Tecnologia dos Materiais - Seção 2 - Propriedades mecânicas (2)

Seção 2- Propriedades Mecânicas (Ensaio de Tração)

Prof. Pavani

Tecnologia dos Materiais

O aluno deverá saber definir: tensão de engenharia, tensão verdadeira, deformação de engenharia, tenacidade e resiliência e compreender a lei de Hooke, Saber identificar as condições segundo as quais ela é válida.

Objetivos:

O aluno deverá compreender como várias propriedades mecânicas (módulo de elasticidade, a tensão limite de escoamento, limite de resistência, etc) são medidas a partir do ensaio de tração e o que estas propriedades representam.

Objetivos:

As propriedades mecânicas definem a resposta do material à aplicação de forças (solicitação mecânica).

Principais Propriedades: Resistência, elasticidade, ductilidade, fluência, fadiga, tenacidade, ....

Os testes (ensaios) mais comuns utilizados no estudo de materiais são os ensaios de: tração, compressão, torção, choque, desgaste, fadiga e dureza.

Ensaio de tração

O ensaio de tração consiste na aplicação gradativa de uma carga de tração uniaxial crescente em um corpo de prova específico até a ruptura.

Vantagens: Fornece dados quantitativos das características mecânicas dos materiais

É um ensaio simples e de realização rápida.

Corpo de prova: deve ser preparado conforme a norma técnica.

Exemplo: no Brasil a norma técnica utilizada para materiais metálicos é a norma NBR-6152 (ABNT).

S0- Area inicial

Lo- comprimento inicial

ΔL- variação do comprimento (alongamento)

F carga uniaxial

Corpo de provaCorpo de prova

Ensaio de tração

S0

(continuação)

Parte útil: é a região do corpo de prova onde ocorre a deformação.

O comprimento padrão é geralmente igual a 50 mm para os materiais metálicos, denominado base de medida ou comprimento útil. Esse valor é utilizado nos cálculos da ductilidade.

Ensaio de tração (continuação)

Ensaio de tração

Criação: CETEC - DI

(continuação)

Tensão

A tensão de engenharia é definida por:

0AF

Ensaio de tração

Sendo: F a força ou carga instantânea aplicada perpendicularmente à seção transversal do corpo de prova, expressa em N (ou Kgf) e A0 é a área inicial da seção transversal antes da aplicação de qualquer esforço, expressa e m2 (ou mm2), logo a tensão será dada por: N/ m2 = Pa.Atenção: MPa= 106 Pa e GPa= 109 Pa

(continuação)

Deformação de engenharia (Є)

- É a razão entre a variação de comprimento (ΔL=elongação) e o comprimento original.

- É uma quantidade adimensional.

0LL


Para cada par de valores lidos, carga e alongamento, calcula-se a tensão e a deformação específica dividindo-se estes valores por A0 e L0, respectivamente.

Obtêm-se assim o diagrama tensão X deformação, sendo que este diagrama varia de material para material.

Observações

Pode-se com a análise do diagrama verificar se o material é dúctil ou frágil.

O diagrama varia com a temperatura e com a velocidade de aplicação da carga.

Pode-se dividir os materiais em dúcteis ou frágeis, pelos aspectos de seus diagramas.

Observações (continuação)

Região elástica

Região plástica

Região escoamento

Com o teste obtem-se uma curva de tensão de tração pela deformação sofrida pelo corpo de prova.

Com o teste obtem-se uma curva de tensão de tração pela deformação sofrida pelo corpo de prova.


Região elástica

É a porção reversível da deformação, ou seja, desaparece quando a tensão é removida.

Para a maioria dos materiais, a deformação elástica é proporcional à tensão aplicada.


Esta relação, conhecida como Lei de Hooke, define uma dependência linear entre a tensão e a deformação.

Observação: o valor limite a partir do qual o material não se comporta mais de forma elástica denomina-se limite elástico.


Módulo de elasticidade ou módulo de Young

É o quociente entre a tensão aplicada e a deformação elástica resultante (coeficiente angular da reta)

E


Módulo de elasticidade ou módulo de Young

– Este módulo representa a resistência do material à deformação elástica e depende principalmente da composição do material.

– Os materiais cerâmicos e metálicos tem alto módulo de elasticidade, enquanto os materiais poliméricos tem baixo módulo.


Exemplo de módulos de elasticidade

Magnésio - 45 GPa

Alumínio - 69 GPa

Latão - 97 GPa

Titânio - 107 GPa

Cobre - 110 GPa

Níquel - 204 GPa

Aço - 207 GPa

Tungstênio - 407 - GPa

Região de escoamento

É a transição da deformação elástica para a plástica que é gradual.

É nesta região que se determina a tensão de escoamento → σe


Como a tensão de escoamento é determinada?

Observação: Quando não é possível observar nitidamente o fenômeno de escoamento, a tensão de escoamento corresponde à tensão necessária para promover uma deformação permanente de 0,2% ou outro valor especificado.


Valores utilizados para determinar a tensão de escoamento. Somente para informação

Quando não nítido, utiliza-se da convenção de um deformação padrão

Metais e ligas em geral: n = 0.2% (ε = 0,002)

Cobre e suas ligas: n = 0,5 % (ε = 0,005)

Ligas metálicas duras: n = 0.1 % (ε = 0.001)

Cerâmicos: n = 0.1 % (ε = 0.001)

Polímeros: n = 0,5% (ε = 0.005)

Região plástica

É uma deformação permanente provocada por tensões que ultrapassaram o limite elástico.

Essa deformação ocorre após a deformação elástica, sendo que ela não é reversível.


Região plástica:

1- A resistência à tração (σt)

Corresponde à máxima tensão que o material suporta sob tração; se esta tensão for aplicada e mantida na estrutura, o resultado será a fratura do material.

0

max

A

Ft


Região plástica:

Resistência à fratura

A resistência à fratura corresponde à tensão no momento da fratura.

0A

Frupr


Tensão máximaTensão de ruptura

Curva característica para um material dúctil

Ductilidade

– É a deformação plástica total até o ponto de ruptura.

Material frágil - material que não apresenta deformação plástica, ou onde esta é mínima.

Exemplo: vidro, alumina (material cerâmico).


Material dúctil - material que apresenta deformação elástica e plástica.

Exemplo: alumínio, aço 1020.

As medidas convencionais de ductilidade que são obtidas do teste de tração são: porcentagem de elongação e estricção.


Representação esquemática das curvas tensão-deformação para materiais dúctil e frágil.

Material FrágilVidro, ferro FundidoMaterial FrágilVidro, ferro Fundido

Material DúctilAlumínio, aço baixo carbono

Material DúctilAlumínio, aço baixo carbono


Aspecto da Ruptura de Corpos de Prova - material Dúctil

EstricçãoRuptura do

material dúctil

Ensaio de tração

Dúctil (simples)

(continuação)

Ruptura domaterial frágil

Aspecto da Ruptura de Corpos de Prova - material Frágil

Ensaio de tração

Frágil (clivagem)

(continuação)

As medidas convencionais de ductilidade que são obtidas do teste de tração são a porcentagem de elongação e estricção.

A porcentagem de elongação é a porcentagem de deformação plástica na fratura, ou seja,

onde Lf é o comprimento na fratura e Lo é o comprimento inicial.

O valor de Lo normalmente utilizado é 50 mm.

100 x L

)L(L%EL

0

0f


– A estricção é a redução na área da seção reta do corpo de prova, imediatamente antes da ruptura. É determinada através da seguinte expressão:

onde A0 é a área da seção transversal original (inicial) e Af é a área da seção transversal no instante da fratura.

100 x A

)AA(RA%

0

f0


Observação: Tanto a porcentagem de

elongação quanto a estricção podem

ser obtidas após a fratura, unindo as

duas partes do corpo de prova para as

medidas de Lf e Af.


Em geral, as medidas de ductilidade são interessantes sob os seguintes aspectos:

– indicam a extensão na qual um metal pode ser deformado sem fraturar em operações de conformação mecânica;

– indicam ao projetista, de uma forma geral, a capacidade do metal escoar plasticamente antes da fratura;

– São usados como um indicador da mudança do nível de impurezas ou condições de processamento.


Tenacidade

– É a capacidade do material de absorver energia na região plástica de deformação.

– Esta energia está intimamente relacionada à área sob a curva tensão-deformação.

– A tenacidade é avaliada através de ensaio de impacto.

Resiliência

– É a capacidade de um material absorver energia quando deformado elasticamente e readquirir a forma quando descarregado. Materiais resilientes são aqueles que têm alto limite de escoamento e baixo módulo de elasticidade.

Exemplo: materiais utilizados para molas.

Diagrama Tensão x Deformação verdadeira

– A tensão e deformação usadas para obtenção do diagrama verdadeiro levam em conta os valores instantâneos da força, da área da seção transversal e do comprimento útil instantâneos.

– A tensão atuante no corpo de prova aumenta até a ruptura.


Observações:

1. A temperatura é um fator importante a ser considerado, pois a ductilidade, como outras propriedades mecânicas, é fortemente influenciada pela temperatura.

Exemplo: transição dúctil – frágil.

2. Com o aumento da temperatura o módulo de elasticidade diminui.

Lista de exercícios(2a Lista) Entregar como Estudo Dirigido.

1- Compare o comportamento de um material dúctil com o material frágil quando submetidos ao ensaio de tração (com representação) 2- Qual a importância da região plástica?


3-Considerando a curva tensão x deformação para

um material dúctil, temos que a curva após a

tensão máxima começa a decair, ou seja teremos

assim a curva de engenharia, mas sabemos que

na verdade isto não ocorre, ou seja, a curva a

partir da tensão máxima continua a se elevar.

Explique tal fato.


4- O que é tenacidade e resiliência?

5- Como é determinada a tensão de escoamento de um material que apresenta uma porção linear na curva tensão X deformação.


6- Uma barra de aço de 100mm de comprimento e

seção transversal quadrada (lado igual a 20mm) é

tracionada com uma carga de 89000N e sofre uma

elongação de 0,10mm. Admitindo que a deformação

seja totalmente elástica, calcule o módulo de

elasticidade do aço.


7-Uma liga de alumínio possui um módulo de

elasticidade de 69GPA e um limite de escoamento de

274MPa. Qual a carga que pode ser suportada por

um fio deste material com um diâmetro de 1,74mm,

sem que ocorra deformação permanente?


8- Uma carga de 4450N, suspensa em um fio de aço de 2,40m de comprimento, com 16,1mm2 de seção transversal, provoca um aumento de comprimento elástico do fio de 3mm. Calcular:

a) tensão; b) A deformação resultante; c) O valor do

módulo de elasticidade.


9- Um corpo de prova de alumínio com uma seção

transversal retangular 10mm X 12,7mm é tracionado

com uma força de 35500N produzindo somente

deformação elástica. Qual a deformação resultante?

(observação: módulo de elasticidade é 69GPa)


10-Uma base de medida de 50mm é adotada num fio

de cobre. O fio é tracionado até que as marcas da

base de medida assumam a distância de 59mm.

Calcule a deformação.

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