Propriedades dos Materiais

Principais propriedades dos Materiais

Propriedades físicas – densidade, calor específico, coeficiente de expansão térmica, condutividade térmica

Propriedades mecânicas – tensão de escoamento, resistência mecânica, ductibilidade e tenacidade

CorTexturaSensação táctil

Estética

Facilidade no processamentoUniãoAcabamento

Produção

OxidaçãoCorrosãoDesgaste

Interação ambiental

ResistividadeConstante dielétricaPermeabilidade manética

Elétrica

Condutividade térmicaCalor específicoCoeficiente de expansão térmica

Térmica

Módulo de elasticidadeResistência à deformação e a traçãoDurezaTenacidade à fraturaLimite de fadigaLimite de resistência à deformação a quenteCaracterística de amortecimento

Mecânica

DensidadeFísica geral

Preço e disponibilidadeCapacidade de reciclagem

Aspecto econômico

Exemplos de seleção de materiais

Chave de fenda típicaHaste e ponta de aço carbono

Alto módulo de elasticidadeAlta resistência plásticaDurezaAlta tenacidade a fratura

Cabo da chave de fenda de PMMAAlto coeficiente de atritoFacilidade de fabricaçãoAparênciaBaixa densidadePreço razoável

Densidade (massa específica)

É uma propriedade muito importante no contexto da previsão dos índices de mérito;Relaciona massa por volume (Kg/m3);Está relacionado com tamanho e peso dos átomos e tipo de ligação químicaMétodos de determinação da densidade

Principais propriedades mecânicas

Resistência mecânicaElasticidadeDuctilidadeTenacidade

Tipos de tensões que uma estrutura esta sujeita

Como determinar as propriedadesmecânicas?

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, jáque por razões técnicas e econômicas não épraticável 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.

Ensaio de tração

É medida submetendo-se o material à uma carga ou força de tração, gradativamente crescente, que promove uma deformação progressiva de aumento de comprimento

Filme ensaio de tração polipropileno

Resitência à tração tensão (σ) X deformação (ε)

Tensão σ = F/Ao Kgf/cm2 ou Kgf/mm2 ou N/ mm2

Deformação(εε))= lf-lo/lo= Δl/lo

lo= comprimento inicial

lf= comprimento final

Força ou cargaÁrea inicial da seção reta transversal

Comportamento dos metais quandosubmetidos à tração

Resistência à tração

Dentro de certos limites,

a deformação é proporcional

à tensão (a lei de Hooke é

obedecida)

Lei de Hooke: σσ = E εε

Deformação Elástica e Plástica

DEFORMAÇÃO ELÁSTICAPrescede à deformação plásticaÉ reversívelDesaparece quando a tensão éremovidaÉ praticamente proporcional àtensão aplicada (obedece a lei de Hooke)

DEFORMAÇÃO PLÁSTICAÉ provocada por tensões que ultrapassamo limite de elasticidadeÉ irreversível porque é resultado do deslocamento permanente dos átomos e portanto não desaparece quando a tensãoé removida

ElásticaPlástica

Módulo de elasticidade ou Módulo de Young

E= σσ/ / εε =Kgf/mm=Kgf/mm22

• É o quociente entre a tensãoaplicada e a deformaçãoelástica resultante.

•Está relacionado com a rigidezdo material ou à resist. àdeformação elástica

•Está relacionado diretamentecom as forças das ligaçõesinteratômicas

Lei de Hooke: σσ = E εε

P A lei de Hooke só éválida até este ponto

Módulo de Elasticidade para algunsmetais

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 207 30

Aço 207 30

Tungstênio 407 59

Comportamento não-linear

Alguns metais como ferrofundido cinzento, concreto e muitos polímerosapresentam um comportamento não linear na parte elástica da curvatensão x deformação

Considerações gerais sobre módulo de elasticidade

Como consequência do módulo de elasticidadeestar diretamente relacionado com as forçasinteratômicas:

Os materiais cerâmicos tem alto módulo de elasticidade, enquanto os materiais poliméricos tem baixoCom o aumento da temperatura o módulo de elasticidadediminui

Módulo de elasticidade

Se barras de seções transversais idênticas forem suportadas por dois apoios bem espaçados e então pesos idênticos forem aplicados a seus centros elas se curvarão elasticamenteGrau de flexão pode ser muito diferente dependendo do material – MÓDULO DE ELASTICIDADE

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.

Tensão de escoamento

σy= 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

Escoamento

Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformaçãoResistênciaResistência àà TraTraççãoão

(Kgf/mm(Kgf/mm22))Corresponde à tensão máximaaplicada ao material antes da ruptura

É calculada dividindo-se a cargamáxima suportada pelo material pela área de seção reta inicial

TensãoTensão de de RupturaRuptura (Kgf/mm(Kgf/mm22))Corresponde à tensão quepromove a ruptura do materialO limite de ruptura é geralmenteinferior ao limite de resistênciaem virtude de que a área da seção reta para um material dúctil reduz-se antes da ruptura

Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação

DuctibilidadeDuctibilidade -- Corresponde aoalongamento total do material devido à deformação plástica

%alongamento= (lf-lo/lo)x100

onde lo e lf correspondem aocomprimento inicial e final (após a ruptura), respectivamente

ductilidade

Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação

Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformaçãoResiliênciaResiliência

Corresponde à capacidade do material de absorver energiaquando este é deformadoelasticamenteA propriedade associada é dada pelo módulo de resiliência (Ur)

Ur= σesc2/2E

Materiais resilientes são aquelesque têm alto limite de elasticidade e baixo módulo de elasticidade(como os materiais utilizados paramolas)

σesc

Deformação

Tens

ão (M

Pa)

Tens

ão (1

03ps

i)

Plástico

Elastômero

Frágil

Propriedades mecânicas de polímeros

Tensão x Deformação

Limite de resistênciaà tração

Propriedades mecânicas de polímeros

Tensão x Deformação

Deformação

Tens

ãoLimite de resistência à tração

Limite de escoamento

Deformação em polímeros plásticos e frágeis

ruptura frágil

ruptura plástica x

deslizamento dasregiões cristalinas

estrutura fibrilar

próximo à ruptura

alinhamento dasregiões cristalinas

próximo à ruptura

polímerossemicristalinos alongamento

das regiõesamorfas

Carga/descargaEstrutura inicial

estruturaem rede

estruturalinear

x

Tens

ão (M

Pa)

Deformação

Deformação em polímeros plásticos e frágeis

Deformação

Tens

ão Limite de

escoamento

A deformação é confinada ao pescoço!

Início da formaçãodo pescoço

Comportamento tensão-deformação materiais cerâmicos

Não é avaliado por ensaio de tração:É difícil preparar e testar amostras que possuam a geometria exigida;É difícil prender e segurar materiais frágeis;As cerâmicas falham após uma deformação de apenas 0,1%, o que exige que os corpos de prova estejam perfeitamente alinhados.

Resistência à flexão

a

L

a

b d

Flexão com 3 pontos

D

X-Section

F Filme do ensaio de flexão

Comportamento elástico

0.00100.00080.00060.00040.00020.00000

100

200

300

Bending Strain

Ben

ding

Str

ess,

MPa

Aluminum Oxide

Soda-Lime Glass

Resistência ao impacto

Resistência aos Impacto

A capacidade de um determinado material de absorver energia do impacto está ligada à sua tenacidade, que por sua vez está relacionada com a sua resistência e ductilidadeO ensaio de resistência ao choque dá informações da capacidade do material absorver e dissipar essa energiaComo resultado do ensaio de choque obtém-se a energia absorvida pelo material até sua fratura, caracterizando assim o comportamento dúctil-frágil

Ensaios de impacto

Filme do ensaio de impacto (Izod e queda de dardo)

TÉCNICAS DE ENSAIO DE IMPACTO

Técnica CHARPY;

Técnica IZOD;

Diferença principal, é a maneira que os corpos de prova estão sustentados na máquina e a aplicação da força;

Ambos os corpos de prova são padronizados e providos de um entalhe para localizar a ruptura e o estado triaxial de tensões;

PROCEDIMENTOS

O pêndulo é elevado a uma certa altura de onde é solto, ao se chocar com o corpo de prova ele segue até uma altura final.

O mostrador da máquina simplesmente registra a diferença entre a altura inicial e a altura final, após o rompimento do corpo de prova,

Esta diferença de altura é convertida em unidades de energia

Quanto menor for a altura final, mais energia foi absorvida pelo corpo de prova evidenciando seu caráter mais dúctil.

NORMAS DOS ENSAIOS

Os corpos de prova são especificados pela norma americana E-23 da ASTM(17);

Divisão dos corpos de forma com relação ao seu formato;

Curva resposta do ensaio de choque

O ensaio de resistência ao choque caracteriza o comportamento dos materiais quanto à transição do comportamento dúctil para frágil em função da temperatura

Polímeros

São frágeis à baixas temperaturas porque a rotação dos átomos na molécula requer energia térmicaA maioria dos polímeros apresentam transição dúctil-frágil que é geralmente abaixo da ambiente

Materiais cristalinos

MATERIAIS CFCMATERIAIS CFC --Permanecem dúcteis (não apresenta transição dúctil-frágil) porque nesta estrutura há muitos planos de escorregamento disponíveis

MATERIAIS CCC MATERIAIS CCC --Apresentam uma transição de frágil para dúctil em função da temperatura

Fratura

Fratura

Consiste na separação do material em 2 ou mais partes devido à aplicação de uma carga estática àtemperaturas relativamente baixas em relação ao ponto de fusão do material

Fratura

Dúctil → a deformação plástica continua até uma redução na área para posterior ruptura Frágil → não ocorre deformação plástica, requerendo menos energia que a fratura dúctil que consome energia para o movimento de discordâncias e imperfeições no material

Fratura

Fraturas dúcteis

Fratura frágil

Fratura dúctil - aspecto macroscópico

Mecanismo da fratura dúctil

a- formação do pescoçob- formação de cavidadesc- coalescimento das

cavidades para promover uma trinca ou fissura

d- formação e propagação da trinca em um ângulo de 45 graus em relação àtensão aplicada

e- rompimento do material por propagação da trinca

Fratura dúctil - aspecto microscópico

Fratura frágil - aspecto macroscópico

A fratura frágil (por clivagem) ocorre com a formação e propagação de uma trincaque ocorre a uma direção perpendicular à aplicação da tensão

Fratura frágil - aspecto macroscópico

Início da fratura por formação de trinca

Fratura transgranular e intergranular

TRANSGRANULAR INTERGRANULAR

A fratura passa através do grãoA fratura se dá no contorno de grão

Fratura Frágil

Mesmo um produto ou estrutura bem projetada que evite deflexão elástica excessiva pode sofrer uma falha catastrófica por fratura frágil, causada pelo crescimento (na velocidade do som) de uma trinca pré-existente, que se tornou instável.

Tenacidade a fratura

Modelo de Griffith:Todos os materiais contêm trincas ou defeitos.O fator de intensidade de tensão K pode ser calculado para vários casos particulares de configurações de trinca ou de cargas.A falha ocorre quando K excede o valor crítico do material Kc ou KIC tenacidade à fratura (MN m-3/2)Gc tenacidade (ás vezes, taxa de liberação de energia de deformação crítica) (kJ m-2)

cc EGaK == πσ

Fluência

Fluência (creep)

Quando um metal é solicitado por uma carga, imediatamente sofre uma deformação elástica. Com a aplicação de uma carga constante, a deformação plástica progride lentamente com o tempo (fluência) até haver um estrangulamento e ruptura do materialVelocidade de fluência (relação entre deformação plástica e tempo) aumenta com a temperaturaEsta propriedade é de grande importância especialmente na escolha de materiais para operar a altas temperaturas

Fluência (Creep)

Fluência é definida como a deformação permanente, dependente do tempo e da temperatura, quando o material é submetido àuma carga constanteEste fator muitas vezes limita o tempo de vida de um determinado componente ou estruturaEste fenômeno é observado em todos os materiais, e torna-se importante à altas temperaturas (≥0,4TF)

Fatores que afetam a fluência

TemperaturaMódulo de elasticidadeTamanho de grão

Em geral:Quanto maior o ponto de fusão, maior o módulo de

elasticidade e maior é a resist. àfluência.

Quanto maior o o tamanho de grão maior é a resist. àfluência.

Ensaio de fluência

É executado pela aplicação de uma carga uniaxial constante a um corpo de prova de mesma geometria dos utilizados no ensaio de tração, a uma temperatura elevada e constanteO tempo de aplicação de carga éestabelecido em função da vida útil esperada do componenteMede-se as deformações ocorridas em função do tempo (εx t)

Curva ε x t

Fadiga

FadigaÉ a forma de falha ou ruptura que ocorre nas estruturas sujeitas à forças dinâmicas e cíclicas Nessas situações o material rompe com tensões muito inferiores à correspondente à resistência àtração (determinada para cargas estáticas)É comum ocorrer em estruturas como pontes, aviões, componentes de máquinasA falha por fadiga é geralmente de natureza frágil mesmo em materiais dúcteis.

Fadiga

A fratura ou rompimento do material por fadiga geralmente ocorre com a formação e propagação de uma trinca.A trinca inicia-se em pontos onde há imperfeição estrutural ou de composição e/ou de altaconcentração de tensões (que ocorre geralmente na superfície)A superfície da fratura é geralmente perpendicular àdireção da tensão à qual o material foi submetido

Fadiga

Os esforços alternados que podem levar à fadiga podem ser:

TraçãoTração e compressãoFlexãoTorção,...

A curva σ-n representa a tensão versus número de ciclos para que ocorra a fratura.

Normalmente para n utiliza-se escala logarítmica

Limite de resistência àfadiga (σRf): em certos materiais (aços, titânio,...) abaixo de um determinado limite de tensão o material nunca sofrerá ruptura por fadiga.

Para os aços o limite de resistência à fadiga (σRf) está entre 35-65% do limite de

resistência à tração.

Resistência à fadiga(σf): em alguns materiais a tensão na qual ocorrerá a falha decresce continuamente com o número de ciclos (ligas não ferrosas: Al, Mg, Cu,...).

Nesse caso a fadiga écaracterizada por resistência à fadiga

Principais resultados do ensaio de fadiga

Vida em fadiga (Nf): corresponde ao número de ciclos necessários para ocorrer a falha em um nível de tensão específico.

Fatores que influenciam a vida em fadiga

Tensão Média: o aumento do nível médio de tensão leva a uma diminuição da vida útil

Efeitos de Superfície: variáveis de projeto (cantos agudo e demais descontinuidades podem levar a concentração de tensões e então a formação de trincas) e tratamentos superficiais (polimento, jateamento, endurecimento superficial melhoram significativamente a vida em fadiga)

Efeitos do ambiente: fadiga térmica (flutuações na temperatura) e fadiga por corrosão (ex. pites de corrosão podem atuar como concentradores de corrosão)

Dureza

Definição de dureza

É a medida da resistência de um material a uma deformação localizada (por exemplo, uma pequena impressão ou um risco)Vantagens:

São simples e baratoensaio é não destrutivoOutras propriedades mecânicas podem ser estimadas

BorrachasIRHDAlumínio, Borrachas, Couro, ResinasBarcolPolímeros, Elastômeros, BorrachasShoreMetais, CerâmicasKnoopMetais, CerâmicasVickersMetaisMeyer

MetaisRockwellMetaisBrinellMateriaisDureza

Método Brinell (HB)

A dureza por penetração proposta por J.A. Brinellem 1900, denominada Dureza Brinell e simbolizada por HB, é o tipo de dureza mais usado até os dias de hoje na engenharia

O ensaio de dureza Brinell consiste em comprimir lentamente uma esfera de diâmetro “D” sobre uma superfície plana, polida e limpa de um metal, através de uma carga “Q” durante um tempo “T”.

Força QØ da esfera

Cavidade permanente causado pela esfera

2QHBπ

O diâmetro do penetrador de aço endurecido (ou carbeto de tungstênio) é de 10,00mm;As cargas variam entre 500 e 3000KgDurante o ensaio a carga é mantida constante por um tempo específico (entre 10 e 30s)

D

d

h

Símbolos Descrição Unidade

D Diâmetro Nominal da Esfera mmF Força de Ensaio Nd Diâmetro da Impressão na Peça mmHB Dureza Brinell ---h Profundidade da Calota Esférica mmG Grau de Carga N/mm2

D1

D1

G

Para alguns materiais, a resistência à tração pode ser estimada a partir da dureza Brinell pela relação σt = k x HB

Material Aço-carbono

Aço-liga Cobre, latão Bronzelaminado

Bronzefundido

k 0,36 0,34 0,40 0,22 0,23

Material Liga Al Cu Mg

Liga Al Mg Outras ligas Mg

Alumínio fundido

K 0,35 0,44 0,43 0,26

A tabela abaixo dá alguns valores de k.

Para medir durezas muito elevadas (superiores a 400 HB) não nos podemos contentar com o método de Brinell; mesmo com uma esfera muito dura, a depressão é demasiado pequena e a esfera deforma-se. Recorre-se a outros métodos de ensaio: Vickers e Rockwell.

Método Rockwell (HR)

É um ensaio no qual utiliza-se um durômetroRockwell, aferido, aplicando-se forças de ensaios específicos, em duas operações, através de um penetrador esferocônico de diamante ou esférico de aço endurecido, medindo no material a ensaiar o incremento permanente da profundidade da impressão, sob uma força menor inicial, depois de aplicar e retirar uma força complementar

54 HRC – dureza Rockwell 54 escala C

64 HRA – dureza Rockwell 64 escala A

92 HRB – dureza Rockwell 92 escala B

Exemplo

150Esfera de 1/8"K60Esfera de 1/8"H150Esfera de 1/16"G60Esfera de 1/16"F100Esfera de 1/8"E100Cone de DiamanteD150Cone de DiamanteC100Esfera de 1/16"B60Cone de DiamanteA

Carga Principal (kgf)PenetradorSímbolo

É um ensaio no qual se utiliza um Microdurômetro, aferido, aplicando-se forças de ensaio específicas, através de um penetrador cônico com ponta de diamante. O ensaio consiste em imprimir num corpo de prova um penetrador cônico, sob ação de uma força "F", e medir o comprimento da diagonal “d” produzida.

Dureza Vickers

A dureza Vickers é o quociente da força de ensaio “Q” pela área “A” da diagonal "d" produzida, conforme a expressão:

⇒

Onde:

HV = Dureza VickersQ = Força de Ensaio (N)d = Média aritmética do comprimento

d

QHV

22

136sen2102,0 ×=

dQHV

28544,1=

A impressão Shore é pequena e serve para medir durezas de peças já acabadas ou usinadas. A máquina shore é leve, portátil e pode, portanto, ser adaptada em qualquer lugar, podendo com isso, medir a dureza de peças muito grandes, impossíveis de serem colocadas nas máquinas de dureza por penetração, como por exemplo cilindros de laminação.

Dureza Shore

DUROMETRO SHORE MANUAL(ANALÓGICO)

DUROMETRO SHORE MANUAL(DIGITAL)

Propriedades Térmicas

Condutividade Térmica (k)

é uma propriedade física dos materiais que descreve a habilidade dessa de conduzir calor. Equivale a quantidade de calor Q transmitida através de uma espessura L, numa direção normal a superfície de área A, devido ao gradiente de temperatura ΔT.

0,020Espuma de poliuretano0,026Ar0,033Espuma de poliestireno0,046Fibra de vidro0,11 - 0,14Madeira (pinho)0,4 - 0,8Tijolo0,61Água0,72 - 0,86Vidro80,3Ferro178Tungsténio237Alumínio398Cobre426PrataCondutividade térmica (W/m°C)Material

Dilatação Térmica

Dilatação térmica é o aumento do volumede um corpo ocasionado pelo seu aquecimento.

Substância α (mín.) α (máx.) Gama de temperaturas Gálio 120,0 Índio 32,1 Zinco e suas ligas 35,0 19,0 100ºC-390°C Chumbo e suas ligas 29,0 26,0 100ºC-390°C Alumínio e suas ligas 25,0 21,0 100ºC-390°C Latão 18,0 21,0 100ºC-390°C Prata 20,0 100ºC-390°C Aço inoxidável 19,0 11,0 540ºC-980°C Cobre 18,0 14,0 100ºC-390°C Níquel e suas ligas 17,0 12,0 540ºC-980°C Ouro 14,0 100ºC-390°C Aço 14,0 10,0 540ºC-980°C Betão(concreto)[3] 6,8 11,9 Temp. ambiente Platina 9,0 100ºC-390°C Vidro(de janela)[4] 8,6 20ºC-300ºC Crómio 4,9 Tungsténio 4,5 Temp. ambiente Vidro Pyrex[5] 3,2 20ºC-300ºC Carbono e Grafite 3,0 2,0 100ºC-390°C Silício 2,6 Quartzo fundido [6] 0,6

Determinação α

Dilatômetro

Capacidade calorífica e Calor específico

Capacidade calorífica - taxa de absorção de calor necessária para aumentar a temperatura