Capítulo 6 - Propriedades mecânicas dos metais PDF

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Material sobre propriedades dos materiais e fraturas...

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28/02/2018

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA CELSO SUCKOW DA FONSECA Campus Itaguaí

Curso de Graduação em Engenharia de Produção

Tecnologia dos Materiais Propriedades Mecânicas dos Metais (Capítulo 6) Prof. Alexandre Sant’Anna

2018.1 1

Sumário 1. Introdução. 2. Conceitos de tensão e deformação. 3. Deformação elástica: - Comportamento tensão vs deformação. - Anelasticidade. - Propriedades elásticas dos materiais. 4. Deformação plástica: - Propriedades de tração. - Tensão e deformação verdadeira. - Recuperação elástica após deformação plástica. - Deformações compressiva, cisalhante e torcional. 2

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Introdução

→ Os materiais, quando em serviço, estão sujeitos a forças ou cargas externas. → O comportamento mecânico dos materiais reflete a relação entre a deformação sofrida e carga aplicada. → As propriedades mecânicas dos materiais são verificadas pelos ensaios mecânicos realizados em laboratórios, que visam reproduzir as condições de serviços. → Fatores devem ser considerados nos ensaios mecânicos: natureza da carga aplicada, tempo de duração, temperatura, pressão, umidade, e outros. → Os ensaios mecânicos são padronizados por Normas: American Society for Testing and Materials (ASTM ).

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Introdução

→ Os projetos de engenharia devem atender as exigências de serviço, envolvendo a análise das tensões, que é a compreensão das relações da microestrutura do material com suas propriedades mecânicas. → Tipos de carga que podem ser aplicadas em um material: tração, compressão, cisalhamento e torção.

Tração

Compressão

Cisalhamento

Torção

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Ensaio de tração

→ O Corpo de prova é deformado por uma carga de tração uniaxial, que é aumentada gradativamente, até que ocorra sua fratura ou não da amostra. → O valor da taxa de deformação a ser aplicada na amostra é normatizado.

Tensão e deformação Tensão de engenharia

𝜎=

𝐹 𝐴0

 = tensão de engenharia (MPa), onde 1 MPa = 106 N/m2 . F = carga aplicada na direção perpendicular à seção transversal do corpo de prova (N) A 0  área da seção tranversal do corpo de prova antes da aplicação da carga (m2 )

Deformação de engenharia

𝜀=

𝑙𝑖 −𝑙0 𝑙0

=

∆𝑙 𝑙0

 = deformação de engenharia (adimensional), pode ser dada mm/mm, m/m, pol/pol ou em porcentagem (x100). l0 = comprimento original antes da aplicação da carga. li  comprimento em um dado instante.

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Ensaio de compressão

→ Quando uma carga compressiva é aplicada ao corpo de prova, ele se contrai ao longo da direção da tensão. → A carga compressiva é considerada negativa, produzindo uma tensão negativa. → São utilizadas as mesmas equações do ensaio de tração para a determinação da tensão e deformação de compressão. → Este ensaio é utilizado geralmente para materiais frágeis.

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Tensão e deformação

Tensão de cisalhamento

𝜏=

𝐹 𝐴0

 = tensão de cisalhamento (MPa). F = carga aplicada na direção paralela às faces superior e inferior (N). A 0  área da seção tranversal do corpo de prova antes da aplicação da carga (m 2)

Deformação de cisalhamento

𝛾 = 𝑡𝑔𝜃 → É definida como sendo a tangente do ângulo de deformação θ. 8

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Tensão e deformação por torção

→ A torção é uma variação do cisalhamento puro. → As forças de torção produzem um movimento de rotação em torno do eixo longitudinal de uma das extremidades do elemento em relação à outra extremidade. → A tensão cisalhante é função do torque aplicado, enquanto que a deformação cisalhante está relacionada ao ângulo de torção.

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Estado de Tensões

O estado de tensões é função das orientações dos planos nos quais as tensões atuam . → Quando as tensões que atuam em um plano diferente aos planos ortogonais em relação a superfície do material, elas podem ser determinadas pelas seguintes expressões: →

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Deformação Elástica

- Em 1678, Sir Robert Hooke descobriu que uma mola tem sempre a deformação (ε) proporcional à tensão aplicada (σ), desenvolvendo assim a constante da mola (K), conhecida como a Lei de Hooke, onde: K = σ/ε.

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Módulo de elasticidade →O

grau de deformação de sofrida pelo material depende da magnitude da tensão aplicada. → Dentro do limite de elástico do material, a tensão e a deformação são proporcionais entre si, de acordo com a seguinte relação:

𝜎 = 𝐸. 𝜀 onde :

 = tensão aplicada (MPa). E = módulo de elasticidade ou módulo de young (GPa).

  deformação (mm/mm).

→

Quanto maior o módulo de elasticidade, mais rígido será o material, e menor será a deformação elástica. 12

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Módulo de elasticidade

→ Para

alguns materiais, a curva tensão vs. deformação não é linear, sendo o módulo de elasticidade determinado pelo módulo tangente ou secante.

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Módulo de elasticidade

→ Deformação elástica, em escala atômica, ocorre quando acontecem pequenas alterações no espaçamento entre os planos atômico e no alongamento das ligações interatômicas. → A magnitude do módulo de elasticidade é uma medida da resistência à separação dos seus átomos vizinhos (forças de ligação interatômica).

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Módulo de elasticidade

→ O módulo de elasticidade diminui com o aumento de temperatura, devido ao aumento da energia vibracional dos átomos. → Fluência: fenômeno pelo qual metais e suas ligas tendem a sofrer deformações plásticas quando submetidos por longos períodos a tensões constantes, sob influência da temperatura e com tensões inferiores ao limite de resistência do material.

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Anelasticidade

→ Anelasticidade é quando a deformação elástica permanece após a aplicação da tensão, necessitando de um tempo finito para a completa recuperação. → Nos metais, está componente anelástica é desprezível. → Nos polímeros, está componente é chamada de comportamento viscoelástico.

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Propriedades elásticas

→ Quando aplicamos uma tensão trativa em uma amostra de metal produzimos um alongamento elástico:  Deformação na direção da tensão aplicada, chamada de direção principal (𝜀𝑧 ).  Deformações compressivas em duas direções ortogonais ( 𝜀𝑥 𝑒 𝜀𝑦 ) à direção da tensão aplicada. → Para um estado de tensão uniaxial em material isotrópico: 𝜀𝑧 2

=

∆𝑙𝑧

2

𝑙0𝑧

;-

𝜀𝑥 2

=

∆𝑙𝑥

2

𝑙0𝑥

; 𝜀𝑦 = 𝜀𝑥 17

Coeficiente de Poisson

→ Coeficiente de Poisson (ν) é a razão entre as deformações lateral e axial.

𝜀𝑦 𝜀𝑥 𝜈=− = − 𝜀𝑧 𝜀𝑧

→ Para

materiais isotrópicos, o valor teórico é de 0,25. → O valor máximo é de 0,50 (quando não ocorre variação volumétrica). → Para materiais isotrópicos, a relação entre o módulo de elasticidade (E) e módulo de cisalhamento (G) com o coeficiente de Poisson é dada por:

𝐸 = 2𝐺 (1 + 𝜈) → Para os metais: G = 0,4 E (aproximadamente). 18

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Módulo de elasticidade e cisalhamento

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Deformação plástica

→ Deformação

plástica ocorre nos materiais metálicos, quando a deformação elástica ultrapassa 0,005 (aproximadamente). → A tensão não é mais proporcional a deformação, ocorrendo uma deformação permanente. → A nível atômico, a deformação plástica corresponde à quebra das ligações com os átomos vizinhos e a formação de novas ligações com outros átomos próximos, por intermédio dos movimento de discordâncias (plano de escorregamento).

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Limite de escoamento

→ No início da fase plástica, ocorre um fenômeno chamado escoamento, que é caracterizada por uma deformação permanente do material sem que haja aumento de carga.

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Limite de escoamento → As estruturas devem ser projetadas para sofrerem apenas deformação elástica quando em serviço. → A tensão limite de escoamento (𝝈𝑳𝑬 ) é a tensão máxima de serviço.

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Limite de escoamento Ensaio de tração uniaxial 650

Aço API 5L X-65

600 550 500

Tensão (MPa)

450 400 350 300 250 200 Como recebido Como recebido - Hidrogenado Shot penning Shot penning - Hidrogenado

150 100 50 0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

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Alongamento (%) 23

Limite de resistência à tração

→ É o ponto na curva, após o escoamento, em que a tensão alcança o seu valor máximo. A partir deste ponto, a tensão começa a diminuir até o ponto de falha do material.

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Limite de resistência à tração

Amostras como-recebido 650

LRT

600 550 500

Tensão (MPa)

450 400 350 300 250

Aço API 5L X-65

200

CP 01 CP 03 CP 04

150 100 50 0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

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Alongamento (%) 25

Propriedades mecânicas

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Limite de Ruptura - A tensão no limite de ruptura é menor que o limite de resistência, devido à diminuição da área da seção transversal do corpo de prova, após atingir a carga máxima.

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Ductilidade

→ Ductilidade é a medida do grau de deformação plástica suportado pelo material até a sua fratura. → Material frágil é aquele que apresenta uma deformação plástica muito pequena ou que não se deforma plasticamente.

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Ductilidade

→ Pode ser expressa quantitativamente em termos de alongamento percentual (%AL) ou de redução percentual na área (%RA). → Alongamento Percentual (%AL): é dado pela variação do comprimento do corpo de prova no momento da fratura.

% 𝐴𝐿 =

𝐿𝑓 − 𝐿0 𝑥 100 𝐿0

Onde : Lf = comprimento no momento da fratura. L0 = comprimento útil original (50 mm).

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Ductilidade

→ Redução percentual na área (%RA): é dada pela variação da área da seção transversal do corpo de prova no momento da fratura.

% 𝑅𝐴 = Onde :

𝐴0 − 𝐴𝑓 𝑥 100 𝐴0

A0 = área da seção transversal original. Af = área da seção transversal no ponto de fratura.

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Ductilidade → Indica o grau de deformação que é permitido durante as operações de fabricação. → A ductilidade aumenta com o aumento de temperatura.

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Resiliência

→ Resiliência é a capacidade de um material absorver energia quando é deformado elasticamente. → O módulo de resiliência (𝑈𝑟 ) é dado pela área sob a curva tensão x deformação até o ponto de escoamento. 1

𝑈𝑟 = 𝜎𝑦 . 𝜀𝑦 2

ou

1

𝑈𝑟 = 2 𝜎𝑦 .

𝜎𝑦 𝐸

𝜎𝑦2

= 2𝐸

→ Materiais resilientes são aqueles que possuem limites de escoamento elevados e módulos de elasticidades pequenos.

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Tenacidade → Tenacidade é a capacidade de um material absorver energia até a sua fratura, cuja energia é medida em ensaio de impacto. → É verificada em função da taxa de deformação em ensaio de impacto. → O módulo de tenacidade é dado pela área da curva tensão x deformação até o ponto de fratura. → Embora o material frágil tenha maior LE e LRT, ele possui tenacidade menor do que o material dúctil.

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Tensão e deformação verdadeira

→ Entre

o ponto de escoamento até o ponto M, a relação entre as tensões e deformações verdadeiras e de engenharia é dada por:

𝜎𝑉 = 𝜎 1 + 𝜀 e 𝜎𝑉 = 𝑙𝑛 1 + 𝜀 → A partir do Ponto M, o material aparenta que está se tornando menos resistente, o que não é verdade. A partir do deste ponto, a tensão diminui gradativamente com a redução da área da seção transversal (empescoçamento).

𝜎𝑉 =

𝐹 𝑙𝑖 𝑒 𝜀𝑉 = 𝑙𝑛 𝑙0 𝐴𝑖

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Tensão e deformação verdadeira

→ Para alguns metais e ligas, a tensão verdadeira começa no ponto de início da deformação plástica vai até o ponto de início do empescoçamento, sendo dada pela seguinte expressão: 𝜎𝑉 = 𝐾. 𝜀𝑉𝑛

Onde: K (MPa) e n (expoente de encruamento) são constantes (Tabela 6.4).

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Tensão e deformação verdadeira

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Dureza

→ Dureza consiste em uma medida de resistência de um material a uma deformação plástica localizada. → A técnica de medição de dureza consiste em um pequeno penetrador que é forçado contra a superfície do material a ser testado, sob condições controladas de carga e de taxa de aplicação.

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Ensaio de Dureza Rockwell

→ A técnica consiste na aplicação de duas cargas de penetração, uma inicial de menor intensidade (10 Kg) e uma carga principal (60, 100 e 150 Kg). O número de dureza é determinado pela diferença da profundidade de penetração resultante entre a menor e a maior carga. → Ensaio de dureza Rockwell superficial é utilizado para materiais com espessuras finas, a carga menor é de 3 Kg e a principal são de 15, 30 e 45 Kg. → São utilizados penetradores de esferas de aço endurecidas, com diâmetros de 1/16, 1/8, 1/4 e 1/2 da polegada.

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Ensaio de Dureza Rockwell

→ A nomenclatura é dada pelo número de dureza seguido do símbolo da escala acompanhado pela identificação de escala apropriada. → Exemplo: 80HRB (dureza Rockwell de 80 na escala B); 60HR30W (dureza Rockwell superficial 30W).

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Ensaio de Dureza Brinell

→ A técnica consiste em penetrador esférico de aço endurecido ou carbeto de tungstênio, com 10 mm de diâmetro, que é forçado contra a superfície do metal testado por um determinado período de tempo (entre 10 e 30s). A carga pode variar de 500 a 3000 Kg, em incrementos de 500 Kg. → O diâmetro de impressão resultante é medido e registrado por microscópio especial, que depois é convertido em número de dureza (HB).

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Ensaio de Microdureza Knoop e Vickers → A técnica consiste de um penetrador de diamante muito pequeno, com geometria em forma de pirâmide, que é forçado contra a superfície do corpo de prova. → Exemplo de aplicação: região de solda. → A carga de impressão pode variar de 1 a 1000 Kg. → A impressão resultante é observada no microscópio e convertida em um número de dureza (HK e HV).

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Técnicas de medição de dureza

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Ensaio de Microdureza Knoop e Vickers Processo de soldagem ERW

Impressão = 20,8 μm Dureza = 214HV 43

Dureza x Limite de Resistência à Tração

O limite de resistência à tração e a dureza são indicadores de resistência do material à deformação plástica, consequentemente, são aproximadamente proporcionais, na seguinte relação: →

LRT (MPa )  3, 45 x HB

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Valores médios e Desvio padrão

→ As propriedades medidas para os materiais não são grandezas exatas, sempre irá existir alguma variação ou dispersão nos resultados obtidos com amostras de um mesmo material. → Fatores que influenciam na medição: procedimentos na fabricação de corpos de prova; operador e calibração do equipamento de medição; heterogeneidade no mesmo lote um material (diferença na composição). → Valores médios (𝑥 )

𝑥=

𝑖=1𝑥𝑖

𝑛

𝑛 2 𝑖=1 (𝑥𝑖 − 𝑥 )

s=

(s):

1

2

𝑛−1 45

Valores médios e Desvio padrão

Amostras com Shot Peening

650 600 550 500 450

Tensão (MPa)

→ Desvio-padrão

∶

𝑛

400 350 300 250 200 Aço API 5L X-65

150 CP 01 CP 02 CP 03

100 50 0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

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Alongamento (%) 46

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Fatores de projeto

→ Virtualmente, todos os materiais de engenharia exibem um variabilidade nas medidas de suas propriedades mecânicas, sendo necessário a aplicação de fatores de projeto ou de segurança (FS) para evitar falhas durante o seu emprego. → Para cargas estáticas e materiais dúcteis, o fator de projeto ( FS ) é empregado para se determinar a tensão de projeto ( p ) para uma carga máxima estimada (Calculada), que é dada pela seguinte expressão:

 p  (FS ). c Onde: FS' = número maior do 1.

 c = nível de tensão calculado. 47

Fator de Segurança

→ Como alternativa à tensão de projeto, uma tensão admissível ou tensão de serviço pode ser utilizada, ela é dada pela tensão limite de escoamento dividido pelo fator de segurança (FS):   adm =  sv  LE , onde: FS FS = varia de 1,2 a 4,0.

 LE = tensão limite de escoamento. → A determinação do valor irá depender de vários fatores: econômicos; experiência prévia; precisão na determinação das cargas e das propriedades dos materiais; consequências da falha do material em termos de perdas humanas e danos materiais. → Os Fatores de segurança são especificados em Normas. 48

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Problema-Exemplo 6.1

Um pedaço de cobre originalmente com 305 mm de comprimento é carregado em tração com uma tensão de 276 MPa. Se a sua deformação é inteiramente elástica, qual será o alongamento resultante. Dados: E = 110 GPa. (Tabela 6.1)

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Problema-Exemplo 6.2 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 2,5 x 10-³ mm no diâmetro se a deformação é puramente elástica.

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Problema-exemplo 6.3 A partir do comportamento tensão x deformação em tração para o corpo de prova de latão, mostrado na curva abaixo, determine: (a) O módulo de elasticidade. (b) O limite de escoamento para um nível de pré-deformação de 0,002. (c) A carga máxima que pode ser suportada por um corpo de prova cilíndrico que possui um diâmetro original de 12,8 mm. (d) A variação do comprimento de um corpo de prova que tenha originalmente 250 mm de comprimento e que esteja submetido a uma tensão de 345 MPa.

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Verificação de conceitos 6.2

Dentre os metais listados na Tabela 6.3, determine: (a) Qual irá apresentar a maior redução percentual em área? Por quê? (b) Qual é o mais resistente? Por quê?

(c) Qual é o mais rígido? Por...