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Engenharia de Produção ·
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CIÊNCIAS DOS MATERIAIS Prof Dr Bruno Arantes Moreira Aula 06 Propriedades mecânicas dos materiais Universidade Federal da Grande Dourados Introdução as propriedades mecânicas dos materiais Os materiais estão sujeitos a força ou carga Uma peça deve ser projetada de maneira que a deformação resultante não seja excessiva e não ocorra fratura Quais fatores influenciam na deformação exibida por um material Como podemos avaliar a deformação exibida pelo material como resposta a um esforço de natureza mecânica Natureza do material Magnitude da tensão imposta Condições ambientais A deformação de uma material em relação a uma força aplicada depende Como podemos avaliar a deformação exibido pelo material como resposta a um esforço de natureza mecânica Como avaliar o comportamento de um material A partir de ensaios mecânicos de tensãodeformação Um ensaio mecânico consiste em submeter o material a situações que simulam os esforços que eles estarão submetidos nas condições reais de uso Quais são os tipos de esforços mecânicos Tipos de esforços mecânicos Tração compressão Tração Produz um alongamento e uma deformação linear positiva A força é perpendicular ao plano de atuação da força Compressão produz uma contração e uma deformação linear negativa Tipos de esforços mecânicos Cisalhamento Torção Cisalhamento Produz uma deformação definida por um ângulo Força é a tangente ao plano de atuação Torção Produz um ângulo de torção definido por a partir da aplicação de um determinado torque Torque Força associada ao movimento de rotação de um corpo Propriedade dos materiais Resistência à tração Resistência à compressão Resistência ao cisalhamento Ductilidade Tenacidade Dureza Fadiga Fluência Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade do material de resistir a determinada carga ou força aplicada A partir da realização de ensaios mecânicos é possível determinar as propriedades dos materiais Principais propriedades dos materiais Os ensaios são realizados geralmente com corpos de prova amostra representativa do material 8 Realização de ensaios mecânicos Utilizase normas técnicas para o procedimento das medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os resultados sejam comparáveis Por razões técnicas e econômicas muitas vezes não é praticável realizar o ensaio na própria peça 9 Realização de ensaios mecânicos Máquina Universal de Ensaios pode realizar diversos tipos de ensaios mecânicos como ensaio de tração ensaio de compressão ensaio de cisalhamento ensaio de dobramento ensaio de embutimento ensaio de flexão etc Ensaios de tração O material é submetido à uma carga de tração gradativamente crescente até a fratura Um dos ensaios de tensãodeformação mais comuns é executado sob tração Corpo de prova padrão de seção circular O corpo de prova é alongado ao mesmo tempo em que mede a carga que está sendo aplicada e a deformação resultante por meio do extensômetro Ensaios de tração O resultado do ensaio de tração é registrado como força em função do alongamento Para minimizar esses fatores a força e o alongamento são normalizados para tensão e deformação 0 F A No entanto a força e o alongamento estão associados ao tamanho do corpo de prova F Força aplicada N Ao Área da seção transversal inicial 0 0 0 il l l l l Tensão Deformação l0 Comprimento inicial li Comprimento instantâneo ou final l Alongamento ou variação do comprimento em um dado instante 12 Curva típica de um material metálico em um ensaio de tração Baixas tensões tem se uma relação linear entre e Deformação elástica Para materiais submetidos a baixas tensões temse a seguinte relação E E Módulo de elastiscidade ou módulo de young GPa ou Psi Lei de Hooke P A lei de Hooke só é válida até este ponto Tg E Na região linear temse a deformação elástica mais rígido é o material E Na deformação elástica quando a carga aplicada é liberada a peça retorna a forma original Exercício Um pedaço de cobre com 305 mm de comprimento é submetido a uma tensão de 276 MPa em um ensaio de tração Se a deformação é inteiramente elástica qual será o comprimento após a aplicação da tensão li e o alongamento resultante l Considere o módulo de elasticidade no valor de E110 GPa L0305 mm Li lil0l 276 MPa CIÊNCIAS DOS MATERIAIS Prof Dr Bruno Arantes Moreira Aula 06 parte 2 Propriedades mecânicas dos materiais Universidade Federal da Grande Dourados Deformação plástica É irreversível resultado do deslocamento permanente dos átomos Provocada por tensões que ultrapassam o limite de elasticidade após a região linear Quando a tensão é removida os átomos não retornam a posição original e Região elástica Escoamento Região plástica Tensão limite de escoamento Tensão limite de escoamento Tensão onde ocorre o início da deformação plástica Tensão onde ocorre o início do escoamento do material Escoamento Caracterizado pelo aumento da deformação sem ocorrer o aumento da tensão Transição elastoplástica gradual Como determinar a tensão de escoamento para materiais com transição elastoplástica gradual Em diversos materiais a transição elástica para plástica ocorre de maneira gradual não sendo nítido o ponto de escoamento a Transição elastoplástica gradual b Transição elastoplástica bem definida Traçando uma linha paralela a porção elástica a partir de uma deformação definida geralmente 0002 Limite de resistência a tração LRT Corresponde à tensão máxima suportada por um material sob tração ponto M Após a LRT uma constriçãoou pescoço começa a se formar e toda deformação subsequente fica confinada nesse pescoço fratura Deformação elástica Deformação plástica uniforme estricção Tensão de ruptura Corresponde à tensão que promove a ruptura do material Representado no ponto F do gráfico fratura Deformação elástica Deformação plástica uniforme estricção A resistência a fratura corresponde à tensão no ponto de ruptura Exercício A partir do comportamento tensãodeformação em tração para o corpo de prova de latão determine a O módulo de elasticidade b A tensão limite de escoamento para uma prédeformação de 0002 c A tensão máxima de operação para não atingir a deformação plástica d A carga máxima que pode ser suportada por um corpo de prova cilíndrico que possui um diâmetro original de 128 mm 0505 in e A variação no comprimento de um corpo de prova originalmente com 250 mm 10 in de comprimento e que foi submetido a uma tensão de tração de 345 MPa CIÊNCIAS DOS MATERIAIS Prof Dr Bruno Arantes Moreira Aula 06 parte 3 Propriedades mecânicas dos materiais Universidade Federal da Grande Dourados Propriedade dos materiais Resistência à tração Resistência à compressão Resistência ao cisalhamento Ductilidade Tenacidade Dureza Fadiga Fluência Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade do material de resistir a determinada carga ou força aplicada A partir da realização de ensaios mecânicos é possível determinar as propriedades dos materiais Principais propriedades dos materiais Ductilidade Representa uma medida do grau de deformação plástica que foi suportado até a fratura Capacidade dos materiais de se deformarem até a fratura Um material que experimenta uma deformação plástica muito pequena ou mesmo nenhuma é chamado de frágil Quanto mais ductil o material maior será a redução da área da seção transversal e maior será o alongamento antes da ruptura Ductilidade pode ser entendida como o potencial do material em formar um fio Materiais dúcteis e frágeis Materiais dúcteis aço estrutural cobre alumínio ouro Materiais frágeis ferro fundido cerâmicas vidro Ductilidade A ductilidade pode ser medida de duas maneiras a Alongamento percentual Al b Redução percentual na área Ra Materiais frágeis 5 de Al ou Ra Ductilidade a Alongamento percentual Al 0 0 100 fL L Al L Lf Comprimento no momento da fratura L0 Comprimento inicial Porcentagem do alongamento até o momento da fratura 0 0 0 il l l l l Ductilidade b Redução percentual na área Ra 0 0 100 f A A RA A Af Área da seção transversal no momento da fratura A0 Área da seção transversal inicial Porcentagem da redução da área de seção antes da fratura Resiliência Capacidade de um material absorver energia quando deformado elasticamente e após a remoção da carga permitir a recuperação desta energia 0 e Ur d εe Deformação no momento do escoamento A propriedade associada é o módulo de resiliência Ur Propriedade que representa a energia de deformação por unidade de volume exibida para tensionar um material desde um estado sem carga até a tensão limite de escoamento O módulo de resiliência é a área sob a curva tensãodeformação na região elástica 3 Energia J Unidade Volume m Resiliência 0 e Ur d Módulo de resiliência Lei de Hooke E 0 e Ur d E E 2 2 e Ur E d d E Assim um material resiliente possui baixo módulo de elasticidade e elevada tensão limite de escoamento Exemplo de materiais resilientes mola e borracha Tenacidade Capacidade do material de absorver energia até a fratura Área sob a curva até o ponto de ruptura tenacidade Os materiais dúcteis são mais tenazes do que os materiais frágeis Tenacidade d Exercício Determine a energia necessária para causar a fratura em um metal que experimenta tanto deformação elastica como deformação plástica Considere que o módulo de elasticidade é de 172 GPa e que a deformação elástica termina quando o nível de deformação é de 001 Para a deformação plástica suponha que a relação entre a tensão e a deformação é em que os valores para k e n são 6900 MPa e 030 respectivamente Além disso a deformação plástica ocorre entre valores de deformação de 001 e 075 em cujo ponto ocorre fratura k n Qual material possui maior limite de resistência à tração Qual material possui maior valor para tensão de escoamento Qual material consegue absorver mais energia até a ruptura Estudo de caso LRT LRT A B Exercício Qual material terá a maior redução percentual em área Justifique Qual material é o mais resistente Justifique CIÊNCIAS DOS MATERIAIS Prof Dr Bruno Arantes Moreira Aula 06 parte 6 Propriedades mecânicas dos materiais Universidade Federal da Grande Dourados Tensão verdadeira e deformação verdadeira A partir do ponto M o material está se tornando menos resistente A curva é montada com os cálculos de tensão baseados na área de seção inicial fratura Deformação elástica Deformação plástica uniforme estricção Não Não leva em conta a redução de área na região de pescoço 0 F A Algumas vezes é interessante expressar o comportamento como tensão verdadeira e deformação verdadeira Tensão de engenharia 0 F A v i F A Tensão verdadeira Deformação de engenharia Deformação verdadeira 0 0 il l l 0 ln i v l l Ai Área da seção transversal instantânea É mais fácil calcular a tensão a partir da área de seção transversal inicial 42 Fonte httpsensuscombrtensaodeengenhariavstensaoreal Exercício Um corpo de prova cilíndrico com diâmetro original de 128 mm é submetido a um ensaio de tração A tensão de engenharia na fratura é de f460 MPa é de e o diâmetro na fratura é de Df107 mm Determine a A ductilidade em termos de redução percentual de área RA b A tensão real na fratura CIÊNCIAS DOS MATERIAIS Prof Dr Bruno Arantes Moreira Aula 06 parte 7 Propriedades mecânicas dos materiais Universidade Federal da Grande Dourados Dureza Resistência que uma material apresenta ao risco ou a formação de uma marca permanente quando pressionado por outro material Os ensaios de dureza podem ser Por penetração Por risco Os materiais que riscam facilmente são chamados de macios Ensaios por risco Informações qualitativas 46 Os primeiros ensaios de dureza eram baseados em minerais naturais com uma escala construída em função da capacidade de um material riscar um outro mais macio Ensaios por penetração Informações quantitativas 47 Um material penetrador é forçado contra a superfície do material a ser testado Técnicas de ensaios de dureza mais utilizadas Brinell Rockwell Vickers Ensaios por penetração Brinell 48 Consiste em comprimir uma esfera de aço sobre uma superfície A unidade de dureza desse ensaio é HB Hardness Brinell É medido o diâmetro da calota formada e com isso determinado o valor da dureza do material em HB Essa compressão produzirá uma calota esférica de diâmetro d Fatores de projeto e segurança 49 Os materiais exibem uma certa variabilidade nas suas propriedades mecânicas medidas No projeto de materiais devem ser introduzidos fatores de segurança para proteção de possíveis falhas não previstas para quando o material entrar em serviço Imperfeições durante a fabricação Dano ao material Erros associados ao equipamento que realiza a medida Definindo tensão de trabalho t e t N N Fator de segurança varia entre 12 e 50 Solução Exercício Desejase dimensionar o diâmetro de uma coluna cilíndrica de aço para suportar uma carga máxima de tração de 110000 N O material possui tensão limite de escoamento de 310 MPa a O material será utilizado como uma peça sólida em um máquina de tração e t N
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CIÊNCIAS DOS MATERIAIS Prof Dr Bruno Arantes Moreira Aula 06 Propriedades mecânicas dos materiais Universidade Federal da Grande Dourados Introdução as propriedades mecânicas dos materiais Os materiais estão sujeitos a força ou carga Uma peça deve ser projetada de maneira que a deformação resultante não seja excessiva e não ocorra fratura Quais fatores influenciam na deformação exibida por um material Como podemos avaliar a deformação exibida pelo material como resposta a um esforço de natureza mecânica Natureza do material Magnitude da tensão imposta Condições ambientais A deformação de uma material em relação a uma força aplicada depende Como podemos avaliar a deformação exibido pelo material como resposta a um esforço de natureza mecânica Como avaliar o comportamento de um material A partir de ensaios mecânicos de tensãodeformação Um ensaio mecânico consiste em submeter o material a situações que simulam os esforços que eles estarão submetidos nas condições reais de uso Quais são os tipos de esforços mecânicos Tipos de esforços mecânicos Tração compressão Tração Produz um alongamento e uma deformação linear positiva A força é perpendicular ao plano de atuação da força Compressão produz uma contração e uma deformação linear negativa Tipos de esforços mecânicos Cisalhamento Torção Cisalhamento Produz uma deformação definida por um ângulo Força é a tangente ao plano de atuação Torção Produz um ângulo de torção definido por a partir da aplicação de um determinado torque Torque Força associada ao movimento de rotação de um corpo Propriedade dos materiais Resistência à tração Resistência à compressão Resistência ao cisalhamento Ductilidade Tenacidade Dureza Fadiga Fluência Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade do material de resistir a determinada carga ou força aplicada A partir da realização de ensaios mecânicos é possível determinar as propriedades dos materiais Principais propriedades dos materiais Os ensaios são realizados geralmente com corpos de prova amostra representativa do material 8 Realização de ensaios mecânicos Utilizase normas técnicas para o procedimento das medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os resultados sejam comparáveis Por razões técnicas e econômicas muitas vezes não é praticável realizar o ensaio na própria peça 9 Realização de ensaios mecânicos Máquina Universal de Ensaios pode realizar diversos tipos de ensaios mecânicos como ensaio de tração ensaio de compressão ensaio de cisalhamento ensaio de dobramento ensaio de embutimento ensaio de flexão etc Ensaios de tração O material é submetido à uma carga de tração gradativamente crescente até a fratura Um dos ensaios de tensãodeformação mais comuns é executado sob tração Corpo de prova padrão de seção circular O corpo de prova é alongado ao mesmo tempo em que mede a carga que está sendo aplicada e a deformação resultante por meio do extensômetro Ensaios de tração O resultado do ensaio de tração é registrado como força em função do alongamento Para minimizar esses fatores a força e o alongamento são normalizados para tensão e deformação 0 F A No entanto a força e o alongamento estão associados ao tamanho do corpo de prova F Força aplicada N Ao Área da seção transversal inicial 0 0 0 il l l l l Tensão Deformação l0 Comprimento inicial li Comprimento instantâneo ou final l Alongamento ou variação do comprimento em um dado instante 12 Curva típica de um material metálico em um ensaio de tração Baixas tensões tem se uma relação linear entre e Deformação elástica Para materiais submetidos a baixas tensões temse a seguinte relação E E Módulo de elastiscidade ou módulo de young GPa ou Psi Lei de Hooke P A lei de Hooke só é válida até este ponto Tg E Na região linear temse a deformação elástica mais rígido é o material E Na deformação elástica quando a carga aplicada é liberada a peça retorna a forma original Exercício Um pedaço de cobre com 305 mm de comprimento é submetido a uma tensão de 276 MPa em um ensaio de tração Se a deformação é inteiramente elástica qual será o comprimento após a aplicação da tensão li e o alongamento resultante l Considere o módulo de elasticidade no valor de E110 GPa L0305 mm Li lil0l 276 MPa CIÊNCIAS DOS MATERIAIS Prof Dr Bruno Arantes Moreira Aula 06 parte 2 Propriedades mecânicas dos materiais Universidade Federal da Grande Dourados Deformação plástica É irreversível resultado do deslocamento permanente dos átomos Provocada por tensões que ultrapassam o limite de elasticidade após a região linear Quando a tensão é removida os átomos não retornam a posição original e Região elástica Escoamento Região plástica Tensão limite de escoamento Tensão limite de escoamento Tensão onde ocorre o início da deformação plástica Tensão onde ocorre o início do escoamento do material Escoamento Caracterizado pelo aumento da deformação sem ocorrer o aumento da tensão Transição elastoplástica gradual Como determinar a tensão de escoamento para materiais com transição elastoplástica gradual Em diversos materiais a transição elástica para plástica ocorre de maneira gradual não sendo nítido o ponto de escoamento a Transição elastoplástica gradual b Transição elastoplástica bem definida Traçando uma linha paralela a porção elástica a partir de uma deformação definida geralmente 0002 Limite de resistência a tração LRT Corresponde à tensão máxima suportada por um material sob tração ponto M Após a LRT uma constriçãoou pescoço começa a se formar e toda deformação subsequente fica confinada nesse pescoço fratura Deformação elástica Deformação plástica uniforme estricção Tensão de ruptura Corresponde à tensão que promove a ruptura do material Representado no ponto F do gráfico fratura Deformação elástica Deformação plástica uniforme estricção A resistência a fratura corresponde à tensão no ponto de ruptura Exercício A partir do comportamento tensãodeformação em tração para o corpo de prova de latão determine a O módulo de elasticidade b A tensão limite de escoamento para uma prédeformação de 0002 c A tensão máxima de operação para não atingir a deformação plástica d A carga máxima que pode ser suportada por um corpo de prova cilíndrico que possui um diâmetro original de 128 mm 0505 in e A variação no comprimento de um corpo de prova originalmente com 250 mm 10 in de comprimento e que foi submetido a uma tensão de tração de 345 MPa CIÊNCIAS DOS MATERIAIS Prof Dr Bruno Arantes Moreira Aula 06 parte 3 Propriedades mecânicas dos materiais Universidade Federal da Grande Dourados Propriedade dos materiais Resistência à tração Resistência à compressão Resistência ao cisalhamento Ductilidade Tenacidade Dureza Fadiga Fluência Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade do material de resistir a determinada carga ou força aplicada A partir da realização de ensaios mecânicos é possível determinar as propriedades dos materiais Principais propriedades dos materiais Ductilidade Representa uma medida do grau de deformação plástica que foi suportado até a fratura Capacidade dos materiais de se deformarem até a fratura Um material que experimenta uma deformação plástica muito pequena ou mesmo nenhuma é chamado de frágil Quanto mais ductil o material maior será a redução da área da seção transversal e maior será o alongamento antes da ruptura Ductilidade pode ser entendida como o potencial do material em formar um fio Materiais dúcteis e frágeis Materiais dúcteis aço estrutural cobre alumínio ouro Materiais frágeis ferro fundido cerâmicas vidro Ductilidade A ductilidade pode ser medida de duas maneiras a Alongamento percentual Al b Redução percentual na área Ra Materiais frágeis 5 de Al ou Ra Ductilidade a Alongamento percentual Al 0 0 100 fL L Al L Lf Comprimento no momento da fratura L0 Comprimento inicial Porcentagem do alongamento até o momento da fratura 0 0 0 il l l l l Ductilidade b Redução percentual na área Ra 0 0 100 f A A RA A Af Área da seção transversal no momento da fratura A0 Área da seção transversal inicial Porcentagem da redução da área de seção antes da fratura Resiliência Capacidade de um material absorver energia quando deformado elasticamente e após a remoção da carga permitir a recuperação desta energia 0 e Ur d εe Deformação no momento do escoamento A propriedade associada é o módulo de resiliência Ur Propriedade que representa a energia de deformação por unidade de volume exibida para tensionar um material desde um estado sem carga até a tensão limite de escoamento O módulo de resiliência é a área sob a curva tensãodeformação na região elástica 3 Energia J Unidade Volume m Resiliência 0 e Ur d Módulo de resiliência Lei de Hooke E 0 e Ur d E E 2 2 e Ur E d d E Assim um material resiliente possui baixo módulo de elasticidade e elevada tensão limite de escoamento Exemplo de materiais resilientes mola e borracha Tenacidade Capacidade do material de absorver energia até a fratura Área sob a curva até o ponto de ruptura tenacidade Os materiais dúcteis são mais tenazes do que os materiais frágeis Tenacidade d Exercício Determine a energia necessária para causar a fratura em um metal que experimenta tanto deformação elastica como deformação plástica Considere que o módulo de elasticidade é de 172 GPa e que a deformação elástica termina quando o nível de deformação é de 001 Para a deformação plástica suponha que a relação entre a tensão e a deformação é em que os valores para k e n são 6900 MPa e 030 respectivamente Além disso a deformação plástica ocorre entre valores de deformação de 001 e 075 em cujo ponto ocorre fratura k n Qual material possui maior limite de resistência à tração Qual material possui maior valor para tensão de escoamento Qual material consegue absorver mais energia até a ruptura Estudo de caso LRT LRT A B Exercício Qual material terá a maior redução percentual em área Justifique Qual material é o mais resistente Justifique CIÊNCIAS DOS MATERIAIS Prof Dr Bruno Arantes Moreira Aula 06 parte 6 Propriedades mecânicas dos materiais Universidade Federal da Grande Dourados Tensão verdadeira e deformação verdadeira A partir do ponto M o material está se tornando menos resistente A curva é montada com os cálculos de tensão baseados na área de seção inicial fratura Deformação elástica Deformação plástica uniforme estricção Não Não leva em conta a redução de área na região de pescoço 0 F A Algumas vezes é interessante expressar o comportamento como tensão verdadeira e deformação verdadeira Tensão de engenharia 0 F A v i F A Tensão verdadeira Deformação de engenharia Deformação verdadeira 0 0 il l l 0 ln i v l l Ai Área da seção transversal instantânea É mais fácil calcular a tensão a partir da área de seção transversal inicial 42 Fonte httpsensuscombrtensaodeengenhariavstensaoreal Exercício Um corpo de prova cilíndrico com diâmetro original de 128 mm é submetido a um ensaio de tração A tensão de engenharia na fratura é de f460 MPa é de e o diâmetro na fratura é de Df107 mm Determine a A ductilidade em termos de redução percentual de área RA b A tensão real na fratura CIÊNCIAS DOS MATERIAIS Prof Dr Bruno Arantes Moreira Aula 06 parte 7 Propriedades mecânicas dos materiais Universidade Federal da Grande Dourados Dureza Resistência que uma material apresenta ao risco ou a formação de uma marca permanente quando pressionado por outro material Os ensaios de dureza podem ser Por penetração Por risco Os materiais que riscam facilmente são chamados de macios Ensaios por risco Informações qualitativas 46 Os primeiros ensaios de dureza eram baseados em minerais naturais com uma escala construída em função da capacidade de um material riscar um outro mais macio Ensaios por penetração Informações quantitativas 47 Um material penetrador é forçado contra a superfície do material a ser testado Técnicas de ensaios de dureza mais utilizadas Brinell Rockwell Vickers Ensaios por penetração Brinell 48 Consiste em comprimir uma esfera de aço sobre uma superfície A unidade de dureza desse ensaio é HB Hardness Brinell É medido o diâmetro da calota formada e com isso determinado o valor da dureza do material em HB Essa compressão produzirá uma calota esférica de diâmetro d Fatores de projeto e segurança 49 Os materiais exibem uma certa variabilidade nas suas propriedades mecânicas medidas No projeto de materiais devem ser introduzidos fatores de segurança para proteção de possíveis falhas não previstas para quando o material entrar em serviço Imperfeições durante a fabricação Dano ao material Erros associados ao equipamento que realiza a medida Definindo tensão de trabalho t e t N N Fator de segurança varia entre 12 e 50 Solução Exercício Desejase dimensionar o diâmetro de uma coluna cilíndrica de aço para suportar uma carga máxima de tração de 110000 N O material possui tensão limite de escoamento de 310 MPa a O material será utilizado como uma peça sólida em um máquina de tração e t N