08/05/20121 MAM0411 Ciência dos Materiais Profa. María Cristina Moré Farias Tema 6 Propriedades Mecânicas dos Materiais Parte 1 Propriedades Mecânicas dos Metais • Conteúdo – Tensão e deformação (definição e correlação) – Módulo de elasticidade, limite de escoamento, resistência à tração, alongamento, ductilidade, tenacidade – Dureza (macro e micro) 2 Por que estudar propriedades mecânicas? • Materiais em serviços estão sujeitos a forças (avião, automóveis, etc.) – Conhecer o material – Projetar (sem deformação excessiva e sem falha) • Conhecer como são medidas as várias propriedades mecânicas e o que estas representam • Necessárias para projeto de estruturas/componentes mecânicos (deformação aceitável / evitar falhas) 3 Como são medidas as propriedades mecânicas • Experimentos de laboratório padronizados – (ASTM; www.astm.org) – Natureza da carga aplicada • Tração, compressão, cisalhamento, torção • Constante, flutuante – Duração da aplicação da carga • Fração de segundos, anos – Condições ambientais • Temperatura 4 08/05/2012 2 Ilustração de como uma carga de tração/compressão produz o alongamento/contração Tração Compressão 5 Ilustração da deformação de cisalhamento/torcional Torção Cisalhamento 6 Tensão e Deformação – Ensaio de Tração • O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre a deformação e carga aplicada • O comportamento mecânico pode ser verificado por meio de um ensaio de tensão-deformação – A amostra é deformada até a sua fratura mediante uma carga de tração gradativamente crescente que é aplicada na direção uniaxial ao longo do eixo mais comprido de um corpo-de-prova 7 Tensão e Deformação • Resultado de um ensaio de tração é um registro da carga em função do alongamento • Carga-deslocamento são dependentes do tamanho da amostra – Normalização da carga e do alongamento para minimizar efeitos dos fatores geométricos • Tensão de engenharia • Deformação de engenharia 8 08/05/2012 3 Tensão e Deformação Tensão de engenharia (o) Carga instantânea aplicada (N) Área da seção transversal inicial (m 2 ) Tensão de engenharia ou Tensão (MPa); 1 MPa = 10 6 N/m 2 Deformação de engenharia (c) Comprimento inicial (m) Comprimento instantâneo (m) Deformação de engenharia ou Deformação (adimensional ou %) 0 A F = o 0 0 0 l l l l l i ÷ = A = c 9 Tensão e Deformação – Ensaio de Compressão • O ensaio de compressão é conduzido de maneira semelhante (temperatura, velocidade de deformação, material, ambiente) à do ensaio de tração, porém a força aplicada é compressiva (contração) • O cálculo de o e é similar ao do ensaio de tração; força/tensão/deformação de compressão (negativa) • Muitos materiais têm comportamento sob tração e sob compressão semelhantes, exceto muitos polímeros e compósitos 10 Tensão e Deformação – Ensaio de Compressão • O ensaio de compressão é utilizado para – Estudo do comportamento do material sob deformações grandes e permanentes; – Estudo de materiais frágil sob tração (baixa o traçao ; trincas); indústria de construção civil (considerando, também, o teor de água contido nos corpos-de-prova); cerâmicas – Estudo estatístico do comportamento mecânico de diferentes materiais, concreto, madeira, compósitos, materiais frágeis – Estudo paramétrico de processos de conformação, laminação, forjamento, extrusão, etc. – Análise do modo de deformação (flambagem, cisalhamento, abaulamento) 11 Tensão e Deformação – Ensaios de Cisalhamento • Ensaio de Cisalhamento u ¸ tan = 0 A F = t Tensão de cisalhamento Deformação de cisalhamento 12 08/05/2012 4 Inclinação = Módulo de elasticidade Descarga Carga Deformação T e n s ã o Propriedades Elásticas • Deformação elástica: a peça retorna à sua forma original após liberada a carga aplicada • Tensão e deformação são proporcionais entre si (Lei de Hooke) o = E c Módulo de Elasticidade ou Módulo de Young (GPa); 1 GPa = 10 9 N/m 2 = 10 3 MPa Resistência à separação de átomos adjacentes (forças de ligação interatômicas) Rigidez do material 13 z y z x c c c c v ÷ = ÷ = Deformação Elástica x 0 x l 2 / lx 2 A c = x y z o z o z Al x / 2 l 0x l 0z Al z / 2 z z l lz 0 2 / 2 A = c Coeficiente de Poisson Rigidez do material na direção perpendicular à direção de aplicação da carga 14 Deformação Elástica Deformação Reversível lei de Hooke Elástica linear Elástica não linear 15 Relação entre Coeficiente de Poisson e Módulo Elástico ) 1 ( 2 v + = G E Onde G = módulo de cisalhamento ¸ t = G ¸ t G = 16 08/05/2012 5 Exercício Uma tensão de tração deve ser aplicada ao longo do eixo do comprimento de uma barra cilíndrica de latão, que tem um diâmetro de 10 mm. Determine a magnitude da carga necessária para produzir uma variação de 2,5x10 -3 mm no diâmetro se a deformação é puramente elástica. O módulo de elasticidade e coeficiente de Poisson do latão são, respectivamente, 97 GPa e 0,34. 17 Propriedades Plásticas • Deformação plástica: a peça sofre uma deformação permanente após liberada a carga aplicada • Tensão e deformação não são proporcionais entre si o = K c n Constante de proporcionalidade Coeficiente de encruamento Escoamento aumento relativamente grande na deformação, acompanhado por uma pequena variação na tensão Elástico T e n s ã o Deformaç ão P o e P lástico 18 Propriedades Plásticas T e n s ã o Deformação 0,002 o e Escoamento imperceptível P Deformação T e n s ã o oe Limite de escoamento inferior Limite de escoamento superior Escoamento Nítido (discordâncias) Limite de Escoamento (MPa) Resistência à deformação plástica 19 20 Comportamento plástico Comportamento elástico Comportamento elástico Deformação reversível Relação linear entre tensão e deformação Propriedades Limite de proporcionalidade (LP) Limite de elasticidade Diagrama tensão-deformação convencional Ex. Aço Comportamento plástico Deformação irreversível Relação não linear entre tensão e deformação Propriedades Tensão ou limite de escoamento (LE) Limite de resistência à tração (LRT) Tensão de ruptura (TR) Escoamento Encruamento Encruamento Estricção Estricção LE LP LRT TR o c Limite de elasticidade 08/05/2012 6 Propriedades de Tração E: limite de escoamento (LE) M: limite de resistência à tração (LRT); tensão máxima que pode ser suportada F: tensão na ruptura (TR) ; deformação na fratura ou alongamento total (c T ) 21 Propriedades Plásticas • Ductilidade – Grau de deformação plástica suportado pelo material até a fratura • Material frágil (experimenta pouca deformação) • Material dúctil (experimenta considerável deformação) – Utilidade em projetos e em operações de fabricação Frágil Dúctil Deformação T e n s ã o (%) 100 l l l AL 0 0 f × | | . | \ | ÷ = Alongamento l f : Comprimento final após fratura l 0 : Comprimento inicial (%) 100 A A A RA 0 f 0 × | | . | \ | ÷ = Estricção (redução de área) A f : Área final após fratura A 0 : Área inicial 22 Resiliência • Resiliência – Capacidade do material de absorver energia durante a deformação e devolve-la após o descarregamento • Módulo de Resiliência (U r ) – Energia de deformação por unidade de volume necessária para submeter um material à tensão, desde o estado inicial (sem carga) até o escoamento 23 } = l d U r c c o 0 Área sob a curva o÷c de engenharia calculada até o escoamento o l c l E E U l l l l l r 2 2 1 2 1 2 1 o o o c o = | . | \ | = = [J/m 3 ] Material resiliente possue LE elevado e E pequeno Tenacidade • Tenacidade – Capacidade de um material de absorver energia até a fratura • Fatores que afetam a tenacidade – Geometria do corpo-de-prova – Método de aplicação da carga 24 Área sob a curva o÷c de engenharia até o ponto de fratura Frágil Dúctil Deformação T e n s ã o Tenacidade Material tenaz exibe resiliência e ductilidade 08/05/2012 7 Propriedades Mecânicas Típicas de Metais e Ligas Liga metálica Módulo do elasticidade, E (GPa) Coeficiente de Poisson, v Limite de escoamento, LE (MPa) Limite de resistência, LR (MPa) Ductilidade, AL (%) Alumínio 69 0,33 35 90 40 Cobre 110 0,34 69 200 45 Latão (70Cu-30Zn 97 0,34 75 300 68 Níquel 207 0,31 138 480 40 Aço 207 0,30 180 380 25 Titânio 107 0,34 450 520 25 25 Tensão Verdadeira e Deformação Verdadeira i v A F = o 0 ln l l i v = c ) 1 ln( ) 1 ( c c c o o + = + = v v n v v Kc o = 26 Comportamento Elástico após Deformação Plástica 27 Exercício Dentre os materiais listados na tabela abaixo, (a) Qual irá apresentar a maior redução percentual em área? Explique (b) Qual é o mais resistente? Explique (c) Qual é o mais rígido? Explique Material LE (MPa) LRT (MPa) c T TR (MPa) E (GPa) A 310 340 0,23 265 210 B 100 120 0,40 105 150 C 415 550 0,15 500 310 D 700 850 0,14 720 210 E Fratura antes do escoamento 650 350 28 08/05/2012 8 Exercício Um corpo-de-prova cilíndrico fabricado em aço e com diâmetro inicial de 12,8 mm é ensaiado sob tração até a sua fratura, obtendo-se uma tensão de engenharia na fratura de 460 MPa. Se o diâmetro de sua seção transversal no momento da fratura é de 10,7 mm, determine: (a) A ductilidade em termos da redução percentual na área (b) A tensão verdadeira na fratura 29 Dureza • Resistência à deformação localizada (ao risco ou à formação de uma marca permanente) – Área, profundidade ou largura da impressão residual (marca ou risco) medida e correlacionada com um valor numérico (dureza do material) – Vários métodos de dureza com aplicações específicas recomendáveis – Faixa de cargas de 100 N – 0,1 mN – Penetradores com formato padronizado – Condições específicas de pré-carga e carga – Correlação entre dureza e resistência mecânica – Tabela de conversões de durezas 30 Métodos para determinar a dureza • Dureza por risco • Dureza dinâmica por rebote • Dureza quase-estática por penetração 31 Dureza por risco • Habilidade de um material de riscar outro material ou de ser riscado por outro sólido • Pouco utilizado nos materiais metálicos • Maior aplicação no campo da mineralogia • Ensaios de dureza por risco – Dureza Mohs – Diamante (10) risca todos o outros minerais – Zafira (9) risca os que seguem – Talco - Silicato de Magnésio (1) – Metais (4 - 8) 32 08/05/2012 9 Dureza por rebote • Energia de deformação consumida para formar a marca • Altura alcançada no rebote de um êmbolo com ponta de diamante • Ensaios de dureza por rebote – Dureza Shore • Peças grandes • Ensaios em campo • Altas temperaturas 33 Dureza por penetração (ou indentação) • É uma medida da deformação plástica essencialmente e da deformação elástica em menor extensão • Calculada pela carga máxima dividida pela área da impressão • Depende do tempo de carregamento, temperatura e de outras condições do meio de operação 34 Faixas de cargas do ensaio de indentação 100 N 10 mN 0,1 µN Macrodureza Microdureza Nanodureza 1 mN 10 N Independente da carga Dependente da carga Deformação plástica predominante Influência significativa da deformação elástica 500 µm 5 - 20 nm 2 - 20 µm 35 Macrodureza convencional Brinell (# HB) • Indentador esférico • Aço temperarado (HBs) • WC (HBw) • Ensaio – 1 – 15 s – Tabela de valores • ASTM E-10-93/ NBR 6394 • Aplicações – Componentes fundidos, forjados e laminados ) d D D )( D ( P 2 102 , 0 HB 2 2 ÷ ÷ = t P (N) D (mm 2 ) 36 08/05/2012 10 Macrodureza convencional Rockwell (# HR”C”) • Indentador – Esfera de aço – Cone de diamante • Ensaio – Comum – Superficial – Tabela de valores • ASTM E-18-94/ NBR 6671 • Aplicações – Metais(ferrosos, não ferrosos, forjados fundidos), plásticos, borracha, madeira – Superfícies Profundidade de penetração é correlacionada a um número (leitura direta na escala da máquina) ) p p ( ) C C ( HR 0 2 1 ÷ ÷ ÷ = 37 Macrodureza convencional Vickers (# HV) • Indentador – Pirâmide de diamante • Ensaio – HV independe da carga – Tabelas de conversão • NBR 66-72 • Aplicações – Metais – Corpos-de-prova finos, pequenos e irregulares P (N; kfg) D (mm 2 ) 2 2 d P 189 , 0 d ) 2 / ( sen P 2 2 102 , 0 HV = · · · = u HV (kfg/mm 2 ) ou GPa 38 Correlação entre dureza e resistência mecânica • Dureza Brinell – Estimativa da resistência de um material – Correlação usada quando não se dispõe de um máquina de ensaio de tração ou situação inversa – Aplicável para HB < 380 o ≈ 3,6 – 5,20 • Dureza Vickers – A dureza pode também ser correlacionada com o limite de proporcionalidade | ≈ 0,3 – 3,0 HB u o o = HV p | o = 39 Conversão de dureza Rockwell em dureza Brinell ) d D D )( D ( P 2 102 , 0 HB 2 2 ÷ ÷ = t ) p p ( ) C C ( HR 0 2 1 ÷ ÷ ÷ = ) HB ( D P P C C HR 0 2 1 t ÷ ÷ = 40 08/05/2012 11 Tabela de conversões de dureza Rockwell C HRC Brinell HB Vickers HV 65 739 832 50 481 513 25 253 266 41 Microdureza convencional Vickers e Knoop • Determinação da dureza de pequenas áreas do corpo-de- prova – Gradiente de dureza de camadas superficiais (tratamento térmico), revestimentos, tintas – Microconstituintes – Zona termicamente afetada (ZTA) em soldas – Materiais frágeis (vidro) • Ensaio – Penetradores de diamante – Microscópio óptico – Cargas menores que 1 kgf 42 Microdureza convencional Vickers e Knoop 2 2 p l P 23 , 14 c l P A P HK = = = (d 1 :d 2 =1:1) Knoop Vickers 2 2 d P 189 , 0 d ) 2 / ( sen P 2 2 102 , 0 HV = · · · = u (l:b = 7:1) 43 Microdureza de microconstituintes A A – Bainita - 458 HV HV (50 gf) HV 0,5 B – Austenita - 434 HV B C – Martensita - 539 HV C E – Perlita - 390 HV E D – Carboneto M 7 C 3 -1730 HV D 44 08/05/2012 12 Resumo Propriedades Mecânicas dos Materiais • Metais – Tensão e deformação (ensaio de tração) • Tensão e deformação de engenharia • Tensão e deformação verdadeiras • Curva tensão-deformação – Propriedades elásticas • Relação tensão-deformação • módulo de elasticidade, coeficiente de Poisson • Relação entre coeficiente de Poisson e módulo de elasticidade 45 Resumo Propriedades Mecânicas dos Materiais • Metais (cont.) – Propriedades plásticas • Escoamento • Relação tensão-deformação • Limite de escoamento • Coeficiente de encruamento • Limite de resistência à tração • Ductilidade/Fragilidade – Alongamento – Estrição • Resiliência • Tenacidade • Dureza por penetração – Rockell – Brinell – Vickers – Knoop • Correlação dureza – resistência mecânica 46 Bibliografia • Callister, W.D.; “Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução”. 7ed., 2002. – Cap. 6 p. 98-128 47