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Seção 2- Propriedades Mecânicas (Ensaio de Tração)
Prof. Pavani
Tecnologia dos Materiais
O aluno deverá saber definir: tensão de engenharia, tensão verdadeira, deformação de engenharia, tenacidade e resiliência e compreender a lei de Hooke, Saber identificar as condições segundo as quais ela é válida.
Objetivos:
O aluno deverá compreender como várias propriedades mecânicas (módulo de elasticidade, a tensão limite de escoamento, limite de resistência, etc) são medidas a partir do ensaio de tração e o que estas propriedades representam.
Objetivos:
As propriedades mecânicas definem a resposta do material à aplicação de forças (solicitação mecânica).
Principais Propriedades: Resistência, elasticidade, ductilidade, fluência, fadiga, tenacidade, ....
Os testes (ensaios) mais comuns utilizados no estudo de materiais são os ensaios de: tração, compressão, torção, choque, desgaste, fadiga e dureza.
Ensaio de tração
O ensaio de tração consiste na aplicação gradativa de uma carga de tração uniaxial crescente em um corpo de prova específico até a ruptura.
Vantagens: Fornece dados quantitativos das características mecânicas dos materiais
É um ensaio simples e de realização rápida.
Corpo de prova: deve ser preparado conforme a norma técnica.
Exemplo: no Brasil a norma técnica utilizada para materiais metálicos é a norma NBR-6152 (ABNT).
S0- Area inicial
Lo- comprimento inicial
ΔL- variação do comprimento (alongamento)
F carga uniaxial
Corpo de provaCorpo de prova
Ensaio de tração
S0
(continuação)
Parte útil: é a região do corpo de prova onde ocorre a deformação.
O comprimento padrão é geralmente igual a 50 mm para os materiais metálicos, denominado base de medida ou comprimento útil. Esse valor é utilizado nos cálculos da ductilidade.
Ensaio de tração (continuação)
Ensaio de tração
Criação: CETEC - DI
(continuação)
Tensão
A tensão de engenharia é definida por:
0AF
Ensaio de tração
Sendo: F a força ou carga instantânea aplicada perpendicularmente à seção transversal do corpo de prova, expressa em N (ou Kgf) e A0 é a área inicial da seção transversal antes da aplicação de qualquer esforço, expressa e m2 (ou mm2), logo a tensão será dada por: N/ m2 = Pa.Atenção: MPa= 106 Pa e GPa= 109 Pa
(continuação)
Deformação de engenharia (Є)
- É a razão entre a variação de comprimento (ΔL=elongação) e o comprimento original.
- É uma quantidade adimensional.
0LL
Ensaio de tração (continuação)
Para cada par de valores lidos, carga e alongamento, calcula-se a tensão e a deformação específica dividindo-se estes valores por A0 e L0, respectivamente.
Obtêm-se assim o diagrama tensão X deformação, sendo que este diagrama varia de material para material.
Observações
Pode-se com a análise do diagrama verificar se o material é dúctil ou frágil.
O diagrama varia com a temperatura e com a velocidade de aplicação da carga.
Pode-se dividir os materiais em dúcteis ou frágeis, pelos aspectos de seus diagramas.
Observações (continuação)
Região elástica
Região plástica
Região escoamento
Com o teste obtem-se uma curva de tensão de tração pela deformação sofrida pelo corpo de prova.
Com o teste obtem-se uma curva de tensão de tração pela deformação sofrida pelo corpo de prova.
Ensaio de tração (continuação)
Região elástica
É a porção reversível da deformação, ou seja, desaparece quando a tensão é removida.
Para a maioria dos materiais, a deformação elástica é proporcional à tensão aplicada.
Ensaio de tração (continuação)
Esta relação, conhecida como Lei de Hooke, define uma dependência linear entre a tensão e a deformação.
Observação: o valor limite a partir do qual o material não se comporta mais de forma elástica denomina-se limite elástico.
Ensaio de tração (continuação)
Módulo de elasticidade ou módulo de Young
É o quociente entre a tensão aplicada e a deformação elástica resultante (coeficiente angular da reta)
E
Ensaio de tração (continuação)
Módulo de elasticidade ou módulo de Young
– Este módulo representa a resistência do material à deformação elástica e depende principalmente da composição do material.
– Os materiais cerâmicos e metálicos tem alto módulo de elasticidade, enquanto os materiais poliméricos tem baixo módulo.
Ensaio de tração (continuação)
Exemplo de módulos de elasticidade
Magnésio - 45 GPa
Alumínio - 69 GPa
Latão - 97 GPa
Titânio - 107 GPa
Cobre - 110 GPa
Níquel - 204 GPa
Aço - 207 GPa
Tungstênio - 407 - GPa
Região de escoamento
É a transição da deformação elástica para a plástica que é gradual.
É nesta região que se determina a tensão de escoamento → σe
Ensaio de tração (continuação)
Como a tensão de escoamento é determinada?
Observação: Quando não é possível observar nitidamente o fenômeno de escoamento, a tensão de escoamento corresponde à tensão necessária para promover uma deformação permanente de 0,2% ou outro valor especificado.
Ensaio de tração (continuação)
Valores utilizados para determinar a tensão de escoamento. Somente para informação
Quando não nítido, utiliza-se da convenção de um deformação padrão
Metais e ligas em geral: n = 0.2% (ε = 0,002)
Cobre e suas ligas: n = 0,5 % (ε = 0,005)
Ligas metálicas duras: n = 0.1 % (ε = 0.001)
Cerâmicos: n = 0.1 % (ε = 0.001)
Polímeros: n = 0,5% (ε = 0.005)
Região plástica
É uma deformação permanente provocada por tensões que ultrapassaram o limite elástico.
Essa deformação ocorre após a deformação elástica, sendo que ela não é reversível.
Ensaio de tração (continuação)
Região plástica:
1- A resistência à tração (σt)
Corresponde à máxima tensão que o material suporta sob tração; se esta tensão for aplicada e mantida na estrutura, o resultado será a fratura do material.
0
max
A
Ft
Ensaio de tração (continuação)
Região plástica:
Resistência à fratura
A resistência à fratura corresponde à tensão no momento da fratura.
0A
Frupr
Ensaio de tração (continuação)
Tensão máximaTensão de ruptura
Curva característica para um material dúctil
Ductilidade
– É a deformação plástica total até o ponto de ruptura.
Material frágil - material que não apresenta deformação plástica, ou onde esta é mínima.
Exemplo: vidro, alumina (material cerâmico).
Ensaio de tração (continuação)
Material dúctil - material que apresenta deformação elástica e plástica.
Exemplo: alumínio, aço 1020.
As medidas convencionais de ductilidade que são obtidas do teste de tração são: porcentagem de elongação e estricção.
Ensaio de tração (continuação)
Representação esquemática das curvas tensão-deformação para materiais dúctil e frágil.
Material FrágilVidro, ferro FundidoMaterial FrágilVidro, ferro Fundido
Material DúctilAlumínio, aço baixo carbono
Material DúctilAlumínio, aço baixo carbono
Ensaio de tração (continuação)
Aspecto da Ruptura de Corpos de Prova - material Dúctil
EstricçãoRuptura do
material dúctil
Ensaio de tração
Dúctil (simples)
(continuação)
Ruptura domaterial frágil
Aspecto da Ruptura de Corpos de Prova - material Frágil
Ensaio de tração
Frágil (clivagem)
(continuação)
As medidas convencionais de ductilidade que são obtidas do teste de tração são a porcentagem de elongação e estricção.
A porcentagem de elongação é a porcentagem de deformação plástica na fratura, ou seja,
onde Lf é o comprimento na fratura e Lo é o comprimento inicial.
O valor de Lo normalmente utilizado é 50 mm.
100 x L
)L(L%EL
0
0f
Ensaio de tração (continuação)
– A estricção é a redução na área da seção reta do corpo de prova, imediatamente antes da ruptura. É determinada através da seguinte expressão:
onde A0 é a área da seção transversal original (inicial) e Af é a área da seção transversal no instante da fratura.
100 x A
)AA(RA%
0
f0
Ensaio de tração (continuação)
Observação: Tanto a porcentagem de
elongação quanto a estricção podem
ser obtidas após a fratura, unindo as
duas partes do corpo de prova para as
medidas de Lf e Af.
Ensaio de tração (continuação)
Em geral, as medidas de ductilidade são interessantes sob os seguintes aspectos:
– indicam a extensão na qual um metal pode ser deformado sem fraturar em operações de conformação mecânica;
– indicam ao projetista, de uma forma geral, a capacidade do metal escoar plasticamente antes da fratura;
– São usados como um indicador da mudança do nível de impurezas ou condições de processamento.
Ensaio de tração (continuação)
Tenacidade
– É a capacidade do material de absorver energia na região plástica de deformação.
– Esta energia está intimamente relacionada à área sob a curva tensão-deformação.
– A tenacidade é avaliada através de ensaio de impacto.
Resiliência
– É a capacidade de um material absorver energia quando deformado elasticamente e readquirir a forma quando descarregado. Materiais resilientes são aqueles que têm alto limite de escoamento e baixo módulo de elasticidade.
Exemplo: materiais utilizados para molas.
Diagrama Tensão x Deformação verdadeira
– A tensão e deformação usadas para obtenção do diagrama verdadeiro levam em conta os valores instantâneos da força, da área da seção transversal e do comprimento útil instantâneos.
– A tensão atuante no corpo de prova aumenta até a ruptura.
Ensaio de tração (continuação)
Observações:
1. A temperatura é um fator importante a ser considerado, pois a ductilidade, como outras propriedades mecânicas, é fortemente influenciada pela temperatura.
Exemplo: transição dúctil – frágil.
2. Com o aumento da temperatura o módulo de elasticidade diminui.
Lista de exercícios(2a Lista) Entregar como Estudo Dirigido.
1- Compare o comportamento de um material dúctil com o material frágil quando submetidos ao ensaio de tração (com representação) 2- Qual a importância da região plástica?
Lista de exercícios(2a Lista) Entregar como Estudo Dirigido.
3-Considerando a curva tensão x deformação para
um material dúctil, temos que a curva após a
tensão máxima começa a decair, ou seja teremos
assim a curva de engenharia, mas sabemos que
na verdade isto não ocorre, ou seja, a curva a
partir da tensão máxima continua a se elevar.
Explique tal fato.
Lista de exercícios(2a Lista) Entregar como Estudo Dirigido.
4- O que é tenacidade e resiliência?
5- Como é determinada a tensão de escoamento de um material que apresenta uma porção linear na curva tensão X deformação.
Lista de exercícios(2a Lista) Entregar como Estudo Dirigido.
6- Uma barra de aço de 100mm de comprimento e
seção transversal quadrada (lado igual a 20mm) é
tracionada com uma carga de 89000N e sofre uma
elongação de 0,10mm. Admitindo que a deformação
seja totalmente elástica, calcule o módulo de
elasticidade do aço.
Lista de exercícios(2a Lista) Entregar como Estudo Dirigido.
7-Uma liga de alumínio possui um módulo de
elasticidade de 69GPA e um limite de escoamento de
274MPa. Qual a carga que pode ser suportada por
um fio deste material com um diâmetro de 1,74mm,
sem que ocorra deformação permanente?
Lista de exercícios(2a Lista) Entregar como Estudo Dirigido.
8- Uma carga de 4450N, suspensa em um fio de aço de 2,40m de comprimento, com 16,1mm2 de seção transversal, provoca um aumento de comprimento elástico do fio de 3mm. Calcular:
a) tensão; b) A deformação resultante; c) O valor do
módulo de elasticidade.
Lista de exercícios(2a Lista) Entregar como Estudo Dirigido.
9- Um corpo de prova de alumínio com uma seção
transversal retangular 10mm X 12,7mm é tracionado
com uma força de 35500N produzindo somente
deformação elástica. Qual a deformação resultante?
(observação: módulo de elasticidade é 69GPa)
Lista de exercícios(2a Lista) Entregar como Estudo Dirigido.
10-Uma base de medida de 50mm é adotada num fio
de cobre. O fio é tracionado até que as marcas da
base de medida assumam a distância de 59mm.
Calcule a deformação.