Propriedades Mecânicas e Falha e Ruptura de Materiais

PROPRIEDADES MECÂNICAS, FALHA OU RUPTURA DE MATERIAIS

Aluna: Kátia Meirelles Duarte de Sousa

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre a sua deformação e a força que esteja sendo aplicada. Dessa forma, mostra a capacidade do material de resistir aos esforços ou cargas aplicadas.

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PRINCIPAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS

♣Resistência;

♣Dureza;

♣Ductilidade;

♣Rigidez;

♣Fluência

♣Fadiga

♣Tenacidade

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MetaisCondutor elétrico, condutor térmico, brilhante, forte, deformável

e formam ligas quando combinados.

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TIPOS DE TENSÃO OU CARGA♣Tração

♣Compressão

♣Cisalhamento

♣Torção

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ENSAIOS DE TRAÇÃOO material é submetido a uma força ou carga de

tração que promove um aumento do comprimento do material.

O teste é destrutivo levando a uma deformação permanente ou fratura.

Ilustração esquemática de como uma carga de tração produz um alongamento e uma deformação linear positiva. As linhas tracejadas representam a forma antes da deformação; as linhas sólidas, após a deformação.

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Representação esquemática do dispositivo usado para conduzir ensaios tensão-deformação por tração.

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TENSÃO () E DEFORMAÇÃO()♣Parâmetro usado para minimizar fatores geométricos;

♣Deformação

Área inicial da seção reta transversal

Força ou carga

l0= comprimento inicial

li= comprimento instantâneo

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DIAGRAMA DE TENSÃO X DEFORMAÇÃO

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ENSAIOS DE COMPRESSÃO

Os ensaios de tensão-deformação de compressão é semelhante ao ensaio de tração, porém a força usada é compressiva e leva o corpo de prova a se contrair ao longo da direção da tensão.

Ilustração demonstrando como uma carga compressiva produz uma contração e uma deformação linear negativa. As linhas tracejadas representam a forma antes da deformação; as linhas sólidas, após a deformação.

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ENSAIOS DE CISALHAMENTO

Mudança de ângulo entre duas linhas de uma reta originalmente perpendiculares.

Representação esquemática da deformação de cisalhamento y onde y= tan θ. As linhas tracejadas representam a forma antes da deformação; as linhas sólidas, após a deformação.

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ENSAIOS DE TORÇÃO

Variação do cisalhamento, onde um membro estrutural e torcido.

Representação de uma deformação de torção (isto é, com ângulo de torção ) produzida pela aplicação de torque. As linhas tracejadas representam a forma antes da deformação; as linhas sólidas, após a deformação.

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DEFORMAÇÃO ELÁSTICA♣Ocorre antes da deformação plástica;

♣É reversível;

♣A peça volta ao normal quando a carga aplicada é liberada;

♣Segue a lei de Hooke, no qual a tensão e a deformação são proporcionais

♣Deformação elástica dependente do tempo é chamada de Anelástica. Geralmente desprezível para metais.

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DEFORMAÇÃO PLÁSTICA ♣Deformação permanente;

♣Ocorre quando a tensão ultrapassa o limite de elasticidade;

♣Ocorre quebra de ligações entre os átomos vizinhos e formação de novas ligações com novos átomos vizinhos. Uma vez retirada a tensão os átomos não retornam as suas posições originais.

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DEFORMAÇÃO ELÁSTICA E PLÁSTICADeformação elástica • Deformação plástica

plásticaelástica

deformação

ten

são

deformação

ten

são

Carga

Descarga

Coeficiente angular = módulo de elasticidade

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COEFICIENTE DE POISSON ():Razão entre as deformações lateral e axial.

O coeficiente de Poisson estabelece uma relação entre o módulo de elasticidade e o módulo de cisalhamento.

G≈0,4

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ESCOAMENTO E LIMITE DE ESCOAMENTO

• Escoamento indica o início da deformação plástica;

• O limite de escoamento para um metal indica a medida de sua resistência a deformação plástica.

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O limite de proporcionalidade é onde ocorre o afastamento inicial da linearidade representado pelo ponto P na curva tensão-deformação e onde a lei de Hooke deixa de valer.

ESCOAMENTO E LIMITE DE ESCOAMENTO

plásticaelástica

deformação

ten

são

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LIMITE DE ESCOAMENTO DESCONTINUO

A transição elastoplástica ocorre de forma abrupta

Início da deformação plástica

Tensão constante

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LIMITE DE RESISTÊNCIA A TRAÇÃO♣É a tensão no ponto máximo da

curva tensão-deformação;

♣Empescoçamento ocorre no material num ponto de máxima tensão e então forma-se uma constrição ou pescoço.

O ponto M indica a tensão máxima para o processo de deformação plástica.O ponto F indica fratura do material.

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DUCTILIDADE

Grau de deformação plástica que o material suportou até a fratura.

Quando o material experimenta uma deformação plástica muito pequena ou nenhuma é chamado de frágil.

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DUCTILIDADEAlongamento percentual

Redução da área percentual

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RESILIÊNCIA Capacidade do material de absorver energia quando

deformado elasticamente e após o descarregamento recuperar essa energia.

Módulo de resiliência (Ur)- energia de deformação por volume necessária para tensionar um material de um estado sem carregamento até a sua tensão limite de escoamento.

Materiais resilientes possuem limite de escoamento elevado e módulo de elasticidade pequeno.

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RESILIÊNCIA

Na região elástica

A área sombreada corresponde ao módulo de resiliência

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TENACIDADEMedida de uma material em absorver energia até a sua

fratura.

Para sua determinação é necessária a geometria do corpo de prova, bem como a maneira como a carga é aplicada.

As unidades para tenacidade são as mesmas para resiliência. (Energia por unidade de volume do material).

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DIAGRAMA X DE ENGENHARIA

Tensão de fratura

deformação

tens

ão

No diagrama de engenharia clássico de tensão vs. deformação, teremos:

1- módulo de elasticidade;

2 – tensão de escoamento;

3 – limite de resistência à tração;

4 – ductilidade: 100x fratura

5 – tenacidade: d

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TENSÃO E DEFORMAÇÃO VERDADEIRA

fratura

Tensão de engenharia

fratura

Tensão verdadeira

Deformação (mm/mm) x 10-

2

Ten

são

(p

si)

x1

03

Tensão verdadeira

deformação verdadeira

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TENSÃO E DEFORMAÇÃO VERDADEIRA

Para alguns metais e ligas, a região da curva tensão-deformação verdadeira desde o surgimento da deformação plástica até o ponto onde tem início o pescoço pode ser descrito pela equação abaixo.

deformação

ten

sã o

engenharia

corrigida

verdadeira

v = K.vn

K e n são constantes que dependem da condição do material e são tabelados.

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RECUPERAÇÃO ELÁSTICA DURANTE UMA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

O limite de escoamento inicial é designado por y0; y1 é o limite de elasticidade após a liberação da carga no ponto D e depois sob reaplicação da carga.

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DUREZAÉ a medida da resistência do material a uma deformação

plástica localizada.

Vantagens do ensaio de dureza:

♣ Simples e barato;♣ Não-destrutivo;♣ Outras propriedades podem ser estimadas a partir da dureza do

material.

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ENSAIOS DE DUREZA ROCKWELL E BRINELL

Rockwell: método de execução simples e o índice de dureza é determinado pela diferença na profundidade de penetração que resulta da aplicação em sequência de duas cargas com intensidades diferentes.

Brinell: função tanto da magnitude da carga como do diâmetro da impressão resultante. As arestas do corpo de prova precisam ser bem definidas, o que obriga a ter um superfície lisa e plana para a impressão.

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ENSAIOS DE DUREZA

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ENSAIOS DE MICRODUREZA DE KNOOP E VICKERS

♣As cargas aplicadas são menores que nos ensaios de Rockwell e Brinell;

♣Os ensaios são com base na carga e no tamanho do penetrador;

♣Adequado para medições em regiões pequenas;

♣O ensaio de Knoop é usado para testar materiais frágeis como os cerâmicos;

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Correlação entre dureza e o limite de resistência a tração

FALHA OU RUPTURA DE MATERIAIS

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METAISFratura, fadiga e fluência

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FRATURA♣Separação ou fragmentação de um corpo sólido em duas ou

mais partes em resposta a uma tensão aplicada de natureza estática;

♣Pode ser dúctil ou frágil;

♣Fratura dúctil: caracterizado por uma extensa deformação plástica antes e durante a propagação da trinca;

♣Fratura frágil: caracterizado pela rápida propagação da trinca, porém com pouca deformação plástica.

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FRATURAS

Fraturas dúcteis

Fratura frágil

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FRATURA DÚCTIL MECANISMOa- empescoçamento;

b- formação de cavidades;

c- coalescência de cavidades para formar uma trinca;

d- propagação de uma trinca;

e- fratura final por cisalhamento (rompimento do material)

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FRATURA FRÁGILA quebra sucessiva e repetida de ligações atômicas ao

longo de planos cristalográficos específicos é conhecido como clivagem e a fratura que ocorre com as trincas passando através dos grãos é chamado de transgranular.

Em algumas ligas a propagação da trincas se dá ao longo do contorno dos grãos e é conhecido como intergranular.

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CONCENTRAÇÃO DE TENSÕES FATORES

Formato elíptico ou circular

Fator de concentração de tensões

Medida do grau segundo o qual uma tensão externa é amplificada na extremidade de uma trinca

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A TEORIA DE GRIFFITH DA FRATURA FRÁGIL

E= módulo de elasticidadeys= energia da superfície específica = metade do comprimento de uma trinca

Cálculo para trinca elíptica

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ANÁLISE DE TENSÃO DAS TRINCASModos de deslocamento das trincas em função da tensão

aplicada

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TENACIDADE À FRATURA

Valor crítico usado para especificar as condições para uma fratura frágil.

A tenacidade de fratura em deformação plana é uma propriedade fundamental dos materiais que depende de fatores como temperatura, taxa de deformação e a microestrutura.

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ENSAIOS DE FRATURA POR IMPACTOCondições severas para ocorrência de uma fratura:

♣Deformação a uma temperatura relativamente baixa;

♣Uma elevada taxa de deformação;

♣Estado de tensão triaxial;

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ENSAIOS DE FRATURA POR IMPACTOEnsaios de (Charpy e Izod)- medir a energia do impacto.

Determinam as propriedades de fratura dos materiais.

Os resultados são de natureza qualitativa.

Desenhos dos equipamentos para ensaio de impacto

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TRANSIÇÃO DÚCTIL-FRÁGIL ♣Verificar se o material experimenta uma transição dúctil-

frágil com a diminuição da temperatura;

♣Dependência de absorção de energia de impacto medida em relação a temperatura;

♣Ao longo da transição dúctil-frágil aparecerá característica de fratura dúctil e fratura frágil;

♣A fim de evitar fraturas frágeis e catastróficas as estruturas de ligas devem ser usadas acima da temperatura de transição;

♣Estruturas CFC permanecem dúcteis e estruturas CCC e HC experimentam transição dúctil-frágil, nas ligas metálicas.

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FADIGA♣Forma de falha que ocorre em estruturas que estão sujeitas

a tensões dinâmicas e oscilantes (ex.: aeronaves);

♣Ocorre rompimento do material a tensões muito inferiores ao limite de resistência a tração.

♣Maior causa individual de falhas em metais;

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TENSÕES CÍCLICAS • Três modalidades diferentes de tensão oscilante-tempo;

• O nível de tensão pode variar aleatoriamente em amplitude e frequência;

Ciclo de tensões alternadas. A tensão alterna desde uma tensão de tração máxima (+) até uma tensão de compressão máxima (-) de igual magnitude.

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Ciclo de tensões repetidas. Tensões máxima e mínima são assimétricas em relação ao nível zero de tensão.

m= tensão média

i= intervalo de tensões

a= amplitude da tensão

Ciclo de tensões aleatórias.

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A CURVA -NIndica as propriedades determinadas em ensaios de simulação em laboratório.

Parâmetros do comportamento da fadiga:

♣ Limite de resistência à fadiga

Limite de resistência à fadiga abaixo do qual a falha não irá ocorrer.

♣ Resistência à fadiga

Nível de tensão no qual a falha irá ocorrer.

♣ Vida em fadiga

Número de ciclos necessários para causar a falha em um nível de tensão específico.

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INICIAÇÃO E PROPAGAÇÃO DE TRINCAS

Falha por fadiga é caracterizado por três etapas:

♣Iniciação da trinca;

♣Propagação da trinca;

♣Fratura final;

As trincas associadas a falha por fadiga quase sempre se iniciam sobre a superfície de um componente em alguns ponto de concentração de tensões.

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FATORES QUE INFLUENCIAM A VIDA EM FADIGA

♣Tensão média;

♣Efeitos da superfície;

♣Variáveis de projeto;

♣Tratamentos de superfície;

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EFEITOS DO AMBIENTEA fadiga térmica está associada a altas temperaturas;

Fadiga associada à corrosão, falhas em função de ambientes corrosivos que produzem vidas em fadiga mais curtas.

E= modo de elasticidadeal= expansão térmica ∆T= variação de temperatura= tensão térmica

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FLUÊNCIAA deformação é permanente, é dependente do tempo e da

temperatura, quando o material e submetido a uma carga ou tensão constante.

A curva de fluência resultante consiste em três regiões:

♣Fluência primária ou transiente;

♣Fluência secundária ou em regime estacionário;

♣Fluência terciária;

Pode gerar defeitos internos que levam a ruptura do material.

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FLUÊNCIA

Influência da tensão e da temperatura T no comportamento da fluência.

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EFEITOS DA TENSÃO E DA TEMPERATURA

Observações com o aumento da tensão ou da temperatura:

♣Deformação instantânea com o aumento da tensão aplicada;

♣A taxa de fluência em regime estacionário é aumentada;

♣O tempo de vida até a ruptura é diminuído;

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Tensão (escala logarítmica) em função do tempo de vida até a ruptura (escala logarítmica).

Liga de carbono-níquel com baixo teor de liga a três temperaturas diferentes

Tensão (escala logarítmica) em função da taxa de fluência em regime estacionário (escala logarítmica).

Liga de carbono-níquel com baixo teor de liga a três temperaturas diferentes

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PolímerosMoléculas grandes (macromoléculas), baixa

densidade, flexíveis, feitos de carbono e outros elementos não-metálicos, em geral plásticos e borrachas.

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♣Tensão;

♣Deformação;

Dependem de fatores como tempo, temperatura, estrutura química e condições de processamento do polímero.

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O comportamento viscoso e elástico é determinado como fenômeno de viscoelasticidade. Ocorre para os plásticos e fibras.

Os elastômeros envolvem grandes deformações como do fenômeno da elasticidade da borracha.

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♣Vítreo: polímero se apresenta rígido e frágil;

♣Borrachoso: flexível e rígido;

♣Viscoso: máxima capacidade de mudança de conformação e cadeias poliméricas altamente móveis.

VISCOELASTICIDADE DE POLÍMEROS

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VISCOELASTICIDADE DE POLÍMEROS

Variedade de comportamentos físico-mecânico em função da massa e da temperatura.

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MODELOS DE VISCOSIDADE LINEAR♣Fração elástica : representado

por uma mola, comportamento Hookeano.

♣Fração plástica: representado por um amortecedor, comportamento Newtoniano.

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MODELOS DE VISCOSIDADE LINEAR♣Modelo de Maxwell

♣Modelo de Voigt

♣Modelo de Maxwell-Voigt

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MODELO DE MAXWELL

Modelo de Maxwell com os elementos em série e sua resposta (ε vs t)a uma solicitação do tipo tensão com onda quadrada ( vs t).

1- deformação elásticas instantânea (mola);

2- deformação plástica dependente do tempo (amortecedor)

3- recuperação elástica instantânea total (mola)

4- deformação plásticas residual, irrecuperável (amortecedor)

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MODELO DE VOIGT

1- deformação elástica retardada por um componente viscoso;

2- recuperação elástica retardada pelo mesmo componente viscoso anterior.

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MODELO DE MAXWELL-VOIGT

Melhor demonstração do comportamento real do fluidos em comparação com os outros modelos.

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FLUÊNCIA E RELAXAÇÃO DE TENSÃODependência de suas propriedades mecânicas com o tempo.

♣Fluência: deformação contínua com o tempo em função da aplicação de um peso constante;

♣Relaxação de tensão: diminuição da tensão aplicada com o tempo em função de uma rápida e constante deformação.

♣Estiramento sob tração varia de acordo com a velocidade e módulo.

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ELASTICIDADE DA BORRACHA

Com o aumento da temperatura é necessário uma força maior para manter um deformação em função do estiramento.

Deformações acima de 100% retornam a sua dimensão inicial quando aliviadas da tensão sem qualquer deformação permanente.

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Linha tracejada- comportamento teórico da borracha;

Linha contínua- comportamento experimental.

ELASTICIDADE DA BORRACHA

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CARACTERÍSTICAS DA FRATURA♣Fratura frágil- ruptura do material antes de atingir a

deformação plástica;

- Teoria de Griffith;

♣Fratura dúctil- antes da ruptura ocorre deformação plástica e escoamento.

-complexos;

-ocorre em vários estágios (escoamento, estiramento e fratura).

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ENSAIOS COM REGISTRO DE CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO

Curva tensão-deformação sob tração do Nylon 6,6 (seco, i.e., com 0,2% de umidade

Principais parâmetros para resistência mecânica nos polímeros:

Modelo de Young ou da elasticidade;

Tensão e deformação no escoamento;

Tensão máxima;

Tensão e deformação na ruptura;

Tenacidade.

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Comportamento dúctil e frágil observado em uma curva de tensão-deformação de tração para dois polímeros


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Comportamento tensão-deformação para o poliestireno cristal ensaiado em tração e compressão.


Tração: curva típica de comportamento frágil;

Compressão: curva típica de comportamento dúctil.

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Curvas de tensão-deformação sob compressão para polímeros amorfos (PVC e CA) e semicristalinos (PTFE e PCTFE)


Polímeros amorfos: policloreto de vinila (PVC) e o acetato de celulose (CA) tem ponto de escoamento mais nítido.

Polímeros semicristalinos: politetrafluoroetileno (PTFE) e o policlorotrifluoretileno (PCTFE) não apresentam ponto de escoamento nítido.

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Curvas tensão-deformação para o acetato de celulose a várias temperaturas.


Ensaio de tração para o acetato de celulose demonstra a mudança de um comportamento frágil para um dúctil com o aumento da temperatura.

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Efeito da taxa de deformação (velocidade de deformação mm/min) nas curvas de tração do epóxi.


Quanto mais rápido é o movimento de deformação, maior é o módulo.

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ENSAIOS COM SOLICITAÇÕES SOB IMPACTO

♣Verificação do comportamento polimérico sob impacto;

♣O parâmetro de quantificação de resistência ao impacto é a energia de impacto.

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PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO MECÂNICO DO POLÍMEROS

♣Estrutura química;

♣Cristalinidade;

♣Massa molecular;

♣Plastificante, água e/ou monômero residual;

♣Copolimerização;

♣Fibras para reforçamento;

♣Elastômeros para tenacificação

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PRINCÍPIOS DE SUPERPOSIÇÃODas tensões.

Conhecido como superposição de Boltsmann, permite a previsão do comportamento de um polímero amorfo quando sujeito a solicitações.

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Tempo-temperatura.

Respostas diferentes a solicitação mecânica feita em um polímero em diferentes temperaturas e que estão relacionadas entre si.

PRINCÍPIOS DE SUPERPOSIÇÃO

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TEORIA DA REPTAÇÃO

Movimento de uma cadeia polimérica segundo a teoria de reptação

P.G. de Genes, ganhador do prêmio Nobel de Física em 1991, em 1971 considerava que a cadeia polimérica estivesse confinada a um tubo e se movimentava escorregando por qualquer uma das pontas.

E do movimento da cadeia seria parecido com o de uma cobra, por isso o nome reptação (réptil).

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Cerâmicos Fracos condutores de eletricidade e calor, duros,

quebradiços, resistentes a altas temperaturas, compostos metálicos e não-metálicos.

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PROPRIEDADES MECÂNICAS ♣Apresentam baixa resistência ao choque;

♣São duros e frágeis em relação à tração;

♣São resistentes em relação à compressão;

♣Alto módulo de elasticidade;

♣Alta dureza e alta resistência ao desgaste;

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CLASSIFICAÇÃO♣Cristalinos- silicatos, óxidos, carbonetos e nitretos.

♣Amorfos (vidros)- composição semelhante aos dos cristalinos com diferença no processamento.

♣Vidro-cerâmicos- inicialmente amorfos e tratados termicamente.

♣Cerâmicos avançados- óxidos, carbonetos e nitretos com elevados graus de pureza.

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DEFORMAÇÃO EM MATERIAIS CERÂMICOS♣Falta de plasticidade em função das ligações iônicas e

covalentes.

♣Movimento de discordância em determinados planos cristalinos (metais).

♣Baixos valores de tensão (metais).

♣Se ocorrer deformação suficiente, os pares de íons irão se separar gerando a ruptura.

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Cristais iônicos.

♣Deformação sob a ação de cargas compressivas- monocristais.

♣Escorregamento envolvendo íons de cargas opostas.

♣Policristais são frágeis em função da pequena quantidade de sistemas de escorregamento.

MECANISMO DE DEFORMAÇÃO EM MATERIAIS CERÂMICOS

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FATORES QUE AFETAM A RESISTÊNCIA MECÂNICA

Falha defeitos na estrutura

Tipos de defeitos:

♣Poros;

♣Inclusões;

♣Fendas superficiais;

♣Grãos grandes gerados durante o processamento.

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Efeito da porosidade na alumina


Concentradores de tensão- propagação da trinca

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Em materiais densos (poucos poros), as trincas estão relacionados com o tamanho do grão.

Grão pequeno - gera trincas ou fendas pequenas.

Outros fatores: composição química, microestrutura, condições da superfície, temperatura, meio, tipo de tensão e modo de aplicação.


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PROPRIEDADES MECÂNICAS♣Resistência teórica- tensão necessária para separar um

corpo em duas partes.

♣Requer energia de superfície γ.

E: módulo de elasticidade γ: energia superficial ao: distância interatômica

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Teoria de Inglis- explica a discrepância observada entre os valores de resistência mecânica calculados e medidos.


defeito elíptico

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Teoria de Griffith.

-microdefeitos-concentradores de tensão

-tratamento termodinâmico para analisar propagação

-estudo em uma placa fina


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Tenacidade á fratura.

-baixa tenacidade;

Modos de abertura da trinca:

-tração: I

-cisalhamento: II

-torção: III


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Aumento da tenacidade depende:

♣Diminuir o tamanho do grão;

♣Diminuir a porosidade;

♣Acrescentar uma segunda fase;

♣microtrincamento


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ENSAIO DE FLEXÃOA barra é flexionada até a ruptura

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COMPÓSITOSCombinação das melhores características de cada

componente, compostos de mais de um tipo de material. (fibras de vidro)

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