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ciências de materiais, resumo de propriedades
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PROPRIEDADES MECÂNICAS, FALHA OU RUPTURA DE MATERIAIS
Aluna: Kátia Meirelles Duarte de Sousa
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PROPRIEDADES MECÂNICAS
O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre a sua deformação e a força que esteja sendo aplicada. Dessa forma, mostra a capacidade do material de resistir aos esforços ou cargas aplicadas.
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PRINCIPAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS
♣Resistência;
♣Dureza;
♣Ductilidade;
♣Rigidez;
♣Fluência
♣Fadiga
♣Tenacidade
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MetaisCondutor elétrico, condutor térmico, brilhante, forte, deformável
e formam ligas quando combinados.
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TIPOS DE TENSÃO OU CARGA♣Tração
♣Compressão
♣Cisalhamento
♣Torção
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ENSAIOS DE TRAÇÃOO material é submetido a uma força ou carga de
tração que promove um aumento do comprimento do material.
O teste é destrutivo levando a uma deformação permanente ou fratura.
Ilustração esquemática de como uma carga de tração produz um alongamento e uma deformação linear positiva. As linhas tracejadas representam a forma antes da deformação; as linhas sólidas, após a deformação.
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Representação esquemática do dispositivo usado para conduzir ensaios tensão-deformação por tração.
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TENSÃO () E DEFORMAÇÃO()♣Parâmetro usado para minimizar fatores geométricos;
♣Deformação
Área inicial da seção reta transversal
Força ou carga
l0= comprimento inicial
li= comprimento instantâneo
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DIAGRAMA DE TENSÃO X DEFORMAÇÃO
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ENSAIOS DE COMPRESSÃO
Os ensaios de tensão-deformação de compressão é semelhante ao ensaio de tração, porém a força usada é compressiva e leva o corpo de prova a se contrair ao longo da direção da tensão.
Ilustração demonstrando como uma carga compressiva produz uma contração e uma deformação linear negativa. As linhas tracejadas representam a forma antes da deformação; as linhas sólidas, após a deformação.
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ENSAIOS DE CISALHAMENTO
Mudança de ângulo entre duas linhas de uma reta originalmente perpendiculares.
Representação esquemática da deformação de cisalhamento y onde y= tan θ. As linhas tracejadas representam a forma antes da deformação; as linhas sólidas, após a deformação.
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ENSAIOS DE TORÇÃO
Variação do cisalhamento, onde um membro estrutural e torcido.
Representação de uma deformação de torção (isto é, com ângulo de torção ) produzida pela aplicação de torque. As linhas tracejadas representam a forma antes da deformação; as linhas sólidas, após a deformação.
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DEFORMAÇÃO ELÁSTICA♣Ocorre antes da deformação plástica;
♣É reversível;
♣A peça volta ao normal quando a carga aplicada é liberada;
♣Segue a lei de Hooke, no qual a tensão e a deformação são proporcionais
♣Deformação elástica dependente do tempo é chamada de Anelástica. Geralmente desprezível para metais.
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DEFORMAÇÃO PLÁSTICA ♣Deformação permanente;
♣Ocorre quando a tensão ultrapassa o limite de elasticidade;
♣Ocorre quebra de ligações entre os átomos vizinhos e formação de novas ligações com novos átomos vizinhos. Uma vez retirada a tensão os átomos não retornam as suas posições originais.
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DEFORMAÇÃO ELÁSTICA E PLÁSTICADeformação elástica • Deformação plástica
plásticaelástica
deformação
ten
são
deformação
ten
são
Carga
Descarga
Coeficiente angular = módulo de elasticidade
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COEFICIENTE DE POISSON ():Razão entre as deformações lateral e axial.
O coeficiente de Poisson estabelece uma relação entre o módulo de elasticidade e o módulo de cisalhamento.
G≈0,4
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ESCOAMENTO E LIMITE DE ESCOAMENTO
• Escoamento indica o início da deformação plástica;
• O limite de escoamento para um metal indica a medida de sua resistência a deformação plástica.
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O limite de proporcionalidade é onde ocorre o afastamento inicial da linearidade representado pelo ponto P na curva tensão-deformação e onde a lei de Hooke deixa de valer.
ESCOAMENTO E LIMITE DE ESCOAMENTO
plásticaelástica
deformação
ten
são
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LIMITE DE ESCOAMENTO DESCONTINUO
A transição elastoplástica ocorre de forma abrupta
Início da deformação plástica
Tensão constante
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LIMITE DE RESISTÊNCIA A TRAÇÃO♣É a tensão no ponto máximo da
curva tensão-deformação;
♣Empescoçamento ocorre no material num ponto de máxima tensão e então forma-se uma constrição ou pescoço.
O ponto M indica a tensão máxima para o processo de deformação plástica.O ponto F indica fratura do material.
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DUCTILIDADE
Grau de deformação plástica que o material suportou até a fratura.
Quando o material experimenta uma deformação plástica muito pequena ou nenhuma é chamado de frágil.
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DUCTILIDADEAlongamento percentual
Redução da área percentual
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RESILIÊNCIA Capacidade do material de absorver energia quando
deformado elasticamente e após o descarregamento recuperar essa energia.
Módulo de resiliência (Ur)- energia de deformação por volume necessária para tensionar um material de um estado sem carregamento até a sua tensão limite de escoamento.
Materiais resilientes possuem limite de escoamento elevado e módulo de elasticidade pequeno.
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RESILIÊNCIA
Na região elástica
A área sombreada corresponde ao módulo de resiliência
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TENACIDADEMedida de uma material em absorver energia até a sua
fratura.
Para sua determinação é necessária a geometria do corpo de prova, bem como a maneira como a carga é aplicada.
As unidades para tenacidade são as mesmas para resiliência. (Energia por unidade de volume do material).
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DIAGRAMA X DE ENGENHARIA
Tensão de fratura
deformação
tens
ão
No diagrama de engenharia clássico de tensão vs. deformação, teremos:
1- módulo de elasticidade;
2 – tensão de escoamento;
3 – limite de resistência à tração;
4 – ductilidade: 100x fratura
5 – tenacidade: d
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TENSÃO E DEFORMAÇÃO VERDADEIRA
fratura
Tensão de engenharia
fratura
Tensão verdadeira
Deformação (mm/mm) x 10-
2
Ten
são
(p
si)
x1
03
Tensão verdadeira
deformação verdadeira
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TENSÃO E DEFORMAÇÃO VERDADEIRA
Para alguns metais e ligas, a região da curva tensão-deformação verdadeira desde o surgimento da deformação plástica até o ponto onde tem início o pescoço pode ser descrito pela equação abaixo.
deformação
ten
sã o
engenharia
corrigida
verdadeira
v = K.vn
K e n são constantes que dependem da condição do material e são tabelados.
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RECUPERAÇÃO ELÁSTICA DURANTE UMA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
O limite de escoamento inicial é designado por y0; y1 é o limite de elasticidade após a liberação da carga no ponto D e depois sob reaplicação da carga.
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DUREZAÉ a medida da resistência do material a uma deformação
plástica localizada.
Vantagens do ensaio de dureza:
♣ Simples e barato;♣ Não-destrutivo;♣ Outras propriedades podem ser estimadas a partir da dureza do
material.
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ENSAIOS DE DUREZA ROCKWELL E BRINELL
Rockwell: método de execução simples e o índice de dureza é determinado pela diferença na profundidade de penetração que resulta da aplicação em sequência de duas cargas com intensidades diferentes.
Brinell: função tanto da magnitude da carga como do diâmetro da impressão resultante. As arestas do corpo de prova precisam ser bem definidas, o que obriga a ter um superfície lisa e plana para a impressão.
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ENSAIOS DE DUREZA
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ENSAIOS DE MICRODUREZA DE KNOOP E VICKERS
♣As cargas aplicadas são menores que nos ensaios de Rockwell e Brinell;
♣Os ensaios são com base na carga e no tamanho do penetrador;
♣Adequado para medições em regiões pequenas;
♣O ensaio de Knoop é usado para testar materiais frágeis como os cerâmicos;
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Correlação entre dureza e o limite de resistência a tração
FALHA OU RUPTURA DE MATERIAIS
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METAISFratura, fadiga e fluência
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FRATURA♣Separação ou fragmentação de um corpo sólido em duas ou
mais partes em resposta a uma tensão aplicada de natureza estática;
♣Pode ser dúctil ou frágil;
♣Fratura dúctil: caracterizado por uma extensa deformação plástica antes e durante a propagação da trinca;
♣Fratura frágil: caracterizado pela rápida propagação da trinca, porém com pouca deformação plástica.
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FRATURAS
Fraturas dúcteis
Fratura frágil
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FRATURA DÚCTIL MECANISMOa- empescoçamento;
b- formação de cavidades;
c- coalescência de cavidades para formar uma trinca;
d- propagação de uma trinca;
e- fratura final por cisalhamento (rompimento do material)
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FRATURA FRÁGILA quebra sucessiva e repetida de ligações atômicas ao
longo de planos cristalográficos específicos é conhecido como clivagem e a fratura que ocorre com as trincas passando através dos grãos é chamado de transgranular.
Em algumas ligas a propagação da trincas se dá ao longo do contorno dos grãos e é conhecido como intergranular.
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CONCENTRAÇÃO DE TENSÕES FATORES
Formato elíptico ou circular
Fator de concentração de tensões
Medida do grau segundo o qual uma tensão externa é amplificada na extremidade de uma trinca
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A TEORIA DE GRIFFITH DA FRATURA FRÁGIL
E= módulo de elasticidadeys= energia da superfície específica = metade do comprimento de uma trinca
Cálculo para trinca elíptica
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ANÁLISE DE TENSÃO DAS TRINCASModos de deslocamento das trincas em função da tensão
aplicada
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TENACIDADE À FRATURA
Valor crítico usado para especificar as condições para uma fratura frágil.
A tenacidade de fratura em deformação plana é uma propriedade fundamental dos materiais que depende de fatores como temperatura, taxa de deformação e a microestrutura.
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ENSAIOS DE FRATURA POR IMPACTOCondições severas para ocorrência de uma fratura:
♣Deformação a uma temperatura relativamente baixa;
♣Uma elevada taxa de deformação;
♣Estado de tensão triaxial;
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ENSAIOS DE FRATURA POR IMPACTOEnsaios de (Charpy e Izod)- medir a energia do impacto.
Determinam as propriedades de fratura dos materiais.
Os resultados são de natureza qualitativa.
Desenhos dos equipamentos para ensaio de impacto
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TRANSIÇÃO DÚCTIL-FRÁGIL ♣Verificar se o material experimenta uma transição dúctil-
frágil com a diminuição da temperatura;
♣Dependência de absorção de energia de impacto medida em relação a temperatura;
♣Ao longo da transição dúctil-frágil aparecerá característica de fratura dúctil e fratura frágil;
♣A fim de evitar fraturas frágeis e catastróficas as estruturas de ligas devem ser usadas acima da temperatura de transição;
♣Estruturas CFC permanecem dúcteis e estruturas CCC e HC experimentam transição dúctil-frágil, nas ligas metálicas.
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FADIGA♣Forma de falha que ocorre em estruturas que estão sujeitas
a tensões dinâmicas e oscilantes (ex.: aeronaves);
♣Ocorre rompimento do material a tensões muito inferiores ao limite de resistência a tração.
♣Maior causa individual de falhas em metais;
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TENSÕES CÍCLICAS • Três modalidades diferentes de tensão oscilante-tempo;
• O nível de tensão pode variar aleatoriamente em amplitude e frequência;
Ciclo de tensões alternadas. A tensão alterna desde uma tensão de tração máxima (+) até uma tensão de compressão máxima (-) de igual magnitude.
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Ciclo de tensões repetidas. Tensões máxima e mínima são assimétricas em relação ao nível zero de tensão.
m= tensão média
i= intervalo de tensões
a= amplitude da tensão
Ciclo de tensões aleatórias.
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A CURVA -NIndica as propriedades determinadas em ensaios de simulação em laboratório.
Parâmetros do comportamento da fadiga:
♣ Limite de resistência à fadiga
Limite de resistência à fadiga abaixo do qual a falha não irá ocorrer.
♣ Resistência à fadiga
Nível de tensão no qual a falha irá ocorrer.
♣ Vida em fadiga
Número de ciclos necessários para causar a falha em um nível de tensão específico.
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INICIAÇÃO E PROPAGAÇÃO DE TRINCAS
Falha por fadiga é caracterizado por três etapas:
♣Iniciação da trinca;
♣Propagação da trinca;
♣Fratura final;
As trincas associadas a falha por fadiga quase sempre se iniciam sobre a superfície de um componente em alguns ponto de concentração de tensões.
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FATORES QUE INFLUENCIAM A VIDA EM FADIGA
♣Tensão média;
♣Efeitos da superfície;
♣Variáveis de projeto;
♣Tratamentos de superfície;
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EFEITOS DO AMBIENTEA fadiga térmica está associada a altas temperaturas;
Fadiga associada à corrosão, falhas em função de ambientes corrosivos que produzem vidas em fadiga mais curtas.
E= modo de elasticidadeal= expansão térmica ∆T= variação de temperatura= tensão térmica
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FLUÊNCIAA deformação é permanente, é dependente do tempo e da
temperatura, quando o material e submetido a uma carga ou tensão constante.
A curva de fluência resultante consiste em três regiões:
♣Fluência primária ou transiente;
♣Fluência secundária ou em regime estacionário;
♣Fluência terciária;
Pode gerar defeitos internos que levam a ruptura do material.
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FLUÊNCIA
Influência da tensão e da temperatura T no comportamento da fluência.
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EFEITOS DA TENSÃO E DA TEMPERATURA
Observações com o aumento da tensão ou da temperatura:
♣Deformação instantânea com o aumento da tensão aplicada;
♣A taxa de fluência em regime estacionário é aumentada;
♣O tempo de vida até a ruptura é diminuído;
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Tensão (escala logarítmica) em função do tempo de vida até a ruptura (escala logarítmica).
Liga de carbono-níquel com baixo teor de liga a três temperaturas diferentes
Tensão (escala logarítmica) em função da taxa de fluência em regime estacionário (escala logarítmica).
Liga de carbono-níquel com baixo teor de liga a três temperaturas diferentes
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PolímerosMoléculas grandes (macromoléculas), baixa
densidade, flexíveis, feitos de carbono e outros elementos não-metálicos, em geral plásticos e borrachas.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS
♣Tensão;
♣Deformação;
Dependem de fatores como tempo, temperatura, estrutura química e condições de processamento do polímero.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS
O comportamento viscoso e elástico é determinado como fenômeno de viscoelasticidade. Ocorre para os plásticos e fibras.
Os elastômeros envolvem grandes deformações como do fenômeno da elasticidade da borracha.
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♣Vítreo: polímero se apresenta rígido e frágil;
♣Borrachoso: flexível e rígido;
♣Viscoso: máxima capacidade de mudança de conformação e cadeias poliméricas altamente móveis.
VISCOELASTICIDADE DE POLÍMEROS
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VISCOELASTICIDADE DE POLÍMEROS
Variedade de comportamentos físico-mecânico em função da massa e da temperatura.
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MODELOS DE VISCOSIDADE LINEAR♣Fração elástica : representado
por uma mola, comportamento Hookeano.
♣Fração plástica: representado por um amortecedor, comportamento Newtoniano.
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MODELOS DE VISCOSIDADE LINEAR♣Modelo de Maxwell
♣Modelo de Voigt
♣Modelo de Maxwell-Voigt
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MODELO DE MAXWELL
Modelo de Maxwell com os elementos em série e sua resposta (ε vs t)a uma solicitação do tipo tensão com onda quadrada ( vs t).
1- deformação elásticas instantânea (mola);
2- deformação plástica dependente do tempo (amortecedor)
3- recuperação elástica instantânea total (mola)
4- deformação plásticas residual, irrecuperável (amortecedor)
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MODELO DE VOIGT
1- deformação elástica retardada por um componente viscoso;
2- recuperação elástica retardada pelo mesmo componente viscoso anterior.
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MODELO DE MAXWELL-VOIGT
Melhor demonstração do comportamento real do fluidos em comparação com os outros modelos.
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FLUÊNCIA E RELAXAÇÃO DE TENSÃODependência de suas propriedades mecânicas com o tempo.
♣Fluência: deformação contínua com o tempo em função da aplicação de um peso constante;
♣Relaxação de tensão: diminuição da tensão aplicada com o tempo em função de uma rápida e constante deformação.
♣Estiramento sob tração varia de acordo com a velocidade e módulo.
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ELASTICIDADE DA BORRACHA
Com o aumento da temperatura é necessário uma força maior para manter um deformação em função do estiramento.
Deformações acima de 100% retornam a sua dimensão inicial quando aliviadas da tensão sem qualquer deformação permanente.
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Linha tracejada- comportamento teórico da borracha;
Linha contínua- comportamento experimental.
ELASTICIDADE DA BORRACHA
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CARACTERÍSTICAS DA FRATURA♣Fratura frágil- ruptura do material antes de atingir a
deformação plástica;
- Teoria de Griffith;
♣Fratura dúctil- antes da ruptura ocorre deformação plástica e escoamento.
-complexos;
-ocorre em vários estágios (escoamento, estiramento e fratura).
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ENSAIOS COM REGISTRO DE CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO
Curva tensão-deformação sob tração do Nylon 6,6 (seco, i.e., com 0,2% de umidade
Principais parâmetros para resistência mecânica nos polímeros:
Modelo de Young ou da elasticidade;
Tensão e deformação no escoamento;
Tensão máxima;
Tensão e deformação na ruptura;
Tenacidade.
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Comportamento dúctil e frágil observado em uma curva de tensão-deformação de tração para dois polímeros
ENSAIOS COM REGISTRO DE CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO
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Comportamento tensão-deformação para o poliestireno cristal ensaiado em tração e compressão.
ENSAIOS COM REGISTRO DE CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO
Tração: curva típica de comportamento frágil;
Compressão: curva típica de comportamento dúctil.
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Curvas de tensão-deformação sob compressão para polímeros amorfos (PVC e CA) e semicristalinos (PTFE e PCTFE)
ENSAIOS COM REGISTRO DE CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO
Polímeros amorfos: policloreto de vinila (PVC) e o acetato de celulose (CA) tem ponto de escoamento mais nítido.
Polímeros semicristalinos: politetrafluoroetileno (PTFE) e o policlorotrifluoretileno (PCTFE) não apresentam ponto de escoamento nítido.
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Curvas tensão-deformação para o acetato de celulose a várias temperaturas.
ENSAIOS COM REGISTRO DE CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO
Ensaio de tração para o acetato de celulose demonstra a mudança de um comportamento frágil para um dúctil com o aumento da temperatura.
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Efeito da taxa de deformação (velocidade de deformação mm/min) nas curvas de tração do epóxi.
ENSAIOS COM REGISTRO DE CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO
Quanto mais rápido é o movimento de deformação, maior é o módulo.
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ENSAIOS COM SOLICITAÇÕES SOB IMPACTO
♣Verificação do comportamento polimérico sob impacto;
♣O parâmetro de quantificação de resistência ao impacto é a energia de impacto.
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PARÂMETROS QUE INFLUEM NO COMPORTAMENTO MECÂNICO DO POLÍMEROS
♣Estrutura química;
♣Cristalinidade;
♣Massa molecular;
♣Plastificante, água e/ou monômero residual;
♣Copolimerização;
♣Fibras para reforçamento;
♣Elastômeros para tenacificação
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PRINCÍPIOS DE SUPERPOSIÇÃODas tensões.
Conhecido como superposição de Boltsmann, permite a previsão do comportamento de um polímero amorfo quando sujeito a solicitações.
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Tempo-temperatura.
Respostas diferentes a solicitação mecânica feita em um polímero em diferentes temperaturas e que estão relacionadas entre si.
PRINCÍPIOS DE SUPERPOSIÇÃO
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TEORIA DA REPTAÇÃO
Movimento de uma cadeia polimérica segundo a teoria de reptação
P.G. de Genes, ganhador do prêmio Nobel de Física em 1991, em 1971 considerava que a cadeia polimérica estivesse confinada a um tubo e se movimentava escorregando por qualquer uma das pontas.
E do movimento da cadeia seria parecido com o de uma cobra, por isso o nome reptação (réptil).
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Cerâmicos Fracos condutores de eletricidade e calor, duros,
quebradiços, resistentes a altas temperaturas, compostos metálicos e não-metálicos.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS ♣Apresentam baixa resistência ao choque;
♣São duros e frágeis em relação à tração;
♣São resistentes em relação à compressão;
♣Alto módulo de elasticidade;
♣Alta dureza e alta resistência ao desgaste;
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CLASSIFICAÇÃO♣Cristalinos- silicatos, óxidos, carbonetos e nitretos.
♣Amorfos (vidros)- composição semelhante aos dos cristalinos com diferença no processamento.
♣Vidro-cerâmicos- inicialmente amorfos e tratados termicamente.
♣Cerâmicos avançados- óxidos, carbonetos e nitretos com elevados graus de pureza.
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DEFORMAÇÃO EM MATERIAIS CERÂMICOS♣Falta de plasticidade em função das ligações iônicas e
covalentes.
♣Movimento de discordância em determinados planos cristalinos (metais).
♣Baixos valores de tensão (metais).
♣Se ocorrer deformação suficiente, os pares de íons irão se separar gerando a ruptura.
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Cristais iônicos.
♣Deformação sob a ação de cargas compressivas- monocristais.
♣Escorregamento envolvendo íons de cargas opostas.
♣Policristais são frágeis em função da pequena quantidade de sistemas de escorregamento.
MECANISMO DE DEFORMAÇÃO EM MATERIAIS CERÂMICOS
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FATORES QUE AFETAM A RESISTÊNCIA MECÂNICA
Falha defeitos na estrutura
Tipos de defeitos:
♣Poros;
♣Inclusões;
♣Fendas superficiais;
♣Grãos grandes gerados durante o processamento.
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Efeito da porosidade na alumina
FATORES QUE AFETAM A RESISTÊNCIA MECÂNICA
Concentradores de tensão- propagação da trinca
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Em materiais densos (poucos poros), as trincas estão relacionados com o tamanho do grão.
Grão pequeno - gera trincas ou fendas pequenas.
Outros fatores: composição química, microestrutura, condições da superfície, temperatura, meio, tipo de tensão e modo de aplicação.
FATORES QUE AFETAM A RESISTÊNCIA MECÂNICA
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PROPRIEDADES MECÂNICAS♣Resistência teórica- tensão necessária para separar um
corpo em duas partes.
♣Requer energia de superfície γ.
E: módulo de elasticidade γ: energia superficial ao: distância interatômica
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Teoria de Inglis- explica a discrepância observada entre os valores de resistência mecânica calculados e medidos.
PROPRIEDADES MECÂNICAS
defeito elíptico
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Teoria de Griffith.
-microdefeitos-concentradores de tensão
-tratamento termodinâmico para analisar propagação
-estudo em uma placa fina
PROPRIEDADES MECÂNICAS
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Tenacidade á fratura.
-baixa tenacidade;
Modos de abertura da trinca:
-tração: I
-cisalhamento: II
-torção: III
PROPRIEDADES MECÂNICAS
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Aumento da tenacidade depende:
♣Diminuir o tamanho do grão;
♣Diminuir a porosidade;
♣Acrescentar uma segunda fase;
♣microtrincamento
PROPRIEDADES MECÂNICAS
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ENSAIO DE FLEXÃOA barra é flexionada até a ruptura
100
COMPÓSITOSCombinação das melhores características de cada
componente, compostos de mais de um tipo de material. (fibras de vidro)