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3-PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
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PROPRIEDADES MECÂNICASPOR QUÊ ESTUDAR? A determinação e/ou conhecimento das
propriedades mecânicas é muito importante para a escolha do material para uma determinada aplicação, bem como para o projeto e fabricação do componente.
As propriedades mecânicas definem o comportamento do material quando sujeitos à esforços mecânicos, pois estas estão relacionadas à capacidade do material de resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper e sem se deformar de forma incontrolável.
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Principais propriedades mecânicas Resistência à tração Elasticidade Ductilidade Fluência Fadiga Dureza Tenacidade,....
Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade do material de resistir às forças mecânicas e/ou de
transmiti-las
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TIPOS DE TENSÕES QUE UMA ESTRUTURA ESTA SUJEITA
Tração Compressão Cisalhamento Torção
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Como determinar as propriedades mecânicas? A determinação das propriedades mecânicas é
feita através de ensaios mecânicos. Utiliza-se normalmente corpos de prova
(amostra representativa do material) para o ensaio mecânico, já que por razões técnicas e econômicas não é praticável realizar o ensaio na própria peça, que seria o ideal.
Geralmente, usa-se normas técnicas para o procedimento das medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os resultados sejam comparáveis.
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NORMAS TÉCNICASAs normas técnicas mais comuns são
elaboradas pelas:
ASTM (American Society for Testing and Materials)
ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas)
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TESTES MAIS COMUNS PARA SE DETERMINAR AS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Resistência à tração (+ comum, determina a elongação)
Resistência à compressão Resistência à torção Resistência ao choque Resistência ao desgaste Resistência à fadiga Dureza Etc...
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CLASSIFICAÇÃO DOS Ensaios Mecânicos
Fonte: Carlos Alexandre dos Santos-Pucrs
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RESISTÊNCIA À TRAÇÃO É medida
submetendo-se o material à uma carga ou força de tração, paulatinamente crescente, que promove uma deformação progressiva de aumento de comprimento
NBR-6152 para metais
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ESQUEMA DE MÁQUINA PARA ENSAIO DE TRAÇÃO
PARTES BÁSICAS
Sistema de aplicação de carga dispositivo para prender o corpo de prova Sensores que permitam medir a tensão
aplicada e a deformação promovida (extensiômetro)
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RESITÊNCIA À TRAÇÃOTENSÃO () X Deformação ()
= F/Ao Kgf/cm2 ou Kgf/mm2 ou N/ mm2
Como efeito da aplicação de uma tensão tem-se a deformação (variação dimensional).
A deformação pode ser expressa:•O número de milímetrosa de deformação por milímetros de comprimento
• O comprimento deformado como uma percentagem do comprimento original
Deformação())= lf-lo/lo= l/lo
lo= comprimento inicial
lf= comprimento final
Força ou cargaÁrea inicial da seção reta transversal
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Comportamento dos metais quando submetidos à tração
Resistência à tração
Dentro de certos limites,
a deformação é proporcional
à tensão (a lei de Hooke é
obedecida)
Lei de Hooke: = E
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A deformação pode ser:
Elástica Plástica
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Deformação Elástica e Plástica
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA Prescede à deformação
plástica É reversível Desaparece quando a tensão é
removida É praticamente proporcional à
tensão aplicada (obedece a lei de Hooke)
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
É provocada por tensões que ultrapassam o limite de elasticidade
É irreversível porque é resultado do deslocamento permanente dos átomos e portanto não desaparece quando a tensão é removida
Elástica Plástica
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Módulo de elasticidade ou Módulo de elasticidade ou Módulo de YoungMódulo de Young
E= / / =Kgf/mm=Kgf/mm22
• É o quociente entre a tensão aplicada e a deformação elástica resultante.
•Está relacionado com a rigidez do material ou à resist. à deformação elástica
•Está relacionado diretamente com as forças das ligações interatômicas
Lei de Hooke: = E
P A lei de Hooke só é válida até este ponto
Tg = E
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Módulo de Elasticidade para alguns metaisQuanto maior o módulo de elasticidade mais rígido é o Quanto maior o módulo de elasticidade mais rígido é o material ou menor é a sua deformação elástica quando material ou menor é a sua deformação elástica quando aplicada uma dada tensãoaplicada uma dada tensão
MÓDULO DE ELASTICIDADE
[E]
GPa 106 Psi
Magnésio 45 6.5
AlumÍnio 69 10
Latão 97 14
Titânio 107 15.5
Cobre 110 16
Níquel 204 30
Aço 207 30
Tungstênio 407 59
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Comportamento não-linear Alguns metais
como ferro fundido cinzento, concreto e muitos polímeros apresentam um comportamento não linear na parte elástica da curva tensão x deformação
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Considerações gerais sobre módulo de elasticidade
Como consequência do módulo de elasticidade estar diretamente relacionado com as forças interatômicas:
Os materiais cerâmicos tem alto módulo de elasticidade, enquanto os materiais poliméricos tem baixo
Com o aumento da temperatura o módulo de elasticidade diminui
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Anisotropia no Módulo de Elasticidade• em material monocristalino o
módulo de elasticidade depende da direção de aplicação da tensão nos eixos cristalográficos, pois a interação atômica varia com a direção.
• Neste caso especifica-se as constantes elásticas
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O COEFICIENTE DE POISSON PARA ELONGAÇÃO OU COMPRESSÃO
• Qualquer elongação ou compressão de uma estrutura cristalina em uma direção, causada por uma força uniaxial, produz um ajustamento nas dimensões perpendiculares à direção da força
x
z
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O COEFICIENTE DE POISSON PARA TENSÕES DE CISALHAMENTO
• Tensões de cisalhamento produzem deslocamento de um plano de átomos em relação ao plano adjacente
•A deformação elástica de cisalhamento é
dada ( ):
= tg
Módulo de Cisalhamento ou de rigidez
Como para metais ~0,3 G~0,4E
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Módulo de Cisalhamento É conhecido também como módulo
de elasticidade transversal.
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Forças de compressão, cisalhamento e torção
O comportamento elástico também
é observado quando forças compressivas, tensões de cisalhamento ou de torção são impostas ao material
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O FENÔMENO DE ESCOAMENTO Esse fenômeno é nitidamente
observado em alguns metais de natureza dúctil, como aços baixo teor de carbono.
Caracteriza-se por um grande alongamento sem acréscimo de carga.
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Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação
Tensão de escoamentoTensão de escoamentoy= tensão de escoamento (corresponde a tensão máxima relacionada com o fenômeno de escoamento)
• De acordo com a curva “a”, onde não observa-se nitidamente o fenômeno de escoamento
•Alguns aços e outros materiais exibem o comportamento da curva “b”, ou seja, o limite de escoamento é bem definido (o material escoa- deforma-se plasticamente-sem praticamente aumento da tensão). Neste caso, geralmente a tensão de escoamento corresponde à tensão máxima verificada durante a fase de escoamento Não ocorre escoamento
propriamente dito
Escoamento
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Limite de Escoamento
quando não observa-se
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
(obtido pelo método gráfico
indicado na fig. Ao lado)
Fonte figura: Prof. Sidnei Paciornik do Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio
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Limite de Escoamento
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Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação
Resistência à Tração Resistência à Tração (Kgf/mm(Kgf/mm22))
Corresponde à tensão máxima aplicada ao material antes da ruptura
É calculada dividindo-se a carga máxima suportada pelo material pela área de seção reta inicial
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Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação
Tensão de Ruptura Tensão de Ruptura (Kgf/mm(Kgf/mm22))
Corresponde à tensão que promove a ruptura do material
O limite de ruptura é geralmente inferior ao limite de resistência em virtude de que a área da seção reta para um material dúctil reduz-se antes da ruptura
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Corresponde ao alongamento total do material devido à deformação plástica
%alongamento=
(lf-lo/lo)x100
onde lo e lf correspondem ao comprimento inicial e final (após a ruptura), respectivamente
Ductilidade em termos de alongamentoDuctilidade em termos de alongamento
ductilidade
Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação
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Ductilidade expressa como alongamento
Como a deformação final é localizada, o valor da elongação só tem significado se indicado o comprimento de medida
Ex: Alongamento: 30% em 50mm
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Ductilidade expressa como estricção Corresponde à redução na área da seção
reta do corpo, imediatamente antes da ruptura
Os materiais dúcteis sofrem grande redução na área da seção reta antes da ruptura
Estricção= área inicial-área final área inicial
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Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação
Resiliência Resiliência Corresponde à capacidade do
material de absorver energia quando este é deformado elasticamente
A propriedade associada é dada pelo módulo de resiliência (Ur)
Ur= esc2/2E
Materiais resilientes são aqueles que têm alto limite de elasticidade e baixo módulo de elasticidade (como os materiais utilizados para molas)
esc
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Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação
TenacidadeTenacidade
Corresponde à capacidade do material de absorver energia até sua ruptura
tenacidade
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Módulo de tenacidadeMateriais dúcteis
Ut= esc + LRT . f em N.m/m3
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Módulo de tenacidadeMateriais frágeis
Ut= 2/3 . LRT. f em N.m/m3
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Algumas propriedades mecânicas para alguns metais
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VARIAÇÃO DA PROPRIEDADES MECÂNICAS COM A TEMPERATURA
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TENSÃO E DEFORMAÇÃO REAIS OU VERDADEIRAS• A curva de tensão x
deformação convencional, estudada anteriormente, não apresenta uma informação real das características tensão e deformação porque se baseia somente nas características dimensionais originais do corpo de prova ou amostra e que na verdade são continuamente alteradas durante o ensaio.
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TENSÃO E DEFORMAÇÃO REAIS
TENSÃO REAL (r)
r = F/Ai
onde Ai é a área da seção transversal instantânea (m2)
DEFORMAÇÃO REAL (r)
d r = dl/l
r = ln li/lo
Se não há variação de volume
Ai.li = Ao.lo r = ln Ai/Ao
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RELAÇÕES ENTRE TENSÕES E DEFORMAÇÕES VERDADEIRAS E CONVENCIONAIS
RELAÇÃO ENTRE TENSÃO REAL E CONVENCIONAL
r = (1+ )
RELAÇÃO ENTRE DEFORMAÇÃO REAL E CONVENCIONAL
r = ln (1+ )
Estas equações são válidas para situações até
a formação do pescoço
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TENSÃO CORRETA PARA A REGIÃO DE DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
r = krn
K e n são constantes que dependem do material e dependem do tratamento dado ao mesmo, ou seja, se foram tratados termicamente ou encruados
correta
A tensão correta de ruptura é devido a outros componentes de tensões presentes, além da tensão axial
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K e n
K= coeficiente de resistência (quantifica o nível de resistência que o material pode suportar)
n= coeficiente de encruamento (representa a capacidade com que o material distribui a deformação)
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K e na para alguns materiais
Material n K (MPa) Aço baixo teor de carbono
recozido 0,26 530
Aço 4340 recozido 0,15 640 Aço inox 304 recozido 0,45 1275
Alumínio recozido 0,2 180 Liga de Alumínio 2024 T 0,16 690
Cobre recozido 0,54 315 Latão 70-30 recozido 0,49 895
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Determinação de K e n
Log r =log k+ n log r
Para r= 1 r =k
1
K
Inclinação= n
r
r
extrapolando
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