Propriedades mecânicas dos metais

Propriedades Mecânicas dos Metais

Por que estudar propriedades mecânicas dos metais

É obrigação dos engenheiros compreenderem como as várias propriedades mecânicas são medidas e o que essas propriedades representam.

Objetivos

• Definir tensão de engenharia e deformação de engenharia.

• Formular a lei de Hooke.

• Definir o coeficiente de Poisson.

• Dado um diagrama tensão-deformação de engenharia, determinar (a) o módulo de elasticidade, (b) o limite de escoamento, (c) o limite de resistência e (d) estimar o alongamento percentual.

Introdução

Muitos materiais estão sujeitos, em serviço, a forças ou cargas: liga de alumínio das asas de um avião, por exemplo.

Necessário conhecer as propriedades do material tal que qualquer deformação não seja excessiva e não cause fratura.

As propriedades mecânicas de um material determinam a sua resposta (deformação) a uma força aplicada.

Propriedades mecânicas importantes: resistência, dureza, ductibilidade e rigidez.

As propriedades mecânicas são verificadas em laboratório usando equipamento especializado.

Fatores a serem considerados: natureza da força (carga) aplicada, e sua duração.

A carga pode ser de tração, compressão ou de cisalhamento.

A magnitude pode ser contínua ou variar constantemente.

O tempo de aplicação da carga pode ser de uma fração de segundo ou se estender por vários anos.

A temperatura de operação pode ser um fator importante.

Os ensaios para verificação das propriedades mecânicas de um material devem ser padronizados por um grupo de profissionais. No Brasil temos o Inmetro – Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial – www.inmetro.gov.br.

Conceitos de tensão e deformação

Se uma carga é aplicada sobre uma seção transversal ou na superfície de um membro, o comportamento mecânico pode ser verificado com um ensaio tensão-deformação.

Quatro maneiras principais de aplicação de carga: (a) tração, (b) compressão, (c) cisalhamento e (d) torção.

(a) representação de uma carga de tração produzindo alongamento, (b) carga de compressão produzindo contração, (c) esquema representativo de cisalhamento, (d) representação de deformação de torção.

Obs.: As linhas tracejadas representam a forma antes da aplicação da força (carga).

Ensaios de tração

O ensaio de tração pode ser usado para averiguar diversas propriedades.

Uma amostra é deformada, geralmente até a fratura, por uma carga de tração que é gradativamente aumentada e aplicada ao longo do eixo maior do corpo de prova.

Um corpo de prova padrão pode ser visto a seguir:

A máquina de ensaios de tração é projetada para alongar o corpo de prova constantemente.

Ao mesmo tempo é medida a carga aplicada (célula de carga) e os alongamentos resultantes (extensômetro).

É um ensaio destrutivo: corpo de prova deformado permanentemente e freqüentemente fraturado.

O resultado é registrado na forma de carga em função do alongamento.

Para minimizar os fatores geométricos, a carga e o alongamento são normalizados para seus parâmetros de tensão de engenharia e deformação de engenharia.

A tensão de engenharia é:

(eq. 1)

Onde F é a carga instantânea aplicada em Newtons (N) ou libra-força (lbf = 4,45N);

A0 é a área original da seção transversal antes da aplicação da força (m2 ou in2)

As unidades para tensão são: megapascal - MPa (1 MPa = 106 N/m2), e libra-força por polegada quadrada – psi (1 Mpa = 145 psi).

A deformação de engenharia é:

(eq. 2)

Onde l0 é o comprimento original e li é o comprimento instantâneo. ∆l representa o alongamento de deformação em um dado instante.

A deformação é adimensional, no entanto é comum ver a representação metros por metro ou polegadas por polegada. Ocasionalmente é expressa como uma porcentagem.

Ensaios de compressão

É semelhante a um ensaio de tração: a força é agora de compressão e o corpo se contrai.

Por convenção uma força de compressão é considerada negativa. Produz tensão negativa.

As equações 1 e 2 descrevem a tensão e deformação de compressão. Como l0 é maior que li a tensão e deformação serão negativas.

Ensaios de cisalhamento e de Torção

A tensão cisalhante é definida como:

(eq. 3)

A deformação de cisalhamento é definida como (ver Figura):

(eq. 4)

A torção é uma variação do cisalhamento puro.

Encontrado, por exemplo, em eixos de máquinas.

A tensão cisalhante de torção é função do torque T.

A deformação cisalhante de torção está relacionada ao ângulo de torção Φ.

Deformação elástica