Quais são as principais propriedades mecânicas avaliadas nos ensaios de compressão?

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1. 1. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS
2. 2. A determinação e/ou conhecimento das propriedades mecânicas é muito importante 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. POR QUÊ ESTUDAR?
3. 3. PRINCIPAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS • Resistência à tração • Elasticidade • Ductilidade • Fadiga • Dureza • Tenacidade Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade do material de resistir às forças mecânicas e/ou de transmiti-las
4. 4. 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.
5. 5. 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). NORMAS TÉCNICAS
6. 6. CONCEITOS DE TENSÃO E DEFORMAÇÃO Para uma carga estática ou relativamente lenta ao longo do tempo 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 três maneiras as quais a carga pode ser aplicada:  Tração  Compressão  Cisalhamento Na prática da engenharia, muitas cargas são de natureza torcional, e não de natureza puramente cisalhante.
7. 7. ENSAIO DE TRAÇÃO 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.
8. 8. ENSAIO DE TRAÇÃO 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. Corpo-de-prova antes e após ensaio de tração. Seção transversal original 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.
9. 9. F F Representação esquemática do ensaio de tração. 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;
10. 10. ENSAIO 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.
11. 11. COMO SE DEFINEM TENSÃO E DEFORMAÇÃO? • Tensão • Deformação oo oi l l l ll ∆ = − =ε oA F =σ Sendo: σ = tensão (Pa); F = carga instantânea aplicada (N) e Ao = área da seção reta original antes da aplicação da carga (m2 ). Sendo: ε = deformação (adimensional); li = comprimento instantâneo e lo = comprimento original. Como efeito da aplicação de uma tensão, tem-se a deformação (variação dimensional). Como efeito da aplicação de uma tensão, tem-se a deformação (variação dimensional).
12. 12. Deformação (ε) Tensão(σ) COMPORTAMENTO DOS METAIS QUANDO SUBMETIDOS À UMA TENSÃO
13. 13. Então, desta curva, observamos que os metais podem apresentar dois tipos de deformação: ELÁSTICAELÁSTICA PLÁSTICAPLÁSTICA
14. 14. 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 removida. Elástica Plástica
15. 15. EM UMA ESCALA ATÔMICA... Deformação elástica • É manifestada por pequenas alterações no espaçamento interatômico e na extensão de ligações interatômicas. Deformação plástica • Corresponde à quebra de ligações com os átomos vizinhos originais e em seguida formação de novas ligações com novos átomos vizinhos, uma vez que um grande número de átomos ou moléculas se move em relação aos outros; com a remoção da tensão, eles não retornam às suas posições originais.
16. 16. DA CURVA TENSÃO X DEFORMAÇÃO, PODEMOS OBTER: Módulo de elasticidade ou módulo de YoungMódulo de elasticidade ou módulo de Young • 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. E = σσ /εε
17. 17. MÓDULO DE ELASTICIDADE ε σ =E Sendo: σ = tensão (Pa); ε = deformação (adimensional); E = módulo de elasticidade (Pa);
18. 18. MÓDULO DE ELASTICIDADE (E) Deformação (ε) Tensão(σ) σσ = E εε A lei de Hooke é válida até este ponto. σ Máxima tensão que o material suporta sem sofrer deformação permanente.
19. 19. Módulo de elasticidade para algumas ligas metálicas Quanto maior o módulo de elasticidade mais rígido é o material ou menor é a sua deformação elástica quando aplicada uma dada tensão. Quanto maior o módulo de elasticidade mais rígido é o material ou menor é a sua deformação elástica quando aplicada uma dada tensão. MÓDULO DE ELASTICIDADE [E] GPa 106 Psi Magnésio 45 6.5 AlumÍnio 69 10 Latão 97 14 Titânio 107 15.5 Cobre 110 16 Níquel 207 30 Aço 207 30 Tungstênio 407 59 Fonte: Callister, 2002.
20. 20. CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE MÓDULO DE ELASTICIDADE Como conseqüência 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. * Considerando o mesmo material, o módulo de elasticidade depende apenas da orientação cristalina
21. 21. Relação entre temperatura de fusão e módulo de elasticidade Metal Temperatura de fusão (o C) Módulo de elasticidade (MPa) Alumínio 660 70.000 Cobre 1085 127.000 Ferro 1538 210.000 O módulo de elasticidade é fortemente dependente das forças de ligação entre os átomos. O módulo de elasticidade é fortemente dependente das forças de ligação entre os átomos. As forças de ligação entre os átomos, e consequentemente o módulo de elasticidade, são maiores para metais com temperaturas de fusão mais elevadas. As forças de ligação entre os átomos, e consequentemente o módulo de elasticidade, são maiores para metais com temperaturas de fusão mais elevadas. Fonte: Garcia, Spim e Santos, 2000.
22. 22. ESBOÇO DA CURVA OBTIDA NO ENSAIO DE TRAÇÃO Fonte: Garcia, Spim e Santos, 2000. • AO – região de comportamento elástico. • AB – região de escoamento – se caracteriza por um aumento relativamente grande na deformação, acompanhado por uma pequena variação da tensão. • BF – região de comportamento plástico - a partir de B o material entra na região plástica, que é caracterizado pela presença de deformações permanentes.
23. 23. LIMITE DE ELASTICIDADE • Corresponde à máxima tensão que o material suporta sem sofrer deformação permanente
24. 24. DEFORMAÇÃO PLÁSTICA Elástic o Plástico Deformação (ε) Tensão(σ) Deformação (ε) Tensão(σ) Limite de escoamento (a) (b) (a) Curva tensão x deformação para um metal típico. A transição do comportamento elástico para o plástico é uma transição gradual para a maioria dos metais. (b) Curva tensão x deformação típica para o aço. A transição elastoplástica é muito bem definida (ocorre de forma abrupta). Fonte: Callister, 2002.
25. 25. LIMITE DE ESCOAMENTO 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)
26. 26. • 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
27. 27. • Corresponde à tensão que prove 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
28. 28. Deformação (ε) Tensão(σ) Limite de resistência à tração - LRT Deformação (ε) Tensão(σ) Limite de resistência à tração - LRT Fratura do material
29. 29. DUCTILIDADE Representa uma medida do grau de deformação plástica que foi suportado quando da fratura. Representa uma medida do grau de deformação plástica que foi suportado quando da fratura. A ductilidade dá uma indicação para o projetista do grau segundo o qual uma estrutura irá se deformar plasticamente antes de fraturar.
30. 30. A ductilidade pode ser expressa quantitativamente como: 100% x l ll AL o of       − =  Alongamento percentual (AL%) Porcentagem da deformação plástica no momento da fratura  Estricção (RA%) Redução da área percentual 100% x A AA RA o fo       − =
31. 31. RESILIÊNCIARESILIÊNCIA • Corresponde à capacidade do material de absorver energia quando este é deformado elasticamente e depois, com o descarregamento, ter essa energia recuperada. • Materiais resilientes são aqueles que têm alto limite de elasticidade e baixo módulo de elasticidade (como os materiais utilizados para molas)
32. 32. TENACIDADE Representa uma medida da habilidade de um material em absorver energia até a sua fratura. Representa uma medida da habilidade de um material em absorver energia até a sua fratura. Para que um material seja tenaz, este deve apresentar tanto resistência como ductilidade. Para que um material seja tenaz, este deve apresentar tanto resistência como ductilidade. É a área sob a curva tensão x deformação até o ponto de fratura.
33. 33. Freqüentemente, materiais dúcteis são mais tenazes do que materiais frágeis. Freqüentemente, materiais dúcteis são mais tenazes do que materiais frágeis. Embora, o material frágil tenha maior limite de escoamento e maior limite de resistência à tração, possui menor tenacidade do que o material dúctil, em virtude da sua falta de ductilidade (comparar as áreas ABC e AB’C’). Embora, o material frágil tenha maior limite de escoamento e maior limite de resistência à tração, possui menor tenacidade do que o material dúctil, em virtude da sua falta de ductilidade (comparar as áreas ABC e AB’C’).
34. 34. Curvas de Tração de Materiais Frágeis (Materiais Cerâmicos) Curva tensão x deformação para a alumina e para o vidro.
35. 35. Curvas de Tração de Materiais Poliméricos Relação entre a tensão e a deformação para: A- polímero frágil; B- polímero plástico; C- elastômero
36. 36. Efeito da temperatura sobre as curvas tensão x deformação Curvas tensão x deformação de engenharia para o ferro em três temperaturas diferentes Efeito da temperatura sobre as curvas tensão x deformação de um acrílico.
37. 37. DUREZA A dureza depende diretamente das forças de ligação entre os átomos, íons ou moléculas. A dureza é uma medida da resistência de um material a uma deformação plástica localizada, como por exemplo, à penetração de um corpo (uma pequena impressão ou risco).
38. 38. 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, etc…) DUREZA
39. 39. 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.
40. 40. 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 Dureza MOHS
41. 41. 1) Talco (Pedra Sabão) Arranhável com a unha Estátuas Aleijadinho 2) Gipsita (Gesso) Arranhável dificilmente com a unha Construção Civil 3) Calcita (Calcário) Arranhável com moeda de cobre Construção civil 4) Fluorita Arranhável com faca Siderurgia (fundente) DUREZA MOHS
42. 42. 5) Apatita Dificilmente arranhável com faca Osso humano (hidroxiapatita) 6) Fedspato Arranhável com liga de aço Vidros e cerâmicas brancas 7) Quartzo (ametista) Capaz de arranhar o fedspato Vidros DUREZA MOHS
43. 43. 9) Coríndon (rubi e safira) Capaz de arranhar o topásio Pedra preciosa, laser 10) Diamante Substância mais dura conhecida Pedra preciosa, lentes 8) Topásio Capaz de arranhar o quartzo Pedra semi preciosa DUREZA MOHS
44. 44. Dureza Brinell TIPOS DE ENSAIOS PARA MEDIÇÃO DA DUREZA Dureza Rockwell Dureza Vickers

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