Principais propriedades
mecânicas
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Resistência à tração
Elasticidade
Ductilidade
Fluência
Fadiga
Dureza
• Tenacidade,....
Cada uma dessas propriedades está
associada à habilidade do material de
resistir às forças mecânicas e/ou de
transmiti-las.
Está intimamente ligado com às
forças internas de atração existentes entre os
átomos e sua estrutura cristalina.
Para entender como um material se deforma
em função da carga, tempo, temperatura ou
outra condição, é necessário discutir o teste
padrão de propriedade mecânica
MTS – Máquina Universal de Ensaios
Tipos de carga
Tração
Compressão
Cisalhamento
Torção
Para comparar materiais de diferentes tamanhos,
a carga é calculada por unidade de área
Tensão de engenharia:
F= carga aplicada perpendicularmente na seção da amostra
A0= área antes da aplicação da força
Deformação ou alongamento de engenharia:
Δl = variação do comprimento
L0= comprimento inicial
•
•
Tensão-deformação:
Positivas para cargas trativas
Negativas para cargas compressivas
Tensão cisalhante:
F= carga aplicada paralelamente a seção da amostra
Deformação cisalhante:
θ= ângulo da deformação
A torção é a variação do cisalhamento. A tensão é
em função do torque T, e o ângulo de torção é φ.
Deformação elástica
É reversível. A elasticidade é a capacidade que o material
tem de se deformar, quando submetido a um esforço.
Contudo quando este esforço é retirado volta as suas
dimensões iniciais.
Geralmente a deformação é pequena, exceto para plásticos.
Exemplo: mola
Deformação plástica
É irreversível. Quando a tensão é removida o material não
retorna a dimensão original.
Comportamento da deformação elástica:
Num teste de tração, se a deformação é elástica, a
relação tensão-deformação é dada pela lei de Hooke:
E= módulo de Young ou módulo de elasticidade, e tem a mesma
unidade de tensão (N/m2 ou Pa)
Maior módulo de Young
maior a dureza do material
Limite de escoamento (σy)
É a tensão necessária para produzir uma pequena
quantidade de deformação plástica. Na maioria
dos países o deslocamento é 0,2 ou 0,1% (e=0,002
ou 0,001)
Limite proporcional (P)
É a tensão mais alta na qual a tensão é diretamente
proporcional a deformação.
σy é a medida da resistência para a deformação
plástica
Deformação elástica não linear
Em alguns materiais (muitos polímeros, ferro
fundido cinzento, concreto...) a deformação
elástica não é linear, mas ainda é reversível.
Força de
separação da
interação
atômica
Anelasticidade
Deformação elástica dependente do
tempo, e não só a carga aplicada. É muito
comum em polímeros.
Uma taxa finita de deformação
atômico/molecular ocorre depois da carga
inicial, e depois do relaxamento, mas
retorna as dimensões iniciais depois de
algum tempo.
Comportamento visco-elástico
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
•Em material monocristalino o módulo de
elasticidade depende da direção de aplicação da
tensão nos eixos cristalográficos, pois a
interação atômica varia com a direção. Neste
caso especifica-se as constantes elásticas
Coeficiente de Poisson
A taxa de deformação lateral e axial é chamado
de coeficiente de Poisson (ν).
ν é adimensional e mostra que a deformação
lateral é oposta a longitudinal.
Um valor teórico para materiais isotrópicos : 0,25
Valor máximo: 0,50
Valor típico: 0,24 – 0,30
Modulo de cisalhamento
Relação de tensão e deformação cisalhante:
Onde
(N/m2)
e G é o módulo cisalhante
Para materiais isotrópicos:
Geralmente, cristais simples são elasticamente
anisotrópicos, ou seja, o comportamento elástico
varia com a direção cristalográfica.
Deformação plástica
• Tensão e deformação não são proporcionais
• Deformação não reversível
• Deformação ocorre pela quebra e rearranjo das
ligações atômicas. Em materiais cristalinos (metais)
ocorre
inicialmente
a
movimentação
das
discordâncias.
• Para aplicações estruturais, o limite de
escoamento é a propriedade mais importante que a
tensão máxima, desde que a estrutura do material
tenha deformado dentro dos limites aceitos.
Limite de resistência
Máx. tensão: ∼100 – 1000
MPa
Tensão de
ruptura
Estricção
Para aços de baixo carbono, a curva tensãodeformação possui um limite de escoamento
superior e inferior. A tensão de escoamento,
neste caso, é dado pela média dos pontos de
menor tensão.
Ductilidade
É a medida da deformação até a fratura. É
definida por:
Elongação na fratura
Redução de área na fratura
Indica a extensão na qual um metal pode ser
deformado sem fraturar em conformação mecânica
como laminação e a extrusão.
• O limite de escoamento e a tensão máxima
varia com tratamento térmico e mecânico,
nível de impurezas, etc. Esta variação ocorre
devido o comportamento das discordâncias do
material. Geralmente o módulo elástico são
insensíveis a estes efeitos.
• O aumento da temperatura diminui o limite
de escoamento, tensão máxima e módulo de
elasticidade, mas aumenta a ductilidade do
material.
Aço-mola de alto carbono
Aço estrutural
Tenacidade
É a capacidade de um material em absorver
energia na região plástica, até a fratura. É a área
total sob a curva tensão-deformação, que indica
a quantidade de trabalho por unidade de
volume que pode ser realizado no material sem
causar a sua fratura.
Unidade: J/m3
A tenacidade pode ser medida pelo teste de
impacto.
É um parâmetro que compreende tanto a
resistência quanto a ductilidade.
Curva tensão-deformação verdadeira
Tensão verdadeira é a carga dividida pela área
instantânea da região do pescoço, o qual
continua a crescer até a fratura. É também
conhecida como curva de escoamento.
σt = σ (1+ε)
ε t = ln(1+ ε)
TENSÃO CORRETA PARA A REGIÃO ONDE
INICIA-SE A FORMAÇÃO DO PESCOÇO
•σr = kεrn
Log σr =log k+ n log εr
Para εr= 1
σr =k
• K e n são constantes que dependem do
material e dependem do tratamento dado ao
mesmo, ou seja, se foram tratados termicamente
ou encruados
•K= coeficiente de resistência (quantifica o nível de
resistência que o material pode suportar)
•n= coeficiente de encruamento (representa a
capacidade com que o material distribui a
deformação)
correta
A tensão correta de ruptura é
devido a outros componentes
de tensões presentes, além da
tensão axial
Recuperação
elástica
durante
a
deformação plástica
Se um material está sendo deformado
plasticamente e é descarregado, ocorre uma
deformação permanente.
Se a tensão é reaplicada, o material responde
elasticamente e começa um novo escoamento
de um ponto mais alto que o original.
A essa nova quantidade de deformação
elástica é chamada de recuperação elástica.
Dureza
É a medida da resistência do material a
deformação plástica localizada (habilidade do
material em “arranhar, indentar” outro material)
Tipos de testes de dureza:
Rockwell, Brinell, Vickers,
etc.
Tipos de indentador:
Esfera, cone, piramidal
Parâmetros:
Condições controladas de
carga
e
taxa
de
carregamento,
profundidade e tamanho da
indentação.
Teste fácil e não destrutivo
Ambos, tensão máxima e dureza pode estimar
o grau de resistência a deformação plástica.
A dureza é proporcional a tensão máxima –
mas note que a constante de proporcionalidade
é deferente para materiais diferentes.
Qual é o limite de deformação “seguro”?
Na engenharia, o limite de
escoamento é usualmente
um parâmetro interessante
Tensão de trabalho:
N= fator de segurança > 1
Tensão de trabalho < limite de escoamento
Mecanismos de aumento da resistência em
metais (mec. de endurecimento):
•Endurecimento por deformação – encruamento –
Teoria de Taylor, Mott, Seeger, etc)
•Endurecimento por contorno de grão
•Endurecimento por solução sólida
•Endurecimento por dispersão de partículas
incoerentes (mec. de Orowan)
•Endurecimento por precipitação coerente
Um material cristalino metálico pode deformarse plasticamente por:
•Movimento das discordâncias
•Maclação mecânica
•Difusão
•Transformação de fase
Propriedades mecânicas em materiais
cerâmicos:
•Alto módulo de elasticidade
•São frágeis e duros
•Resistência a tração menor que a compressão
•Alongamento plástico desprezível
•Deformam por fluência
•Fase vítrea e porosidade reduz consideravelmente
a resistência mecânica
Propriedades mecânicas em materiais
poliméricos:
•A - Material termorígido ou termoplástico vítreo
(poliestireno) – frágil como a cerâmica
•B - Material termoplástico parcialmente cristalino
– dúcteis como os metais
•C - Elastômeros – atípicos, muito elástico
Importante: Temperatura de transição vítrea