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PROPRIEDADES MECÂNICAS 56 Dureza 57 Fadiga 58 Fluência 59 Transição dúctilfrágil PROPRIEDADES ÓPTICAS 91 Introdução 92 Conceitos Básicos 93 Propriedades Ópticas De Metais 94 Propriedades Ópticas De Não Metais Ciência dos Materiais CIÊNCIA DOS MATERIAIS Aula 05 Prof Rubens Camaratta UFPEL 202301 1 5 PROPRIEDADES MECÂNICAS 51 Introdução 52 Diagrama tensão vs deformação 53 Região elástica 54 Região plástica 55 Fratura 56 Dureza 57 Fadiga 58 Fluência 59 Transição dúctilfrágil Ciência dos Materiais 56 Dureza MEDIDA DA RESISTÊNCIA DE UM MATERIAL A DEFORMAÇÃO PLÁSTICA LOCALIZADA O primeiro método padronizado de ensaio de dureza foi baseado no processo de riscagem de minerais padrões desenvolvido por Mohs em 1822 DUREZA Ciência dos Materiais 56 Dureza Valor da propriedade varia com o método empregado Tipos de ensaios Brinell Vickers Knoop Rockwell A profundidade ou o diâmetro de uma impressão causada por um indentador é medida e relacionada com a dureza Inconveniência da escala de Mohs A maioria dos metais apresenta durezas Mohs 4 e 8 e pequenas diferenças de dureza não são acusadas por este método Por exemplo um aço dúctil corresponde a uma dureza de 6 Mohs a mesma dureza Mohs de um aço temperado 56 Dureza Ciência dos Materiais 56 Dureza 56 Dureza Ciência dos Materiais 56 Dureza Características 1 Normalmente são ensaios simples e baratos nenhum corpo de prova especial precisa ser preparado e o equipamento de ensaio é relativamente barato 2 O ensaio é nãodestrutivo o corpo de prova nem é fraturado nem excessivamente deformado uma pequena impressão é a única deformação 3 Outras propriedades mecânicas podem com frequência ser estimadas a partir dos dados de dureza tal como limite de resistência a tração 56 Dureza Ciência dos Materiais 56 Dureza Dureza Rockwell Permite avaliar a dureza de metais diversos desde os mais moles aos mais duros É o processo mais utilizado no mundo devido à rapidez facilidade de execução facilidade de detectar diferenças de durezas e pequeno tamanho de impressão O número de dureza é determinado pela diferença na profundidade de penetração resultante da aplicação da carga inicial e da carga principal 56 Dureza Ciência dos Materiais 56 Dureza Dureza Rockwell Várias escalas diferentes podem ser utilizadas a partir de diferentes combinações de penetradores e cargas 56 Dureza Ciência dos Materiais 56 Dureza Dureza Brinell Consiste em comprimir lentamente uma esfera de aço temperado de diâmetro D sobre uma superfície plana polida e limpa de um metal por meio de uma carga F durante um tempo t produzindo uma calota esférica de diâmetro d P prof de impressão da colota ou Ac Área da calota impressa 56 Dureza Ciência dos Materiais 56 Dureza Durezas Knoop e Vickers Também conhecidas chamadas de microdurezas Knoop e Vickers devido ao tamanho do indetador Cargas muito menores que para as durezas Brinell e Rockwell Impressão resultante é observada em microscópio Pode ser necessária uma preparação cuidadosa da superfície do corpo de prova Utilizadas para materiais cerâmicos Knoop Vickers 56 Dureza Ciência dos Materiais 56 Dureza Indentação de microdureza Knoop bem sucedida em nitreto de silício Indentação de microdureza Vickers apresentando microtrincas em nitreto de silício 56 Dureza Ciência dos Materiais 56 Dureza 56 Dureza Ciência dos Materiais 56 Dureza Dureza de Choque Shore A impressão é causada pela queda livre de um êmbolo com uma ponta e altura padronizadas A dureza é proporcional à energia consumida para formar uma marca no corpo de prova Ciência dos Materiais 56 Dureza Dureza de Choque ou rebote Shore O equipamento de dureza Shore é leve e portátil sendo adequado à determinação de dureza de peças grandes Ex borrachas polímeros elastômeros metais para ensaios em campo Utilizada como alternativa para Brinell quando material é mto duro Ex 75 Shore 440 HB Equipamento portátil e de fácil utilização Pode medir dureza de peças de grandes dimensões Devese cuidar para se obter uma preparação correta da superfície Deve ser executado com o tubo perfeitamente na vertical Medições em peças pouco espessas são sensíveis ao tipo de apoio Ciência dos Materiais 56 Dureza Questões Ciência dos Materiais 56 Dureza A dureza MOHS foi o primeiro método de medida de dureza e se baseava na capacidade de riscagem dos minerais sendo atribuídos valores de 1 a 10 As medidas de dureza devem sempre trazer a informação do tipo de teste realizado Outras propriedades mecânicas podem ser estimadas a partir dos valores de dureza As durezas Knoop e Vickers podem ser chamadas de microdurezas devido ao tamanho diminuto dos seus indentadores Ensaios de microdurezas podem ser realizados em materiais cerâmicos V V V V V MECÂNICA Forma de falha que ocorre em estruturas submetidas a tensões dinâmicas e flutuantes A falha geralmente ocorre após vários ciclos de tensões inferiores a tensão de escoamento do material Componentes onde ocorrem Qualquer componente submetido a carregamento cíclico variação de magnitude em função do tempo 57 Fadiga Estruturas sob ação do tráfego ou de agentes naturais ventos terremotos Estradas férreas ou rodoviárias Pontes Placas de sinalização e fixações Máquinas e componentes rotativos Em geral Ciência dos Materiais 57 Fadiga MECÂNICA A fadiga ocorre em 3 estágios INÍCIO em pontos de concentração de tensão PROPAGAÇÃO a trinca propagase na peça através das tensões cíclicas Neste estágio surgem as estrias ou ondulações FRATURA a seção tornase pequena não suporta a carga aplicada Canto Entalhe Inclusão Defeito Defeito superficial Marcas de praia Ciência dos Materiais 57 Fadiga 57 Fadiga de Havilland Comet 1954 Volante de Ayrton Senna Fotografia ótica da superfície de fratura por fadiga de um eixo rotativo mostrando a origem da falha marcas de praia relativas à propagação da trinca e a ruptura final Região lisa propagação lenta da trinca ciclo a ciclo Região rugosa Falha rápida Ciência dos Materiais 57 Fadiga 57 Fadiga Estrias de fadiga mostrando a evolução da trinca ao longo do tempo onde o espaçamento entre cristas indica o avanço da trinca a cada ciclo Esta morfologia é observada na região de propagação lenta e controlada da trinca as tensões cíclicas aplicadas podem ser axiais de flexão de torção modos de flutuação de tensão Variação da tensão com o tempo a tensões contrárias b tensões repetidas c tensões aleatórias MECÂNICA ENSAIO PARA DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA À FADIGA 57 Fadiga Ciência dos Materiais 57 Fadiga Curvas S N Dois comportamentos são observados Material que apresenta LIMITE DE FADIGA Material que não apresenta limite de fadiga Al e Cu 57 Fadiga Ciência dos Materiais 57 Fadiga Curvas S N LIMITE DE FADIGA fatigue limit or endurance limit é o nível de tensão limite abaixo do qual a falha por fadiga nunca irá ocorrer RESISTÊNCIA À FADIGA é o nível de tensão no qual a falha por fadiga irá ocorrer para algum determinado número de ciclos VIDA EM FADIGA é o número de ciclos necessário para causar falha sob um nível de tensão específico Considerase que um material apresente vida infinita em fadiga se este suportar mais de 106 ciclos sem ruptura Definições 57 Fadiga Ciência dos Materiais 57 Fadiga Curvas S N 1 Caso apresente qual o limite de fadiga destes materiais 2 Qual a resistência à fadiga destes materiais para 100000 ciclos 3 Qual a vida em fadiga quando sujeitos à uma tensão de 200MNm2 57 Fadiga Ciência dos Materiais 57 Fadiga Efeitos de superfície que afetam a resistência a fadiga 1 Variáveis de projeto Entalhes descontinuidades geométricas cantos vivos rugosidade superficial são prejudiciais à vida em fadiga do material 2 Tratamentos de superfície Polimento tensões residuais compressivas superficiais endurecimento superficial nitretação cementação Efeito de shot peening Efeito de cementação na dureza 57 Fadiga Ciência dos Materiais 57 Fadiga Efeitos de superfície que afetam a resistência a fadiga 2 Tratamentos de superfície Os tratamentos de superfície possuem 03 objetivos básicos para aumentar a resistência a fadiga dos materiais 1 Aumentar a resistência mecânica da porção mais superficial do objeto através de tratamentos como têmpera superficial cementação nitretação e carbonitretação 2 Introduzir tensões residuais compressivas na superfície através da têmpera superficial ou tratamentos mecânicos como shot peening 3 Remover defeitos que sejam potenciais pontos de nucleação de trincas Efeito do shot peening na resistência a fadiga 57 Fadiga Ciência dos Materiais 57 Fadiga Tensões oriundas da expansão e retração térmica do material quando o mesmo é aquecido e resfriado ciclicamente αl E T Distribuição da temperatura e tensão para uma amostra submetida ao resfriamento um ciclo de aquecimentoresfriamento TÉRMICA Onde Tensão térmica desenvolvida αl Coef de expansão térmica E Módulo de Elasticidade T Variação térmica Regime de fadiga extremamente severo para materiais cerâmicos 57 Fadiga Ciência dos Materiais 57 Fadiga rompimento do material sob um estado de tensões constante durante um certo tempo em ambientes úmidos Visualização de um mecanismo alternativo para explicar a influência da umidade no crescimento subcrítico de trincas ESTÁTICA em materiais cerâmicos 57 Fadiga Ciência dos Materiais 57 Fadiga Questões Ciência dos Materiais 57 Fadiga Fadiga é o processo de início e crescimento de trincas até a falha de componentes sujeitos a esforços cíclicos Na fadiga componentes podem romper mesmo operando em tensões abaixo da sua tensão de escoamento Marcas de praia são características da superfície de fratura de um material que rompeu de maneira frágil A curva SN é a curva utilizada para avaliar o comportamento dos materiais em relação à fluência A fadiga térmica se dá por ciclos de aquecimento ou resfriamento capazes de provocar tensões nos materiais A fadiga estática se dá em qualquer tipo de material onde uma trinca cresce mesmo sem o material sofrer tensão V V F F V F Exemplo de fluência em uma liga de solda SnPb sob várias temperaturas homologas 58 Fluência Ciência dos Materiais 58 Fluência Material submetido a uma carga ou tensão constante pode sofrer uma deformação plástica ao longo do tempo FLUÊNCIA Ocorre em altas temperaturas diversos grãos são solicitados por uma carga trativa vertical tração numa direção contração na outra átomos ao longo dos contornos verticais são aglomerados átomos ao longo dos contornos horizontais há um aumento no seu espaçamento Ocorre a difusão de átomos dos contornos verticais para os horizontais e o efeito global é a mudança na forma do metal 58 Fluência Ciência dos Materiais 58 Fluência Fluência menos susceptível em uma palheta de turbina de um único cristal 58 Fluência Ciência dos Materiais 58 Fluência CURVA DE FLUÊNCIA Variação do comprimento do corpodeprova ao longo do tempo em função do tempo 3 estágios I Alongamento inicial instantâneo do corpodeprova taxa de fluência diminui ao longo do tempo II Declive da curva de fluência é a taxa de fluência que é constante nesta fase III Velocidade de fluência aumenta rapidamente com o tempo até a ruptura 58 Fluência Ciência dos Materiais 58 Fluência DEFORMAÇÃO A BAIXAS TEMPERATURAS Metais de granulação fina são mais resistentes do que os de granulometria grosseira DEFORMAÇÃO A ALTAS TEMPERATURAS Em altas temperaturas os átomos tem maior mobilidade o contorno de grão é uma ponte de fraqueza para o material Logo quanto maior a quantidade de contornos de grãos maior é a deformação por fluência Influência do tamanho de grão Principal mecanismo de deformação movimento de discordâncias Principal mecanismo de deformação fluência 58 Fluência Ciência dos Materiais 58 Fluência Altas T Baixas T 58 Fluência Ciência dos Materiais 58 Fluência INFLUÊNCIAS Depende tensão aplicada temperatura Influência da tensão e temperatura Deformação ε Tempo 58 Fluência Ciência dos Materiais 58 Fluência Questões Ciência dos Materiais 58 Fluência A fluência é um fenômeno que ocorre somente em materiais metálicos O mecanismo pelo qual ocorre a deformação na fluência é o movimento de discordâncias Em um ensaio de fluência a taxa de fluência só pode ser determinada no estágio intermediário da curva de fluência Na fluência o contorno de grão é um ponto fraco do material sendo que materiais com grãos pequenos terão maior susceptibilidade a deformação por fluência Materiais acima da temperatura equicoesiva têm maior resistência mecânica se tiverem grãos pequenos Para que ocorra a fluência a difusão atômica é necessária F F V V F V Ensaios de impacto Charpy e Izod Medem a energia de impacto tenacidade ao entalhe Resultados mais qualitativos 59 Transição dúctilfrágil 59 Transição dúctilfrágil Ciência dos Materiais Curvas esquemáticas de 3 diferentes comportamento em ensaio Charpy Ciência dos Materiais 51 Propriedades Mecânicas 59 Transição dúctilfrágil 59 Transição dúctilfrágil Ciência dos Materiais Causa aumento da temperatura transição numa junta de solda devido ao crescimento de grão Grãos grossos Grãos finos 59 Transição dúctilfrágil 59 Transição dúctilfrágil Ciência dos Materiais Fragilização dos materiais em baixas temperaturas exemplo para aços de construção naval 59 Transição dúctilfrágil 59 Transição dúctilfrágil Ciência dos Materiais 59 Transição dúctilfrágil Questões Ciência dos Materiais A transição dúctilfrágil pode ser observada pelo ensaio de impacto no qual a absorção de energia no impacto é medida Se a absorção de energia for pequena o material está com comportamento dúctil Se a absorção de energia for alta o material está com comportamento frágil Metais que apresentam acentuada transição dúctilfrágil são os que possuem estrutura CCC Características microestruturais não afetam a temperatura de transição dúctilfrágil de dos materiais F V F 91 Introdução Propriedades óticas resposta ou reação de um material à incidência de radiação eletromagnética e em particular a luz visível Radiação eletromagnética mecânica clássica ondas mecânica quântica fótons Formas de radiação eletromagnética luz calor por IR ondas de radar ondas de rádio e raios X Espectro de radiações eletromagnéticas 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas Espectro de radiação solar Cada comprimento de onda equivale à uma energia do fóton Luz visível Emín 18 eV Emáx 31 eV 91 Introdução 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas 92 Conceitos básicos Feixe de luz incide no sólido com intensidade I0 parte é transmitida It parte é absorvida Ia parte é refletida Ir I0 It Ia Ir em Wm2 ou T A R 1 Onde T transmitância ItI0 A absorbância IaI0 R refletância IrI0 Se T AR materiais transparentes T AR materiais opacos T pequeno materiais translúcidos Transmitância Absorbância e Refletância 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas METAIS Refletância dos metais entre 090 e 095 dissipação do calor POR QUÊ e que foram promovidos acima do nível de Fermi pela absorção de fótons de luz decaem para níveis menores de energia e reemitem a luz Metais são opacos a radiações eletromagnéticas de ondas de rádio TV microondas infravermelho Metais podem ser transparentes a radiações eletromagnéticas de Ex raios 93 Propriedades óticas dos materiais metálicos 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas METAIS 93 Propriedades óticas dos materiais metálicos 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas SEMICONDUTORES E ISOLANTES 94 Propriedades óticas dos materiais não metálicos Cerâmicos e polímeros não apresentam e livres responsáveis pelo efeito de espelho Fenômenos importantes Absorção Transmissão Refração e Reflexão REFRAÇÃO n E REFLEXÃO R Velocidade de propagação da luz no sólido transparente é menor que no ar feixe de luz muda de direção na interface arsólido Índice de refração Índice de refração de alguns materiais cerâmicos Material Índice de refração Vidro de sílica 1458 Vidro pyrex 147 Vidro óptico flint 165 Al2O3 α 176 MgO periclásio 174 Quartzo 155 R Quanto maior n do material maior R CERÂMICOS e POLÍMEROS 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas ABSORÇÃOA E TRANSMISSÃO T CERÂMICOS e POLÍMEROS Transações eletrônicas para comprimentos específicos são geradas quando impurezas ou outros defeitos introduzem níveis aceitadores ou doadores dentro do bandgap do material 94 Propriedades óticas dos materiais não metálicos 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas ABSORÇÃOA E TRANSMISSÃO T materiais transparentes podem ser coloridos translúcidos a cor dos materiais transparentes é uma combinação dos comprimentos transmitidos Absorção de fótons por e da banda de valência promovendoos à banda de condução em nãometais também é possível desde que os e superem a banda proibida Comprimentos de onda absorvidos nm e cores complementares CERÂMICOS e POLÍMEROS 94 Propriedades óticas dos materiais não metálicos 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas ABSORÇÃOA E TRANSMISSÃO T Impurezas podem contribuir para que alguns comprimentos de onda sejam absorvidos Ex safira e rubi Safira cristal puro de Al2O3 isolante Transparente 94 Propriedades óticas dos materiais não metálicos 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas Rubi safira onde uma pequena quantidade de íons Cr3 substitui o Al3 causa absorção na região de luz azul do espectro visível Cristal resultante vermelho ABSORÇÃOA E TRANSMISSÃO T Impurezas podem contribuir para que alguns comprimentos de onda sejam absorvidos Cor dos vidros pode ser modificada pela adição de óxidos de elementos de transição Ex adição de 001 a 003 de CoO coloração azulada adição de 02 de NiO coloração púrpura adição de 10 de FeO amarelo esverdeada 94 Propriedades óticas dos materiais não metálicos 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas Por que muitos materiais são opacos mesmo não absorvendo os comprimentos de luz visíveis R A e T dependem do material do caminho ótico incidente 94 Propriedades óticas dos materiais não metálicos 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas ABSORÇÃO A E TRANSMISSÃO T Defeitos no material espalham a luz e podem tornálo transparente translúcido ou opaco Ex monocristal de safira Al2O3 transparente policristal de safira sem poros translúcido policristal de safira com 5 poros opaco Variação da transmitância com incidente para diversos materiais Exemplo lâmpada de sódio 1000oC com tubo de alumina 100 lúmensW convencional 15 lúmensW Alumina convencional opaca Alumina translúcida porosidade 3 porosidade 03 94 Propriedades óticas dos materiais não metálicos 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas Questões Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas Os fenômenos de interação da luz com a matéria podem ser analisados tanto pela mecânica quântica que trata a luz como ondas como pela mecânica clássica que trata a luz como fótons Os metais têm aparência refletiva para a luz visível devido a absorção dos fótons pela excitação eletrônica e decaimento desses elétrons excitados emitindo outro fóton de mesma energia do fóton incidente Materiais cerâmicos puros podem ser transparentes se não tiverem muitos defeitos microestruturais A cor dos materiais translúcidos se dá pela incorporação de dopantes que fornecem níveis de energia dentro do bandgap dos isolantes A opacidade dos materiais cerâmicos se dá pelos fótons que são absorvidos por efeitos eletrônicos F V V V F
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PROPRIEDADES MECÂNICAS 56 Dureza 57 Fadiga 58 Fluência 59 Transição dúctilfrágil PROPRIEDADES ÓPTICAS 91 Introdução 92 Conceitos Básicos 93 Propriedades Ópticas De Metais 94 Propriedades Ópticas De Não Metais Ciência dos Materiais CIÊNCIA DOS MATERIAIS Aula 05 Prof Rubens Camaratta UFPEL 202301 1 5 PROPRIEDADES MECÂNICAS 51 Introdução 52 Diagrama tensão vs deformação 53 Região elástica 54 Região plástica 55 Fratura 56 Dureza 57 Fadiga 58 Fluência 59 Transição dúctilfrágil Ciência dos Materiais 56 Dureza MEDIDA DA RESISTÊNCIA DE UM MATERIAL A DEFORMAÇÃO PLÁSTICA LOCALIZADA O primeiro método padronizado de ensaio de dureza foi baseado no processo de riscagem de minerais padrões desenvolvido por Mohs em 1822 DUREZA Ciência dos Materiais 56 Dureza Valor da propriedade varia com o método empregado Tipos de ensaios Brinell Vickers Knoop Rockwell A profundidade ou o diâmetro de uma impressão causada por um indentador é medida e relacionada com a dureza Inconveniência da escala de Mohs A maioria dos metais apresenta durezas Mohs 4 e 8 e pequenas diferenças de dureza não são acusadas por este método Por exemplo um aço dúctil corresponde a uma dureza de 6 Mohs a mesma dureza Mohs de um aço temperado 56 Dureza Ciência dos Materiais 56 Dureza 56 Dureza Ciência dos Materiais 56 Dureza Características 1 Normalmente são ensaios simples e baratos nenhum corpo de prova especial precisa ser preparado e o equipamento de ensaio é relativamente barato 2 O ensaio é nãodestrutivo o corpo de prova nem é fraturado nem excessivamente deformado uma pequena impressão é a única deformação 3 Outras propriedades mecânicas podem com frequência ser estimadas a partir dos dados de dureza tal como limite de resistência a tração 56 Dureza Ciência dos Materiais 56 Dureza Dureza Rockwell Permite avaliar a dureza de metais diversos desde os mais moles aos mais duros É o processo mais utilizado no mundo devido à rapidez facilidade de execução facilidade de detectar diferenças de durezas e pequeno tamanho de impressão O número de dureza é determinado pela diferença na profundidade de penetração resultante da aplicação da carga inicial e da carga principal 56 Dureza Ciência dos Materiais 56 Dureza Dureza Rockwell Várias escalas diferentes podem ser utilizadas a partir de diferentes combinações de penetradores e cargas 56 Dureza Ciência dos Materiais 56 Dureza Dureza Brinell Consiste em comprimir lentamente uma esfera de aço temperado de diâmetro D sobre uma superfície plana polida e limpa de um metal por meio de uma carga F durante um tempo t produzindo uma calota esférica de diâmetro d P prof de impressão da colota ou Ac Área da calota impressa 56 Dureza Ciência dos Materiais 56 Dureza Durezas Knoop e Vickers Também conhecidas chamadas de microdurezas Knoop e Vickers devido ao tamanho do indetador Cargas muito menores que para as durezas Brinell e Rockwell Impressão resultante é observada em microscópio Pode ser necessária uma preparação cuidadosa da superfície do corpo de prova Utilizadas para materiais cerâmicos Knoop Vickers 56 Dureza Ciência dos Materiais 56 Dureza Indentação de microdureza Knoop bem sucedida em nitreto de silício Indentação de microdureza Vickers apresentando microtrincas em nitreto de silício 56 Dureza Ciência dos Materiais 56 Dureza 56 Dureza Ciência dos Materiais 56 Dureza Dureza de Choque Shore A impressão é causada pela queda livre de um êmbolo com uma ponta e altura padronizadas A dureza é proporcional à energia consumida para formar uma marca no corpo de prova Ciência dos Materiais 56 Dureza Dureza de Choque ou rebote Shore O equipamento de dureza Shore é leve e portátil sendo adequado à determinação de dureza de peças grandes Ex borrachas polímeros elastômeros metais para ensaios em campo Utilizada como alternativa para Brinell quando material é mto duro Ex 75 Shore 440 HB Equipamento portátil e de fácil utilização Pode medir dureza de peças de grandes dimensões Devese cuidar para se obter uma preparação correta da superfície Deve ser executado com o tubo perfeitamente na vertical Medições em peças pouco espessas são sensíveis ao tipo de apoio Ciência dos Materiais 56 Dureza Questões Ciência dos Materiais 56 Dureza A dureza MOHS foi o primeiro método de medida de dureza e se baseava na capacidade de riscagem dos minerais sendo atribuídos valores de 1 a 10 As medidas de dureza devem sempre trazer a informação do tipo de teste realizado Outras propriedades mecânicas podem ser estimadas a partir dos valores de dureza As durezas Knoop e Vickers podem ser chamadas de microdurezas devido ao tamanho diminuto dos seus indentadores Ensaios de microdurezas podem ser realizados em materiais cerâmicos V V V V V MECÂNICA Forma de falha que ocorre em estruturas submetidas a tensões dinâmicas e flutuantes A falha geralmente ocorre após vários ciclos de tensões inferiores a tensão de escoamento do material Componentes onde ocorrem Qualquer componente submetido a carregamento cíclico variação de magnitude em função do tempo 57 Fadiga Estruturas sob ação do tráfego ou de agentes naturais ventos terremotos Estradas férreas ou rodoviárias Pontes Placas de sinalização e fixações Máquinas e componentes rotativos Em geral Ciência dos Materiais 57 Fadiga MECÂNICA A fadiga ocorre em 3 estágios INÍCIO em pontos de concentração de tensão PROPAGAÇÃO a trinca propagase na peça através das tensões cíclicas Neste estágio surgem as estrias ou ondulações FRATURA a seção tornase pequena não suporta a carga aplicada Canto Entalhe Inclusão Defeito Defeito superficial Marcas de praia Ciência dos Materiais 57 Fadiga 57 Fadiga de Havilland Comet 1954 Volante de Ayrton Senna Fotografia ótica da superfície de fratura por fadiga de um eixo rotativo mostrando a origem da falha marcas de praia relativas à propagação da trinca e a ruptura final Região lisa propagação lenta da trinca ciclo a ciclo Região rugosa Falha rápida Ciência dos Materiais 57 Fadiga 57 Fadiga Estrias de fadiga mostrando a evolução da trinca ao longo do tempo onde o espaçamento entre cristas indica o avanço da trinca a cada ciclo Esta morfologia é observada na região de propagação lenta e controlada da trinca as tensões cíclicas aplicadas podem ser axiais de flexão de torção modos de flutuação de tensão Variação da tensão com o tempo a tensões contrárias b tensões repetidas c tensões aleatórias MECÂNICA ENSAIO PARA DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA À FADIGA 57 Fadiga Ciência dos Materiais 57 Fadiga Curvas S N Dois comportamentos são observados Material que apresenta LIMITE DE FADIGA Material que não apresenta limite de fadiga Al e Cu 57 Fadiga Ciência dos Materiais 57 Fadiga Curvas S N LIMITE DE FADIGA fatigue limit or endurance limit é o nível de tensão limite abaixo do qual a falha por fadiga nunca irá ocorrer RESISTÊNCIA À FADIGA é o nível de tensão no qual a falha por fadiga irá ocorrer para algum determinado número de ciclos VIDA EM FADIGA é o número de ciclos necessário para causar falha sob um nível de tensão específico Considerase que um material apresente vida infinita em fadiga se este suportar mais de 106 ciclos sem ruptura Definições 57 Fadiga Ciência dos Materiais 57 Fadiga Curvas S N 1 Caso apresente qual o limite de fadiga destes materiais 2 Qual a resistência à fadiga destes materiais para 100000 ciclos 3 Qual a vida em fadiga quando sujeitos à uma tensão de 200MNm2 57 Fadiga Ciência dos Materiais 57 Fadiga Efeitos de superfície que afetam a resistência a fadiga 1 Variáveis de projeto Entalhes descontinuidades geométricas cantos vivos rugosidade superficial são prejudiciais à vida em fadiga do material 2 Tratamentos de superfície Polimento tensões residuais compressivas superficiais endurecimento superficial nitretação cementação Efeito de shot peening Efeito de cementação na dureza 57 Fadiga Ciência dos Materiais 57 Fadiga Efeitos de superfície que afetam a resistência a fadiga 2 Tratamentos de superfície Os tratamentos de superfície possuem 03 objetivos básicos para aumentar a resistência a fadiga dos materiais 1 Aumentar a resistência mecânica da porção mais superficial do objeto através de tratamentos como têmpera superficial cementação nitretação e carbonitretação 2 Introduzir tensões residuais compressivas na superfície através da têmpera superficial ou tratamentos mecânicos como shot peening 3 Remover defeitos que sejam potenciais pontos de nucleação de trincas Efeito do shot peening na resistência a fadiga 57 Fadiga Ciência dos Materiais 57 Fadiga Tensões oriundas da expansão e retração térmica do material quando o mesmo é aquecido e resfriado ciclicamente αl E T Distribuição da temperatura e tensão para uma amostra submetida ao resfriamento um ciclo de aquecimentoresfriamento TÉRMICA Onde Tensão térmica desenvolvida αl Coef de expansão térmica E Módulo de Elasticidade T Variação térmica Regime de fadiga extremamente severo para materiais cerâmicos 57 Fadiga Ciência dos Materiais 57 Fadiga rompimento do material sob um estado de tensões constante durante um certo tempo em ambientes úmidos Visualização de um mecanismo alternativo para explicar a influência da umidade no crescimento subcrítico de trincas ESTÁTICA em materiais cerâmicos 57 Fadiga Ciência dos Materiais 57 Fadiga Questões Ciência dos Materiais 57 Fadiga Fadiga é o processo de início e crescimento de trincas até a falha de componentes sujeitos a esforços cíclicos Na fadiga componentes podem romper mesmo operando em tensões abaixo da sua tensão de escoamento Marcas de praia são características da superfície de fratura de um material que rompeu de maneira frágil A curva SN é a curva utilizada para avaliar o comportamento dos materiais em relação à fluência A fadiga térmica se dá por ciclos de aquecimento ou resfriamento capazes de provocar tensões nos materiais A fadiga estática se dá em qualquer tipo de material onde uma trinca cresce mesmo sem o material sofrer tensão V V F F V F Exemplo de fluência em uma liga de solda SnPb sob várias temperaturas homologas 58 Fluência Ciência dos Materiais 58 Fluência Material submetido a uma carga ou tensão constante pode sofrer uma deformação plástica ao longo do tempo FLUÊNCIA Ocorre em altas temperaturas diversos grãos são solicitados por uma carga trativa vertical tração numa direção contração na outra átomos ao longo dos contornos verticais são aglomerados átomos ao longo dos contornos horizontais há um aumento no seu espaçamento Ocorre a difusão de átomos dos contornos verticais para os horizontais e o efeito global é a mudança na forma do metal 58 Fluência Ciência dos Materiais 58 Fluência Fluência menos susceptível em uma palheta de turbina de um único cristal 58 Fluência Ciência dos Materiais 58 Fluência CURVA DE FLUÊNCIA Variação do comprimento do corpodeprova ao longo do tempo em função do tempo 3 estágios I Alongamento inicial instantâneo do corpodeprova taxa de fluência diminui ao longo do tempo II Declive da curva de fluência é a taxa de fluência que é constante nesta fase III Velocidade de fluência aumenta rapidamente com o tempo até a ruptura 58 Fluência Ciência dos Materiais 58 Fluência DEFORMAÇÃO A BAIXAS TEMPERATURAS Metais de granulação fina são mais resistentes do que os de granulometria grosseira DEFORMAÇÃO A ALTAS TEMPERATURAS Em altas temperaturas os átomos tem maior mobilidade o contorno de grão é uma ponte de fraqueza para o material Logo quanto maior a quantidade de contornos de grãos maior é a deformação por fluência Influência do tamanho de grão Principal mecanismo de deformação movimento de discordâncias Principal mecanismo de deformação fluência 58 Fluência Ciência dos Materiais 58 Fluência Altas T Baixas T 58 Fluência Ciência dos Materiais 58 Fluência INFLUÊNCIAS Depende tensão aplicada temperatura Influência da tensão e temperatura Deformação ε Tempo 58 Fluência Ciência dos Materiais 58 Fluência Questões Ciência dos Materiais 58 Fluência A fluência é um fenômeno que ocorre somente em materiais metálicos O mecanismo pelo qual ocorre a deformação na fluência é o movimento de discordâncias Em um ensaio de fluência a taxa de fluência só pode ser determinada no estágio intermediário da curva de fluência Na fluência o contorno de grão é um ponto fraco do material sendo que materiais com grãos pequenos terão maior susceptibilidade a deformação por fluência Materiais acima da temperatura equicoesiva têm maior resistência mecânica se tiverem grãos pequenos Para que ocorra a fluência a difusão atômica é necessária F F V V F V Ensaios de impacto Charpy e Izod Medem a energia de impacto tenacidade ao entalhe Resultados mais qualitativos 59 Transição dúctilfrágil 59 Transição dúctilfrágil Ciência dos Materiais Curvas esquemáticas de 3 diferentes comportamento em ensaio Charpy Ciência dos Materiais 51 Propriedades Mecânicas 59 Transição dúctilfrágil 59 Transição dúctilfrágil Ciência dos Materiais Causa aumento da temperatura transição numa junta de solda devido ao crescimento de grão Grãos grossos Grãos finos 59 Transição dúctilfrágil 59 Transição dúctilfrágil Ciência dos Materiais Fragilização dos materiais em baixas temperaturas exemplo para aços de construção naval 59 Transição dúctilfrágil 59 Transição dúctilfrágil Ciência dos Materiais 59 Transição dúctilfrágil Questões Ciência dos Materiais A transição dúctilfrágil pode ser observada pelo ensaio de impacto no qual a absorção de energia no impacto é medida Se a absorção de energia for pequena o material está com comportamento dúctil Se a absorção de energia for alta o material está com comportamento frágil Metais que apresentam acentuada transição dúctilfrágil são os que possuem estrutura CCC Características microestruturais não afetam a temperatura de transição dúctilfrágil de dos materiais F V F 91 Introdução Propriedades óticas resposta ou reação de um material à incidência de radiação eletromagnética e em particular a luz visível Radiação eletromagnética mecânica clássica ondas mecânica quântica fótons Formas de radiação eletromagnética luz calor por IR ondas de radar ondas de rádio e raios X Espectro de radiações eletromagnéticas 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas Espectro de radiação solar Cada comprimento de onda equivale à uma energia do fóton Luz visível Emín 18 eV Emáx 31 eV 91 Introdução 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas 92 Conceitos básicos Feixe de luz incide no sólido com intensidade I0 parte é transmitida It parte é absorvida Ia parte é refletida Ir I0 It Ia Ir em Wm2 ou T A R 1 Onde T transmitância ItI0 A absorbância IaI0 R refletância IrI0 Se T AR materiais transparentes T AR materiais opacos T pequeno materiais translúcidos Transmitância Absorbância e Refletância 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas METAIS Refletância dos metais entre 090 e 095 dissipação do calor POR QUÊ e que foram promovidos acima do nível de Fermi pela absorção de fótons de luz decaem para níveis menores de energia e reemitem a luz Metais são opacos a radiações eletromagnéticas de ondas de rádio TV microondas infravermelho Metais podem ser transparentes a radiações eletromagnéticas de Ex raios 93 Propriedades óticas dos materiais metálicos 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas METAIS 93 Propriedades óticas dos materiais metálicos 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas SEMICONDUTORES E ISOLANTES 94 Propriedades óticas dos materiais não metálicos Cerâmicos e polímeros não apresentam e livres responsáveis pelo efeito de espelho Fenômenos importantes Absorção Transmissão Refração e Reflexão REFRAÇÃO n E REFLEXÃO R Velocidade de propagação da luz no sólido transparente é menor que no ar feixe de luz muda de direção na interface arsólido Índice de refração Índice de refração de alguns materiais cerâmicos Material Índice de refração Vidro de sílica 1458 Vidro pyrex 147 Vidro óptico flint 165 Al2O3 α 176 MgO periclásio 174 Quartzo 155 R Quanto maior n do material maior R CERÂMICOS e POLÍMEROS 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas ABSORÇÃOA E TRANSMISSÃO T CERÂMICOS e POLÍMEROS Transações eletrônicas para comprimentos específicos são geradas quando impurezas ou outros defeitos introduzem níveis aceitadores ou doadores dentro do bandgap do material 94 Propriedades óticas dos materiais não metálicos 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas ABSORÇÃOA E TRANSMISSÃO T materiais transparentes podem ser coloridos translúcidos a cor dos materiais transparentes é uma combinação dos comprimentos transmitidos Absorção de fótons por e da banda de valência promovendoos à banda de condução em nãometais também é possível desde que os e superem a banda proibida Comprimentos de onda absorvidos nm e cores complementares CERÂMICOS e POLÍMEROS 94 Propriedades óticas dos materiais não metálicos 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas ABSORÇÃOA E TRANSMISSÃO T Impurezas podem contribuir para que alguns comprimentos de onda sejam absorvidos Ex safira e rubi Safira cristal puro de Al2O3 isolante Transparente 94 Propriedades óticas dos materiais não metálicos 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas Rubi safira onde uma pequena quantidade de íons Cr3 substitui o Al3 causa absorção na região de luz azul do espectro visível Cristal resultante vermelho ABSORÇÃOA E TRANSMISSÃO T Impurezas podem contribuir para que alguns comprimentos de onda sejam absorvidos Cor dos vidros pode ser modificada pela adição de óxidos de elementos de transição Ex adição de 001 a 003 de CoO coloração azulada adição de 02 de NiO coloração púrpura adição de 10 de FeO amarelo esverdeada 94 Propriedades óticas dos materiais não metálicos 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas Por que muitos materiais são opacos mesmo não absorvendo os comprimentos de luz visíveis R A e T dependem do material do caminho ótico incidente 94 Propriedades óticas dos materiais não metálicos 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas ABSORÇÃO A E TRANSMISSÃO T Defeitos no material espalham a luz e podem tornálo transparente translúcido ou opaco Ex monocristal de safira Al2O3 transparente policristal de safira sem poros translúcido policristal de safira com 5 poros opaco Variação da transmitância com incidente para diversos materiais Exemplo lâmpada de sódio 1000oC com tubo de alumina 100 lúmensW convencional 15 lúmensW Alumina convencional opaca Alumina translúcida porosidade 3 porosidade 03 94 Propriedades óticas dos materiais não metálicos 9 PROPRIEDADES ÓPTICAS Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas Questões Ciência dos Materiais 9 Propriedades Ópticas Os fenômenos de interação da luz com a matéria podem ser analisados tanto pela mecânica quântica que trata a luz como ondas como pela mecânica clássica que trata a luz como fótons Os metais têm aparência refletiva para a luz visível devido a absorção dos fótons pela excitação eletrônica e decaimento desses elétrons excitados emitindo outro fóton de mesma energia do fóton incidente Materiais cerâmicos puros podem ser transparentes se não tiverem muitos defeitos microestruturais A cor dos materiais translúcidos se dá pela incorporação de dopantes que fornecem níveis de energia dentro do bandgap dos isolantes A opacidade dos materiais cerâmicos se dá pelos fótons que são absorvidos por efeitos eletrônicos F V V V F