto à integridade:

� Destrutivos, Não-destrutivos� Destrutivos, Não-destrutivos� Quanto à velocidade de carregamento:

� Estáticos (Cargas aplicada de forma lenta emestado de equilíbrio)

� Dinâmicos (carga aplicada de forma rápida oucíclica)

� Carga constante (Cargas aplicadas de formaextremamente lenta por longos períodos)


INTRODUÇÃO:

� Há inúmeros tipos de ensaios que os materiaispodem ser submetidos, sendo que em muitos casosum mesmo teste pode fornecer dados sob uma ouum mesmo teste pode fornecer dados sob uma oumais propriedades mecânicas. Porém, por melhorque seja as condições do ensaio, o resultado obtidonão refletirá exatamente o que você obterá quando oprojeto for colocado em serviço.


INTRODUÇÃO:

� A única forma de solucionar esta situação seriaensaiando um protótipo real do sistema que vocêprojetou, porém em muitos casos isto não seriaprojetou, porém em muitos casos isto não seriapossível (Inviável financeiramente). Vale lembrar queé responsabilidade do engenheiro garantir asegurança de seu projeto.Ex.: Fabricantes de aviões, automóveis entre outrostestam o conjunto acabado sob condições deserviços reais ou simuladas.


INTRODUÇÃO:

� Hoje em dia, empresas fornecedoras de materiaisrealizam testes internos de qualidade dos materiais eoferecem ao mercado produtos com garantia ouoferecem ao mercado produtos com garantia ouselos de qualidade. Esta garantia informa porexemplo, valor mínimo de determinadaspropriedades que um determinado materialapresenta.


INTRODUÇÃO:

� Na ausência ou impossibilidade de realizar taistestes específicos, o engenheiro deve adaptar eaplicar dados de propriedades dos materiaisaplicar dados de propriedades dos materiaispublicados de testes padronizados para a situaçãoespecífica. Diversas associações definiram normaspara testar amostras e procedimentos de testes parauma variedade de medidas de propriedades demateriais (ABNT, ASTM, DIN).


INTRODUÇÃO:

� Dentre os principais ensaios realizados, iremosressaltar alguns que são normalmente realizados nadeterminação das propriedades dos metais (ferrososdeterminação das propriedades dos metais (ferrosose não-ferrosos), principal matéria prima utilizada paraa construção de equipamentos e dispositivos:

� Ensaio de Tração,� Ensaio de Compressão,� Ensaio de Flexão,� Ensaio de Torção,� Ensaio de Dureza.


ENSAIO DE TRAÇÃO:

� O ensaio de tração é um dos mais importantes testesdestrutivos para a determinação de propriedadesmecânicas. O procedimento de ensaio pode sersintetizado da seguinte forma: Um corpo de provamecânicas. O procedimento de ensaio pode sersintetizado da seguinte forma: Um corpo de provapadronizado é submetido à uma carga de traçãoconstante e de forma lenta, sob a ação desta força, ocorpo de prova começa a se deformar, a deformaçãoprogressiva do corpo de prova faz com que haja umadiminuição da área da seção transversal de tal formaque este não suporta a carga aplicada e rompe-se.


ENSAIO DE TRAÇÃO:

Corpo de prova e equipamento utilizado no ensaio


ENSAIO DE TRAÇÃO:

Deflectômetroeletrônico

AInício

BInstantes antesdo rompimento

Corpo de prova sendo ensaiado em equipamento


ENSAIO DE TRAÇÃO:

� O ensaio de tração mostra como resultado, umacurva onde se relaciona a carga aplicada ( σ-tensão)e o alongamento do corpo de prova (ε-deformação).Nesta curva diversas propriedades quantitativas doe o alongamento do corpo de prova (ε-deformação).Nesta curva diversas propriedades quantitativas domaterial podem ser determinadas, como:� Máxima tensão e deformação;� Tensão e deformação de fratura;� Tensão de escoamento;� Limite de proporcionalidade e de elasticidade;� Módulo de elasticidade;� Resiliência e tenacidade;


ENSAIO DE TRAÇÃO:


ENSAIO DE TRAÇÃO:

� Prescede à deformação plástica� É reversível� Desaparece quando a tensão é

� É provocada por tensões queultrapassam o limite deelasticidade

Diagrama de tensão e deformação

� Desaparece quando a tensão éremovida

� É praticamente proporcional àtensão aplicada (obedece a lei deHooke)

� É irreversível porque é resultadodo deslocamento permanente dosátomos e portanto não desaparecequando a tensão é removida

Elástica Plástica


ENSAIO DE TRAÇÃO:

Diagrama de tensão e deformação


ENSAIO DE TRAÇÃO:

� Tensão:É definida como sendo força por unidade de área epode ser determinada no corpo de prova como sendo:pode ser determinada no corpo de prova como sendo:

Onde F é a carga aplicada e A0 é a área inicial dasecção transversal do corpo de prova.

0A

F=σ


ENSAIO DE TRAÇÃO:

� Deformação:É a mudança de comprimento por unidade decomprimento inicial e é calculada como:comprimento inicial e é calculada como:

Onde l e l0 correspondem ao comprimento medido soba ação da força e o inicial, respectivamente.

0

0

l

ll −=ε


ENSAIO DE TRAÇÃO:

� Estricção:É outra propriedade que define a deformação domaterial, e definida como:material, e definida como:

Onde A e A0 são a área medida sob a ação da força ea inical, respectivamente.

0

0

A

AA −∈=


ENSAIO DE TRAÇÃO:

� Módulo de elasticidade:O módulo de elasticidade pode ser determinado naregião onde a tensão é proporcional a deformação.região onde a tensão é proporcional a deformação.Essa região se encerra no limite de proporcionalidadee é válida a lei de Hooke. É determinado pela razãoentre a tensão e a deformação:

ε

σ=E


ENSAIO DE TRAÇÃO:

� Resiliência e tenacidade:Resiliência e a capacidade do material absorverenergia quando deformado elasticamente e devolvê-laenergia quando deformado elasticamente e devolvê-laquando é cessado o esforço. Devido à segunda lei datermodinâmica, é impossível recuperar toda a energiaabsorvida pelo material durante a fase decarregamento.


ENSAIO DE TRAÇÃO:

� Resiliência e tenacidade:Tenacidade corresponde à capacidade do materialdeformar-se plasticamente e absorver energia antesdeformar-se plasticamente e absorver energia antesda ruptura.Ambas as propriedades podem ser obtidas integrando-se a curva tensão deformação, sendo a resiliência atéo limite elástico e a tenacidade até a ruptura;


ENSAIO DE TRAÇÃO:

� Ductilidade e fragilidade:A tendência de um material a deformar-sesignificativamente antes de se romper é uma medidasignificativamente antes de se romper é uma medidade sua ductilidade. A ausência de deformaçãosignificativa antes da ruptura é chamada defragilidade.Em geral, materiais com mais de 5% de alongamentoapós a região elástica e antes da ruptura sãoconsiderados dúcteis. Sendo este valor menor que 5%o material pode ser considerado frágil.


ENSAIO DE TRAÇÃO:

� Ductilidade e fragilidade:

Material A Material B

Diagrama de tensão e deformação para material dúctil (a) e frágil (b)

ξ

σ

ξ

σ

Material A Material B

Ex.: (a) Alumínio, (b) Concreto


ENSAIO DE TRAÇÃO:



ENSAIO DE TRAÇÃO:


Sobreposição dos diagrama de tensão e deformaçãopara material dúctil e frágil


ENSAIO DE TRAÇÃO:


a

Ruptura dos corpos de prova no ensaio de traçãopara material dúctil (a) e frágil (b)

b


ENSAIO DE TRAÇÃO:

� Ductilidade e fragilidade:Os mesmos materiais podem apresentarcomportamento frágil ou dúctil dependendo de comocomportamento frágil ou dúctil dependendo de comosão fabricados, trabalhados ou tratados termicamente.Essas propriedades são definidas pelo tipo de fraturae podem ser decisivas na escolha do material, porexemplo, em fuselagem de avião é sempre desejávelutilizar um material dúctil e não um frágil.


ENSAIO DE COMPRESSÃO:

� Podemos observar o esforço de compressão naconstrução mecânica, principalmente em estruturas eem equipamentos como suportes, bases demáquinas, barramentos etc.em equipamentos como suportes, bases demáquinas, barramentos etc.Às vezes, a grande exigência requerida para umprojeto é a resistência à compressão. Nesses casos,o projetista deve especificar um material que possuaboa resistência à compressão, que não se deformefacilmente e que assegure boa precisão dimensionalquando solicitado por esforços de compressão.



� O ensaio de compressão é o mais indicado paraavaliar essas características.O ensaio de pode ser realizado com a mesmaO ensaio de pode ser realizado com a mesmamáquina que realiza o ensaio de tração, bastandosomente que se inverta o sentido de aplicação dacarga.Gerando basicamente as mesmas informações doensaio de tração, porém aplicando uma carga decompressão no material.



� Os corpos de prova para esse tipo de ensaiousualmente são cilindros cuja comprimento não deveexceder à 6 vezes o diâmetro para se evitar aflambagem. É possível obter diagramas tensão-exceder à 6 vezes o diâmetro para se evitar aflambagem. É possível obter diagramas tensão-deformação em algumas situações.Muitas normas estabelecem um tempo de ensaio,evitando assim o auto esmagamento doequipamento.



Deflectômetroeletrônico

Ensaio de compressão



� Materiais dúcteis:Durante esse ensaio, os materiais dúcteis não serompem mas se deformam continuamente até formarrompem mas se deformam continuamente até formaruma "bolacha" ou danificar a máquina. Usualmentetêm resistência a compressão semelhantes ã tração.Quando apresenta esse tipo de comportamento sãochamado de materiais uniformes.



� Materiais frágeis:Rompem-se durante o ensaio. A fratura écaracterística e se apresenta superfície áspera ecaracterística e se apresenta superfície áspera einclinada. Geralmente têm resistência muito maior àcompressão que a tração. Quando apresentaresistência a tração diferente da de compressão sãochamados de materiais não uniformes.



� Materiais dúcteis e frágeis:

a

b

Ruptura dos corpos de prova no ensaio de compressãopara material dúctil (a) e frágil (b)


ENSAIO DE FLEXÃO:

� Nesse tipo de ensaio uma barra simplesmenteapoiada em cada extremidade como uma viga écarregada transversalmente no centro de seucomprimento até a falha ocorrer.comprimento até a falha ocorrer.Em algumas aplicações industriais, envolvendomateriais de alta resistência, é muito importanteconhecer o comportamento do material quandosubmetido a esforços de flexão.


ENSAIO DE FLEXÃO:

� Quando esta força provoca somente umadeformação elástica no material, dizemos que setrata de um esforço de flexão. Quando produz umadeformação plástica, temos um esforço dedeformação plástica, temos um esforço dedobramento.Isso quer dizer que, no fundo, flexão e dobramentosão etapas diferentes da aplicação de um mesmoesforço, sendo a flexão associada à fase elástica e odobramento à fase plástica.


ENSAIO DE FLEXÃO:

Equipamento utilizado no ensaio de flexão


ENSAIO DE FLEXÃO:

Demonstração do ensaio de flexão e a distribuição das tensões internas


ENSAIO DE FLEXÃO:

Utilização do conceito de linha neutra para produção de vigas estruturais.


ENSAIO DE FLEXÃO:

� Se o material for dúctil, não haverá ruptura e a falha será por escoamento.

� Se o material for frágil, a viga se romperá.� Se o material for frágil, a viga se romperá.

a b

Ruptura dos corpos de prova no ensaio de flexãopara material dúctil (a) e frágil (b)


ENSAIO DE TORÇÃO:

� Corpos de prova circulares são submetidos aesforços de torção até se romperem a fim de obter aspropriedades de cisalhamento. Usualmente o corpode prova é marcado com linha longitudinal parade prova é marcado com linha longitudinal parafacilitar a determinação do ângulo de rotação antesda ruptura. Com a análise desta marca podedeterminar o tipo de comportamento do material.


ENSAIO DE TORÇÃO:

� Materiais dúcteis e frágeis:Em materiais dúcteis haverá linha formará umatrajetória helicoidal, em materiais frágeis a linhapermanecerá reta;trajetória helicoidal, em materiais frágeis a linhapermanecerá reta;

ba

Ruptura dos corpos de prova no ensaio de torçãopara material dúctil (a) e frágil (b)


ENSAIO DE TORÇÃO:

Equipamento utilizado no ensaio de torção


ENSAIO DE TORÇÃO:

� Resistência de cisalhamento:É a resistência a falha por cisalhamento do materiale é determinada durante o ensaio. Pode serdeterminada calculando-se a tensão de cisalhamentoe é determinada durante o ensaio. Pode serdeterminada calculando-se a tensão de cisalhamentoem um corpo de prova quando aplicado um torque.

Onde, τ é a tensão de cisalhamento, r é o raio docorpo de prova, l0 é o comprimento, Θ é a rotação emradianos e G é o módulo de elasticidade transversal.

0l

GrΘ=τ


ENSAIO DE TORÇÃO:

� Módulo de rigidez transversalÉ o recíproco do módulo de elasticidade e pode ser definido como:definido como:

Onde E é o módulo de elasticidade, υ é o coeficiente de Poisson (razão entre a deformação específica lateral e longitudinal) sendo que para a maior parte do metais, fica em torno de 0.3 (Tabelado).

)1(2 v

EG

+=


ENSAIO DE TORÇÃO:

� Resistência de cisalhamento:Como essa tensão é diretamente proporcional aoraio, pode-se afirmar que ela é máxima na periferia eraio, pode-se afirmar que ela é máxima na periferia emínima no centro. Desta forma, durante o teste omaterial situado externamente já se encontra na faseplástica enquanto a porção interna ainda está naelástica. Desta forma, tubos de parede fina pode serconsiderado como um corpo de prova melhor paraeste tipo de ensaio do que uma barra maciça,podendo dar uma medida melhor da resistência aocisalhamento.


DUREZA:

� Em princípio pode-se definir a dureza como aresistência à deformação permanente:� por penetração;� absorção de energia sob carga dinâmica;� absorção de energia sob carga dinâmica;� resistência à ação do risco, à abrasão ou ao corte.


DUREZA:

� As principais características da determinação dadureza dos metais são:� método rápido;� não destrutivo;� não destrutivo;

Permite avaliar:� as condições de fabricação;� tratamento das ligas metálicas;� diferenças estruturais locais;� influência de elementos de lisa.


DUREZA:

� Princípio do ensaio de dureza:A dureza é obtida pela resistência à penetração deum penetrador, que pode ser:� esfera;� esfera;� pirâmide;� tronco de cone;

Os penetradores são usualmente feitos de metalduro, aço temperado ou diamante;Sendo forçado a penetrar no material a ser ensaiadopela aplicação de uma carga estática, provocam umaimpressão, assim da análise da impressão chega-sea valor da dureza do material.


DUREZA:

Equipamento utilizado no ensaio de dureza


DUREZA BRINELL:

� O ensaio consiste em aplicar uma carga estática (P)com uma esfera de aço (diâmetro D). Ao penetrar, aesfera imprime uma calota esférica, de diâmetroinferior ao do penetrador (d). Apresenta algumaslimitações, não poder ser empregado em peças muitoinferior ao do penetrador (d). Apresenta algumaslimitações, não poder ser empregado em peças muitofinas e em materiais muito duros (aço durotemperado, metal duro e outros), mais duros ou dedureza idêntica à das esferas penetradoras, que sedeformariam durante a aplicação da carga.

22(

2

dDDD

PHbn

−−=

π


DUREZA ROCKWELL:

� O princípio de funcionamento é o mesmo do Brinell,mas emprega outro penetrador. Outra distinção é aforma como a dureza é mensurada, como um númeroproporcional à profundidade de penetração. Noprocesso industrial há três faixas principais de durezaproporcional à profundidade de penetração. Noprocesso industrial há três faixas principais de durezaRockwell (A, C e D) em função da variação da cargaaplicada).

tHrw 500100 −=


DUREZA VICKERS:

� Este ensaio tem a vantagem em relação aos demaisde fornecer uma escala contínua de dureza para umadeterminada carga. Pode determinar a dureza demateriais muito moles até materiais extremamenteduros. O penetrador consiste de uma ponte demateriais muito moles até materiais extremamenteduros. O penetrador consiste de uma ponte dediamante com forma de pirâmide de base quadrada eângulo de vértice de 136°e as cargas variam de 10 a120 kgf;

272,1

d

PHvk =

d


EXERCÍCIO

Desafio 7:Identifique quais seriam as propriedades dos materiaismais importantes a serem levantadas na avaliaçãodas seguintes situações:das seguintes situações:� Estrutura de suporte de motor,� Eixo de um motor,� Trem de pouso de avião,� Cabo para um guindaste,� Prato de uma prensa hidráulica,� Dentes de uma serra para madeira.

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