Engenharia de Materiais COMPORTAMENTO MECÂNICO COMPORTAMENTO MECÂNICO COMPORTAMENTO MECÂNICO Propriedades Mecânicas Definem a resposta do material à aplicação de forças (solicitação mecânica). Força (tensão) Deformação Principais Propriedades: Resistência - Elasticidade - Ductilidade Fluência - Dureza - Tenacidade Determinação das Propriedades Ensaios Mecânicos Tipos de Solicitação • Força lenta (estática) • Força rápida (impacto) • Força variável (vibração) • Presença de trincas, entalhes ou defeitos de fabricação • Altas temperaturas (oxidação, modificação nas propriedades) Ensaios Mecânicos / Normas Técnicas # Tipos de Tensões: Tração Compressão Cisalhamento Torção # Ensaios Mecânicos: São utilizados para determinar as Propriedades Mecânicas do material Utilização de corpos de prova Utilização de Normas Técnicas ASTM (American Society for Testing and Materials) ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) CORPO DE PROVA Especificações do Corpos de Prova A parte útil do corpo de prova, identificada no desenho anterior por Lo, é a região onde são feitas as medidas das propriedades mecânicas do material. As cabeças são as regiões extremas, que servem para fixar o corpo de prova à máquina de modo que a força de tração atuante seja axial. Devem ter seção maior do que a parte útil para que a ruptura do corpo de prova não ocorra nelas. Especificações do Corpos de Prova Suas dimensões e formas dependem do tipo de fixação à máquina. Os tipos de fixação mais comuns são: Entre as cabeças e a parte útil há um raio de concordância para evitar que a ruptura ocorra fora da parte útil do corpo de prova (Lo). Segundo a ABNT, o comprimento da parte útil dos corpos de prova utilizados nos ensaios de tração deve corresponder a 5 vezes o diâmetro da seção da parte útIl. Especificações do Corpo de Prova Por acordo internacional, sempre que possível um corpo de prova deve ter 10mm de diâmetro e 50 mm de comprimento inicial. Não sendo possível a retirada de um corpo de prova deste tipo, deve-se adotar um corpo com dimensões proporcionais a essas. . Especificações do Corpo de Prova Corpos de prova com seção retangular são geralmente retirados de placas,chapas ou lâminas. Suas dimensões e tolerâncias de usinagem são normalizadas pela ISO/R377enquanto não existir norma brasileira correspondente. A norma brasileira (NBR 6152, dezembro de 1980) somente indica que os corpos de prova devem apresentar bom acabamento de superfície e ausência de trincas. Preparação do Corpo de Prova O primeiro procedimento consiste em identificar o material do corpo de prova. Corpos de prova podem ser obtidos a partir da matériaprima ou de partes específicas do produto acabado. Preparação do Corpo de Prova Depois, deve-se medir o diâmetro do corpo de prova em dois pontos no comprimento da parte útil, utilizando um micrômetro, e calcular a média. Por fim, deve-se riscar o corpo de prova, isto é, traçar as divisões no comprimento útil. Num corpo de prova de 50 mm de comprimento, as marcações devem ser feitas de 5 em 5 milímetros. Propriedades Mecânicas ENSAIO DE RUPTURA POR TRAÇÃO Máquina Para Ensaio de Tração e Compressão Equipamento para o Ensaio de Tração Equipamento para o Ensaio de Tração CURVA DE CARGA X ALONGAMENTO ENSAIO DE TRAÇÃO: A Início B Instantes antes do rompimento Deflectômetro eletrônico Corpo de prova sendo ensaiado em equipamento ENSAIO DE TRAÇÃO: O ensaio de tração mostra como resultado, uma curva onde se relaciona a carga aplicada ( ϭ-tensão) e o alongamento do corpo ε de prova ( -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. Testes mais comuns # Os testes (ensaios) mais comuns utilizados no estudo de materiais são os ensaios de: • tração • compressão • torção • choque • desgaste • fadiga • dureza ENSAIO DE TRAÇÃO Diagrama de tensão e deformação ENSAIO DE TRAÇÃO Diagrama de tensão e deformação Tipos de Falhas em Corpos de Prova Ensaio de Tração • É o teste mais simples. • Permite determinar diversas propriedades mecânicas importantes. • Consiste em aplicar uma força (carga) de intensidade crescente,tracionando o material até sua ruptura. Corpo de prova Máquina de ensaio (MTS) Célula de carga e extensiômetro Curvas: força x alongamento tensão x deformação Ensaio de Tração O que acontece com o material durante o teste de tração ? • A aplicação de uma força (tensão) provoca a deformação (variação dimensional) do material até a sua ruptura. Tensão (σ) x Deformação (ε) • A deformação não possui unidade, porem pode-se ter: m/m; cm/cm; % σ = tensão (MPa, Kgf/cm2, Kgf/mm2, N/ mm2) F = força (carga) aplicada (N ou lbf) A0 = área da seção reta transversal (cm2, mm2) ε = (li - l0)/l0 = Δl/l0 σ = F/A0 ε = deformação l0 = comprimento inicial da amostra li = comprimento instantâneo ENSAIO DE TRAÇÃO: Tensão: É definida como sendo força por unidade de área e pode ser determinada no corpo de prova como sendo: F Ϭ= A0 Onde F é a carga aplicada e A0 é a área inicial da secção transversal do corpo de prova. ENSAIO DE TRAÇÃO: Deformação: É a mudança de comprimento por unidade de comprimento inicial e é calculada como: ε = ɭ - ɭ0 ɭ0 Onde l e l0 correspondem ao comprimento medido sob a ação da força e o inicial, respectivamente. ENSAIO DE TRAÇÃO: Estricção: É outra propriedade que define a deformação do material, e definida como: A0 – A ϵ= A0 Onde A e A0 são a área medida sob a ação da força e a inicial, respectivamente. 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= Ϭ ε ENSAIO DE TRAÇÃO: Resiliência e tenacidade: Resiliência é 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. 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 integrando-se a curva tensão deformação, sendo a resiliência até o limite elástico e a tenacidade até a ruptura. ENSAIO DE TRAÇÃO: Ductilidade e fragilidade: A tendência de um material a deformar-se de maneira significativa 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. Materiais Dúcteis: Qualquer material que possa ser submetido a grandes deformações antes da ruptura é chamado de material dúctil. Freqüentemente, os engenheiros escolhem materiais dúcteis para o projeto, pois estes são capazes de absorver choque ou energia. Quando sobrecarregados, exibem, em geral, grande deformação antes de falhar. Materiais Frágeis: Os materiais que apresentam pouco ou nenhum escoamento são chamados de materiais frágeis. ENSAIO DE TRAÇÃO: Ductilidade e fragilidade: Sobreposição dos diagrama de tensão e deformação ENSAIO DE TRAÇÃO: Ductilidade e fragilidade: Ruptura dos corpos de prova no ensaio de tração para material frágil (a) e dúctil (b) 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. ENSAIO DE COMPRESSÃO: Podemos observar o esforço de compressão na construção mecânica, principalmente em estruturas e em equipamentos como suportes, bases de máquinas, barramentos entre outros. ENSAIO DE COMPRESSÃO: Às vezes, a grande exigência requerida para um projeto é a resistência à compressão. Nesses casos, o projetista deve especificar um material com boa resistência à compressão. Que não se deforme facilmente e que assegure boa precisão dimensional quando solicitado por esforços de compressão. ENSAIO DE COMPRESSÃO: O ensaio de compressão é o mais indicado para avaliar essas características. O ensaio pode ser realizado com a mesma máquina que realiza o ensaio de tração, bastando somente inverter o sentido de aplicação da carga. Gerando basicamente as mesmas informações do ensaio de tração, porém aplicando uma carga de compressão no material. 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 tensão de formação em algumas situações. Muitas normas estabelecem um tempo de ensaio,evitando assim o auto esmagamento do equipamento. ENSAIO DE COMPRESSÃO: Deflectômetro eletrônico Ensaio de compressão 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. ENSAIO DE COMPRESSÃO: Materiais frágeis: Rompem-se durante o ensaio. A fratura é característica e 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. 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) 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. 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. ENSAIO DE FLEXÃO: Equipamento utilizado no ensaio de flexão ENSAIO DE FLEXÃO: Demonstração do ensaio de flexão e a distribuição das tensões internas ENSAIO DE FLEXÃO: Utilização do conceito de linha neutra para produção de vigas estruturais. 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. 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. ENSAIO DE TORÇÃO: Materiais dúcteis e frágeis: Em materiais dúcteis formará linha de trajetória helicoidal. Em materiais frágeis a linha permanecerá reta. ENSAIO DE TORÇÃO: Equipamento utilizado no ensaio de torção 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. 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. 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. 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. DUREZA: Equipamento utilizado no ensaio de dureza 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. 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). 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 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, Braço de um guindas Ensaio de Tração - Polímeros Elástica Deformação Elástica e Plástica DEFORMAÇÃO ELÁSTICA Prescede à deformação plástica É reversível Desaparece quando a tensão é removida É praticamente proporcional à tensão aplicada (obedece a lei de Hooke) DEFORMAÇÃO PLÁSTICA 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 removid Plástica Algumas Definições - Metais Curva tensão vs deformação POLÍMEROS Limite de resistência à tração Limite de escoamento T E N S Ã O DEFORMAÇÃO Algumas Definições - Poímeros Módulo de Elasticidade Algumas Definições Ductibilidade - É a medida da extensão da deformação que ocorre até a fratura Alongamento Percentual Redução de área Percentual lgumas de Definições Tenacidade – é a capacidade de o material absorver energia mecânica até a fratura Área sob a curva Algumas de Definições Resiliência – é a capacidade de um material absorver energia quando ele é deformado elasticamente e depois, com o descarregamento, ter essa energia recuperada Tensão e deformação reais ou verdadeiras A curva de tensão x deformação convencional, estudada anteriormente, não apresenta uma informação real das características tensão e deformação porque se baseia somente nas características dimensionais originais do corpo de prova ou amostra e que na verdade são continuamente alteradas durante o ensaio. Influência do Tempo e Temperatura Aplicação Comportamento tensão-deformação materiais cerâmicos Não é avaliado por ensaio de tração: É difícil preparar e testar amostras que possuam a geometria exigida; É difícil prender e segurar materiais frágeis; As cerâmicas falham após uma deformação de apenas 0,1%, o que exige que os corpos de prova estejam perfeitamente alinhados. Resistência à flexão a L a b d Flexão com 3 pontos D X-Section F Filme do ensaio Comportamento elástico Resistência aos Impacto A capacidade de um determinado material de absorver energia do impacto está ligada à sua tenacidade, que por sua vez está relacionada com a sua resistência e ductilidade O ensaio de resistência ao choque dá informações da capacidade do material absorver e dissipar essa energia Como resultado do ensaio de choque obtém-se a energia absorvida pelo material até sua fratura, caracterizando assim o comportamento dúctil-frágil Ensaio de Impacto com pêndulos Ensaios de impacto Izod ou Charpy Amostras com ou sem entalhe Ensaio de impacto com pêndulos IZOD CHARPY Exemplos de entalhe Ensaio de impacto Charpy – ISO179-1 Influência do Entalhe Ensaio impacto com pêndulos A resistência ao impacto é quantificada em termos de energia de impacto absorvida: por unidade de espessura por unidade de espessura ao longo do entalhe para os CP entalhados por unidade área da seção resistente do corpo de prova Curva resposta do ensaio de choque O ensaio de resistência ao choque caracteriza o comportamento dos materiais quanto à transição do comportamento dúctil para frágil em função da temperatura Polímeros São frágeis à baixas temperaturas porque a rotação dos átomos na molécula requer energia térmica A maioria dos polímeros apresentam transição dúctil-frágil que é geralmente abaixo da Materiais cristalinos MATERIAIS CFC Permanecem dúcteis (não apresenta transição dúctilfrágil) porque nesta estrutura há muitos planos de escorregamento disponíveis MATERIAIS CCC Apresentam uma transição de frágil para dúctil em função da temperatu Definição de dureza É a medida da resistência de um material a uma deformação localizada (por exemplo, uma pequena impressão ou um risco) Vantagens: São simples e barato ensaio é não destrutivo Outras propriedades mecânicas podem ser estimadas Dureza Vários ensaios: Risco (escala de dureza de MOHS); Ressalto (método SHORE); Penetração (BRINNEL, VICKERS, ROCKWELL). Por Risco – Dureza Mohs Escala de dureza Mohs é uma tabela de 10 minerais padrões em que o anterior é riscado pelo posterior na seguinte ordem: talco, gipsita, calcita, fluorita, apatita, ortoclásio, quartzo, topázio, safira e diamante. Por tanto, ela serve para classificação de minérios “in loco”, no campo ou em laboratório. Este tipo de medida de dureza é de grande utilidade na área de mineralogia e geologia, mas apresenta pouco interesse na área de materiais e metalurgia. Por Risco – Dureza Mohs Escala de dureza Mohs é uma tabela de 10 minerais padrões em que o anterior é riscado pelo posterior na seguinte ordem: talco, gipsita, calcita, fluorita, apatita, ortoclásio, quartzo, topázio, safira e diamante. Por tanto, ela serve para classificação de minérios “in loco”, no campo ou em laboratório. Este tipo de medida de dureza é de grande utilidade na área de mineralogia e geologia, mas apresenta pouco interesse na área de materiais e metalurgia. Dureza por Penetração No ensaio de dureza por penetração, aplica-se uma carga Q sobre a superfície polida do material a ser ensaiado através de um penetrador e mede-se a marca deixada pelo penetrador após a remoção da carga. Cavidade permanente causado pela esfera Método Brinell (HB) O ensaio de dureza Brinell consiste em comprimir lentamente uma esfera de diâmetro “D” sobre uma superfície plana, polida e limpa de um metal, através de uma carga “Q” durante um tempo “T”. Força Q Ø da esfera Cavidade permanente causado pela esfera O diâmetro do penetrador de aço endurecido (ou carbeto de tungstênio) é de 10,00mm; As cargas variam entre 500 e 3000Kg Durante o ensaio a carga é mantida constante por um tempo específico (entre 10 e 30s) Método Rockwell (HR) Penetrador: Vários; o principal é um cone de diamante. O ensaio é baseado na profundidade de penetração subtraída da recuperação elástica. Muito utilizado para medir a dureza de aços duros (aços temperados ou aços temperados + revenidos) EXEMPLO 54 HRC – dureza Rockwell 54 escala C 64 HRA – dureza Rockwell 64 escala A 92 HRB – dureza Rockwell 92 escala B Símbolo Penetrador Carga Principal (kgf) K H G F E D C B A Esfera de 1/8" 150 Esfera de 1/8" 60 Esfera de 1/16" 150 Esfera de 1/16“ 60 Esfera de 1/8" 100 Cone de Diamante 100 Cone de Diamante 150 Esfera de 1/16“ 100 Cone de Diamante 60 Dureza Vickers Utiliza um penetrador de diamante, o que torna o ensaio aplicável a todos os tipos de materiais; A área da impressão é proporcional à força aplicada, o que torna o ensaio insensível à força aplicada. Dureza Shore A impressão Shore é pequena e serve para medir durezas de peças já acabadas ou usinadas. A máquina shore é leve, portátil e pode, portanto, ser adaptada em qualquer lugar, podendo com isso, medir a dureza de peças muito grandes, impossíveis de serem colocadas nas máquinas de dureza por penetração, como por exemplo cilindros de laminação. DUROMETRO SHORE MANUAL (ANALÓGICO) ELASTICIDADE ANELASTICIDADE ANELASTICIDADE PROPRIEDADES ELASTICAS COEFICIENTE DE POISSON PROPRIEDADES ELASTICAS COEFICIENTE DE POISSON PROPRIEDADES ELASTICAS COEFICIENTE DE POISSON PROPRIEDADES ELASTICAS COEFICIENTE DE POISSON PROPRIEDADES ELASTICAS COEFICIENTE DE POISSON PROPRIEDADES ELASTICAS COEFICIENTE DE POISSON PROPRIEDADES ELASTICAS COEFICIENTE DE POISSON PROPRIEDADES ELASTICAS COEFICIENTE DE POISSON PROPRIEDADES ELASTICAS COEFICIENTE DE POISSON PROPRIEDADES ELASTICAS COEFICIENTE DE POISSON PROPRIEDADES ELASTICAS COEFICIENTE DE POISSON PROPRIEDADES ELASTICAS PROPRIEDADES ELASTICAS