Universidade Federal do Paraná
Curso de Engenharia Industrial Madeireira
ELEMENTOS ORGÂNICOS DE MÁQUINAS I
ATAT-096
M.Sc. Alan Sulato de Andrade
[email protected]
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
INTRODUÇÃO:
Antes de iniciar o conteúdo, devemos lembrar que
rotineiramente assumimos que os materiais se
comportam de forma homogênea e isotrópica no que
concerne a suas propriedades. Porém, sabemos que
na prática, isto não ocorre.
Material
homogêneo:
possui
as
mesmas
propriedades físicas e mecânicas em todo o seu
volume;
Material
isotrópico:
possui
essas
mesmas
propriedades em todas as direções.
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
INTRODUÇÃO:
A seleção inadequada dos materiais é a origem da
maior proporção de falhas em projetos
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
INTRODUÇÃO:
Existe uma grande gama de propriedades visando a
a caracterização de qualquer material, dentre as
principais, podemos citar:
Físicas,
Térmicas,
Químicas,
Ópticas,
Magnéticas,
Elétricas,
Mecânicas,
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
INTRODUÇÃO:
Algumas podem ser consideradas mais importantes
que outras dependendo da forma de utilização do
material.
No caso de projetos de elementos ou máquinas
complexas, as principais características a serem
determinadas seriam quanto as propriedades
mecânicas do material do qual equipamento ou
dispositivo será construído.
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
INTRODUÇÃO:
Assim, a determinação e/ou conhecimento das
propriedades mecânicas é imprescindível para a
escolha do material para uma determinada aplicação,
bem como para o projeto e fabricação do
componente.
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.
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
INTRODUÇÃO:
As propriedades mecânicas de um material são
geralmente determinadas por meio de testes
destrutivos ou não destrutivos (para alguns casos) de
amostras sob condições controladas.
Dentre varias condições de controle, podemos
ressaltar o controle da temperatura, umidade do ar,
velocidade de carregamento, carga aplicada, tempo
de ensaio entre outros.
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
INTRODUÇÃO:
Tipos de ensaios:
Quanto à integridade:
Destrutivos, Não-destrutivos
Quanto à velocidade de carregamento:
Estáticos (Cargas aplicada de forma lenta em
estado de equilíbrio)
Dinâmicos (carga aplicada de forma rápida ou
cíclica)
Carga constante (Cargas aplicadas de forma
extremamente lenta por longos períodos)
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
INTRODUÇÃO:
Há inúmeros tipos de ensaios que os materiais
podem ser submetidos, sendo que em muitos casos
um mesmo teste pode fornecer dados sob uma ou
mais propriedades mecânicas. Porém, por melhor
que seja as condições do ensaio, o resultado obtido
não refletirá exatamente o que você obterá quando o
projeto for colocado em serviço.
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
INTRODUÇÃO:
A única forma de solucionar esta situação seria
ensaiando um protótipo real do sistema que você
projetou, porém em muitos casos isto não seria
possível (Inviável financeiramente). Vale lembrar que
é responsabilidade do engenheiro garantir a
segurança de seu projeto.
Ex.: Fabricantes de aviões, automóveis entre outros
testam o conjunto acabado sob condições de
serviços reais ou simuladas.
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
INTRODUÇÃO:
Hoje em dia, empresas fornecedoras de materiais
realizam testes internos de qualidade dos materiais e
oferecem ao mercado produtos com garantia ou
selos de qualidade. Esta garantia informa por
exemplo,
valor
mínimo
de
determinadas
propriedades que um determinado material
apresenta.
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
INTRODUÇÃO:
Na ausência ou impossibilidade de realizar tais
testes específicos, o engenheiro deve adaptar e
aplicar dados de propriedades dos materiais
publicados de testes padronizados para a situação
específica. Diversas associações definiram normas
para testar amostras e procedimentos de testes para
uma variedade de medidas de propriedades de
materiais (ABNT, ASTM, DIN).
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
INTRODUÇÃO:
Dentre os principais ensaios realizados, iremos
ressaltar alguns que são normalmente realizados na
determinação das propriedades dos metais (ferrosos
e não-ferrosos), principal matéria prima utilizada para
a construção de equipamentos e dispositivos:
Ensaio de Tração,
Ensaio de Compressão,
Ensaio de Flexão,
Ensaio de Torção,
Ensaio de Dureza.
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TRAÇÃO:
O ensaio de tração é um dos mais importantes testes
destrutivos para a determinação de propriedades
mecânicas. O procedimento de ensaio pode ser
sintetizado da seguinte forma: Um corpo de prova
padronizado é submetido à uma carga de tração
constante e de forma lenta, sob a ação desta força, o
corpo de prova começa a se deformar, a deformação
progressiva do corpo de prova faz com que haja uma
diminuição da área da seção transversal de tal forma
que este não suporta a carga aplicada e rompe-se.
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TRAÇÃO:
Corpo de prova e equipamento utilizado no ensaio
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TRAÇÃO:
Deflectômetro
eletrônico
A
Início
B
Instantes antes
do rompimento
Corpo de prova sendo ensaiado em equipamento
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TRAÇÃO:
O ensaio de tração mostra como resultado, uma
curva onde se relaciona a carga aplicada ( σ-tensão)
e o alongamento do corpo de prova (ε-deformação).
Nesta curva diversas propriedades quantitativas do
material podem ser determinadas, como:
Máxima tensão e deformação;
Tensão e deformação de fratura;
Tensão de escoamento;
Limite de proporcionalidade e de elasticidade;
Módulo de elasticidade;
Resiliência e tenacidade;
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TRAÇÃO:
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TRAÇÃO:
Prescede à deformação plástica
É reversível
Desaparece quando a tensão é
removida
É praticamente proporcional à
tensão aplicada (obedece a lei de
Hooke)
É provocada por tensões que
ultrapassam
o
limite
de
elasticidade
É irreversível porque é resultado
do deslocamento permanente dos
átomos e portanto não desaparece
quando a tensão é removida
Plástica
Elástica
Diagrama de tensão e deformação
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TRAÇÃO:
Diagrama de tensão e deformação
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TRAÇÃO:
Tensão:
É definida como sendo força por unidade de área e
pode ser determinada no corpo de prova como sendo:
σ =
F
A0
Onde F é a carga aplicada e A0 é a área inicial da
secção transversal do corpo de prova.
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TRAÇÃO:
Deformação:
É a mudança de comprimento por unidade de
comprimento inicial e é calculada como:
ε=
l − l0
l0
Onde l e l0 correspondem ao comprimento medido sob
a ação da força e o inicial, respectivamente.
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TRAÇÃO:
Estricção:
É outra propriedade que define a deformação do
material, e definida como:
∈=
A0 − A
A0
Onde A e A0 são a área medida sob a ação da força e
a inical, respectivamente.
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TRAÇÃO:
Módulo de elasticidade:
O módulo de elasticidade pode ser determinado na
região onde a tensão é proporcional a deformação.
Essa região se encerra no limite de proporcionalidade
e é válida a lei de Hooke. É determinado pela razão
entre a tensão e a deformação:
E=
σ
ε
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TRAÇÃO:
Resiliência e tenacidade:
Resiliência e a capacidade do material absorver
energia quando deformado elasticamente e devolvê-la
quando é cessado o esforço. Devido à segunda lei da
termodinâmica, é impossível recuperar toda a energia
absorvida pelo material durante a fase de
carregamento.
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TRAÇÃO:
Resiliência e tenacidade:
Tenacidade corresponde à capacidade do material
deformar-se plasticamente e absorver energia antes
da ruptura.
Ambas as propriedades podem ser obtidas integrandose a curva tensão deformação, sendo a resiliência até
o limite elástico e a tenacidade até a ruptura;
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TRAÇÃO:
Ductilidade e fragilidade:
A tendência de um material a deformar-se
significativamente antes de se romper é uma medida
de sua ductilidade. A ausência de deformação
significativa antes da ruptura é chamada de
fragilidade.
Em geral, materiais com mais de 5% de alongamento
após a região elástica e antes da ruptura são
considerados dúcteis. Sendo este valor menor que 5%
o material pode ser considerado frágil.
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TRAÇÃO:
Ductilidade e fragilidade:
a
σ
b
σ
ξ
ξ
Diagrama de tensão e deformação para material dúctil (a) e frágil (b)
Ex.: (a) Alumínio, (b) Concreto
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TRAÇÃO:
Ductilidade e fragilidade:
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TRAÇÃO:
Ductilidade e fragilidade:
Sobreposição dos diagrama de tensão e deformação
para material dúctil e frágil
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TRAÇÃO:
Ductilidade e fragilidade:
a
b
Ruptura dos corpos de prova no ensaio de tração
para material dúctil (a) e frágil (b)
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TRAÇÃO:
Ductilidade e fragilidade:
Os
mesmos
materiais
podem
apresentar
comportamento frágil ou dúctil dependendo de como
são fabricados, trabalhados ou tratados termicamente.
Essas propriedades são definidas pelo tipo de fratura
e podem ser decisivas na escolha do material, por
exemplo, em fuselagem de avião é sempre desejável
utilizar um material dúctil e não um frágil.
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE COMPRESSÃO:
Podemos observar o esforço de compressão na
construção mecânica, principalmente em estruturas e
em equipamentos como suportes, bases de
máquinas, barramentos etc.
Às vezes, a grande exigência requerida para um
projeto é a resistência à compressão. Nesses casos,
o projetista deve especificar um material que possua
boa resistência à compressão, que não se deforme
facilmente e que assegure boa precisão dimensional
quando solicitado por esforços de compressão.
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE COMPRESSÃO:
O ensaio de compressão é o mais indicado para
avaliar essas características.
O ensaio de pode ser realizado com a mesma
máquina que realiza o ensaio de tração, bastando
somente que se inverta o sentido de aplicação da
carga.
Gerando basicamente as mesmas informações do
ensaio de tração, porém aplicando uma carga de
compressão no material.
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE COMPRESSÃO:
Os corpos de prova para esse tipo de ensaio
usualmente são cilindros cuja comprimento não deve
exceder à 6 vezes o diâmetro para se evitar a
flambagem. É possível obter diagramas tensãodeformação em algumas situações.
Muitas normas estabelecem um tempo de ensaio,
evitando assim o auto esmagamento do
equipamento.
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE COMPRESSÃO:
Deflectômetro
eletrônico
Ensaio de compressão
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE COMPRESSÃO:
Materiais dúcteis:
Durante esse ensaio, os materiais dúcteis não se
rompem mas se deformam continuamente até formar
uma "bolacha" ou danificar a máquina. Usualmente
têm resistência a compressão semelhantes ã tração.
Quando apresenta esse tipo de comportamento são
chamado de materiais uniformes.
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE COMPRESSÃO:
Materiais frágeis:
Rompem-se durante o ensaio. A fratura é
característica e se apresenta superfície áspera e
inclinada. Geralmente têm resistência muito maior à
compressão que a tração. Quando apresenta
resistência a tração diferente da de compressão são
chamados de materiais não uniformes.
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE COMPRESSÃO:
Materiais dúcteis e frágeis:
a
b
Ruptura dos corpos de prova no ensaio de compressão
para material dúctil (a) e frágil (b)
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE FLEXÃO:
Nesse tipo de ensaio uma barra simplesmente
apoiada em cada extremidade como uma viga é
carregada transversalmente no centro de seu
comprimento até a falha ocorrer.
Em algumas aplicações industriais, envolvendo
materiais de alta resistência, é muito importante
conhecer o comportamento do material quando
submetido a esforços de flexão.
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE FLEXÃO:
Quando esta força provoca somente uma
deformação elástica no material, dizemos que se
trata de um esforço de flexão. Quando produz uma
deformação plástica, temos um esforço de
dobramento.
Isso quer dizer que, no fundo, flexão e dobramento
são etapas diferentes da aplicação de um mesmo
esforço, sendo a flexão associada à fase elástica e o
dobramento à fase plástica.
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE FLEXÃO:
Equipamento utilizado no ensaio de flexão
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE FLEXÃO:
Demonstração do ensaio de flexão e a distribuição das tensões internas
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE FLEXÃO:
Utilização do conceito de linha neutra para produção de vigas estruturais.
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE FLEXÃO:
Se o material for dúctil, não haverá ruptura e a falha
será por escoamento.
Se o material for frágil, a viga se romperá.
a
b
Ruptura dos corpos de prova no ensaio de flexão
para material dúctil (a) e frágil (b)
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TORÇÃO:
Corpos de prova circulares são submetidos a
esforços de torção até se romperem a fim de obter as
propriedades de cisalhamento. Usualmente o corpo
de prova é marcado com linha longitudinal para
facilitar a determinação do ângulo de rotação antes
da ruptura. Com a análise desta marca pode
determinar o tipo de comportamento do material.
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TORÇÃO:
Materiais dúcteis e frágeis:
Em materiais dúcteis haverá linha formará uma
trajetória helicoidal, em materiais frágeis a linha
permanecerá reta;
a
b
Ruptura dos corpos de prova no ensaio de torção
para material dúctil (a) e frágil (b)
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TORÇÃO:
Equipamento utilizado no ensaio de torção
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TORÇÃO:
Resistência de cisalhamento:
É a resistência a falha por cisalhamento do material
e é determinada durante o ensaio. Pode ser
determinada calculando-se a tensão de cisalhamento
em um corpo de prova quando aplicado um torque.
τ=
GrΘ
l0
Onde, τ é a tensão de cisalhamento, r é o raio do
corpo de prova, l0 é o comprimento, Θ é a rotação em
radianos e G é o módulo de elasticidade transversal.
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TORÇÃO:
Módulo de rigidez transversal
É o recíproco do módulo de elasticidade e pode ser
definido como:
G=
E
2(1 + v)
Onde E é o módulo de elasticidade, υ é o coeficiente
de Poisson (razão entre a deformação específica
lateral e longitudinal) sendo que para a maior parte
do metais, fica em torno de 0.3 (Tabelado).
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
ENSAIO DE TORÇÃO:
Resistência de cisalhamento:
Como essa tensão é diretamente proporcional ao
raio, pode-se afirmar que ela é máxima na periferia e
mínima no centro. Desta forma, durante o teste o
material situado externamente já se encontra na fase
plástica enquanto a porção interna ainda está na
elástica. Desta forma, tubos de parede fina pode ser
considerado como um corpo de prova melhor para
este tipo de ensaio do que uma barra maciça,
podendo dar uma medida melhor da resistência ao
cisalhamento.
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
DUREZA:
Em princípio pode-se definir a dureza como a
resistência à deformação permanente:
por penetração;
absorção de energia sob carga dinâmica;
resistência à ação do risco, à abrasão ou ao corte.
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
DUREZA:
As principais características da determinação da
dureza dos metais são:
método rápido;
não destrutivo;
Permite avaliar:
as condições de fabricação;
tratamento das ligas metálicas;
diferenças estruturais locais;
influência de elementos de lisa.
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
DUREZA:
Princípio do ensaio de dureza:
A dureza é obtida pela resistência à penetração de
um penetrador, que pode ser:
esfera;
pirâmide;
tronco de cone;
Os penetradores são usualmente feitos de metal
duro, aço temperado ou diamante;
Sendo forçado a penetrar no material a ser ensaiado
pela aplicação de uma carga estática, provocam uma
impressão, assim da análise da impressão chega-se
a valor da dureza do material.
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
DUREZA:
Equipamento utilizado no ensaio de dureza
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
DUREZA BRINELL:
O ensaio consiste em aplicar uma carga estática (P)
com uma esfera de aço (diâmetro D). Ao penetrar, a
esfera imprime uma calota esférica, de diâmetro
inferior ao do penetrador (d). Apresenta algumas
limitações, não poder ser empregado em peças muito
finas e em materiais muito duros (aço duro
temperado, metal duro e outros), mais duros ou de
dureza idêntica à das esferas penetradoras, que se
deformariam durante a aplicação da carga.
Hbn =
2P
πD( D − D 2 − d 2
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
DUREZA ROCKWELL:
O princípio de funcionamento é o mesmo do Brinell,
mas emprega outro penetrador. Outra distinção é a
forma como a dureza é mensurada, como um número
proporcional à profundidade de penetração. No
processo industrial há três faixas principais de dureza
Rockwell (A, C e D) em função da variação da carga
aplicada).
Hrw = 100 − 500t
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PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
DUREZA VICKERS:
Este ensaio tem a vantagem em relação aos demais
de fornecer uma escala contínua de dureza para uma
determinada carga. Pode determinar a dureza de
materiais muito moles até materiais extremamente
duros. O penetrador consiste de uma ponte de
diamante com forma de pirâmide de base quadrada e
ângulo de vértice de 136° e as cargas variam de 10 a
120 kgf;
Hvk = 1,72
P
d2
d
PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
EXERCÍCIO
Desafio:
Identifique quais seriam as propriedades dos materiais
mais importantes a serem levantadas na avaliação
das seguintes situações:
Estrutura de suporte de motor,
Eixo de um motor,
Trem de pouso de avião,
Cabo para um guindaste,
Prato de uma prensa hidráulica,
Dentes de uma serra para madeira.
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