16/03/2018
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Universidade Federal do Pará
Curso de Especialização em Construção Naval
Professor: Jorge Teófilo de Barros Lopes
Módulo: Materiais Aplicados à Indústria Naval
PATRIOCÍNIOAPOIO PARCEIROSREALIZAÇÃO
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COMPORTAMENTO DOS MATERIAIS SOB
CARREGAMENTO E TEMPERATURAS ELEVADAS
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➢ Introdução
✓ Estudar os aspectos gerais da resposta de um sólidosob a ação de um esforço mecânico externo.
✓ Serão discutidas as respostas no regime elástico eno regime plástico (cargas estáticas), principalmentedos materiais metálicos, além de algumascaracterísticas especiais de outras classes demateriais.
✓ Também serão estudados os efeitos das taxas dedeformação e da temperatura sobre ocomportamento mecânicos dos materiais, sob osdiversos tipos de carga.
COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Carga estática: quando aplicada de maneirasuficientemente lenta, induzindo a uma sucessãode estados de equilíbrio, caracterizando umprocesso quase-estático.
✓ Estudo do comportamento mecânico sob cargasestáticas: ensaios de tração, compressão, flexão,torção e dureza.
✓ Carga constante: quando aplicada durante umlongo período.
✓ Estudo do comportamento em carga constante:ensaio de fluência.
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Ensaio de tração convencional
• Consiste na aplicação gradativa de carga detração uniaxial nas extremidades de um corpo deprova padronizado.
• O resultado de um ensaio de tração é registradona forma de um gráfico ou diagramarelacionando a carga em função do alongamento,mais comumente, a tensão em função dadeformação, onde se distinguem doiscomportamentos, o regime elástico e o regimeplástico.
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Ensaio de tração convencional
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento elástico
• Grande parte dos sólidos apresentam umcomportamento elástico para baixos valores detensão aplicada:
• Ao se aplicar uma tensão no sólido ele sedeformará; enquanto esse valor de tensãopermanecer constante, a deformação tambémpermanecerá constante; se a tensão aplicada forreduzida a zero, o sólido retorna às suasdimensões originais.
COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento elástico:
• O comportamento elástico se dá em função dasligações entre as unidades formadoras domaterial, as quais não chegam a se romperquando da aplicação das baixas tensões.
• Os átomos se afastam das posições originaisquando submetidos à carga, mas não ocupamnovas posições.
• A deformação elástica é reversível, portanto nãodissipa energia.
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento elástico
• Nesta fase, a grande maioria dos materiaisapresenta uma proporcionalidade entre a tensãoaplicada e a deformação, dada pela relação:
• (E) → Constante de proporcionalidade (módulode elasticidade ou módulo de Young): Forneceuma indicação da rigidez do material (resistênciado material à deformação elástica) e dependefundamentalmente das forças de ligação.
COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS
E
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento elástico
COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS
MaterialTemperatura de fusão
(°C)E
(GPa)Chumbo (Pb)Magnésio (Mg)Alumínio (Al)Prata (Ag)Ouro (Au)Latão (Liga)Titânio (Ti)Cobre (Cu)Níquel (Ni)Aço (Liga)Ferro (Fe)Molibdênio (Mo)Tungstênio (W)Al2O3
327650660962
1064-
166010851453
-1538261034102020
144569727997
107110207207210304407379
Módulo de
elasticidade para
alguns metais à
temperatura
ambiente (Adaptada
de CALLISTER, 2012;
ASKELAND & PHULÉ,
2003).
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento elástico:
• Neste caso, o gráfico da tensão em função dadeformação resulta em uma relação linear - ainclinação (coeficiente angular) do segmentolinear no diagrama corresponde ao módulo deelasticidade (E) do material (figura).
• Exemplo: O comportamento elástico de um aço edo alumínio à temperatura de 20°C (figura)mostra que o alumínio deforma elasticamentetrês vezes mais que o aço.
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento elástico
COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS
Diagrama esquemático tensão-deformação correspondente à
deformação elástica para ciclos de carga e descarga.
Comparação do comportamento elástico de
um aço e do alumínio (Adaptada de ASKELAND &
PHULÉ, 2003)
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento elástico
• Para alguns materiais, tais como o ferro fundidocinzento, o concreto e diversos polímeros, aregião elástica da curva tensão-deformação não élinear.
COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS
Diagrama esquemático tensão-deformação mostrando um comportamento elástico não-linear
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento elástico
• A diferença na magnitude do módulo deelasticidade dos metais, cerâmicas e polímeros éconsequência dos diferentes tipos de ligaçãoatômica existentes nessas três classes de materiais.
• Tensões compressivas, cisalhantes ou torcionaistambém induzem um comportamento elástico.
• Aumento da temperatura → o módulo deelasticidade tende a diminuir para praticamentetodos os materiais, exceto alguns elastômeros.
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento elástico
COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS
Variação do módulo de elasticidade com a temperatura de um PMMA -
polimetilmetacrilato (CALLISTER, 2012)
Variação do módulo de elasticidade com a temperatura para alguns
metais (CALLISTER, 2012)
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento viscoelástico
• Certos polímeros apresentam umcomportamento particular, chamado deviscoelástico.
• Considere um corpo de prova de comprimentoinicial Lo submetido a um esforço σ no instanteto.
• Inicialmente ele sofre uma deformaçãoinstantânea, puramente elástica εel, que obedeceà lei de Hooke.
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento viscoelástico
• Se o esforço é mantido constante, uma deformaçãoviscoelástica εve aparece ao longo do tempo, e seestabiliza num tempo ta.
• A deformação total εT é igual à soma das duasdeformações εel e εve.
• Essa deformação permanece constante, até que oesforço σ seja eliminado no instante tf.
• o corpo de prova sofre uma contração elásticapraticamente instantânea, de valor absoluto igual aεel.
COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento viscoelástico
• Para que o corpo de prova volte às suas dimensõesiniciais (contração adicional em valor absolutoigual à deformação viscoelástica), é necessário umintervalo de tempo igual à dt = ta– to.
• No tempo t = tf + dt o corpo de prova readquiresuas dimensões iniciais, não existindo nenhumadeformação plástica residual.
• O comportamento viscoelástico é reversível, masdissipa parte da energia envolvida nasdeformações.
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento elástico e viscoelástico
COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS
Deformação viscoelástica
σ
tto tf
Tensão constante no intervalo de tempo t1 a t2
σ1
ε
tto tf
Deformação elástica
ε1
ε
tto tf
εel
ta
εve
tf +dt
εT
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento plástico
• À medida que o material continua a sofrerincrementos de tensão, após um certo valor seiniciará uma deformação permanente e nãorecuperável → deformação plástica.
• A deformação plástica ocorre devido à rupturade ligações dos átomos com os seus vizinhosoriginais, seguida da formação de ligações comos novos átomos vizinhos - um grande númerode átomos ou moléculas se move relativamenteuns aos outros.
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento plástico
• Dessa forma, mesmo que a tensão causadora dadeformação seja removida, os átomos nãoretornarão às suas posições originais.
• Mecanismo da deformação plástica: difere paramateriais cristalinos e amorfos.
• Sólidos cristalinos: a deformação plástica ocorresegundo um processo chamado deescorregamento (ou deslizamento) de planos,que envolve o movimento de discordâncias.
COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento plástico
• Sólidos não-cristalinos: tal como em líquidos, oprocesso de deformação ocorre de acordo comum mecanismo de escoamento viscoso.
• Vários parâmetros podem representar ocomportamento plástico dos materiais obtidosdiretamente do ensaio de tração ou a partir deoutros dados dele levantados: limite deescoamento, limite de resistência à tração,ductilidade e módulo de tenacidade.
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento plástico
• Limite de escoamento (e ou LE): Representa onível de tensão onde a deformação plásticainicia, ou onde ocorre o fenômeno doescoamento – mobilidade das discordâncias edeslizamento de macromoléculas (figura etabela).
• Tensão necessária no projeto da maioria dasestruturas para assegurar que apenas umadeformação elástica ocorrerá quando daaplicação de tensões.
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento Plástico
COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS
Descontínuo Contínuo
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento plástico
• Limite de escoamento (e):
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Materialσe
MPaMaterial
σe
Mpa
ConcretoAlumínioPVCCobreLatão (70Cu-30Zn)FerroNíquel
20 35456975
130138
Aço (1020)Ferro fundidoAço inoxidávelTitânioMolibdênioTungstênio
-
180250350450565
1000-
Limite de escoamento para alguns materiais
(GARCIA et al., 2000; CALLISTER, 2012)
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento plástico
• Limite de resistência à tração (u ou LRT): É atensão no ponto máximo da curva tensão-deformação de engenharia, a qual corresponde àtensão máxima que pode ser sustentada por umaestrutura sob tração.
• Após o escoamento a tensão necessária paracontinuar o processo de deformação plásticaaumenta até alcançar um valor máximo (pontoM).
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento plástico
• Limite de resistência à tração (u ou LRT):
• A partir desse ponto, a tensão diminui até afratura completa do material (ponto F) - issoocorre devido à rápida diminuição da seçãoresistente do corpo de prova ao se ultrapassar atensão máxima.
• A deformação até este ponto é uniforme aolongo da região estreita do corpo de prova que seencontra sob tração.
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento plástico
• Limite de resistência à tração (u ou LRT):
• Nessa tensão máxima, uma pequena constrição,ou pescoço, começa a se formar em um pontodeterminado (início da fratura), e toda adeformação subsequente fica confinada nestaregião.
• Esse fenômeno é conhecido por estricção ouempescoçamento, e a fratura ocorre nessa regiãodo corpo de prova.
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento plástico
• Limite de resistência à tração (u ou LRT):
COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS
Comportamento da curva
tensão-deformação de
engenharia até a fratura do
material (Adaptada de
CALLISTER, 2012).
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento plástico
• Limite de resistência à tração (u ou LRT):
• Os limites de resistência à tração podem variardesde 50 MPa para um alumínio, até um valor de3000 MPa para aços de elevada resistência.
• À tensão aplicada quando da ocorrência dafratura denomina-se resistência à fratura domaterial, f.
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento plástico
• Ductilidade (Al% ou RA%): Representa umamedida do grau de deformação plástica que omaterial suportou até a fratura.
• Um material que experimenta uma deformaçãoplástica muito pequena ou mesmo nenhumaquando da sua fratura é chamado de frágil.
• Os comportamentos tensão-deformação emtração para materiais dúcteis e frágeis estãoilustrados esquematicamente na figura a seguir:
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento plástico
• Ductilidade (Al% ou RA%):
COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS
Representação
esquemática do
comportamento
tensão-deformação em
tração para materiais
dúcteis e frágeis
(Adaptado de
GARCIA et al., 2000).
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento plástico
• Ductilidade (Al% ou RA%):
• Pode ser expressa quantitativamente tanto peloalongamento percentual como pela redução deárea percentual.
COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS
100l
ll%AL
o
of
100A
AA%RA
o
fo
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento plástico
COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS
Materialσe
MPau (LRT)
MPaAL%
(em 50 mm)
AlumínioCobreLatão (70Cu-30Zn)FerroNíquelAço (1020)TitânioMolibdênio
356975
130138 180450565
90200300262480380520655
4045684540252535
Propriedades mecânicas de vários metais e ligas no estado
recozido (Adaptada de CALLISTER, 2012).
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento plástico
• Efeito da temperatura:
• A elevação da temperatura implica num aumentoda mobilidade das discordâncias, numdeslizamento mais fácil das macromoléculas ouainda na ativação de mecanismos de deformaçãoque dependem de difusão, como a ascensão ouescalagem de discordâncias.
COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento plástico
• Efeito da temperatura:
• Esses mecanismos contribuem para umadiminuição dos limites de escoamento e deresistência à tração do material e aumento daductilidade com a elevação da temperatura.
• A maioria dos metais possui um grau moderadode ductilidade à temperatura ambiente; contudo,alguns se tornam frágeis à medida que atemperatura é reduzida.
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➢ Ação de cargas estáticas
✓ Comportamento plástico
• Efeito da temperatura:
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Variação do módulo de elasticidade com a temperatura de um PMMA - polimetilmetacrilato (CALLISTER, 2012)
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➢ Ação de cargas constantes → Fluência
✓ Fundamentos
• A fluência de materiais é muito importante emalguns tipos de projéteis de engenharia,especialmente naqueles em que as peças oucomponentes são colocados em serviço aelevadas temperaturas.
• Exemplo: pás de turbina, geradores de vapor etc.
• É em geral um fenômeno indesejável e, comfrequência, é o fator limitante da vida útil de umapeça.
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➢ Ação de cargas constantes → Fluência
✓ Fundamentos
• Fluência é o fenômeno observado como umadeformação permanente e dependente dotempo em materiais submetidos a uma tensãoconstante.
• O fenômeno é observado em quase todos ostipos de materiais de engenharia, mas para osmateriais metálicos adquire importância apenasa temperaturas altas.
COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS
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➢ Ação de cargas constantes → Fluência
✓ Fundamentos
• Considera-se “temperatura alta” para um materialmetálico, aquela em que processos ligados àdifusão começam ter efeitos macroscópicos.
• O termo “alta temperatura” a que um materialmetálico está submetido depende de suatemperatura de fusão.
• Uma temperatura de 800 °C, por exemplo, podeser alta para o cobre (Tf = 1083 °C = 1356 K), masbaixa para o tungstênio (TF = 3422 °C = 3695 K).
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➢ Ação de cargas constantes → Fluência
✓ Fundamentos
• Uma forma de apresentar a temperatura em umaescala única para todos os metais se dá por meioda temperatura homóloga (TH).
• Temperatura homóloga (TH): Define-se como arazão entre a temperatura de serviço do materiale a sua temperatura de fusão, ambas em Kelvin.
TH =T
Tf
COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS
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➢ Ação de cargas constantes → Fluência
✓ Fundamentos
• Experimentalmente, observa-se que osfenômenos ligados à difusão começam a terefeitos macroscópicos em um metal quando asua temperatura homóloga atinge o valor de 0,4(alguns autores consideram 0,5).
• Dessa forma, um ambiente com temperatura de400 °C (673 K) já seria suficiente para afetar ocobre (TH = 0,5 > 0,4), mas não o tungstênio (TH =0,18 < 0,4).
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➢ Ação de cargas constantes → Fluência
✓ Desenvolvimento da fluência
• A figura a seguir mostra uma representaçãoesquemática do comportamento típico defluência sob carga constante em metais.
COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS
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➢ Ação de cargas constantes → Fluência
✓ Desenvolvimento da fluência
• Com a aplicação da carga ocorre umadeformação instantânea, essencialmenteelástica.
• A partir daí, a fluência se desenvolve em trêsfases (regiões I, II e II da figura):
I. Fluência primária ou transiente - caracterizadapor uma taxa de fluência ( ሶ𝜀 = 𝑑𝜀/𝑑𝑡 )continuamente decrescente – o materialencrua (aumenta a resistência) até conseguirsuportar a carga aplicada.
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➢ Ação de cargas constantes → Fluência
✓ Desenvolvimento da fluência
II. Fluência secundária ou em regime estacionário- caracterizada por uma taxa de fluênciaconstante (em geral, apresenta a duração maislonga) e mínima de todo o processo ( ሶ𝜀𝑚𝑖𝑛) –explicada com base em um equilíbrio entre osprocessos concorrentes de encruamento erecuperação (movimentos de discordâncias) –torna o material mais macio e retém a suahabilidade em experimentar deformação) – afluência do metal ou liga é máxima.
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➢ Ação de cargas constantes → Fluência
✓ Desenvolvimento da fluência
III. Fluência terciária – aceleração da taxa defluência – precede a ruptura do material queocorre no tempo tf (tempo de fratura) – avelocidade de fluência aumenta devido aestricção do material e também devido àformação de cavidades, particularmente noscontornos de grãos.
• Os parâmetros ሶεmin e tf caracterizam a resistênciaà fluência de um material – Quanto < o valor deሶεmin e > o de tf mais resistente à fluência será.
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➢ Ação de cargas constantes → Fluência
✓ Efeito da temperatura e da tensão aplicada
• Um aumento de temperatura diminui aresistência à fluência de um material → aumentaሶεmin e diminui tf.
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➢ Ação de cargas constantes → Fluência
✓ Efeito da temperatura e da tensão aplicada
• De maneira similar, assumindo a temperaturaconstante, ensaios com tensões variáveis mostramque o aumento da tensão aplicada no processodiminui a resistência à fluência → aumenta ሶεmin ediminui tf.
• Metais e cerâmicos cristalinos – fluência pordifusão (movimento de discordâncias e difusãoatômica).
• Polímeros – fluência viscosa, mas a sua taxaaumenta com a tensão e com a temperatura.
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➢ Ação de cargas dinâmicas
✓ Taxa de deformação plástica
• A deformação plástica ocorre por processosindividuais, tais como movimentação dediscordâncias, maclação, deslizamento demacromoléculas etc.).
• Dessa forma, necessitam de um certo intervalode tempo para se completarem.
• Portanto, a taxa de deformação plástica tem umefeito sensível sobre o comportamento mecânicode um material.
COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS
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➢ Ação de cargas dinâmicas
✓ Taxa de deformação plástica
• Esse efeito será mais notável à medida que cresceo intervalo de tempo utilizado no processo dedeformação plástica.
• O aumento da taxa de deformação de umcomponente proporciona um aumento da suaresistência mecânica, que será tanto maiselevada quanto maior for o coeficiente desensibilidade à taxa deformação plástica domaterial.
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➢ Ação de cargas dinâmicas
✓ Esforço de impacto
• Esforço de impacto: esforço mecânico aplicado naforma de altas cargas em um intervalo de tempomuito curto (comuns em engenharia - quedas,colisões, acelerações bruscas etc.).
• A resposta dos materiais a esforços de impacto é,geralmente, muito diferente da obtida no caso deesforços estáticos ou quase estáticos.
• Taxas de deformação: da ordem de 10² a 10³ s-1,muito maior do que as obtidas com a aplicação deesforços quase estáticos (10-5 a 10-1 s-1).
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➢ Ação de cargas dinâmicas
✓ Ensaio de impacto
• Uma das metodologias de avaliação da respostado material a esforços de impacto: chamadosensaios de impacto (Izod e Charpy).
• A carga é aplicada na forma de esforço deimpacto obtido por meio da queda de uma massapendular, de uma altura determinada, sobre apeça a examinar (figura).
• Resultado do ensaio – energia absorvida pelomaterial até a fratura.
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➢ Ação de cargas dinâmicas
✓ Ensaio de impacto
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➢ Ação de cargas dinâmicas
✓ Ensaio de impacto
• A principal aplicação refere-se à caracterizaçãodo comportamento dos materiais, na transiçãoda propriedade dúctil para frágil como função datemperatura.
• Possibilita determinar a faixa de temperaturas naqual um material muda de dúctil para frágil.
• Muito utilizado nas indústrias naval e bélica e, emparticular, nas construções que deverão suportarbaixas temperaturas.
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➢ Ação de cargas dinâmicas
✓ Transição Dúctil-Frágil
• Com o decréscimo da temperatura, os materiaisnormalmente perdem ductilidade.
• Alguns materiais, no entanto, apresentam umamudança excessiva nesse comportamento, o quepode ocorrer em temperaturas de serviço,levando, inclusive, a peça ou componente àfratura.
• Essa transição é relacionada com a temperaturapela energia de impacto medida no ensaio.
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➢ Ação de cargas dinâmicas
✓ Transição Dúctil-Frágil
• Temperaturas mais elevadas - energia de impactorelativamente alta, compatível com um mododúctil de fratura.
• À medida que a temperatura diminui - energia deimpacto cai subitamente ao longo de umintervalo de temperaturas relativamentepequeno, abaixo do qual a energia de impactotem um valor baixo e essencialmente constante,compatível com um modo de fratura frágil.
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➢ Ação de cargas dinâmicas
✓ Transição Dúctil-Frágil
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Transição dúctil-frágil em
uma curva que representa
os resultados de um ensaio
Charpy em dois tipos de
aço. (Adaptada de
ASKELAND, 2003).
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➢ Ação de cargas dinâmicas
✓ Transição Dúctil-Frágil
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Curvas características do resultado do ensaio de impacto em função
da temperatura para alguns materiais metálicos (Adaptada de
HERTZBERG, 1995).
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➢ Ação de cargas dinâmicas
✓ Transição Dúctil-Frágil
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Aspecto da
superfície do corpo
de prova ensaiado a
impacto
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➢ Ação de cargas dinâmicas
✓ Transição Dúctil-Frágil
• Na maioria das ligas, a ocorrência de transiçãodúctil-frágil verifica-se em uma faixa detemperaturas - não existe um critério bemdefinido para especificar uma temperatura dereferência.
• Direção de retirada do corpo de prova e o sentidodo entalhe - podem alterar significativamente osresultados do ensaio, particularmente se asamostras são retiradas de um material encruado.
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➢ Ação de cargas dinâmicas
✓ Transição Dúctil-Frágil
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Efeito da orientação do corpo de prova nas curvas de temperatura
de transição Charpy (HERTZBERG, 1995).
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➢ Ação de cargas dinâmicas
✓ Transição Dúctil-Frágil
• Metais com estrutura CFC - permanecem dúcteismesmo a temperaturas extremamente baixas(figura).
• Metais com estrutura CCC e HC - apresentam atransição dúctil-frágil - a temperatura detransição depende tanto da composição químicada liga quanto da microestrutura.
• A diminuição do tamanho de grão em açosdiminui a temperatura de transição.
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➢ Ação de cargas dinâmicas
✓ Transição Dúctil-Frágil
• Conteúdo de carbono na composição químicados aços influencia significativamente atemperatura de transição (figura).
• Do ponto de vista da transição dúctil-frágil, apreferência na especificação de um material paraaplicações estruturais recai em temperaturas detransição mais baixas.
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➢ Ação de cargas dinâmicas
✓ Transição Dúctil-Frágil
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Efeito do teor de
carbono nas
curvas energia-
temperatura de
transição para
aços (Adaptada
de Honeycombe,
1981)
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➢ Ação de cargas dinâmicas
✓ Transição Dúctil-Frágil
• Materiais cerâmicos e poliméricos, na suamaioria, apresentam transição dúctil-frágil.
• Materiais cerâmicos – transição somente atemperaturas elevadas (geralmente acima de1000 °C).
• Materiais poliméricos – faixa de transiçãogeralmente abaixo da temperatura ambiente.
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ Introdução
• No carregamento cíclico a tensão aplicada oscila aoredor de um valor e com uma dada frequência.
• Muito frequente - ocorre em eixos, engrenagens,molas, estruturas de aeronaves, navios, pontes etc.
• Observa-se uma forma alternativa de degradaçãoda vida útil do material por um fenômenochamado fadiga mecânica – o componente sofrefratura catastrófica após um determinado tempoem operação.
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ Fadiga mecânica
• A fadiga é responsável por uma parcela grande doscasos de falha de componentes em serviço.
• Frequentemente, está presente em acidentesgraves envolvendo grande quantidade de vítimasfatais (acidentes com trens e aviões, por exemplo)
• Um dos aspectos mais importantes da fadiga -pode se manifestar mesmo para tensões abaixodo limite de escoamento do material.
• Observada em todas as classes de materiais.
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ Fadiga mecânica
• Definição (ASTM, 2002): processo de alteraçãoestrutural permanente, progressivo e localizado,que ocorre em um material sujeito a condiçõesque produzem tensões e deformações cíclicas emum ponto ou em vários pontos, e que podemculminar em trincas ou fratura completa após umnúmero suficiente de ciclos.
• Sempre inicia com uma pequena trinca, que sobaplicações repetidas de tensão aumenta detamanho.
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ Fadiga mecânica
• À medida que essa trinca cresce, a seçãotransversal resistente da peça ou componentediminui, resultando em um aumento de tensãona seção.
• Finalmente, é atingido o ponto onde a seçãoresistente remanescente não é mais capaz desuportar a carga aplicada e a peça oucomponente fratura.
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ Fadiga mecânica
• Existe, portanto, um conjunto de variáveisimprescindíveis para que a fratura por fadigaocorra, sendo que as fundamentais são:
1. uma tensão principal máxima suficientementealta;
2. uma variação ou flutuação da tensão aplicadasuficientemente grande;
3. um número de ciclos de aplicação da tensãosuficientemente grande.
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ Fadiga mecânica
• A fratura por fadiga é influenciada por váriosoutros fatores, de natureza mecânica oumetalúrgica, respectivamente na usinagem docorpo de prova e na fabricação do material.
• Exemplos - concentração de tensão, corrosão,temperatura, sobrecarga, tensões residuais,tensões combinadas e estrutura metalúrgica, quetendem a alterar as condições de ocorrência dafadiga.
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ Fadiga mecânica
• Na prática, a forma da onda, a frequência e aamplitude da variação de tensão podem variarcom o tempo.
• Tipos de tensões cíclicas mais comuns: tensãoalternada, tensão flutuante e tensão irregularaleatória.
• As figuras a seguir ilustram os tipos de tensõescíclicas mais comuns.
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ Fadiga mecânica
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Representação esquemática para os ciclos de tensão com amplitude constante:
(a) Completamente reverso (σm = 0); (b) Repetido (σm ≠ 0 e σmin ≠ 0) e (c)
Pulsante (σm ≠ 0 e σmin = 0). (Adaptada de DAWLING,1993).
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ Fadiga mecânica
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Exemplos de ciclos de tensão irregulares ou aleatórios: Industria automobilística
(SAE, 1988); (b) Indústria aeronáutica (MANESCHY, 1999); (c) Indústria nuclear
(MANESCHY, 1999).
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ O ensaio de fadiga
• A fadiga é um fenômeno muito complexo,afetado por diversos fatores externos, conformejá mencionado.
• Em função disso, os ensaios de fadiga devem serdesenhados de modo a reproduzir, o maisfielmente possível, as condições de uso doscomponentes.
• Entretanto, em muitos casos são executadosensaios padronizados.
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ O ensaio de fadiga
• Tais ensaios são capazes de fornecer dadosquantitativos relativos às características de ummaterial ou componente ao suportar, por longosperíodos de tempo, sem se romper, cargasrepetitivas ou cíclicas.
• Curva σ–N (Curva de Wöhler, Curva S-N): formausual de apresentação dos dados do ensaio (fig.).
• Principais resultados dos ensaios: limite deresistência à fadiga, resistência à fadiga e vida emfadiga.
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ O ensaio de fadiga
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Curvas de fadiga
mostrando o
limite de
resistência à
fadiga
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ O ensaio de fadiga
• Limite de resistência à fadiga (Se ou σRf): Limite detensão tal que, para valores inferiores do mesmo, ocorpo de prova nunca sofrerá ruptura por fadiga –ocorre, para materiais ferrosos em geral, ligas deTi, ligas de (figura).
• Resistência à fadiga (Sf ou σf): Tensão na qualocorre ruptura do CP para um número arbitrário deciclos de aplicação de carga (na prática, entre 107 e108 ciclos) – maioria das ligas não ferrosas (Al, Cu,Mg etc.).
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ O ensaio de fadiga
• Vida em fadiga (Nf): Consiste no número de ciclosque causará a ruptura do CP para umdeterminado nível de tensão.
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Curvas de
fadiga, onde e
representa: (A) o
limite de fadiga;
(B) a resistência
à fadiga
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ O ensaio de fadiga
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Curvas de fadiga, onde e representa: (a) o limite de fadiga;
(b) a resistência à fadiga (DOWLING, 1993).
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ O ensaio de fadiga
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Curvas de fadiga, onde e representa: (a) o limite de fadiga;
(b) a resistência à fadiga (Adaptada de REE-HILL, 1985).
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ O ensaio de fadiga
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Curvas de fadiga para diversos polímeros.
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ Fadiga de baixo e alto ciclo
• Em função do número de ciclos necessários paraque a fratura ocorre, o ensaio pode ser divididoem: Fadiga de baixo ciclo e fadiga de alto ciclo.
• Fadiga de alto ciclo – baixos níveis de tensão(ruptura acima de 104 ciclos) – deformaçõespredominantemente elásticas.
• Fadiga de baixo ciclo – altos níveis de tensão(ruptura abaixo de 104 ciclos) – caracterizada pordeformação plástica cíclica acentuada.
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ Influência da temperatura
• Em temperaturas inferiores à ambiente, osensaios indicam que a resistência à fadigaaumenta com o decréscimo da temperatura.
• Quando se considera a aplicação de cargasdinâmicas em altas temperaturas, a resistência àfadiga geralmente diminui quando a temperaturaaumenta acima da ambiente. O aço doce é umaexceção, pois apresenta um máximo naresistência à fadiga entre 200 e 300°C (DIETER,1981).
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ Influência da temperatura
• À medida que a temperatura é elevada bemacima da ambiente, torna-se importante ofenômeno da fluência e, em altas temperaturas,este fenômeno será a causa principal da fratura.
• Por exemplo, nos aços-liga resistentes ao calor,até 700°C a fadiga é a causa principal de ruptura,enquanto que para temperaturas mais elevadas afluência passa a predominar (BRANCO, 1985).
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ Influência da temperatura
• A transição de falha por fadiga para falha porfluência com o aumento da temperaturaresultará em uma mudança do tipo de fraturaque passará de transgranular, característico dafadiga, para a intercristalina por fluência.
• Portanto, os ensaios de fadiga em altatemperatura dependem do tempo, ou seja, dafrequência de aplicação das tensões.
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ Outros fatores que influenciam a fadiga
• Acabamento superficial - Quanto melhor maior olimite de fadiga.
• Composição química – quanto mais puro omaterial, maior o seu limite de fadiga.
• Resistência mecânica – quanto maior aresistência mecânica do material, maior o seulimite de fadiga.
• Tratamento mecânico – eleva o limite de fadiga,pois induzem tensões compressivas na superfície.
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ Outros fatores que influenciam a fadiga
• Tratamentos termoquímicos (cementação,nitretação etc.) – aumentam o limite de fadiga, poisinduzem tensões compressivas na superfície domaterial.
• Descarbonetação – reduz a resistência mecânica nasuperfície, reduzindo o limite de fadiga.
• Corrosão – se prévia, influencia como a redução doacabamento superficial; se simultânea gera umnovo mecanismo chamado de corrosão-fadiga, quereduz muito o limite de fadiga.
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➢ Ação de cargas cíclicas
✓ Outros fatores que influenciam a fadiga
• Geometria – componentes ensaiados podemconter variações bruscas de seções(concentradores de tensão), que podem ocasionara nucleação de trincas.
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