Propriedades mecânicas

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Propriedades mecânicas: por que 
estudar?
1. Determinação e/ou conhecimento das propriedades mecânicas
é muito importante para a escolha do material para uma
determinada aplicação.
2. Definem o comportamento do material quando sujeito a
esforços mecânicos.
3. Evitar que ocorram níveis inaceitáveis de deformação e/ou
falhas.
 • Conceitos de tensão e de deformação
 • Ensaio de tração
 Tensão de engenharia x deformação de engenharia
 Tensão real x deformação real
 Propriedades de tração dos metais
 Propriedades de tração dos materiais cerâmicos
 Propriedades de tração dos materiais poliméricos
 Efeito da temperatura
 • Ensaio de dureza
 Conceituação
 Tipos de ensaios
 Dureza de alguns materiais.
Como determinar as propriedades
mecânicas?
 A determinação das propriedades mecânicas é feita através de
ensaios mecânicos.
 Utilizam-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.
 Usam-se normas técnicas para o procedimento das medidas e
confecção dos corpos de prova para garantir que os resultados
sejam comparáveis.
 
 
Dentre os diversos tipos de ensaios disponíveis para a avaliação das
propriedades mecânicas dos materiais, o mais amplamente utilizado é o
ensaio de tração para os materiais metálicos e poliméricos e o ensaio de
compressão para os materiais cerâmicos.
• Ensaio relativamente simples e rápido. 
• No Brasil, a norma utilizada para materiais é a ABNT NBR-6152. 
Como se definem tensão e deformação?
• Tensão
• Deformação
oo
oi
l
l
l
ll 



oA
F

Sendo:
 = tensão (Pa);
F = carga instantânea aplicada (N) e
Ao = área da seção reta original antes da aplicação 
da carga (m2).
Sendo:
 = deformação (adimensional);
li = comprimento instantâneo e
lo = comprimento original.
Como efeito da aplicação de uma tensão, tem-se a deformação 
(variação dimensional).
Comportamento mecânico
Deformação ()
T
e
n
s
ã
o
 (

)
Limite de resistência à 
tração - LRT
Comportamento 
típico da curva 
tensão-deformação 
de engenharia até a 
fratura do material 
(ponto F). Os 
detalhes circulares 
representam a 
geometria do corpo 
de prova deformado 
em vários pontos ao 
longo da curva.
Fonte: Callister, 2002.
Fratura do material
• Deformação elástica
• Antecede à deformação 
plástica.
• É reversível.
• Desaparece quando a tensão 
é removida.
• É proporcional à tensão 
aplicada.
Deformação plástica
• É provocada por tensões que 
ultrapassam o limite de elasticidade. 
• É irreversível, ou seja, não 
desaparece quando a tensão é 
removida.
Deformação elástica
• Antecede à deformação plástica.
• É reversível.
• Desaparece quando a tensão é 
removida.
• É proporcional à tensão aplicada.
Deformação plástica
• É provocada por tensões que 
ultrapassam o limite de elasticidade. 
• É irreversível, ou seja, não 
desaparece quando a tensão é 
removida.
Em uma escala atômica...
Deformação elástica
• É manifestada por pequenas
alterações no espaçamento
interatômico e na extensão de
ligações interatômicas.
Deformação plástica
• Corresponde à quebra de ligações
com os átomos vizinhos originais e
em seguida formação de novas
ligações com novos átomos vizinhos,
uma vez que um grande número de
átomos ou moléculas se move em
relação aos outros; com a remoção
da tensão, eles não retornam às suas
posições originais.
Módulo de elasticidade: Fornece uma indicação
da rigidez do material e depende das forças de
ligações.
Figura 2: Relação entre a força de ligação e a distância interatômica.
•Onde
:
•Rigidez 
(R):
Módulo de elasticidade ou módulo de Young
• É o quociente entre a tensão aplicada e 
a deformação elástica resultante – Lei de 
Hooke. 
• Está relacionado com a rigidez do
material ou à resistência à deformação
elástica.
• Está relacionado diretamente com as 
forças das ligações interatômicas.
E =  /
 E
 Esta relação é conhecida por lei de Hooke
 - é o processo de deformação no qual a tensão e
a deformação são proporcionais, deformação
elástica. Unidade (%).
E - é a constante de proporcionalidade (Gpa ou
psi), módulo de elasticidade ou módulo de
Young. Unidades : kgf/mm2, kgf/cm2, GPa, etc.
• Módulo de Elasticidade  é
determinado pela inclinação
(coeficiente angular) do segmento
linear na região elástica da curva
tensão x deformação.
 Existem alguns materiais (ex. ferro fundido cinzento, concreto e
muitos polímeros) para os quais a porção inicial da curva tensão x
deformação não é linear.
Para este comportamento não linear, utiliza-se normalmente
um módulo tangencial ou módulo secante.
Determinação do Módulo de Elasticidade
Módulo de elasticidade (E)
Deformação ()
T
e
n
s
ã
o
 (

)
 = E 
A lei de Hooke é válida até 
este ponto.

Máxima tensão que o material suporta 
sem sofrer deformação permanente.
• Módulo tangencial  é
tomado como sendo a
inclinação da curva tensão x
deformação em um nível de
tensão específico.
• Módulo secante  representa a
inclinação de uma secante
tirada desde a origem até
algum ponto específico sobre a
curva tensão x deformação.
•Para a maioria dos metais  45 GPa para o Mg e 407 GPa para o W.
•Cerâmicas  50 GPa para Al2O3 e 1000 GPa para o diamante.
Módulo de elasticidade para algumas 
ligas metálicas
Quanto maior o módulo de 
elasticidade mais rígido é o 
material ou menor é a sua 
deformação elástica quando 
aplicada 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 207 30
Aço 207 30
Tungstênio 407 59
Fonte: Callister, 2002.
Relação entre temperatura de fusão e 
módulo de elasticidade
Metal
Temperatura de fusão 
(oC)
Módulo de elasticidade 
(MPa)
Alumínio 660 70.000
Cobre 1085 127.000
Ferro 1538 210.000
O módulo de elasticidade é 
fortemente dependente das 
forças de ligação entre os 
átomos.
As forças de ligação entre os átomos, e 
consequentemente o módulo de elasticidade, 
são maiores para metais com temperaturas de 
fusão mais elevadas.
Fonte: Garcia, Spim e Santos, 2000.
Figura 3: Variação do módulo de elasticidade com a temperatura.
Figura 4: Módulo de elasticidade x Porosidade
•Figura 5: Módulo de elasticidade em função da fração volumétrica da 
porosidade.
• Módulo de elasticidade transversal (G):
• Coeficiente de Poisson:
•Figura 7: Modelo representativo para o módulo de elasticidade transversal.
Figura 8: Comportamento de um corpo submetido a tração uniaxial.
Tabela 3: Coeficiente de Poisson para diferentes materiais à temperatura ambiente.
Deformação Plástica  é uma deformação permanente e não
recuperável.É irreversível. É o resultado de um deslocamento
permanente dos átomos
A transição do comportamento elástico para o plástico é
uma transição gradual; existe a ocorrência de uma
curvatura no ponto de surgimento da deformação plástica, a
qual aumenta mais rapidamente com o aumento da tensão.
• Corresponde à quebra de ligações com os átomos
vizinhos originais e em seguida formação de novas
ligações com novos átomos vizinhos, uma vez que um
grande número de átomos ou moléculas se move em
relação uns aos outros. Com a remoção da tensão, eles
não retornam às suas posições originais.
Deformação plástica
Elástico Plástico
Deformação ()
T
e
n
s
ã
o
 (

)
Deformação ()
T
e
n
s
ã
o
 (

)
Limite de 
escoamento 
superior
Limite de 
escoamento 
inferior
(a) (b)
(a) Curva tensão x deformação
para um material típico. A
transição do comportamento
elástico para o plástico é uma
transição gradual para a maioria
dos metais.
(b) Curva tensão x deformação
típica para o aço. A transição
elastoplástica é muito bem
definida (ocorre de forma
abrupta).
Fonte: Callister, 2002.
Limite de 
proporcionalidade
Tensão de escoamento
(y)A deformação plástica corresponde ao 
movimento de discordâncias
Fonte: Callister, 2002.
As discordâncias não se movem com o 
mesmo grau de facilidade sobre todos os 
planos cristalográficos de átomos e em 
todas as direções.
O plano de escorregamento é aquele que possui 
empacotamento atômico mais denso e a direção de 
escorregamento corresponde à direção, neste plano, 
que se encontra mais densamente compactada com 
átomos.
Sistemas de escorregamento
Deformação ()
T
e
n
s
ã
o
 (

)
Limite de resistência à 
tração - LRT
Deformação ()
T
e
n
s
ã
o
 (

)
Limite de resistência à 
tração - LRT
Após o escoamento, a tensão necessária para continuar a deformação 
plástica aumenta até um valor máximo, o ponto M, e então, diminui até 
a fratura do material, no ponto F.
Fratura do 
material
Outras 
informações 
obtidas da curva 
 x .
• Escoamento  é uma transição heterogênea entre a fase elástica e a
plástica, caracterizada por um aumento considerável da deformação,
com uma tensão praticamente constante.
Limites de resistência de alguns metais
Alumínio – 50 MPa
Aços de elevada dureza – 3000 MPa
• Resistência à tração e à compressão:
•Razões microestruturais 
•Razões de equipamento:
• Difíceis de preparar e testar amostras que possuem 
geometria exigida;
• É difícil prender materiais frágeis sem fraturar;
• Falham após uma deformação de apenas 0,1 %;
•Para cerâmicas: Ensaio de compressão
•Porque não realizar ensaio de tração?
Tabela 5: Limite de resistência à tração e à compressão
de alguns materiais cerâmicos e compósitos.
Fonte: ASKELAND, 2008. Figura 20: Resistência à tração e à compressão de uma alumina.
PORQUE É RARO REALIZAR O ENSAIO DE 
TRAÇÃO NOS MATERIAIS CERÂMICOS?
São três razões:
•Difíceis de preparar e testar amostras que 
possuem geometria exigida;
• É difícil prender materiais frágeis sem fraturar;
• Falham após uma deformação de apenas 0,1 %.
Esboço da curva obtida no ensaio de tração
Fonte: Garcia, Spim e Santos, 2000.
• AO – região de comportamento
elástico.
• AB – região de escoamento – se
caracteriza por um aumento
relativamente grande na deformação,
acompanhado por uma pequena
variação da tensão.
• BF – região de comportamento
plástico - a partir de B o material
entra na região plástica, que é
caracterizado pela presença de
deformações permanentes.
•UF – estricção – região ocorre o
empescoçamento do corpo de prova,
até a fratura.
Figura 19: Curvas tensão-deformação para cristais de KBr e MgO.
•As soluções sólidas destes compostos 
iônicos podem elevar o limite de 
escoamento 
•MgO: Planos de 
deslizamentos mais difíceis
Encruamento
• A necessidade de aumentar-se a tensão para dar
continuidade à deformação plástica do material decorre de
um fenômeno denominado de encruamento.
• Esse fenômeno resulta em função da interação entre
discordâncias e das suas interações com outros obstáculos,
como solutos e contornos de grãos, que impedem a livre
movimentação das discordâncias. É preciso uma energia
cada vez maior para que ocorra essa movimentação, e,
consequentemente deformação plática, até o limite no qual a
fratura tem início.
Fonte: Garcia, Spim e Santos, 2000.
Então, até aqui vimos quais informações
podem ser obtidas a partir da curva tensão x
deformação.
1. Módulo de elasticidade
2. Tensão de escoamento
3. Limite de resistência à tração
4. Limite de ruptura
5. Deformação elástica e plástica
6. Estricção
Além destas, outras informações ainda
podem ser obtidas da curva tensão x
deformação:
Ductilidade
Tenacidade
Resiliência
Ductilidade
Representa uma 
medida do grau de 
deformação plástica 
que foi suportado 
quando da fratura.
Corresponde à 
elongação total do 
material devido à 
deformação plástica. Fonte: Callister, 2002.
A ductilidade pode ser expressa 
quantitativamente como:
100% x
l
ll
AL
o
of







 
 Alongamento 
percentual (AL%)
 Estricção (RA%)
100% x
A
AA
RA
o
fo







 

A maioria dos metais possui pelo menos um grau moderado de ductilidade à 
temperatura ambiente.
Materiais relativamente dúcteis são tidos como generosos.
Tenacidade
Representa uma medida da 
habilidade de um material em 
absorver energia até a sua fratura.
Para que um material seja tenaz, 
este deve apresentar tanto 
resistência como ductilidade.
É a área sob a curva tensão x 
deformação até o ponto de fratura.
Freqüentemente, materiais dúcteis são mais tenazes do que materiais 
frágeis.
Embora, o material frágil tenha maior limite de escoamento e maior 
limite de resistência à tração, possui menor tenacidade do que o 
material dúctil, em virtude da sua falta de ductilidade (comparar as 
áreas ABC e AB’C’).
Falha ou fratura
 Consiste na separação do material em duas ou 
mais partes devido à aplicação de uma carga 
estática a temperaturas relativamente baixas em 
relação ao ponto de fusão do material.
A fratura pode ser dúctil 
ou frágil
Fratura dúctil Fratura frágil
• Dúctil – o material se 
deforma plasticamente 
até a sua ruptura.
• Frágil – o material não 
se deforma 
plasticamente e rompe 
sem avisar.
Não ocorre deformação 
plástica, requerendo menos 
energia que a fratura dúctil 
que consome energia para 
o movimento de 
discordâncias.
Fonte: Callister, 2002.
Mecanismo da fratura dúctil
(a) Formação do pescoço.
(b) Formação de cavidades.
(c) Coalescimento das 
cavidades para promover 
uma trinca ou fissura.
(d) Formação e propagação 
da trinca.
(e) Rompimento do material 
por propagação da trinca.
Fonte: Callister, 2002.
Fratura e aspecto macroscópico
Alumínio Aço doce
Fonte: Callister, 2002.
Fratura dúctil – Tipo taça e cone Fratura frágil
FADIGA
É a forma de falha ou ruptura que ocorre nas estruturas sujeitas 
à forças dinâmicas e cíclicas. Ex: arame quando torcido para um 
lado e para outro repetidas vezes.
Nessas situações o material rompe com tensões muito inferiores 
à correspondente à resistência à tração (determinada para cargas 
estáticas).
A falha por fadiga é geralmente de natureza frágil, mesmo em 
materiais dúcteis.
É comum ocorrer em estruturas como pontes.
FADIGA
•A fadiga é definida como sendo a queda da resistência ou a
fratura de um material devido a uma tensão repetitiva, que
pode ser inferior ou superior ao limite de escoamento
(ASKELAND, 2008).
•Entre os principais fatores para que ocorra a falha por fadiga nos
materiais podemos citar: a existência de tensões cíclicas ou
flutuantes e o número de ciclos de aplicação da tensão
suficientemente alto para que ocorram a nucleação e propagação
de trincas.
FADIGA
Resistência a fadiga: É a tensão máxima na qual a fratura por fadiga não
ocorrerá para um dado número de ciclos (ASKELAND, 2008).
Vida em fadiga: Número de ciclos que causará que causará a ruptura para
um determinado nível de tensão (GARCIA, 2012).
Limite de resistência a fadiga: É a tensão limite na qual o corpo de prova
nunca sofrerá ruptura por fadiga. Ele toma a forma de uma reta na
horizontal (GARCIA, 2012).
•Figura 34: Material que exibe (a) e que não exibe (b) limite de resistência à fadiga.
Fonte: CALLISTER, 2008.
• Fratura da fadiga:
– Nucleação da trinca;
– Propagação cíclica da trinca (Fenômeno 
Lento);
– Falha catastrófica (Fenômeno rápido);
FADIGA
•As regiões de nucleação de trincas incluem os riscos
superficiais, ângulos vivos, inclusões, poros, etc
Figura 35: Elementos de nucleação de trincas.
Fonte: GARCIA, 2012.
FADIGA
Figura 36: Superfície de falha (frágil) por fadiga.
Figura 37: Representação de uma superfície de fratura
por fadiga de um material dúctil.
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 alta concentração de tensões (que ocorre 
geralmente na superfície).
Esforços alternados de tração, compressão,flexão, torção podem 
levar à fadiga.
FLUÊNCIA
•Necessidade de utilização de materiais em
temperaturas elevadas
•A fluência é definida como a deformação permanente (plástica)
e dependente do tempo dos materiais quando eles são
submetidos a uma carga ou tensão constante.
•É geralmente um fenômeno indesejável e ocorre em
qualquer tipo de material
•Figura 39: Esquema do arranjo experimental e corpo de prova utilizado no ensaio.
Fonte: GARCIA, 2012.
Fluência primária:
Decréscimo contínuo da taxa de fluência ( );
Aumento de resistência a fluência ou encruamento – deformação plástica vai
ficando mais difícil;
Multiplicação das discordâncias a quais ancoram nos contornos de grãos
dificultando o escorregamento dos planos cristalográficos;
Fluência secundária:
Taxa de fluência constante ( = cte);
Dois fenômenos: Encruamento e recuperação;
Na recuperação, com a temperatura mais alta, a mobilidade atômica aumenta e
vacâncias são ocupadas, discordâncias geradas devido à deformação plástica
escalam bloqueios e também são anuladas
Fluência terciária:
Aceleração da taxa de fluência ( )
Ruptura do material;
Resultado da separação dos contornos de grão e formação de trincas
e vazios;
Dureza
É uma medida da resistência de um material a uma deformação 
plástica localizada (uma pequena impressão ou um risco).
Os principais ensaios de dureza são: Brinell, Rockwell, Vickers 
e Knoop.
Um penetrador é forçado contra a superfície do metal a ser 
testado.
A dureza depende diretamente das forças de ligação entre os 
átomos, íons ou moléculas.
Ensaios de dureza
• ABNT NBR-6394 e ASTM E10-93
• ABNT NBR-6671 e ASTM E18-94
• ABNT NBR-6672 e ASTM E92-82
Fonte: Garcia, Spim e Santos, 2000.
• Microdureza Knoop:
DUREZA
•1939
•Penetrador de diamante na forma de uma pirâmide alongada, com ângulos 
de 172°30’ e 130° entre faces opostas, que provoca uma impressão no local 
onde a diagonal maior e a diagonal menor representam uma relação de 7:1 
Fonte: GARCIA, 2012.
Figura 32: Penetrador Knoop.
• Microdureza Vickers:
DUREZA
•Introduzido em 1925 por Smith e Sandland •Companhia Vickers-Amstrong
•O penetrador padronizado é uma pirâmide de diamante de base quadrada e com
ângulo de 136° entre faces opostas.
•O ensaio é aplicável para todos os materiais, especialmente materiais muito duros
como as cerâmicas, ou corpos de provas muito finos, pequenos e irregulares
Figura 31: Ensaio de dureza Vickers.
Fonte: GARCIA, 2012.
DUREZA
Fonte: GARCIA, 2012.
Figura 33: Padrões para aceitação de impressões Knoop e Vickers em materiais cerâmicos.
Algumas propriedades mecânicas típicas de 
metais e ligas
Material
Limite de 
escoamento 
(MPa)
Limite de 
resistência à 
tração (MPa)
Ductilidade, 
AL%
Alumínio 35 90 40
Cobre 69 200 45
Latão 
(70Cu-30Zn) 75 300 68
Ferro 130 262 45
Aço (1020) 180 380 25
Fonte: Callister, 2002.