Mestrado em Engenharia Mecânica Estrutura e Propriedades da Matéria 7 aula – Propriedades Mecânicas.

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1 Mestrado em Engenharia Mecânica Estrutura e Propriedades da Matéria 7 aula – Propriedades Mecânicas

2 Tensão e deformação: Porque é que elas são usadas em vez de cargas e deslocamento? O que é o comportamento Elástico? O que é que significa: Tensão limite elástico, resistência à rotura, rigidez, ductilidade, resiliência, tenacidade, dureza, resistência à fadiga, resistência à fluência? Propriedades mecânicas O que é o comportamento Plástico?

3 Tensão normal,  : Tensão de corte,  : A tensão tem unidades: N/m 2 (= Pascals, or Pa) Propriedades mecânicas Tensão e deformação Area, A F t F t  F t A o Area original Antes da carga

4 Tracção simples: cabo Corte simples: veio motor Ski lift (photo courtesy P.M. Anderson) Propriedades mecânicas Exemplos A o = secção transversal Area (após descarga) FF

5 Compressão simple: Nota: membro de estrutura à compressão (  < 0) Propriedades mecânicas Exemplos

6 Deformação normal: Deformação lateral: Deformação corte: A deformação é não dimensional. Propriedades mecânicas deformação

7 Provete de tracção típico Outros tipos de teste: --compressão: materiais frágeis (e.g., betão) --torsão: tubos cilindricos, veios. Máquina de tracção típica Propriedades mecânicas Teste tensão / deformação Comp. medida (porção do provete com secção transversal reduzida) = Célula de carga extensómetro provete Cabeça com amarras http://www.ttc.bayermaterialscience.com/bpo/bpo_ttc.nsf/id/5AD4B32872D4CF29C125716A004CCE7D/$File/gb_Zugversuch%20mit%20Logo.swf

8 deformação tensão elastica plastica Tensão limite elástica Muito dúctil, Material pouco rígido Material muito rígido fractura (típico de um metal) (típico de um cerâmico) (típico de um polímero) Propriedades mecânicas Curvas de tracção

9 1. Inicial2. Carga pequena3. Descarga Elástico significa reversivel! F  Linear- elástico Propriedades mecânicas Deformação elástica

10 1. Inicial2. Carga pequena3. descarga Plastico significa permanente! Propriedades mecânicas Deformação plástica planos ainda deformados F  elastico + plastico ligações alongam & planos deslizam  plastico F  linear elastico linear elastico  plastico

11 Módulo de Elasticidade, E: (também conhecido como módulo de Young) Tangente à curva tensão / deformação na zona elástica Lei de Hooke:  = E  Unidades: E: [GPa] Propriedades mecânicas Propriedades elásticas  Linear- elastico 1 E  F F teste tracção simples

12 Propriedades mecânicas Comparação de módulos de Young Tipo de ligaçãoExemplos Força ligação (N/m) Módulo E (GPa) Covalente Metálica Iónica Ponte de hidogénio Van der Walls Carbono-carbono Metais Alumina, Al 2 0 3 Polyethylene Waxes 50 – 180 15 – 75 8 – 24 6 – 3 0.5 - 1 200 – 1000 60 – 300 32 – 96 2 – 12 1 - 4

13 Metais e ligas Cerâmicos Semicond Polímeros Compósitos / fibras E(GPa) Composite data based on reinforced epoxy with 60 vol% of aligned carbon (CFRE), aramid (AFRE), or glass (GFRE) fibers. Propriedades mecânicas Comparação de módulos de Young

14 deformação tensão elastico plastico Tensão limite elástico fractura Tensão à qual o material começa a “ceder” plásticamente, i.e. ponto para o qual passa a haver deformação permanente e a curva tensão / deformação deixa de ser linear Nalguns casos é difícil identificar a tensão limite elástico. Propriedades mecânicas Tensão limite elástico  e ou  y

15 Valores a Tamb a = recozido hr = laminado a quente ag = envelhecido cd = estrudido a frio cw = trabalhado a frio qt = temperado e revenido Propriedades mecânicas Comparação de tensão limite elástico  y(cerâmicos) >>  y(metais) >>  y(polímeros)

16 Tensão máxima em tracção. Metais: ocorre normalmente depois de estricção. Cerâmicos: ocorre quando se verifica propagação de fenda. Polímeros: ocorre quando as cadeias se alinham e estão próximas de partir Unidades: MPa Propriedades mecânicas Resistência à tracção

17 Tensão na fractura Unidades: MPa Tensão de rotura Propriedades mecânicas Tensão de rotura

18 Valores a Tamb Propriedades mecânicas Comparação de resistência à tracção a = recozido hr = laminado a quente ag = envelhecido cd = estrudido a frio cw = trabalhado a frio qt = temperado e revenido

19 Deformação plástica na rotura: alternativa para a ductilidade: Unidades: adimensional Propriedades mecânicas Ductilidade Deformação,  Tensão,  pequena %EL (frágil se %EL<5%) grande %EL (ductil se %EL>5%)

20 Resistência à deformação plástica por indentação. grande dureza significa: --resistência á deformação plástica por compressão --boas propriedades anti-desgaste. Propriedades mecânicas Dureza e.g., Esfera 10mm Aplicar uma força (1 a 1000g) Medir tamanho da indentação após remoção da carga d D Indentações mais pequenas significam durezas maiores Dureza crescente muitos plasticos latões Ligas Al Sem tratamento açosAços trat. ferram corte nitretos Carbon.diamante

21 A dureza e tensão limite elástico são aproximadamente proporcionais Propriedades mecânicas Dureza e tensão limite elástico

22 Pergunta: Como é que se pode aumentar a resistência mecânica de um material? Resposta: -Evitando que ele se deforme plásticamente, i.e. fazendo com que sejam necessárias tensões cada vez mais elevadas para ele se deformar. -Como a deformação plástica se faz com a movimentação das deslocações, qualquer factor que dificulte esta movimentação levará a um aumento da resistência mecânica Propriedades mecânicas Mecanismos de endurecimento

23 Sistemas de deslizamento: Propriedades mecânicas Mecanismos de endurecimento

24 Propriedades mecânicas Mecanismos de endurecimento Interacção: Interacção entre deslocações por existência de tensões locais, - se do mesmo sinal, repelem-se; - se de sinal contrário anulam-se

25 Propriedades mecânicas Mecanismos de endurecimento Consequência: Num policristal, - os grão estão orientados de modo diferente; - as deslocações movimentam-se em planos preferenciais, logo em diferentes direcções conforme orientação dos planos em cada grão - como a sua movimentação requer tensões de corte a passagem das deslocações de um grão para o outro poderá requerer uma maior carga aplicada ao material 300  m

26 As fronteiras de grão são barragens ao movimento das deslocações - Têm de mudar de plano e direcção - Como são zonas de desordem, não há continuidade entre os planos Quanto mais pequeno o grão maior o número de barreiras Mecanismos de endurecimento Redução do tamanho de grão Equação de Hall-Petch :

27 - Liga Cu-Zn obtida em diferentes condições de arrefecimento - Notar que no eixo dos XX´o expoente é negativo Mecanismos de endurecimento Redução do tamanho de grão Exemplo :

28 Deformação à temperatura ambiente. A movimentação de deslocações cria novas deslocações (ex. Fontes de Frank-Read) Por exemplo com recurso às seguintes técnicas: -Forjagem-Laminagem -Extrusão -Estiragem Mecanismos de endurecimento por deformação plástica A o A d força die bilete força Força de tracção A o A d Fer. pistão bilete container força Porta-fer. ferramenta A o A d extrusão

29 Fontes de Frank-Read Mecanismos de endurecimento por deformação plástica

30 Liga de Ti depois de deformada a frio: Deslocações interagem umas com as outras ancorando-se mutuamente O movimento das deslocações torna-se mais difícil Mecanismos de endurecimento por deformação plástica

31 Mecanismos de endurecimento por deformação plástica n Defeitos estruturais Deformação plástica Número de deslocações Interacção entre deslocações Movimentação das deslocações Dureza Dureza (GPa) % deformação a frio Aço 1040 0102030 50 40 3 5 7 Cobre Latão

32 A tensão aumenta com a deformação (encruamento) Tensão limite elástico aumenta. Resistência à tracção (TS) aumenta. Ductilidade (%EL or %AR) diminui. Mecanismos de endurecimento por deformação plástica Comportamento mecânico após deformação a frio:

33 Mecanismos de endurecimento por deformação plástica Comportamento mecânico após aquecimento: Resistência à tracção (TS) diminui. Ductilidade (%EL or %AR) aumenta. Podem ser considerados 3 estágios: Recuperação, Recristalização e Crescimento de grão

34 Mecanismos de endurecimento por deformação plástica Comportamento mecânico após aquecimento:

35 Energia para fracturar uma unidade de volume do material Pode ser avaliada pela área sob a curva tensão / deformação até à rotura. Material tenaz - grandes valores de  y e ductilidade Unidades: MPa ou Joules/m 3 (energia/volume) Propriedades mecânicas Tenacidade Tenacidade reduzida polímeros não reforçados Deformação,  Tensão,  Tenacidade reduzida (cerâmicos) Grande tenacidade (metais, PMCs)

36 Tensão / deformação (Tamb): TS << TS Materiais engenharia Materiais perfeitos DaVinci (há 500 anos!) observou... –Quanto mais comprido fôr o arame menor a carga para o partir Razões: –Devido à presença de fendas –Maiores provetes maior número de fendas! Propriedades mecânicas Fractura   E/10 E/100 0.1 Material perfeito Fibra de vidro de grande qualidade cerâmico Metal polímero

37 Propriedades mecânicas Tenacidade à Fractura

38 Tenacidade à fractura: K c = Y  c (  a) 0.5 = Y(2E  s ) 0.5 K c é uma propriedade do material e representa a maior ou menor facilidade com que uma fenda se pode propagar nesse material Y ~ 1, depende da geometria Propriedades mecânicas Tenacidade à Fractura unidadeK: MPam

39 aumenta Propriedades mecânicas Tenacidade à Fractura

40 Falha em estruturas devido a cargas dinâmicas e tensões variáveis  pontes, aviões, componentes de máquinas A falha ocorre a tensão consideravelmente menor que  Y e  TS 90 % de todas as falhas são devidas a fadiga Fracturas frágeis, súbitas, mesmo em materiais dúcteis  Tensão média  Campo de tensões  Amplitude de tensão  Razão de tensões Propriedades mecânicas Fadiga

41 Fadiga = falha sob tensões cíclicas. Tensão varia com o tempo. --parãmetros de teste são S e  m --a variação é em muitos casos irregular Propriedades mecânicas Fadiga Tracção em baixo Compressão no topo contador motor Acoplamento flexível rolamento provete  max  min  tempo  m S

42 Limite de fadiga, S fat : --não há falha por fadiga se S < S fat Algumas vezes, o limite de fadiga é zero! Propriedades mecânicas Fadiga S fat Caso do aço (tip.) N = ciclos até falha 10 3 5 7 9 inseguro seguro S = amplitude de tensão caso do Al (tip.) N = ciclos até falha 10 3 5 7 9 inseguro seguro S = amplitude de tensão