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Revisão de Conceitos de Ciência dos Materiais
Sumário
Ligações químicasClassificação dos MateriaisPropriedades mecânicas dos materiais
Ligações Químicas
Primárias Iônica, Metálica e Covalente
Secundárias Van der Waals (dipolo-dipolo; dipolo-dipolo induzido; dispersão)Ponte de Hidrogênio
Ligações Químicas
Ocorre em duas etapas:1ª transferência de elétrons
2ª atração dos íons
Ex.: NaClO cátion Na+ e o ânion Cl- têm cargas opostas e portanto se
atraem mutuamente Na+ Cl-.O composto iônico NaCl é o resultado. Note que não
escrevemos as cargas como parte da fórmula de um composto neutro.
Li Fx ooo
oooo
Li Fxooo
oooo+ -
Ligação Iônica
Ligação Covalente
Metálica
Elétrons de valênciaÁtomo+elétrons das camadas mais internas
Ligações secundáriasInteração dipolo-dipolo: ocorre com moléculas polares.
Pontes de Hidrogênio:Hidrogênio ligado a F, O, N.
Ligação de Dispersão ou de London: ocorre com moléculas apolares
Pontes de dipolo-induzido: ocorre entre moléculas polares e apolares
Classificação dos Materiais
Classificação dos materiais
A classificação tradicional dos
materiais é geralmente baseada
na estrutura atômica e química
destes.
Classificação dos materiais
MetaisCerâmicosPolímerosCompósitosSemicondutoresBiomateriais
Classificação dos materiais
Cadeia Molecular Orgânica de Comprimentos Elevados
Dúctil, Baixa Resistência Mecânica, Baixa Dureza,
Flexível, Baixa Estabilidade Térmica, Transparentes em
Alguns Casos
POLIMÉRICOS(Plásticos)
Óxidos, Silicatos, Nitretos, Aluminatos,
etc.
Frágil, Isolante Térmico e Elétrico, Alta Estabilidade Térmica, Dureza Elevada
Transparentes em Alguns Casos
CERÂMICOS
Átomos Metálicos e Não-Metálicos
Dúctil, Resistência Mecânica Elevada, Condutor Elétrico e
Térmico, Dureza Elevada, Opaco
METÁLICOS
CONSTITUINTES TÍPICOSCARACTERÍSTICASTIPO DE MATERIAL
Estrutura dos materiais
Estrutura Cristalina dos Metais
Características de Cristais Metálicos Comuns
Estrutura Átomos por célula
Número de Coordenação
Fator de empacotamento
Exemplos
CCC 2 8 0,68 Fe, Ti, W, Mo, Nb CFC 4 12 0,74 Fe, Cu, Al, Au. Ni HC 4 12 0,74 Ti, Mg, Zn, Be, Co
Estrutura das cerâmicas
NaClCsCl
Estrutura dos Polímeros
Imperfeições no Arranjo atômico
Defeito Pontual
Imperfeições no Arranjo atômico
Discordância
Imperfeições no Arranjo atômico
Discordância
Imperfeições no Arranjo atômico
Imperfeições de interface
Propriedades dos Materiais
Principais propriedades dos Materiais
Propriedades físicas – densidade, calor específico, coeficiente de expansão térmica, condutividade térmica
Propriedades mecânicas – tensão de escoamento, resistência mecânica, ductibilidade e tenacidade
CorTexturaSensação táctil
Estética
Facilidade no processamentoUniãoAcabamento
Produção
OxidaçãoCorrosãoDesgaste
Interação ambiental
ResistividadeConstante dielétricaPermeabilidade manética
Elétrica
Condutividade térmicaCalor específicoCoeficiente de expansão térmica
Térmica
Módulo de elasticidadeResistência à deformação e a traçãoDurezaTenacidade à fraturaLimite de fadigaLimite de resistência à deformação a quenteCaracterística de amortecimento
Mecânica
DensidadeFísica geral
Preço e disponibilidadeCapacidade de reciclagem
Aspecto econômico
Densidade (massa específica)
Relaciona massa por volume (Kg/m3);Está relacionado com tamanho e peso dos átomos e tipo de ligação químicaMétodos de determinação da densidade
Principais propriedades mecânicas
Resistência mecânicaElasticidadeDuctilidadeTenacidade
Tipos de tensões que uma estrutura esta sujeita
Como determinar as propriedadesmecânicas?
A determinação das propriedades mecânicas é feita através de ensaios mecânicos.Utiliza-se normalmente corpos de prova (amostra representativa do material) para o ensaio mecânico, jáque por razões técnicas e econômicas não épraticável realizar o ensaio na própria peça, que seria o ideal.Geralmente, usa-se normas técnicas para o procedimento das medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os resultados sejam comparáveis.
Ensaio de tração
É medida submetendo-se o material à uma carga ou força de tração, gradativamente crescente, que promove uma deformação progressiva de aumento de comprimento
Resitência à tração tensão (σ) X deformação (ε)
Tensão σ = F/Ao Kgf/cm2 ou Kgf/mm2 ou N/ mm2
Deformação(εε))= lf-lo/lo= Δl/lo
lo= comprimento inicial
lf= comprimento final
Força ou cargaÁrea inicial da seção reta transversal
Tensão de escoamento
σy= tensão de escoamento (corresponde a tensão máxima relacionada com o fenômeno de escoamento)
• De acordo com a curva “a”, onde não observa-se nitidamente o fenômeno de escoamento
•Alguns aços e outros materiais exibem o comportamento da curva “b”, ou seja, o limite de escoamento é bem definido (o material escoa- deforma-se plasticamente-sem praticamente aumento da tensão). Neste caso, geralmente a tensão de escoamento corresponde à tensão máxima verificada durante a fase de escoamento
Escoamento
Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformaçãoResistênciaResistência àà TraTraççãoão
(Kgf/mm(Kgf/mm22))Corresponde à tensão máximaaplicada ao material antes da ruptura
É calculada dividindo-se a cargamáxima suportada pelo material pela área de seção reta inicial
TensãoTensão de de RupturaRuptura (Kgf/mm(Kgf/mm22))Corresponde à tensão quepromove a ruptura do materialO limite de ruptura é geralmenteinferior ao limite de resistênciaem virtude de que a área da seção reta para um material dúctil reduz-se antes da ruptura
Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação
Comportamento dos metais quandosubmetidos à tração
Resistência à tração
Dentro de certos limites,
a deformação é proporcional
à tensão (a lei de Hooke é
obedecida)
Lei de Hooke: σσ = E εε
Comportamento dos Polímeros quandosubmetidos à tração
Comportamento dos polímeros
Deformação
Tens
ão (M
Pa)
Tens
ão (1
03ps
i)
Plástico
Elastômero
Frágil
Deformação Elástica e Plástica
DEFORMAÇÃO ELÁSTICAPrescede à deformação plásticaÉ reversívelDesaparece quando a tensão éremovidaÉ praticamente proporcional àtensão aplicada (obedece a lei de Hooke)
DEFORMAÇÃO PLÁSTICAÉ provocada por tensões que ultrapassamo limite de elasticidadeÉ irreversível porque é resultado do deslocamento permanente dos átomos e portanto não desaparece quando a tensãoé removida
ElásticaPlástica
Módulo de elasticidade ou Módulo de Young
E= σσ/ / εε =Kgf/mm=Kgf/mm22
• É o quociente entre a tensãoaplicada e a deformaçãoelástica resultante.
•Está relacionado com a rigidezdo material ou à resist. àdeformação elástica
•Está relacionado diretamentecom as forças das ligaçõesinteratômicas
Lei de Hooke: σσ = E εε
P A lei de Hooke só éválida até este ponto
Módulo de Elasticidade para algunsmetais
MÓDULO DE ELASTICIDADE[E]
GPa 106 Psi
Magnésio 45 6.5
AlumÍnio 69 10
Latão 97 14
Titânio 107 15.5
Cobre 110 16
Níquel 207 30
Aço 207 30
Tungstênio 407 59
Comparação entre propriedades
Considerações gerais sobre módulo de elasticidade
Como consequência do módulo de elasticidadeestar diretamente relacionado com as forçasinteratômicas:
Os materiais cerâmicos tem alto módulo de elasticidade, enquanto os materiais poliméricos tem baixoCom o aumento da temperatura o módulo de elasticidadediminui
Módulo de elasticidade
Se barras de seções transversais idênticas forem suportadas por dois apoios bem espaçados e então pesos idênticos forem aplicados a seus centros elas se curvarão elasticamenteGrau de flexão pode ser muito diferente dependendo do material – MÓDULO DE ELASTICIDADE
DuctibilidadeDuctibilidade -- Corresponde aoalongamento total do material devido à deformação plástica
%alongamento= (lf-lo/lo)x100
onde lo e lf correspondem aocomprimento inicial e final (após a ruptura), respectivamente
ductilidade
Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação
Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformaçãoResiliênciaResiliência
Corresponde à capacidade do material de absorver energiaquando este é deformadoelasticamenteA propriedade associada é dada pelo módulo de resiliência (Ur)
Ur= σesc2/2E
Materiais resilientes são aquelesque têm alto limite de elasticidade e baixo módulo de elasticidade(como os materiais utilizados paramolas)
σesc
Comportamento tensão-deformação materiais cerâmicos
Não é avaliado por ensaio de tração:É difícil preparar e testar amostras que possuam a geometria exigida;É difícil prender e segurar materiais frágeis;As cerâmicas falham após uma deformação de apenas 0,1%, o que exige que os corpos de prova estejam perfeitamente alinhados.
Resistência à flexão
a
L
a
b d
Flexão com 3 pontos
D
X-Section
F Filme do ensaio de flexão
Comportamento elástico
0.00100.00080.00060.00040.00020.00000
100
200
300
Bending Strain
Ben
ding
Str
ess,
MPa
Aluminum Oxide
Soda-Lime Glass
Resistência ao impacto
Resistência aos Impacto
A capacidade de um determinado material de absorver energia do impacto está ligada à sua tenacidade, que por sua vez está relacionada com a sua resistência e ductilidadeO ensaio de resistência ao choque dá informações da capacidade do material absorver e dissipar essa energiaComo resultado do ensaio de choque obtém-se a energia absorvida pelo material até sua fratura, caracterizando assim o comportamento dúctil-frágil
Ensaios de impacto
Filme do ensaio de impacto (Izod e queda de dardo)
TÉCNICAS DE ENSAIO DE IMPACTO
Técnica CHARPY;
Técnica IZOD;
Diferença principal, é a maneira que os corpos de prova estão sustentados na máquina e a aplicação da força;
Ambos os corpos de prova são padronizados e providos de um entalhe para localizar a ruptura e o estado triaxial de tensões;
Ensaio de impacto com pêndulos
IZOD CHARPY
PROCEDIMENTOS
O pêndulo é elevado a uma certa altura de onde é solto, ao se chocar com o corpo de prova ele segue até uma altura final.
O mostrador da máquina simplesmente registra a diferença entre a altura inicial e a altura final, após o rompimento do corpo de prova,
Esta diferença de altura é convertida em unidades de energia
Quanto menor for a altura final, mais energia foi absorvida pelo corpo de prova evidenciando seu caráter mais dúctil.
NORMAS DOS ENSAIOS
Os corpos de prova são especificados pela norma americana E-23 da ASTM(17);
Divisão dos corpos de forma com relação ao seu formato;
Curva resposta do ensaio de choque
O ensaio de resistência ao choque caracteriza o comportamento dos materiais quanto à transição do comportamento dúctil para frágil em função da temperatura
Polímeros
São frágeis à baixas temperaturas porque a rotação dos átomos na molécula requer energia térmicaA maioria dos polímeros apresentam transição dúctil-frágil que é geralmente abaixo da ambiente
Materiais cristalinos
MATERIAIS CFCMATERIAIS CFC --Permanecem dúcteis (não apresenta transição dúctil-frágil) porque nesta estrutura há muitos planos de escorregamento disponíveis
MATERIAIS CCC MATERIAIS CCC --Apresentam uma transição de frágil para dúctil em função da temperatura
Fratura
Fratura
Consiste na separação do material em 2 ou mais partes devido à aplicação de uma carga estática àtemperaturas relativamente baixas em relação ao ponto de fusão do material
Fratura
Dúctil → a deformação plástica continua até uma redução na área para posterior ruptura Frágil → não ocorre deformação plástica, requerendo menos energia que a fratura dúctil que consome energia para o movimento de discordâncias e imperfeições no material
Fratura
Fraturas dúcteis
Fratura frágil
Fratura dúctil - aspecto macroscópico
Mecanismo da fratura dúctil
a- formação do pescoçob- formação de cavidadesc- coalescimento das
cavidades para promover uma trinca ou fissura
d- formação e propagação da trinca em um ângulo de 45 graus em relação àtensão aplicada
e- rompimento do material por propagação da trinca
Fratura dúctil - aspecto microscópico
Fratura frágil - aspecto macroscópico
A fratura frágil (por clivagem) ocorre com a formação e propagação de uma trincaque ocorre a uma direção perpendicular à aplicação da tensão
Fratura frágil - aspecto macroscópico
Início da fratura por formação de trinca
Fratura transgranular e intergranular
TRANSGRANULAR INTERGRANULAR
A fratura passa através do grãoA fratura se dá no contorno de grão
Fluência
Fluência (creep)
Quando um metal é solicitado por uma carga, imediatamente sofre uma deformação elástica. Com a aplicação de uma carga constante, a deformação plástica progride lentamente com o tempo (fluência) até haver um estrangulamento e ruptura do materialVelocidade de fluência (relação entre deformação plástica e tempo) aumenta com a temperaturaEsta propriedade é de grande importância especialmente na escolha de materiais para operar a altas temperaturas
Fluência (Creep)
Fluência é definida como a deformação permanente, dependente do tempo e da temperatura, quando o material é submetido àuma carga constanteEste fator muitas vezes limita o tempo de vida de um determinado componente ou estruturaEste fenômeno é observado em todos os materiais, e torna-se importante à altas temperaturas (≥0,4TF)
Fatores que afetam a fluência
TemperaturaMódulo de elasticidadeTamanho de grão
Em geral:Quanto maior o ponto de fusão, maior o módulo de
elasticidade e maior é a resist. àfluência.
Quanto maior o o tamanho de grão maior é a resist. àfluência.
Ensaio de fluência
É executado pela aplicação de uma carga uniaxial constante a um corpo de prova de mesma geometria dos utilizados no ensaio de tração, a uma temperatura elevada e constanteO tempo de aplicação de carga éestabelecido em função da vida útil esperada do componenteMede-se as deformações ocorridas em função do tempo (εx t)
Curva ε x t
Fadiga
FadigaÉ a forma de falha ou ruptura que ocorre nas estruturas sujeitas à forças dinâmicas e cíclicas Nessas situações o material rompe com tensões muito inferiores à correspondente à resistência àtração (determinada para cargas estáticas)É comum ocorrer em estruturas como pontes, aviões, componentes de máquinasA falha por fadiga é geralmente de natureza frágil mesmo em materiais dúcteis.
Fadiga
A fratura ou rompimento do material por fadiga geralmente ocorre com a formação e propagação de uma trinca.A trinca inicia-se em pontos onde há imperfeição estrutural ou de composição e/ou de altaconcentração de tensões (que ocorre geralmente na superfície)A superfície da fratura é geralmente perpendicular àdireção da tensão à qual o material foi submetido
Fadiga
Os esforços alternados que podem levar à fadiga podem ser:
TraçãoTração e compressãoFlexãoTorção,...
A curva σ-n representa a tensão versus número de ciclos para que ocorra a fratura.
Normalmente para n utiliza-se escala logarítmica
Limite de resistência àfadiga (σRf): em certos materiais (aços, titânio,...) abaixo de um determinado limite de tensão o material nunca sofrerá ruptura por fadiga.
Para os aços o limite de resistência à fadiga (σRf) está entre 35-65% do limite de
resistência à tração.
Resistência à fadiga(σf): em alguns materiais a tensão na qual ocorrerá a falha decresce continuamente com o número de ciclos (ligas não ferrosas: Al, Mg, Cu,...).
Nesse caso a fadiga écaracterizada por resistência à fadiga
Principais resultados do ensaio de fadiga
Vida em fadiga (Nf): corresponde ao número de ciclos necessários para ocorrer a falha em um nível de tensão específico.
Fatores que influenciam a vida em fadiga
Tensão Média: o aumento do nível médio de tensão leva a uma diminuição da vida útilEfeitos de Superfície: variáveis de projeto (cantos agudo e demais descontinuidades podem levar a concentração de tensões e então a formação de trincas) e tratamentos superficiais (polimento, jateamento, endurecimento superficial melhoram significativamente a vida em fadiga)
Efeitos do ambiente: fadiga térmica (flutuações na temperatura) e fadiga por corrosão (ex. pites de corrosão podem atuar como concentradores de corrosão)
Dureza
Definição de dureza
É a medida da resistência de um material a uma deformação localizada (por exemplo, uma pequena impressão ou um risco)Vantagens:
São simples e baratoensaio é não destrutivoOutras propriedades mecânicas podem ser estimadas
BorrachasIRHD
Alumínio, Borrachas, Couro, Resinas
Barcol
Polímeros, Elastômeros, Borrachas
ShoreMetais, CerâmicasKnoopMetais, CerâmicasVickersMetaisMeyerMetaisRockwellMetaisBrinell
MateriaisDureza
Propriedades Térmicas
Condutividade Térmica (k)
é uma propriedade física dos materiais que descreve a habilidade dessa de conduzir calor. Equivale a quantidade de calor Q transmitida através de uma espessura L, numa direção normal a superfície de área A, devido ao gradiente de temperatura ΔT.
0,020Espuma de poliuretano0,026Ar0,033Espuma de poliestireno0,046Fibra de vidro0,11 - 0,14Madeira (pinho)0,4 - 0,8Tijolo0,61Água0,72 - 0,86Vidro80,3Ferro178Tungsténio237Alumínio398Cobre426PrataCondutividade térmica (W/m°C)Material
Dilatação Térmica
Dilatação térmica é o aumento do volumede um corpo ocasionado pelo seu aquecimento.
Substância α (mín.) α (máx.) Gama de temperaturas Gálio 120,0 Índio 32,1 Zinco e suas ligas 35,0 19,0 100ºC-390°C Chumbo e suas ligas 29,0 26,0 100ºC-390°C Alumínio e suas ligas 25,0 21,0 100ºC-390°C Latão 18,0 21,0 100ºC-390°C Prata 20,0 100ºC-390°C Aço inoxidável 19,0 11,0 540ºC-980°C Cobre 18,0 14,0 100ºC-390°C Níquel e suas ligas 17,0 12,0 540ºC-980°C Ouro 14,0 100ºC-390°C Aço 14,0 10,0 540ºC-980°C Betão(concreto)[3] 6,8 11,9 Temp. ambiente Platina 9,0 100ºC-390°C Vidro(de janela)[4] 8,6 20ºC-300ºC Crómio 4,9 Tungsténio 4,5 Temp. ambiente Vidro Pyrex[5] 3,2 20ºC-300ºC Carbono e Grafite 3,0 2,0 100ºC-390°C Silício 2,6 Quartzo fundido [6] 0,6
Determinação α
Dilatômetro