Propriedade do materiais sólidos, Notas de aula de Resistência dos materiais

Baixe Propriedade do materiais sólidos e outras Notas de aula em PDF para Resistência dos materiais, somente na Docsity!

B rasília-DF.

P roPriedades dos M ateriais sólidos

Elaboração

Tatiana Conceição Machado Barretto

Produção

Equipe Técnica de Avaliação, Revisão Linguística e Editoração

Apresentação

Caro aluno

A proposta editorial deste Caderno de Estudos e Pesquisa reúne elementos que se entendem necessários para o desenvolvimento do estudo com segurança e qualidade. Caracteriza-se pela atualidade, dinâmica e pertinência de seu conteúdo, bem como pela interatividade e modernidade de sua estrutura formal, adequadas à metodologia da Educação a Distância – EaD.

Pretende-se, com este material, levá-lo à reflexão e à compreensão da pluralidade dos conhecimentos a serem oferecidos, possibilitando-lhe ampliar conceitos específicos da área e atuar de forma competente e conscienciosa, como convém ao profissional que busca a formação continuada para vencer os desafios que a evolução científico-tecnológica impõe ao mundo contemporâneo.

Elaborou-se a presente publicação com a intenção de torná-la subsídio valioso, de modo a facilitar sua caminhada na trajetória a ser percorrida tanto na vida pessoal quanto na profissional. Utilize-a como instrumento para seu sucesso na carreira.

Conselho Editorial

organização do Caderno

de Estudos e Pesquisa

Para facilitar seu estudo, os conteúdos são organizados em unidades, subdivididas em capítulos, de forma didática, objetiva e coerente. Eles serão abordados por meio de textos básicos, com questões para reflexão, entre outros recursos editoriais que visam tornar sua leitura mais agradável. Ao final, serão indicadas, também, fontes de consulta para aprofundar seus estudos com leituras e pesquisas complementares.

A seguir, apresentamos uma breve descrição dos ícones utilizados na organização dos Cadernos de Estudos e Pesquisa.

Provocação Textos que buscam instigar o aluno a refletir sobre determinado assunto antes mesmo de iniciar sua leitura ou após algum trecho pertinente para o autor conteudista.

Para refletir Questões inseridas no decorrer do estudo a fim de que o aluno faça uma pausa e reflita sobre o conteúdo estudado ou temas que o ajudem em seu raciocínio. É importante que ele verifique seus conhecimentos, suas experiências e seus sentimentos. As reflexões são o ponto de partida para a construção de suas conclusões.

Sugestão de estudo complementar

Sugestões de leituras adicionais, filmes e sites para aprofundamento do estudo, discussões em fóruns ou encontros presenciais quando for o caso.

Atenção

Chamadas para alertar detalhes/tópicos importantes que contribuam para a síntese/conclusão do assunto abordado.

introdução

O conhecimento sobre as diversas propriedades e particularidades dos materiais possibilita a diminuição dos custos, melhorando a eficiência de produtos utilizados e confeccionados em diversas áreas.

Nesta disciplina iremos ampliar o nosso conhecimento sobre as propriedades dos materiais sólidos. Serão estudas as propriedades mecânicas, propriedades térmicas, propriedades elétricas, propriedades ópticas e propriedades magnéticas dos principais grupos de materiais.

Este é um material de apoio, utilize sempre outras bibliografias para complementar os seus estudos.

objetivos

» Definir o que são deformações e tensões em materiais.

» Conseguir distinguir tensão e deformação.

» Observar gráficos de tensão versus deformação e obter várias propriedades mecânicas dos materiais.

» Entender os conceitos de dureza, fluência, resistência ao choque e fadiga.

» Entender os mecanismos de transporte de calor em sólidos por elétrons livres e vibração de rede.

» Conhecer as principais propriedades térmicas dos materiais.

» Obter parâmetros fundamentais a partir de dados experimentais de capacidade calorífica.

» Conhecer conceitos como: condução elétrica, semicondutividade, condução elétrica em cerâmicas iônicas e em polímeros, comportamento dielétrico, ferroeletricidade, piezoeletricidade, por exemplo.

» Conhecer um pouco mais de propriedades ópticas e magnéticas dos materiais.

UNIDADE I │ O COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS

de forma que quando submetido a um esforço, sua deformação não seja muito grande e com isso haja uma fratura.

O comportamento mecânico do material pode ser entendido como a resposta do material a uma carga ou força aplicada. As propriedades mecânicas de materiais são determinadas por meio de ensaios, que tentam ser os mais parecidos possível com as condições de trabalho. Nesses ensaios, algumas condições importantes são consideradas, a natureza da carga aplicada, condições ambientais e a duração em que a carga é aplicada.

Conceitos de tensão e deformação

Se uma força segue as leis de Newton e um corpo é submetido a ela de forma uniforme em sua secção reta ou superfície, o seu comportamento mecânico pode ser mensurado por simples teste de tensão-deformação. As principais formas de aplicar-se uma carga são, tração, compressão, cisalhamento e torção, na Figura 1 é ilustrada a deformação produzida por cada tipo de carga. (DUTRA, 2016)

Figura 1. Ilustração esquemática de como uma carga produz deformação em (a).

Fonte: Dutra, 2016.

O COMPORTAMENTO M E CÂNICO D O S M ATERIAIS │ UNIDADE I

Figura 2. Gráfico tensão-deformação.

Fonte: Dalcin, 2007.

Ensaio de tração

É um dos ensaios mecânicos mais comuns de tensão-deformação, pois pode ser usado para determinar varias propriedades mecânicas dos materiais. O ensaio de tração é realizado utilizando-se uma amostra-padrão (Figura 3) que é presa pelas extremidades na máquina de ensaio. No aparelho de teste, o corpo é alongado de forma constante e a carga aplicada é medida de forma simultânea e contínua, junto com suas elongações. A carga é aplicada ao longo do eixo do corpo de prova e esse é deformado até a fratura, trata-se de um ensaio destrutivo.

Ao final do ensaio, é construída uma curva de tensão-deformação, onde é possível identificar a deformação para cada carga aplicada Figura 3.

Figura 3. Ensaio de tração: medida do Módulo de Elasticidade.

Fonte: Dalcin, 2007.

O COMPORTAMENTO M E CÂNICO D O S M ATERIAIS │ UNIDADE I

Maleabilidade

Quando se deseja laminar, forjar, estampar, repuxar ou entortar um material, a maleabilidade é uma propriedade muito importante. Logo, a maleabilidade é a propriedade mecânica de alguns metais que os permite sofrer deformação tanto a quente, quanto a frio, possibilitando a transformação desses em chapas com fina espessura, sem sofrer ruptura.

É muito importante que você saiba que a maleabilidade de um metal é diretamente proporcional à temperatura que ele é trabalhado. Por esse motivo, os metais são mais fáceis de serem transformados em chapas quando trabalhados a quente.

Propriedades de tração

limite de escoamento

É desejável, na maioria das vezes, quando se projeta uma estrutura do material que a compõe, quando aplicada uma tensão, só sofrerá deformação elástica. Logo, é importante conhecer a magnitude a tensão em que se inicia o regime plástico, pois é aí que se inicia o fenômeno do escoamento.

O limite de escoamento é a tensão máxima suportada pelo material em que ele ainda esteja no regime elástico. Se a tensão aplicada for maior, o material não seguirá a Lei de Hooke, deformando-se plasticamente.

O escoamento acontece quando elementos de liga ou impurezas impedem que haja deslocamentos na rede cristalina, daí não ocorre o deslizamento e com isso o material se deforma plasticamente. O escoamento ocorre um pouco acima do limite elástico, a deformação e o alongamento são produzidos de maneira muito rápida, sem variação do esforço aplicado.

Figura 5. Limite de escoamento.

Fonte: Dalcin, 2007.

UNIDADE I │ O COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS

Em metais, o ponto de escoamento pode ser determinado analisando-se a curva tensão-deformação. Trata-se da região onde se inicia o desvio da linearidade da curva.

Em termos quantitativos, o limite convencional de escoamento para um metal é dado pela medida da resistência à deformação plástica.

Módulo de Young ou módulo de elasticidade

Nos materiais, dependendo do material e temperatura, quando lhes são aplicadas tensões, suas deformações ocorrem de forma proporcional. A constante de proporcionalidade entre elas é chamada módulo de elasticidade ou módulo de Young. Quanto maior esse módulo, maior a tensão necessária para o mesmo grau de deformação, portanto, mais rígido é o material.

O módulo de elasticidade é um parâmetro mecânico fundamental para a engenharia e aplicação de materiais, que proporciona uma medida da rigidez de um material sólido. O módulo de elasticidade é importante na descrição de várias outras propriedades mecânicas, como a tensão de ruptura. É uma propriedade intrínseca dos materiais, dependente da composição química, da microestrutura e dos defeitos.

A relação linear entre essas grandezas é conhecida como Lei de Hooke.

Figura 6. Lei de Hooke.

Fonte: Estrutura, 2008.

Segundo a Lei de Hooke a deformação é dada por:

E

UNIDADE I │ O COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS

que aconteçe a ruptura. Dentro dessa região plástica, a tensão cresce até um ponto de máximo e em seguida perde intensidade, até a fratura. Essa tensão máxima é conhecida como limite de resistência à tração, que é a tensão máxima que uma estrutura suporta em tração. A fratura só ocorrerá se a tensão correspondente ao limite de resistência à tração continuar sendo aplicada.

É importante saber que o limite de resistência à tração é um divisor de águas quando se refere à deformação do material, até ele a deformação é uniforme, na região mais estreita da amostra de tração. Na tensão máxima, uma pequena constrição, ou pescoço, começa a formar-se em um ponto determinado e toda a deformação subsequente fica confinada a essa região (enpescocamento).

A resistência à fratura corresponde à tensão aplicada quando ocorre a fratura. Ordinariamente, quando a resistência mecânica de um metal é citada para propósitos de projeto, o limite convencional de elasticidade é usado. Isto é devido ao fato de que no tempo em que uma tensão correspondente ao limite de resistência à tração tenha sido aplicada, às vezes a estrutura terá experimentado tão grande deformação plástica que ela é inútil. Além disso, resistências à fratura não são normalmente especificadas para propósitos de projetos. (DUTRA, 2016)

Figura 8. Limite de resistência à tração.

Fonte: Dalcin, 2007.

ductilidade

Os materiais de construção mecânica, na maioria das vezes, são submetidos a esforços. Muitos deles passam por processos de conformação mecânica, como a laminação, logo são deformados de tal maneira que não voltam a sua forma original. A ductilidade é a capacidade que um material tem em deformar-se plasticamente ao sofrer a ação de uma força, deformam-se plasticamente sem se romperem.

O COMPORTAMENTO M E CÂNICO D O S M ATERIAIS │ UNIDADE I

Os aços dúcteis, quando sujeitos às tensões locais elevadas sofrem deformações plásticas capazes de redistribuir os esforços. Esse comportamento plástico permite que se considere, numa ligação rebitada, distribuição uniforme da carga entre os rebites. Além desse efeito local, a ductilidade tem importância porque conduz a mecanismos de ruptura acompanhados de grandes deformações que fornecem avisos da atuação de cargas elevadas. (PADILHA, 2000)

Figura 9. Ductibilidade.

Fonte: Estrutura, 2008.

dureza

É uma propriedade que permite apenas que se conheça uma característica superficial do corpo de prova. Trata-se da grandeza que mede a resistência ao risco ou abrasão, ou seja, é medida a dureza pela resistência que a superfície do material oferece à penetração de uma ponta de maior dureza.

É uma propriedade bastante interessante, pois a partir dela pode-se medir outras características de forma indireta. Geralmente, a relação dureza e fragilidade são diretamente proporcionais, quanto mais duro o material mais frágil ele será. É possível também avaliar a resistência ao desgaste do material, quanto maior a dureza, maior a ela será, essa relação pode ser feita pois a resistência ao desgaste é uma propriedade dependente da superfície do corpo, assim como a dureza.

O COMPORTAMENTO M E CÂNICO D O S M ATERIAIS │ UNIDADE I

Alguns fatores contribuem para que ocorra a fratura por fadiga, principalmente pelo fato de tratar-se de uma fratura com características frágeis. Alguns desses fatores são: temperatura, concentração de tensões, meio corrosivo e tensões residuais.

A resistência à fadiga é a resistência à ruptura dos materiais. Na maioria das vezes, ela é medida em ensaios elásticos e é fundamental quando se dimensiona uma peça que passará por esforços cíclicos e dinâmicos.

Os resultados dos ensaios de fadiga realizados em corpo de prova constituem apenas uma indicação do comportamento em serviço do material desse corpo que depende também de muitos fatores não representados nos ensaios de flexão rotativa, flexão alternada e tração

• compressão.

(PADILHA, 2000)

resistência ao impacto

Um esforço de choque ou esforço de impacto é de natureza dinâmica. Os materiais, quando submetidos a esforços dinâmicos, comportam-se de forma diferente de quando estão sujeitos às cargas estáticas.

Muitas propriedades têm muita influência sobre outras. Quando falamos de resistência ao impacto, temos que pensar na capacidade de um determinado material de absorver energia do impacto, essa propriedade está ligada à sua tenacidade. E essa última ligada a sua resistência e ductilidade.

O comportamento dúctil-frágil dos materiais pode ser mais amplamente caracterizado por ensaio de impacto.

O ensaio de resistência é realizado para que se possa determinar a capacidade do material absorver e dissipar essa energia. Ao final de cada ensaio de impacto, obtém-se a energia absorvida pelo material até sua fratura, podendo determinar o comportamento dúctil-frágil do material.

Hoje, existem vários ensaios de impacto para distintas situações, que vão desde um impacto de baixas velocidades até impactos de velocidades hipersônicas (USP). Os mais utilizados, e também os mais antigos, são os ensaios Charpy e Izod. A Figura 10 é a representação de uma máquina de testes utilizada para os dois ensaios citados.

UNIDADE I │ O COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS

Figura 10. Máquina de ensaio de impacto.

Fonte: Scheid, 2016.

Ensaio Charpy

O ensaio Charpy é um dos tipos de teste de baixa velocidade. Trata-se de um ensaio simples, onde um martelo pendular colide com o corpo de prova.

Figura 11. Ensaio Charpy.

Fonte: Scheid, 2016.

O corpo de prova possui uma seção transversal quadrada, entalhada no centro e bi-apoiado horizontalmente na máquina de ensaio (USP). Existem três tipos de corpos de prova utilizados no ensaio Charpy, eles possuem o mesmo comprimento (55 mm) e