CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Muitos materiais, quando em serviço, estão sujeitos a forças ou cargas. O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre a sua resposta ou deformação a uma carga ou força aplicada. Algumas propriedades mecânicas importantes são a resistência, a dureza, a ductilidade e a rigidez.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS As propriedades mecânicas dos materiais são verificadas pela realização de experimentos de laboratório cuidadosamente projetados, que reproduzem o mais fielmente possível as condições de serviço. Fatores que devem ser considerados incluem a natureza da carga aplicada e a duração de sua aplicação, assim como as condições ambientais.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS A carga pode ser de tração, de compressão ou de cisalhamento, e a sua amplitude pode ser constante ao longo do tempo ou variar continuamente. O tempo de aplicação pode ser de apenas uma fração de um segundo ou se estender por um período de muitos anos. A temperatura de operação também pode ser um fator importante.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS As propriedades mecânicas são o alvo da atenção de diversos grupos, os quais possuem diferentes interesses. É imperativo que exista alguma consistência na maneira segundo a qual são conduzidos os ensaios e na interpretação dos resultados. Essa consistência é obtida com o emprego de técnicas de ensaio padronizadas.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Para tal, torna-se importante o estabelecimento e a publicação de normas com frequência, coordenadas por sociedades profissionais. Nos EUA, a organização mais ativa é a American Society for Testing and Materials, ASTM. O seu Annual Book of ASTM Standards (http://www.astm.org) compreende diversos volumes, editados anualmente.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Um dos papéis dos engenheiros é determinar as tensões e as distribuições de tensões em elementos que estejam submetidos a cargas bem definidas. Isto pode ser feito através de técnicas experimentais de ensaio e/ou de análises teóricas e matemáticas das tensões.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Os engenheiros de materiais estão preocupados com a produção e a fabricação de materiais para atender as exigências de serviço previstas por essas análises de tensão. Isso envolve necessariamente uma compreensão das relações entre a microestrutura dos materiais e as suas propriedades mecânicas. Com frequência, os materiais são selecionados para aplicações estruturais porque possuem combinações desejáveis de características mecânicas.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Conceitos de tensão e deformação Se uma carga é estática ou se vaia de uma maneira relativamente lenta ao longo do tempo e é aplicada uniformemente sobre uma seção transversal ou na superfície de um membro, o comportamento mecânico pode ser averiguado através de um simples ensaio tensão-deformação.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Tais ensaios são mais comumente realizados para os metais à temperatura ambiente. Existem três maneiras principais pelas quais uma carga pode ser aplicada, a saber: tração, compressão e cisalhamento. Na prática da engenharia, muitas cargas são de torção, em vez de serem de natureza puramente cisalhante.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Ensaios de tração Um dos ensaios mecânicos de tensão-deformação mais comum é conduzido sob tração. O ensaio de tração pode ser usado para averiguar diversas propriedades mecânicas dos materiais que são importantes para projetos. Uma amostra é deformada, geralmente até a fratura, por uma carga de tração que é aumentada gradativamente e que é aplicada uniaxialmente ao longo do eixo maior de um corpo de prova.

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CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Normalmente, a seção transversal é circular, mas também são utilizados corpos de prova com seção retangular. A redução de seção é escolhido, porque durante o ensaio, a deformação fica confinada à região central mais estreita, e ainda, para reduzir a probabilidade de fratura nas extremidades do corpo de prova.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS O corpo de prova é preso pelas suas extremidades nas garras de fixação de um dispositivo de teste. Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS A máquina de ensaios de tração é projetada para alongar o corpo de prova a uma taxa constante, ao mesmo tempo em que mede contínua e simultaneamente a carga instantânea que está sendo aplicada e os alongamentos resultantes (através de extensômetros). O resultado é registrado na forma da carga ou força em função do alongamento.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS O cálculo da tensão é feito por: σ= F A o A deformação pode ser determinada por: ϵ= ℓ f − ℓ o ℓ o = ∆ℓ ℓ o

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Ensaios de compressão Ensaios sob compressão podem ser realizados se as forças nas condições de serviço forem desse tipo. É conduzido de uma maneira semelhante à de um ensaio de tração, exceto pelo fato de que a força é compressiva e o corpo de prova se contrai ao longo da direção da tensão.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Os ensaios de tração são mais comuns, pois eles são mais fáceis de serem executados. Os ensaios de compressão são usados quando se deseja conhecer o comportamento de um materiais submetido a deformações grandes e permanentes (deformações plásticas), como ocorre em operações de fabricação ou quando o material é frágil sob tração.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Ensaios de cisalhamento e de torção Para esses ensaios a tensão cisalhante é determinada por: τ= F A o A deformação cisalhante γ é definida como sendo a tangente do ângulo de deformação θ

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS A torção é uma variação do cisalhamento puro, onde um elemento estrutural é torcido. 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.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Comportamento Tensão-Deformação A quantidade que uma estrutura se alonga ou se deforma depende da amplitude da tensão que lhe é imposta. Para a maioria dos metais que são submetidos a uma tensão de tração em níveis relativamente baixos, a tensão e a deformação são proporcionais entre si, de acordo com a relação: σ=Eϵ Essa relação é conhecida como lei de Hooke.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS A constante de proporcionalidade E (Gpa ou psi) é o módulo de elasticidade, ou módulo de Young. Para a maioria dos metais típicos, a amplitude desse módulo varia de 45 GPa (6,5 x 106 psi) para o magnésio até 407 GPa (59 x 106 psi) para o tungstênio. O processo de deformação no qual a tensão e a deformação são proporcionais é chamado deformação elástica.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS A inclinação do gráfico tensão-deformação é o módulo de elasticidade E. Esse módulo pode ser considerado como sendo a rigidez ou a resistência do material à deformação elástica. Quanto maior for o módulo, mais rígido será o material, ou menor será a deformação elástica que irá resultar da aplicação de uma dada tensão.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS A deformação elástica não é permanente, o que significa que quando a carga aplicada é liberada, a peça retorna à sua forma original. Os valores para os módulos de elasticidade dos materiais cerâmicos são aproximadamente os mesmos que para os metais; para os polímeros, eles são menores. Tais diferenças são uma consequência direta dos diferentes tipos de ligações atômicas nesses três tipos de materiais.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS A imposição de tensões de compressão, cisalhamento ou torção também induz um comportamento elástico. A tensão e a deformação de cisalhamento são proporcionais entre si através da expressão: τ=Gγ Onde G é o módulo de cisalhamento, a inclinação da região elástica linear da curva tensão-deformação de cisalhamento.

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CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Exr.: Um pedaço de cobre originalmente com 305 mm de comprimento é puxado em tração com uma tensão de 276 MPa. Se a sua deformação é inteiramente elástica, qual será o alongamento resultante? Um corpo de prova de cobre com seção transversal retangular de 15,2 mm X 19,1 mm é tracionado com uma força de 44.500 N, produzindo apenas uma deformação elástica. Calcule a deformação resultante.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Um corpo de prova cilíndrico feito em uma liga de níquel, que possui um módulo de elasticidade de 207 GPa e um diâmetro original de 10,2 mm, irá sofrer apenas deformação elástica quando uma carga de tração de 8.900 N for aplicada. Calcule o comprimento máximo do corpo de prova antes da deformação se o alongamento máximo admissível é de 0,25 mm.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Uma barra de alumínio com 125 mm de comprimento e que possui uma seção transversal quadrada com 16,5 mm de aresta é tracionada com uma carga de 66.700 N e apresenta um alongamento de 0,43 mm. Assumindo que a deformação seja inteiramente elástica, calcule o módulo de elasticidade do alumínio.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Considere um arame cilíndrico de níquel com 2,0 mm de diâmetro e 3 X 104 mm de comprimento. Calcule o seu alongamento quando uma carga de 300 N é aplicada. Assuma que a deformação seja totalmente elástica.

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Para uma liga de latão, a tensão na qual a deformação plástica tem seu início é de 345 MPa e o módulo de elasticidade é de 103 GPa. a) Qual é a carga máxima que pode ser aplicada a um corpo de de prova com uma área transversal de 130 mm2 sem que ocorra deformação plástica? b) Se o comprimento original do corpo de prova é de 76 mm, qual é o comprimento máximo ao qual ele poderá ser esticado sem causar deformação plástica?

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Um bastão cilíndrico de aço (E = 207 GPa) que possui um limite de escoamento de 310 MPa deve ser submetido a uma carga de 11.100 N. Se o comprimento do bastão é de 500 mm, qual deve ser o seu diâmetro para permitir um alongamento de 0,38 mm?

CIÊNCIA E ENG MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS Considere um corpo de prova cilíndrico feito em uma liga de aço com 8,5 mm de diâmetro e 80 mm de comprimento que é tracionado. Determine o seu alongamento quando uma carga de 65.250 N for aplicada.