Slide - Aula 6 Propriedades Mecânicas 2022-2

1/26/2023 ee ——— 9 @ iy © a uti AIX. DEMa = Sd DISCIPLINA - 35033: a INTRODUGAO A TECNOLOGIA CIENCIA E TECNOLOGIA DOS AULA 06 — PROPRIEDADES MECANICAS MATERIAIS (TURMA C) DOS METAIS E DAS CERAMICAS — —— — ENSAIOS PROFA. DRA. JULIANA MARA PINTO DE ALMEIDA FADIGA Juliana.almeida@ufscar.br SALA 60-62 CV: http://lattes.cnpg.br/7830925338249360 ENSAIOS MECANICOS CONCEITOS DE TENSAO E = DEFORMACAO || , © i Tensile Bending Compressive “Shear | F . | i @) pe | ‘ Tensdo de Engenharia: i ‘| h— _ a F i. Force | fa o = — [MPa] | tre | | Ao 4 4 crosshead : 4 ‘ t io L3 Ey ~ . loa & S A unidirectional force is - jt eformagao de Engenharia: i iu 2 Gee applied to a specimen in | “ay — — ee | ae 1, —Ip Adimensional ; 4 2 > length the tensile test by means 4 mh €= —— iu = = of the moveable F . lo | || crosshead. The cross- . . i _ _ head movement can be Tragao Compresséo ° a | = performed using screws GI LS or a hydraulic mechanism 42> a> ~ Regime elastico CONCEITOS DE TENSAO E - DEFORMACAO . * Tensao de Engenharia: 7 / Oe A. a F lo | l | T= Limite de i rf | Ao escoamento [ * Deformagado de Engenharia: _ > le = tan@ : Cisalhamento : . : : , . E See eee 1 8 — eal : Deformacdoéhomogcnreaanso —=____“§MCOH . sage volume da amostra nao é constante! . sage Regime elastico , : Regime elastico Méddulo de Poisson v=-e,/e, Og |s ees Resposta linear: Oe |" ses Resposta linear: Ip . o=Ee lp . o=Ee Limite de : E-—méddulo elastico Limite de : E—moéddulo elastico escoamento 2 Lei de Hooke (molas) escoamento Ie Lei de Hooke (molas) : F=kx : Fekx Do S € : oo “fT € Estado Inicial Estado Inicial Deformacao elastica — totalmente recuperavel Deformacao elastica — totalmente recuperavel ~ , z Z DEFORMAGAO ELASTICA MODULO ELASTICO (RIGIDEZ) ena extensdo das ligagdes Figure 1.4 Modulo de elasticidade > Forga da ligagdo quimica Bar-chart of room- Metal Ceramics ¥ Bagaoq temperature stiffness =; 1000 i — * = Compose! (ie. elastic modulus) 2 ees A0s ss values for various. 2 jog Titanium => SisNa [orre Figure 6.7 Force metals, ceramics, £3 =2 Aluminum 710, versus interatomic poinienvand Se Magnesium} | ~ Glass 7 oFRC ao ¥ se = Concrete separation for composite materials. 32 10 Polymers | Woods weakly and strongly suoney Be _ pve bonded atoms. The Be ~ \Ps, Nylon magnitude of the (= ) - 33 1.0 modulus of elasticity \dr : 2g Re is proportional to , cee 28 o1 the slope of each 2 P ao curve at the € Rubbers equilibrium @ ‘008 interatomic Thee separation r bonded 0.001 eel — Deformacdo é —_?.| _ _— a= , , homogénea e nao gera Regime plastico uniforme MODULO ELASTICO (RIGIDEZ) variacdo de volume | Limite de resisténcia a tragdo Figure 6.8 Plot of Temperature (°F Omaxp 7 modulus of elasticity 400 ) 400 800 0 160¢ . versus temperature . for tungsten, steel . and aluminum me 1 60 Oe ane ‘ (Adapted from ee lp " . K.M. Ralls. .H. 2 Iso 2 . ~ . Courtney, and & & . Relacdo deixa J. Wulff, Introduction = 3% | sos . de ser linear 10 Materials Science 3 g . and Engineering. © 3 . . Copyright © 1976 g 20 Seal 13° 5 . . by John Wiley & = 3 . . Sons, New York. = {20 8 ~ . . Reprinted by x a ~ . . . permission of John — 110 . . . Wiley & Sons, Inc.) . . * - a) 00 00 800° . : : . . : E _ Deformacao irreversivel et ——————— SS ——————— homogénea — formacao i Seti 5 i 5 8 Regime plastico ndo uniforme n , ~ wore LIMITE DE RESISTENCIA A TRACAO _ Tensdo de ruptura Omax} <= =. eee se _ Op fe eee eens Tee SS _— 5 Figura 1.6 “/ . Metis res | Gréfico de barras dos x . lores da resisténcia o,\|**s8 / ‘ : v e fe . E 4 4 ] 7) Gisto é, do limite de lo . : : Bg, 1.00 "ago beng ' | one ' resisténcia a tragao) | Resist@ncia cai com | * = ' x : . aFV | temperatura ambient ~ t AC | para varios materiais . a deformacao . ' 1 | metilicos, ceramico: : > . | atl polimeros e comp< . \ \ sitos . Deformagao de . & Cr [Na 1 ow Madeir . ruptura ou - : i : . : ductilidade total |\* 38 pe PTFE) . . : ‘ 5 . Dob : : : . € | ____ ee 8 ee ee ee . A . RESISTENCIA A FRATURA Tenséo . (6 out, (TENACIDADE A FRATURA) * Ruptura do material Metals Sisal Rupture / alloys Composites | Titanium y £s alloys so. i 33 Aluminum cere Fre} scoamento oe alloys » Ze x £8 Ceramics & g os Polymers é é Be SisNa = Nylon ge gz Ss a Polystyrene & A) 82 10 ~ [poet é & a: [on ¢ é o — Polyester ¢ é ~ Glass g — Concrete ol Figure 1.6 Bar-chart of room-temperature resistance to fracture (i.e., fracture toughness) . for various metals, ceramics, polymers, and composite materials. (Reprinted from Engineering Deformacao Materials 1: An Introduction to Properties, Applications and Design, third edition, M. F. Ashby . (e, adimensional) and D. R. H. Jones, pages 177 and 178, Copyright 2005, with permission from Elsevier.) Eescoamento Epuptura Propriedades mecanicas Propriedades mecanicas Tensio Qual o tipo de deformacao em cada caso? (6 out, MPa) Ruptura do material =dof _ GRuptura me ge Rupturado os Tan(a)=994,=E Sr a es tered ge vee fo > u=fod 2 & : Medido em geral quando fo / ‘em pequenas deformacées) fo fracture) = energia necessaria para if (e, adimensional) Eescoamento Eruptura 1/26/2023 4 Propriedades mecânicas Tensão (σ ou τ, MPa) Deformação (ε, adimensional) Ruptura do material Tensão (σ ou τ, MPa) Deformação (ε, adimensional) Ruptura do material Metais (Al, Cu, aço, latão...) Cerâmicas (Al2O3, vidro, diamante) Fragilidade das Cerâmicas (rompem sem deformação plástica) Metais são dúcteis (apresentam deformação plástica) Qual o tipo de deformação em cada caso? Tensão (σ ou τ, MPa) Deformação (ε, adimensional) θ1 εR1 εE2 σE1 σR1 θ2 > θ1 εE1 σE2 σR2 εR2 1 2 Propriedades mecânicas EXERCÍCIO Qual material é mais: 1) Rígido 2) Frágil 3) Tenaz 4) Resistente Tensão (σ ou τ, MPa) Deformação (ε, adimensional) θ1 εR1 εE2 σE1 σR1 θ2 > θ1 εE1 σE2 σR2 εR2 1 2 Propriedades mecânicas EXERCÍCIO Qual material é mais: 1) Rígido 2 (↑E) 2) Frágil 2 (↓ε e ↓γWOF) 3) Tenaz 1 (↑γWOF) 4) Resistente 2 (↑ σR) (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Curva tensão x deformação Comportamento mecânico de diferentes classes de materiais FRATURA DUCTIL (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Localized deformation of a ductile material during a tensile test produces a necked region. The micrograph shows necked region in a fractured sample (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Quando um material dúctil é puxado em um teste de tração, o empescoçamento se inicia e os vazios se formam – perto do centro do corpo de prova. À medida que a deformação continua, os microvazios se unem formando uma trinca elíptica, que evolui por deformação cisalhante em ângulo de 45°, produzindo uma fratura final do copo e do cone FRATURA DUCTIL z F RATU RA D U CTI L Microcavidades esféricas F RATU RA F RAG | L a2 ! Toward center Rj At ¥ ) x] Ocorrem com pouca ou of bar 7 1 ty fe nenhuma deformacao plastica, Oval y Yo ga, ~ a com baixa absorgao de energia dimples 4. \ SF a4 através de uma rapida € a 2 ED, AU Ay. propagacao da trinca a v0 i i Ge Os os PA iain tuame <u 04% ooze — — ME INN. ® Microcavidades esféricas Rone oe , EI Soeks aA ii) NW he Need] [Nee 28 aay? Sevieg Cue. Lorin i ASUS. RY E * =F Spee fi BDO RAYS an | M / C oe a ei NK Bi NN MINS ANN IU ~~ | FANON Ny Round, 3 (| Dy Me Oy af fit en ae if) Ni Ni : equiaxed eh ' ove © —— uy AEE TS RO dimples es ~ > . al Caracteristica de fratura fragil: marcas em cam bi ti a ae we ccc a formato de V, com ponta no inicio da trinca z a FRATURA FRAGIL i ENSAIOS MECANICOS Senne Oe | mn a ee ee ype; ae : = I fh = i Tensile Bening” Compressive “Shear Ya Sera BX i . a ao qf SS i ® 3 © om at . 2 eh Ban A | o £ {Movable Grip eles aS ; coe oo + | erosshead os > | = out LA RY sasklt Na NG shou id g : 8 A unidirectional force is “K Fs ow (has Photon ometon i i a rameter FS Gue applied to a specimen in ea: , a A 8 = aad length ‘ Re La s f= —e : 4 = e 3 leng the tensile test by means Intergranular avy oN f } y (LK NU i i 2 Ss of the moveable a Do | ay | | crosshead. The cross- ’ J RR ) i _ a head movement can be : 4 ¥ AY ‘ ‘ ° Zz | = performed using screws : ‘Wat a> wu <\ (J LO ora hydraulic mechanism a f i lS {| <> <> Ensaios mecdnicos a E N SAI OS ME CA N | COS Compressao uniaxial Indentador Flexo em 3 pontos / three point bending: E i | Ao a Materiais ceramicos nao _ a lidam bem com tensdes ik Wy de tracdo (abertura de Rae A Scompressao >< trincas e defeitos) i | rd ' Scompress: L F OTracao f Scompressio >> SFlexdo Iy | i} 7 4 w SS], Orracto i | p Apoios " l i | F it i | = | ( _ , > a i Uh t ‘i “ A ‘ im . Apoios 5 i See ' 3 a if = pe lE } e =e Se 4 Materiais ceramicos tem elevada resisténcia 4 compressao (>) oe > 1/26/2023 6 Propriedades mecânicas ENSAIOS MECÂNICOS Propriedades mecânicas Defeitos = concentradores de tensão Magnitude de uma tensão de tração é amplificada Para tensão de compressão não existe amplificação Modelo não considera os defeitos Equação de Griffith (1920) • Tensão crítica para romper um material frágil (σCrítica) γ = tensão de superfície, E = módulo elástico, C = metade do tamanho de um defeito interno ou o tamanho de um defeito de superfície 2C σ σ C C 2 E Crítica π γ = σ σC C Defeitos superficiais afetam mais as prop. mecânicas Ensaios Mecânicos DUREZA (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Indentadores para testes de dureza Durômetro • Resistência ao risco ou penetração de um indentador ou ao desgaste • Pode ser utilizada para medir resistência mecânica • Várias escalas de dureza: Vickers, Brinell, Knoop, Mohs, Rockwell Figure 6.18 10,000,- DUREZA DUREZA aaa several hardness 10/- Diamond trom GF Kinney, uy ‘Shape of indentation ee Test indenter Side view Top view Load, P Hardness number applica of 2, axl | Plastics, p. 202. Corundum -D-= 500 kg Copyright © 1957 by 9} Sspphire 10-mm steel 2p Nitride steels . carbide bal _o_ tale See (x0 - Vo? - a? } nea f o cx dl take permission of John oo 500} File hard clon : . er I BBF _ _ 1.852P Wier &:Socgtec) noe 40 | 5 a Vickers Clamondpyramic ~<a ee 1-120Kg hy= 2 wo oy “ : soo ol matires Sz, o en) 80} o - 4b Fluorite ceo afcatete Knoop Diamond pyramic Lo=F tt Stabs HK = oe too 100} ® Roce | bit. 400 _ — tomes 29) ‘= oP a sien ‘ire Rockwell t . | A) .. . 60 kg HRA © 2/-Gypsum_ Cc} Diamond cone A. O 150 kg HRC > = 100 - 500r a i Most " | 2 iookg HAD plates = mm | | B) - 100 kg HRB © F Fb 77 in. ciameter oO . O 60 kg HRE st YI © ten vam 150g HAG + = 130-500r eS pag E zy: in. ciameter 100 kg HRE | aa a Steel bail — Ss i ay Qual o impacto da velocidade da solicitagao mecanica? E N SAI O D E | M PACTO Tipo de ensaio Velocidade de Elevadissima taxa de aplicacao de carga (MPa.s") aplicagao de carga Diferentes mecanismos de deformacao e fratura — > Aluéncia 24ha2anos 104-10° N.st ee Flexdo em trés pees CECE “< 40 N.s* Oe ar te san | sommes | SF Pa Tra¢ao uniaxial 3 minutos 100 N.s? he s oe et 4 Met . 1 ees ee Pe Compressdo uniaxial 500 N.s* is qn Pr = = - = fe hal —— +> _sImpacto 0.01-0.1 Segundo 104-108 N.s* i SS Te , — =: = ‘ Diferentes velocidades, diferentes mecanismos de deformacgao e fratura _ ENSAIO DE IMPACTO - TRANSICAO DUCTIL -FRAGIL Resist€ncia ao impacto atin [ . — 1200 r Tt 4 100, a a a | 3m apa & ' Sensibilidade ao entalhe: oa ! 80 - . 2 i profundidade e raio de yi x E ' z Syaun less ses {Notch 3 i S (FCC structure) curvatura s Brittle Ductile 60 5 600 h 2 | ‘Scale a 3 1 oO Ap 3 ' | 3B 40 | i fb Z 2 Qual 0 tipo de fratura? fi? = 500 ' 2 3 1 PREBLE Poe Staring potion | <— Transition = 20 apie — eM 4h _ | temperature BCE since) ‘ & Ae t vet —a “eyo 0. 0 sha } AYR LQ =80 40 0 . 40 80 6 5 ro “00 f “ ie Me iu / | Teenpeseis CE) Temperature (°F) a eens Endl wing t SS] <a od t 1 . . . . « es ae Rr hasitien| <A a \ Tt \specime > Determina se um material experimenta ou ndo uma transi¢do de dutil para fragil com a Re My Se , ae base BS ey ds | a ! | diminuigado da temperatura = — mag" | . > e HC nao experimentam transi¢do dutil-fragil. : er) > CFCe HC tam t dutil-fragil Mesmo material oe >_Atransicdo dutil-fragil é tipicamente experimentada em CCC. 1/26/2023 8 FADIGA Fratura por esforço repetitivo • Fratura frágil = sem grande deformação plástica • Esforços envolvidos < tensão de ruptura do material • Solicitação lenta ou rápida, porém de forma cíclica Características FADIGA Características Superfície de fratura por fadiga. (a) Em ampliações baixas, o padrão de marca de praia indica fadiga como mecanismo de fratura. As setas mostram a direção de crescimento da frente da trinca, cuja origem está na parte inferior da fotografia. (b) Em ampliações muito altas, são observadas estrias estreitamente espaçadas formadas durante a fadiga (x 1000) FADIGA Curva S x N Ligas de Estrutura CCC Ligas de Estrutura CFC e HCP ANÁLISE DE FALHAS TITANIC - 1912 O Titanic foi pensado para ser o navio mais luxuoso e mais seguro de sua época Duas principais teorias: • Qualidade do aço do casco somado à falta de conhecimento da mecânica de fratura; • Qualidade dos rebites. ANÁLISE DE FALHAS JATOS COMET - 1954 A fratura ocorreu devido à compressão e descompressão, no pouso e decolagem, - nucleação de trincas de fadiga em pontos de concentração de tensão, próximo às extremidades das escotilhas retangulares. - A cabine era pressurizado com pressões duas vezes maiores que a dos outros aviões