1

Propriedades mecânicas dos

metais

O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre a sua resposta ou deformação a uma carga ou força que está sendo aplicada. Propriedades importantes: resistência, dureza, ductilidade.

As propriedades mecânicas dos materiais são verificadas pela execução de experimentos de laboratório cuidadosamente programados, que reproduzem mais fielmente possível as condições de serviço: normas.

2

Tensão e deformação

O comportamento mecânico pode ser

verificado através de um ensaio tensão-

deformação: uma carga estática é aplicada

uniformemente sobre uma seção reta ou superfície

de um material.

3

Ensaios de tração

Um dos ensaios mecânicos de tensão-deformação mais comuns é o de tração. Ele pode ser usado para avaliar diversas propriedades mecânicas dos materiais que são importantes em projetos.

Teste mecânico que apresenta a melhor relação entre informações obtidas e custo/complexidade de ensaio. Ponto de partida para a caracterização e especificação do material.

4

Consiste em submeter um corpo de prova de geometria definida, a um esforço crescente de tração, aplicado continuamente até a fratura e no simultâneo registro do alongamento em função da força aplicada.

Esquema de um ensaio de tração. Neste caso o corpo de prova é tracionado pelo

deslocamento de um barramento acionado pela rotação de parafusos sem

fim.

5

Corpo de prova padrão para ensaios de tração – comprimento da parte útil deve ser pelo menos 4 vezes o diâmetro

6

Chapa da liga de alumínio A5052

Antes do ensaio Início da fratura

Exemplo de um ensaio

7

A carga e o alongamento são normalizados de acordo com os seus respectivos parâmetros de tensão de engenharia e deformação de engenharia.

0A

F

= Tensão de engenharia (MPa ou psi)

F=carga instantânea aplicada em direção perpendicular à seção reta da amostra (N ou lbf)

A0=área da seção reta original antes da aplicação de qualquer carga (m2 ou pol2)

00

0

l

l

l

lli

= Deformação de engenharia

l0 = comprimento original antes de qualquer carga ser aplicada

li = comprimento instantâneo

8

Testes de Compressão

Um teste de compressão é conduzido de maneira similar ao teste de tração,exceto que a força é compressiva e a amostra se contrai ao longo da direção da tensão; As mesmas equações são usadas para calcular tensão e deformação;

Por convenção, uma força compressiva é tomada como negativa, o que fornece uma tensão negativa; Testes de tração são mais comuns porque eles são mais fáceis deexecutar; para aplicações estruturais, pouca informação adicional é obtida a partir de testes de compressão; Testes compressivos são usados quando se deseja conhecer o comportamento de um material submetido a grandes e permanentes deformações (por exemplo, plásticas), como em aplicações de fabricação, ou quando o material é frágil sob tração.

9

Testes de cisalhamento e de torção

Para testes realizados usando uma força cisalhante pura, a tensão cisalhante é calculada de acordo com a relação:

= F / Ao onde F é a carga ou força imposta paralelamente às faces superior e inferior, cada uma das quais tem uma área de Ao.

A deformação cisalhante é definida como a tangente do ângulo de deformação .

As unidades para tensão de cisalhamento e deformação de cisalhamento são as mesmas daquelas de tração.

10

Torção é uma variação do cisalhamento puro, onde um componente estrutural é torcido; forças de torção produzem um movimento rotacional ao redor do eixo longitudinal de uma extremidade do elemento estrutural em relação à outra extremidade.

Uma tensão cisalhante é uma função do torque aplicado T, enquanto a deformação cisalhante está relacionada ao ângulo de torção .

11

Conceitos Módulo de elasticidade (E) Tensão limite de escoamento (e) Tensão limite de resistência a tração (t)

Ductilidade Resiliência Tenacidade

12

DEFORMAÇÃO ELÁSTICA

A deformação elástica ocorre quando uma tensão é aplicada sobre um material sólido;

Quando a carga aplicada é de tração, a peça tensionada se torna ligeiramente mais longa. A remoção da carga permite que o material retorne as suas dimensões originais.

No caso da carga ser compressiva, a peça se torna ligeiramente menor.

A deformação elástica é resultado de um pequeno alongamento da célula unitária na direção da carga trativa, ou uma pequena contração no caso da carga ser compressiva.

13

Módulo de Elasticidade (E)

Dentro dessa chamada “fase elástica”, a deformação é proporcional à tensão correspondente à força aplicada.

A relação entre a tensão e a deformação é chamada de “MÓDULO DE ELASTICIDADE” (Módulo de Young), que é uma característica típica de cada material.

14

Relação linear entre a tensão e a deformação

E pode ser considerado como uma medida de rigidez, ou uma resistência do material à deformação elástica. Quanto maior o módulo, mais rígido será o material ou menor será a deformação elástica que resultará da aplicação de uma dada tensão.

15

1ª parte da curva: Lei de Hooke E x

• Determinado pela força de ligação entre os átomos;

•Bastante influenciado pela temperatura (T ↑ → E ↓)

Módulo de Elasticidade

E = módulo de elasticidade

16

Existem alguns materiais (por exemplo, ferro fundido cinzento e concreto) para os quais esta porção inicial elástica da curva de tensão-deformação não é linear; portanto, não é possível determinar um módulo de elasticidade como descrito.

Para este comportamento não linear, tanto o módulo tangente quanto o módulo secante é normalmente usado.

Módulo tangente é tomado como a inclinação da curva de tensão-deformação em algum especificado nível de tensão; o módulo secante representa a inclinação de uma secante traçada a partir da origem até algum dado ponto da curva.

17

18

E (módulo de elasticidade x T (temperatura de fusão)

Valores do módulo de elasticidade para materiais cerâmicos são caracteristicamente maiores do que aqueles para metais; para polímeros, eles são menores.

Estas diferenças são uma conseqüência direta dos diferentes tipos de ligação atômica nos 3 tipos de materiais.

19

A imposição de tensões compressiva, cisalhante ou de torçãotambém induzem comportamento elástico.

As características de tensão-deformação a baixos níveis de tensão são virtualmente as mesmas para as situações tanto de tração quanto de compressão, incluindo o módulo de elasticidade.

Tensão cisalhante e deformação cisalhante são proporcionaisentre si através da expressão:

= G

onde G é o módulo de cisalhamento, a inclinação da região elástica linear da curva de tensão–deformação de cisalhamento.

20

21

Anelasticidade

Em muitos materiais de engenharia, existirá também uma componente de deformação elástica dependente do tempo: a deformação elástica continuará após a aplicação da tensão, e após o alívio da carga, algum tempo é requerido para recuperação completa.

Este comportamento elástico dependente do tempo é conhecido como anelasticidade.

Para metais a componente anelástica é normalmente pequena e com freqüência desprezada.

22

Propriedades elásticas dos materiais

Quando uma tensão de tração é imposta sobre uma amostra metálica, uma elongação elástica e uma deformação correspondente z resultam na direção da tensão aplicada (arbitrariamente tomada como sendo a direção z).

Como um resultado deste alongamento, haverão constrições nas direções laterais (x e y) perpendiculares à tensão aplicada; a partir destas contrações, as deformações compressivas x e y podem ser determinadas. Se a tensão aplicada for uniaxial (apenas na direção z) e o material isotrópico, então x = y .

23

Anisotropia

As propriedades físicas de monocristais de algumas substâncias dependem da direção cristalográfica na qual as medições sejam feitas.

O módulo elástico, a condutividade elétrica, e o índice de refração podem ter valores diferentes nas direções [100] e [111].

24

Esta direcionalidade das propriedades é denominada anisotropia. Substâncias nas quais as propriedades medidas são independentes da direção de medição são isotrópicas.

Para muitos materiais policristalinos, as direções cristalográficas dos grãos individuais são totalmente aleatórias. Nestas circunstâncias, mesmo embora cada grão possa ser anisotrópico, uma amostra composta de agregados de grãos se comporta isotropicamente.

25

Coeficiente de Poisson

É definido como a razão entre as deformações lateral e axial, ou = - x / z = - y / z

Para muitos metais e outras ligas, valores para o coeficiente de Poisson variam entre 0,25 e 0,35.

Módulos de cisalhamento e de elasticidade estão relacionados entre si e com o coeficiente de Poisson de acordo com a equação E = 2G ( 1 + )

Em muitos metais, G é cerca de 0,4E; assim, se o valor de um módulo for conhecido, o outro pode ser aproximado.

26

DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

À medida que um material é deformado além do ponto de proporcionalidade entre tensão e deformação, ocorre uma deformação permanente e não recuperável, ou deformação plástica.

Para a maioria dos materiais metálicos, o regime elástico persiste até deformações de 0,005.

27

Tensão de Escoamento

e

Quando um metal passa a se deformar irreversivelmente (início da

deformação plástica)

Escoamento contínuo

Ponto P: limite de proporcionalidadeConvenção: linha reta construída paralelamente à porção elástica da curva, no ponto de deformação 0,002

Materiais que possuem região elástica não linear - prática usual: tensão de escoamento é a tensão necessária para produzir uma determinada quantidade de deformação (0,005)

28

Escoamento descontínuo

Mo, Nb, ligas de Ti, ligas de Al, alguns aços

29

Principal parâmetro obtido do ensaio de tração:

• Cálculos de projeto estrutural (onde é necessário que o material não entre em deformação plástica);

• Conformação plástica (quando é desejado facilidade de deformação plástica do material).

As tensões limite de escoamento podem variar desde 35 MPa para um alumínio de baixa resistência até mais de 1400 MPa para aços de elevada resistência.

30

Limite de resistência à tração (LRT)

Curva típica tensão-deformação de engenharia

até a fratura

É a tensão no ponto máximo da curva tensão-deformação de engenharia (ponto M).

Deformação até este ponto é uniforme. Neste ponto começa o fenômeno do empescoçamento: toda a deformação fica confinada neste pescoço, onde ocorre a fratura.

Resistência à fratura: tensão aplicada no momento da fratura.

31

Na curva tensão x deformação convencional, pode-se observar diferentes fases:

• região de deformação uniforme

• região de deformação plástica uniforme

• região de deformação plástica

• região de deformação localizada

32

Exemplo 6.3 Callister

Amostra de latão

33

Ductilidade

A ductilidade representa uma medida do grau de deformação plástica que foi suportado quando da fratura.

Material frágil: apresenta deformação plástica muito pequena ou nenhuma no momento da fratura.

100%0

0

l

llAL f

Alongamento percentual

lf – comprimento no momento da fratura;

l0 – comprimento útil original

Redução de área percentual

100%0

0

A

AARA f

A0 - área original da seção reta;

Af – área da seção reta no ponto de fratura

34

Ductilidade

35

Materiais considerados frágeis: aqueles que possuem uma deformação de fratura inferior a 5%.

36

Resiliência

É a capacidade de um material absorver energia quando ele é deformado elasticamente e depois, com o descarregamento, ter essa energia recuperada.

EEU ee

eeer 22

1

2

1 2

Ur - módulo de resiliência (J/m3) – energia de deformação por unidade de volume exigida para tensionar um material desde um estado com ausência de carga até sua tensão limite de escoamento.

37

Tenacidade

Tenacidade é um termo mecânico que representa uma medida da habilidade de um material em absorver energia até

sua fratura.

Ela é a área sob a curva tensão-deformação até a fratura.

Unidade – J/m3

Material tenaz – apresenta tanto resistência como ductilidade.

É a área sob a curva tensão-deformação de engenharia até o escoamento.

38

ESC

Elástica

Plástica

RUP

Resiliência Tenacidade

MAX

39

Tensão verdadeira e deformação verdadeira

O ensaio de tração convencional baseia-se nas dimensões iniciais do CP que se alteram ao longo do ensaio. Se os cálculos das tensões e

deformações forem baseados nas reais dimensões do CP, ter-se-á uma curva tensão-deformação verdadeira

iV A

F

0

lnl

liV

40

Quando o pescoço se forma, ocorre um estado de tensão complexo nessa região (existência de outros componentes de tensão além da axial). A tensão correta (axial) no pescoço é ligeiramente inferior à tensão obtida a partir da carga aplicada e da área da seção reta do pescoço (curva corrigida).

Para alguns metais e ligas, a região da curva tensão deformação verdadeira desde o surgimento da deformação plástica até o ponto onde tem o início o pescoço, pode ser aproximada pela relação:

nVV K

K e n são constantes; n é conhecido por expoente de encruamento

41

42

Ensaios Mecânicos - Dureza

Definições aceitáveis: Medida da resistência à deformação plástica localizada; Medida da resistência à penetração de um material duro no outro; Medida da resistência ao risco que um material pode fazer em

outro.

43

Ensaios de dureza: Um pequeno penetrador é forçado contra a superfície de um material a ser testado, sob condições controladas de carga e taxa de aplicação;

Faz-se a medida da profundidade ou do tamanho da impressão resultante, que é relacionada a um índice de dureza.

Quanto mais macio o material, maior e mais profunda a impressão e menor o índice de dureza.

Ensaios Mecânicos - Dureza

44

Razões para o uso do ensaio de dureza:

•São simples e baratos – normalmente, nenhum corpo de prova especial precisa ser preparado, e os equipamentos de ensaio são relativamente baratos;

•O ensaio é não-destrutivo – o corpo de prova não é fraturado, nem excessivamente deformado; uma pequena impressão é a única deformação;

•O limite de resistência à tração pode ser estimado a partir de dados obtidos no ensaio de dureza.

Ensaios Mecânicos - Dureza

45

Métodos de ensaios de dureza:Métodos de ensaios de dureza:

• Dureza Rockwell (HR);

• Dureza Brinell (HB);

• Microdurea Knoop (HK) e Vickers (HV).

Ensaios Mecânicos - Dureza

46

Dureza Rockwell

É o método mais comumente utilizado para medir a dureza, pois são muito simples de executar e não exigem habilidade especial;

A dureza Rockwell é obtida através de várias combinações entre cargas e penetradores, que permitem o ensaio de metais e ligas, desde os mais duros até os mais macios;

Tipos de penetradores utilizados:• esférico (esfera de aço temperado);• cônico (cone de diamante, com ângulo de 120° e ponta ligeiramente arredondada).

Índice de dureza é determinado pela diferença na profundidade de penetração que resulta da aplicação de uma carga inicial menor seguida por uma carga principal maior.

47

Existem 2 tipos de ensaios: Rockwell e Rockwell superficial.

Rockwell: carga menor 10 kgf;

carga principal 60, 100 e 150 kgf

Rockwell superficial: carga menor 3 kgf;

carga principal 15, 30 e 45 kgf.

48

As combinações mais comuns correspondem às escalas C (carga principal de 150 kgf e penetrador de diamante) e B (100 kgf, esfera de 1,59 mm de diâmetro).

Exemplos de índices: 80 HRB indica uma dureza Rockwell de 80 na escala B; 60 HR30W indica uma dureza superficial de 60 na escala

30W.

Dureza Rockwell

49

A espessura da amostra deve ser pelo menos 10 vezes a profundidade da indentação, enquanto deve-se deixar pelo menos 3 diâmetros de indentação entre o centro de uma indentação e a aresta da amostra, ou até o centro de uma segunda indentação.

Podem resultar imprecisões nos resultados se a amostra de teste for muito fina, se uma indentação for feita excessivamente próxima de uma aresta da amostra ou se 2 indentações forem feitas muito próximas entre si.

50

51

Dureza Brinell

Consiste na compressão lenta de uma esfera de aço sobre a superfície do metal e na medida do diâmetro da impressão produzida.

O diâmetro do penetrador de aço endurecido (ou carbeto de tungstênio) é de 10,0 mm. As cargas variam entre 500 e 3000 kgf, em incrementos de 500 kgf e é mantida constante por um tempo específico (entre 10 e 30 s).

O diâmetro da impressão resultante é medido com um microscópio especial, utilizando uma escala que está gravada na sua ocular. Esse diâmetro medido é então convertido ao número HB apropriado com o auxílio de um gráfico (apenas uma escala).

52

A dureza Brinell (HB ou HBN) é a relação entre a carga P e a área da calota esférica impressa e pode ser calculada através da fórmula abaixo:

Dureza Brinell

HB = 2P . D(D - D2 - d2)

Ensaio de dureza Brinell

D - diâmetro da esfera de aço;

d - diâmetro de impressão

53

A microdureza Vickers utiliza um penetrador formado por uma pirâmide de diamante, produzindo uma impressão na forma de pirâmide invertida, conforme figura abaixo.

Microdureza Vickers

Formação da impressão Vickers. Determina-se a média das diagonais da impressão.

54

A microdureza vickers (HV) é a relação entre a carga e a área da superfície da pirâmide e pode ser calculada pela fórmula:

onde L é a média das diagonais da impressão, medidas com o auxílio de um microscópio.

Microdureza Vickers

HV = 1,8544.P L2

As cargas aplicadas são muito menores do que para os ensaios Rockwell e Brinell, variando entre 1 e 1000g.

55

A microdureza com um penetrador em forma de pirâmide alongada (Knoop) permite a medição da dureza em regiões finas de camadas de metal depositado ou endurecido e mesmo de camadas de certas tintas. Também bastante usado para materiais frágeis.

Comparação entre os penetradores (a) Vickers e (b) Knoop e suas respectivas impressões.

Microdureza Knoop

56

57

Conversão de Conversão de durezadureza

Os dados de conversão de dureza foram determinados

experimentalmente. Os mais confiáveis são para

os aços.

58

Relação entre dureza e Relação entre dureza e LRTLRT

Para a maioria dos aços: LRT (MPa) = 3,45 x HB

LRT (psi) = 500 x HB

59

Dureza

Gráfico mostrando a variação de algumas propriedades mecânicas dos aços comuns laminados ou forjados, esfriados lentamente, em função do teor de carbono.

60

Fatores de segurança

Virtualmente todos os materiais de engenharia exibem uma variabilidade em suas propriedades mecânicas. Além disso, incertezas também existirão na magnitude das cargas aplicadas para aplicações em serviço. Portanto, folgas de projeto devem ser feitas para proteger-se contra uma falha não prevista.

Tensão admissível ou tensão de trabalho: Para situaçõesestáticas e metais dúcteis, t é tomada como o limite de escoamento dividido por um fator de segurança, N:

Ne

t

61

A escolha de um apropriado valor de N é necessário: Se N é demasiado grande, então resultará em um superdimensionamento do componente, isto é, ou demasiada quantidade de material ou uma liga tendo uma resistência maior do que a necessária será usada.

Valores normalmente usados variam entre 1,2 e 4,0;

A seleção de N dependerá de um número de fatores, incluindo a economia, experiência anterior, precisão com a qual forças mecânicas e propriedades de materiais podem ser determinadas, e, o que é mais importante, asconseqüências de falha em termos de perda de vida e/ou danos materiais.