CIÊNCIA E ENG MATERIAIS
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Muitos materiais, quando em serviço, estão sujeitos a
forças ou cargas.
O comportamento mecânico de um material reflete a
relação entre a sua resposta ou deformação a uma carga ou
força aplicada.
Algumas propriedades mecânicas importantes são a
resistência, a dureza, a ductilidade e a rigidez.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
As propriedades mecânicas dos materiais são
verificadas pela realização de experimentos de laboratório
cuidadosamente projetados, que reproduzem o mais fielmente
possível as condições de serviço.
Fatores que devem ser considerados incluem a
natureza da carga aplicada e a duração de sua aplicação,
assim como as condições ambientais.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
A carga pode ser de tração, de compressão ou de
cisalhamento, e a sua amplitude pode ser constante ao longo
do tempo ou variar continuamente.
O tempo de aplicação pode ser de apenas uma fração
de um segundo ou se estender por um período de muitos anos.
A temperatura de operação também pode ser um fator
importante.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
As propriedades mecânicas são o alvo da atenção de
diversos grupos, os quais possuem diferentes interesses.
É imperativo que exista alguma consistência na maneira
segundo a qual são conduzidos os ensaios e na interpretação
dos resultados.
Essa consistência é obtida com o emprego de técnicas
de ensaio padronizadas.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Para tal, torna-se importante o estabelecimento e a
publicação de normas com frequência, coordenadas por
sociedades profissionais.
Nos EUA, a organização mais ativa é a American
Society for Testing and Materials, ASTM.
O
seu
Annual
Book
of
ASTM
Standards
(http://www.astm.org) compreende diversos volumes, editados
anualmente.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Um dos papéis dos engenheiros é determinar as
tensões e as distribuições de tensões em elementos que
estejam submetidos a cargas bem definidas.
Isto pode ser feito através de técnicas experimentais de
ensaio e/ou de análises teóricas e matemáticas das tensões.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Os engenheiros de materiais estão preocupados com a
produção e a fabricação de materiais para atender as
exigências de serviço previstas por essas análises de tensão.
Isso envolve necessariamente uma compreensão das
relações entre a microestrutura dos materiais e as suas
propriedades mecânicas.
Com frequência, os materiais são selecionados para
aplicações estruturais porque possuem combinações
desejáveis de características mecânicas.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Conceitos de tensão e deformação
Se uma carga é estática ou se vaia de uma maneira
relativamente lenta ao longo do tempo e é aplicada
uniformemente sobre uma seção transversal ou na superfície
de um membro, o comportamento mecânico pode ser
averiguado através de um simples ensaio tensão-deformação.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Tais ensaios são mais comumente realizados para os
metais à temperatura ambiente. Existem três maneiras
principais pelas quais uma carga pode ser aplicada, a saber:
tração, compressão e cisalhamento.
Na prática da engenharia, muitas cargas são de torção,
em vez de serem de natureza puramente cisalhante.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Ensaios de tração
Um dos ensaios mecânicos de tensão-deformação mais
comum é conduzido sob tração.
O ensaio de tração pode ser usado para averiguar
diversas propriedades mecânicas dos materiais que são
importantes para projetos.
Uma amostra é deformada, geralmente até a fratura, por
uma carga de tração que é aumentada gradativamente e que é
aplicada uniaxialmente ao longo do eixo maior de um corpo de
prova.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Normalmente, a seção transversal é circular, mas
também são utilizados corpos de prova com seção retangular.
A redução de seção é escolhido, porque durante o
ensaio, a deformação fica confinada à região central mais
estreita, e ainda, para reduzir a probabilidade de fratura nas
extremidades do corpo de prova.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
O corpo de prova é preso pelas suas extremidades nas
garras de fixação de um dispositivo de teste.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
A máquina de ensaios de tração é projetada para
alongar o corpo de prova a uma taxa constante, ao mesmo
tempo em que mede contínua e simultaneamente a carga
instantânea que está sendo aplicada e os alongamentos
resultantes (através de extensômetros).
O resultado é registrado na forma da carga ou força em
função do alongamento.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
O cálculo da tensão é feito por:
F
σ=
Ao
A deformação pode ser determinada por:
ℓf − ℓo ∆ℓ
ϵ=
=
ℓo
ℓo
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Ensaios de compressão
Ensaios sob compressão podem ser realizados se as
forças nas condições de serviço forem desse tipo.
É conduzido de uma maneira semelhante à de um
ensaio de tração, exceto pelo fato de que a força é
compressiva e o corpo de prova se contrai ao longo da direção
da tensão.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Os ensaios de tração são mais comuns, pois eles são
mais fáceis de serem executados.
Os ensaios de compressão são usados quando se
deseja conhecer o comportamento de um materiais submetido
a deformações grandes e permanentes (deformações
plásticas), como ocorre em operações de fabricação ou
quando o material é frágil sob tração.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Ensaios de cisalhamento e de torção
Para esses ensaios a tensão cisalhante é determinada
por:
F
τ=
Ao
A deformação cisalhante γ é definida como sendo a
tangente do ângulo de deformação θ
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
A torção é uma variação do cisalhamento puro, onde
um elemento estrutural é torcido.
As forças de torção produzem um movimento de rotação
em torno do eixo longitudinal de uma das extremidades do
elemento em relação à outra extremidade.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Comportamento Tensão-Deformação
A quantidade que uma estrutura se alonga ou se deforma
depende da amplitude da tensão que lhe é imposta.
Para a maioria dos metais que são submetidos a uma tensão
de tração em níveis relativamente baixos, a tensão e a deformação
são proporcionais entre si, de acordo com a relação:
σ = Eϵ
Essa relação é conhecida como lei de Hooke.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
A constante de proporcionalidade E (Gpa ou psi) é o
módulo de elasticidade, ou módulo de Young.
Para a maioria dos metais típicos, a amplitude desse
módulo varia de 45 GPa (6,5 x 106 psi) para o magnésio até
407 GPa (59 x 106 psi) para o tungstênio.
O processo de deformação no qual a tensão e a
deformação são proporcionais é chamado deformação elástica.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
A inclinação do gráfico tensão-deformação é o módulo
de elasticidade E.
Esse módulo pode ser considerado como sendo a
rigidez ou a resistência do material à deformação elástica.
Quanto maior for o módulo, mais rígido será o material,
ou menor será a deformação elástica que irá resultar da
aplicação de uma dada tensão.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
A deformação elástica não é permanente, o que significa
que quando a carga aplicada é liberada, a peça retorna à sua
forma original.
Os valores para os módulos de elasticidade dos
materiais cerâmicos são aproximadamente os mesmos que
para os metais; para os polímeros, eles são menores. Tais
diferenças são uma consequência direta dos diferentes tipos
de ligações atômicas nesses três tipos de materiais.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
A imposição de tensões de compressão, cisalhamento
ou torção também induz um comportamento elástico.
A tensão e a deformação de cisalhamento são
proporcionais entre si através da expressão:
τ = Gγ
Onde G é o módulo de cisalhamento, a inclinação da
região elástica linear da curva tensão-deformação de
cisalhamento.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Exr.:
1) Um pedaço de cobre originalmente com 305 mm de
comprimento é puxado em tração com uma tensão de 276
MPa. Se a sua deformação é inteiramente elástica, qual
será o alongamento resultante?
2) Um corpo de prova de cobre com seção transversal
retangular de 15,2 mm X 19,1 mm é tracionado com uma
força de 44.500 N, produzindo apenas uma deformação
elástica. Calcule a deformação resultante.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
3. Um corpo de prova cilíndrico feito em uma liga de níquel,
que possui um módulo de elasticidade de 207 GPa e um
diâmetro original de 10,2 mm, irá sofrer apenas deformação
elástica quando uma carga de tração de 8.900 N for
aplicada. Calcule o comprimento máximo do corpo de prova
antes da deformação se o alongamento máximo admissível
é de 0,25 mm.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
4. Uma barra de alumínio com 125 mm de comprimento e que
possui uma seção transversal quadrada com 16,5 mm de
aresta é tracionada com uma carga de 66.700 N e
apresenta um alongamento de 0,43 mm. Assumindo que a
deformação seja inteiramente elástica, calcule o módulo de
elasticidade do alumínio.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
5. Considere um arame cilíndrico de níquel com 2,0 mm de
diâmetro e 3 X 104 mm de comprimento. Calcule o seu
alongamento quando uma carga de 300 N é aplicada.
Assuma que a deformação seja totalmente elástica.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
6. Para uma liga de latão, a tensão na qual a deformação
plástica tem seu início é de 345 MPa e o módulo de
elasticidade é de 103 GPa.
a) Qual é a carga máxima que pode ser aplicada a um
corpo de de prova com uma área transversal de 130
mm2 sem que ocorra deformação plástica?
b) Se o comprimento original do corpo de prova é de 76
mm, qual é o comprimento máximo ao qual ele poderá
ser esticado sem causar deformação plástica?
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
7. Um bastão cilíndrico de aço (E = 207 GPa) que possui um
limite de escoamento de 310 MPa deve ser submetido a
uma carga de 11.100 N. Se o comprimento do bastão é de
500 mm, qual deve ser o seu diâmetro para permitir um
alongamento de 0,38 mm?
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
8. Considere um corpo de prova cilíndrico feito em uma liga de
aço com 8,5 mm de diâmetro e 80 mm de comprimento que
é tracionado. Determine o seu alongamento quando uma
carga de 65.250 N for aplicada.