UnidadeI_PropMecanicasdosMateriais

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO
Departamento de Ciências Exatas e Naturais – Pau dos Ferros 
Disciplina: Fundamentos de Química dos Materiais
Propriedades 
mecânicas dos materiais
Profª Josy Eliziane Torres Ramos
1. Por que estudar as propriedades mecânicas?
Muitos materiais, quando em serviço, são submetidos a forças ou cargas; exemplos incluem a liga de alumínio a partir da qual uma asa de avião é construída e o aço do eixo da roda de um automóvel.
Em tais situações é necessário conhecer as características do material e projetar o elemento estrutural a partir do qual ele é feito de tal maneira que qualquer deformação não seja excessiva e que não ocorra fratura.
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.
2. Introdução
As principais propriedades mecânicas, que podem ser realizadas em um material:
Ensaio de tração
Elasticidade
Ductilidade
Resiliência
Tenacidade
Dureza
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.
NORMAS TÉCNICAS
Normalização de métodos
A Normalização dos ensaios tem por objetivo fixar os conceitos e procedimentos gerais que se aplicam aos diferentes métodos de ensaios.
Principais normas
ASTM (Ammerican Society for Testing and Materials);
ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas);
ISO (International Standards Organization);
DIN (Deutsches Institut für Normung).
2. Introdução
CONCEITOS DE TENSÃO E DEFORMAÇÃO
Para uma carga estática ou relativamente lenta ao longo do tempo é aplicada uniformemente sobre uma seção reta ou superfície de um membro, o comportamento mecânico pode ser verificado através de um ensaio de tensão-deformação.
Existem 4 principais meios nos quais uma carga pode ser aplicada: 
Tração 		Compressão 	Cisalhamento 	 Torque ou torção
2. Introdução
TIPOS DE ESFORÇOS EXTERNOS
Tração: A força atuante tende a provocar um alongamento do elemento na direção da mesma.
2. Introdução
Compressão: A força atuante tende a provocar uma diminuição do elemento na direção da mesma.
Cisalhamento: Forças atuantes tendem a produzir um efeito de corte, isto é, um deslocamento linear entre seções transversais.
TIPOS DE ESFORÇOS EXTERNOS
2. Introdução
Torção: Forças atuam em um plano perpendicular ao eixo e cada seção transversal tende a girar em relação às outras.
CONCEITOS DE TENSÃO E DEFORMAÇÃO
Elásticas: os átomos se afastam das posições originais sem ocuparem definitivamente novas posições. O material retorna às suas dimensões originais, quando é cessada o motivo da deformação.
Plásticas: ao retirarmos o esforço, o material não retorna às suas dimensões originais. Suas dimensões originais ficam alteradas após cessar o esforço externo.
2. Introdução
Dentre os diversos tipos de ensaios disponíveis para a avaliação das propriedades mecânicas dos materiais, o mais amplamente utilizado é o ENSAIO DE TRAÇÃO.
Ensaio relativamente simples e rápido.
O ensaio de tração pode ser usado para avaliar diversas propriedades mecânicas dos materiais.	
A amostra é deformada, geralmente até sua fratura, mediante uma carga de tração gradativamente crescente que é aplicada uniaxialmente ao longo do eixo mais comprido de um corpo de prova.
3. Ensaios de Tração
Durante os ensaios, a deformação fica confinada à região central, mais estreita, do corpo de prova, que possui uma seção reta uniforme ao longo do seu comprimento.
Corpo-de-prova antes e após ensaio de tração.
A máquina de ensaios de tração é projetada para alongar o corpo de prova a uma taxa constante, além de medir contínua e simultaneamente a carga aplicada e os alongamentos resultantes;
O ensaio é destrutivo;
O resultado é um gráfico na forma de carga ou força em função do alongamento;
3. Ensaios de Tração
Os resultados obtidos com o ensaio de tração são dependentes de fatores geométricos do corpo de prova.
Para minimizar esses fatores, a carga e o alongamento são normalizados de acordo com os seus respectivos parâmetros de tensão e deformação de engenharia.
 Os registros da carga atuante e das deformações são registrados automaticamente pela máquina em forma de gráfico de Carga x Deformação, do qual poderá ser retirado os valores de carga máxima, carga de ruptura e de escoamento, que divididos pela área do corpo de prova, fornecem os valores de Tensão Máxima ou Limite de resistência, Tensão de Ruptura ou Limite de Ruptura e de Tensão de Escoamento ou Limite de Escoamento.
3. Ensaios de Tração
4. Definição tensão e deformação
Então, desta curva, observamos que os metais podem apresentar dois tipos de deformação:
5. Deformação dos materiais
DA CURVA TENSÃO X DEFORMAÇÃO, PODEMOS OBTER:
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.
Módulo de elasticidade ou módulo de Young
5. Deformação dos materiais
5. Deformação dos materiais
O modulo de elasticidade pode ser inicialmente associado ao quão um material é deformável, ou seja, quanto maior for o valor do modulo de elasticidade menos deformável será o material.
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.
O módulo de elasticidade depende apenas da orientação cristalina
5. Deformação dos materiais
Exemplo
LR = Tensão limite de resistência (TS - tensile strength)
LE = Tensão limite de escoamento (YS - yield strength)
 E = Módulo de elasticidade
ESBOÇO DA CURVA OBTIDA NO ENSAIO DE TRAÇÃO
5. Deformação dos materiais
Curva Tensão () x Deformação ()

Região 
elástica
 (MPa)
f
LR 
LE
Região plástica
Deformação plástica
 uniforme
Deformação plástica
 não uniforme
Deformação plástica total
 = E
LR = Tensão limite de resistência (TS - tensile strength)
LE = Tensão limite de escoamento (YS - yield strength)
 E = Módulo de elasticidade
5. Deformação dos materiais

Região 
elástica
 (MPa)
f
LR 
LE
Região plástica
Deformação plástica
 uniforme
Deformação plástica
 não uniforme
Deformação plástica total
 = E
LR = Tensão limite de resistência (TS - tensile strength)
LE = Tensão limite de escoamento (YS - yield strength)
 E = Módulo de elasticidade
LIMITE DE ELASTICIDADE
A deformação elástica não é permanente, o que significa que quando a carga aplicada for aliviada, a peça se retorna à sua forma original.
5. Deformação dos materiais
5. Deformação dos materiais
DIAGRAMA TENSÃO X DEFORMAÇÃO
Conforme a tensão é aumentada o material passa por um ponto onde não responde mais com deformações elásticas.
Na medida em que o material é deformado além deste ponto e ocorre deformação permanente, não recuperável, ou deformação plástica.
De um ponto de vista atômico, deformação plástica corresponde ao rompimento das ligações com os átomos vizinhos e a seguir reformar as ligações com novos vizinhos.
Esse tipo de deformação é caracterizado pelos altos níveis de deformação.
6. Deformação Plástica
Limite deEscoamento
 
É representada pela tensão que limita as deformações elásticas e plásticas.
Muitas estruturas são projetadas para assegurar que apenas deformação elástica resultará quando uma tensão for aplicada.
A magnitude do limite convencional de escoamento para um metal é justo uma medida de sua resistência à deformação plástica.
7. Propriedades de Tração
Limite de Escoamento (Resistência)
Limite de Resistência à Tração.
Ductilidade
Resistência
Tenacidade
Onde 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)
Limite de Escoamento
7. Propriedades de Tração
Após o escoamento, a tensão necessária para continuar a deformação plástica cresce até um máximo, e a seguir decresce até a fratura eventual.
O limite de resistência a tração é o valor máximo que pode ser atingido pelo gráfico.
Corresponde à tensão máxima aplicada ao material antes da ruptura (muitas vezes é superior à tensão de ruptura)
É calculada dividindo-se a carga máxima suportada pelo material pela área de seção reta inicial.
Limite de Resistência à tração
7. Propriedades de Tração
Corresponde à tensão que provoque 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
Tensão de ruptura
7. Propriedades de Tração
Ela é uma medida do grau de deformação plástica que foi sustentada na fratura.
Um material que experimenta muito pouca ou nenhuma deformação plástica antes da fratura é denominado frágil.
Um conhecimento da ductilidade dos materiais é importante por pelo menos 2 razões:
Representa uma medida do grau de deformação plástica que foi suportado quando há fratura;
A ductilidade é uma indicação para o projetista do grau segundo o qual uma estrutura irá se deformar plasticamente antes de fraturar.
8. Ductilidade
Após uma compressão
A ductilidade pode ser expressa quantitativamente como:
A porcentagem de alongamento e a deformação de ruptura do corpo de prova expressa como porcentagem
A porcentagem de redução de área e outra maneira de se determinar a ductilidade. É definida na região de estricção. 
8. Ductilidade
Exercício
Calcule a deformação elástica que acontece em um tirante que está submetido a uma força de tração de 8 000 N. O tirante tem seção circular constante cujo diâmetro vale 6 mm, seu comprimento é 0,3 m e seu material tem módulo de elasticidade valendo 2,1 x 105 N / mm2. 
Δl = F . l / E.A
Exercício
Uma peça de cobre de 305 mm é tracionada com uma tensão de 276 MPa. Se a deformação é considerada totalmente elástica, qual será o alongamento da peça? 
  = E. = E.L/L0  L = L0/E 
E é obtido de uma tabela: ECu = 11.0 x 104 MPa 
Assim: L = 276 . 305/11.0 x 104 = 0.76 mm 
Exercício
A partir do comportamento de tensão-deformação para o latão na Figura, determine:
O módulo de elasticidade;
A tensão limite de escoamento a um nivel de pré-deformação de 0,002;
A carga máxima que pode ser suportada por um corpo de prova CP com diametro original de 12,8mm;
A variação no comprimento de um CP com 250mm que é submetido a uma tração de 345MPa.
O módulo de elasticidade é o coeficiente angular da zona elástica ou linear na curva.
A linha pré-deformação de 0,002 vai ter interseção com a curva tensão-defromação em 250MPa, que corresponde à tensão limite de escoamento do latão.
A carga máxima que pode ser suportada pelo CP é calculada onde Ծ é o limite de resistência à tração, 450MPa, logo:
Resiliência é a capacidade de um material tem em absorver energia quando ele é deformado elasticamente e então, no descarregamento, ter recuperada esta energia, ou seja, retornar ao estado inicial.
Materiais resilientes são aqueles que têm alto limite de elasticidade e baixo módulo de elasticidade (como os materiais utilizados para molas).
9. Resiliência
10. Tenacidade
10. Tenacidade
A dureza é uma medida da resistência de um material à uma deformação plástica localizada, como por exemplo, à penetração de um corpo (uma pequena impressão ou risco).
A dureza depende diretamente das forças de ligação entre os átomos, íons ou moléculas.
O ensaio consiste na aplicação de uma carga conhecida através de um penetrador de geometria conhecida e na medição da área da impressão produzida na superfície do corpo de prova.
Ensaio de grande importância tecnológica (controle de qualidade)
Dureza, ao contrário do limite de escoamento e da tenacidade à fratura, não é um parâmetro característico do material (depende da máquina, da carga, do tipo de penetrador).
11. Dureza
Os ensaios de dureza são realizados com mais frequência do que outros ensaios mecânicos pois:
- Eles são simples e baratos;
- O ensaio é não-destrutivos;
- Outras propriedades mecânicas podem, com frequência, ser estimadas a partir de dados obtidos para ensaios de dureza, tais como o limite de tração.
11. Dureza
11. Dureza
Dureza MOHS
Se usa para determinar a dureza dos minerais. Se baseia em que um corpo é riscado por outro mais duro.
Escala de Mohs:
1 - Talco
2 - Gesso
3 - Calcita
4 - Fluorita
5 - Apatita
6 - Feldspato
7 - Quartzo
8 - Topázio
9 - Coríndon
10 - Diamante
11. Dureza
11. Dureza
11. Dureza
TIPOS DE ENSAIOS PARA MEDIÇÃO DA DUREZA
A escala de dureza pode ser dada em várias unidades, dependendo de como é feito o teste. As unidades de dureza mais utilizadas são:
Dureza Rockwell
Dureza Brinell
Microdureza Knoop e Vickes
11. Dureza
Dureza Rockwell
11. Dureza
Microdureza Knoop e Vickes
Para um ensaio, um penetrador de diamante muito pequeno, com geometria piramidal, é forçado contra a superfície do corpo de prova. A impressão deixada pelo ensaio é observada sob um microscópio e medida.
Dureza Brinell
Nos ensaios de dureza Brinell, como nas medições Rockwell, um penetrador esférico e duro é forçado contra a superfície do metal a ser testado. O diâmetro do penetrador de aço endurecido ou de carboneto de tungstênio é de 10mm (0,394pol).
11. Dureza
12. Energia de deformação
12. Energia de deformação
12. Energia de deformação
13. Coeficiente de Poisson 
13. Coeficiente de Poisson 
13. Coeficiente de Poisson 
O sinal negativo é utilizado pois o alongamento longitudinal (deformação positiva) provoca contração lateral (deformação negativa) e vice-versa. 
13. Coeficiente de Poisson - Exercício 
A Haste de alumínio mostrada na figura (a) tem seção transversal circular e esta submetida a uma carga axial de 10kN. Se uma parte do diagrama tensão-deformação do material e mostrado na figura (b), determinar o alongamento aproximado da haste quando a carga e aplicada. Suponha que Eal = 70GPa.
13. Coeficiente de Poisson 
13. Coeficiente de Poisson 
UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO
Departamento de Ciências Exatas e Naturais – Pau dos Ferros 
Disciplina: Fundamentos de Química dos Materiais
Josy.ramos@ufersa.edu.br
Propriedades 
mecânicas dos materiais
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