Ciencia Dos Materiais

FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA

CIÊNCIA DOS MATERIAIS

1. CARACTERÍSTICAS DOS MATERIAIS USADOS EM ENGENHARIA

Materiais são substâncias com propriedades que as tornam úteis na construção de máquinas, estruturas, dispositivos e produtos.

Os materiais sólidos são freqüentemente classificados em três grupos principais: materiais metálicos, materiais cerâmicos e materiais poliméricos ou plásticos. Esta classificação é baseada na estrutura atômica e nas ligações químicas predominantes em cada grupo. Um quarto grupo, que foi incorporado nesta classificação nas últimas décadas, é o grupo dos materiais compósitos.

Os objetivos do estudo de materiais, é o de buscar soluções para projetos específicos, procurar novos materiais, bem como manipulá-los e analisar sua micro estrutura, segundo alguns critérios:

- Analisando as condições de serviços e de exposição.

- Quais as propriedades físicas e mecânicas esperadas?

- Viabilização econômica do projeto.

1.1. PROPRIEDADES MECÂNICAS

Muitos materiais, quando em serviço, são submetidos a forças ou cargas, como por exemplo a liga de alumínio usada em uma asa de avião e o aço do eixo da roda de um automóvel. Em tais situações é necessário conhecer as características do material e projetar o elemento estrutural a partir do qual ele é feito de tal maneira que qualquer resultante deformação não será excessiva e não ocorrerá fratura. O comportamento mecânico do material reflete a correlação entre sua resposta ou deformação a uma carga ou força aplicada.

As propriedades mecânicas de materiais são determinadas pela execução de ensaios que replicam tanto quanto possível as condições de trabalho. São considerados fatores como a natureza da carga aplicada e a sua duração, bem como as condições ambientais. A carga aplicada pode ser de tração, compressão, ou cisalhamento, e sua magnitude pode ser constante com o tempo, ou flutuar continuamente. O tempo de aplicação pode ser apenas uma fração de segundo ou ele pode estender-se por um período de muitos anos. A temperatura de serviço pode ser um importante fator.

A fim de se ter uma base comum para fazer comparações entre as propriedades estruturais e os efeitos das condições em serviço nas mesmas, vamos primeiramente definir alguns dos termos mais comuns em engenharia.

Tensão: é definida como força por unidade de área e é expressa em libras por polegada quadrada (psi) ou em kgf/cm2 ou kgf/mm2.

Exemplo: Qual a peça solicitada por maior tensão: (a) uma barra de alumínio, de seção reta 0,97 mm x 1,21 mm solicitada por uma carga de 16,75 kgf ou (b) uma barra de aço de seção circular de diâmetro 0,505, sob uma carga de 10,8 kgf?

Resposta: (a) kgf/mm2 (b) kgf/mm2

Como efeito da tensão, tem-se a deformação. O engenheiro comumente expressa deformação em uma de duas maneiras:

1) o número de centímetros de deformação por centímetro de comprimento deformado como uma porcentagem do comprimento;

2) o comprimento deformado como uma porcentagem do comprimento original. A deformação pode ser elástica ou plástica.

Deformação de engenharia: é definida de acordo com a relação:

= [(li - lo) / lo] = l / lo

na qual lo é o comprimento original antes que qualquer carga seja aplicada e li é o comprimento instantâneo.

Exemplo: Em uma haste de cobre são marcados dois traços que distam entre si 50 mm. A haste é tensionada de forma que a distância entre os traços passa a ser de 56,7 mm. Calcular a deformação.

Resposta: cm/cm = 13,5%

A deformação elástica é reversível; desaparece quando a tensão é removida. A deformação elástica é praticamente proporcional à tensão aplicada (Figura 1).

Figura 1 – Relação elástica tensão-deformação.

Módulo de elasticidade (módulo de Young): é o quociente entre a tensão aplicada e a deformação elástica resultante. Ele está relacionado com a rigidez do material. O módulo de elasticidade resultante de tração ou compressão é expresso em psi ou em kgf/mm2. O valor deste módulo é primordialmente determinado pela composição do material e é apenas indiretamente relacionado com as demais propriedades mecânicas. O módulo de elasticidade (E) é dado pela expressão:

Exemplo: Se o módulo de elasticidade de um aço é 21.000 kgf/mm2, quanto se elongará um fio de 0,25 cm de diâmetro e de 3 m de comprimento, quanto solicitado por uma carga de 500 kgf?

Resposta: 

deformação = 0,0043 cm/cm

Deformação total = 0,0043 x 300 = 1,29 cm

Deformação plástica é a deformação permanente provocada por tensões que ultrapassam o limite de elasticidade (Figura 2). A deformação plástica é o resultado de um deslocamento permanente dos átomos que constituem o material e, portanto, difere da deformação elástica onde os átomos mantêm suas posições relativas.

Figura 2 – Relação plástica tensão-deformação

Ductilidade é a deformação plástica total até o ponto de ruptura. Assim sendo, o seu valor pode ser expresso como alongamento e nas mesmas unidades de deformação. O comprimento considerado é importante pois a deformação plástica normalmente é localizada.

Uma segunda medida da ductilidade é a estricção que é a redução na área da seção reta do corpo, imediatamente antes da ruptura. Os materiais altamente dúcteis sofrem grandes reduções na área da seção reta antes da ruptura (Figura 3). Este índice é expresso em porcentagem e é calculado como se segue: