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PMT 2100 - Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia - 2005
ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
PMT 2100 - Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia 2º semestre de 2005
COMPORTAMENTO MECÂNICO
PARTE II
PMT 2100 - Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia - 2005
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- Na primeira aula sobre propriedades mecânicas, foi estudado o
comportamento mecânico dos materiais somente levando em conta os
parâmetros tensão e deformação.
- Os ensaios estudados (tração, flexão, dureza) são muito úteis, mas
são ensaios simplificados, porque não levam em conta efeitos de
outros parâmetros, como o tempo e a temperatura. Aqueles ensaios
não respondem perguntas como:
- Como responderia o material se fosse submetido a uma tensão
constante por um longo tempo?
- Como responderia o material se a temperatura mudasse ao longo do
tempo durante o qual ele é submetido a esforços mecânicos?
- A velocidade de aplicação do esforço mecânico afeta o comportamento
mecânico do material?
- E se o esforço aplicado aumentasse e diminuísse ao longo do tempo?
O que poderia acontecer?
OBJETIVOS DA AULA
De forma bem sintética, o objetivo desta aula é observar o efeito do tempo
e da temperatura no comportamento mecânico dos materiais
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ROTEIRO DA AULA
- Comportamento mecânico ao longo do tempo de materiais submetidos a cargas estáticas - Comportamento elástico e visco-elástico
- Efeito da temperatura sobre o comportamento mecânico - Efeito da temperatura sobre a deformação plástica - Fluência - Temperatura versus taxa de deformação
- Efeito da taxa de deformação sobre o comportamento plástico - Impacto - Comportamento dúctil-frágil
- Esforços cíclicos
4 Comportamento Elástico
E
σ ε =
E = módulo de Young
Reversível ⇒ não dissipa
energia!
τ = η γ &
η = viscosidade [Pa.s]
Irreversível ⇒ dissipa
energia
Fluxo Viscoso
dt
dε
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Comportamento Visco-Plástico
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- Considere um corpo de prova de comprimento inicial L 0 , que é
submetido a um esforço σ no
instante t 0.
- Inicialmente ele sofre uma deformação instantânea, puramente
elástica εel, que obedece à lei de
Hooke.
- Se o esforço é mantido constante e também não varia com o tempo,
deformações visco-elástica εvel e
visco-plástica εvpl aparece ao longo
do tempo. A deformação visco- elástica se estabiliza depois de certo tempo, o que não ocorre com a deformação visco-plástica: ela cresce continuamente com o tempo.
- A deformação total εT é igual à
soma das deformações εel , εvel e
εvpl.
- A deformação cresce continuamente com o tempo, até
que o esforço σ seja eliminado no
instante tf.
- Nesse instante, o corpo de prova sofre uma contração elástica praticamente instantânea, de valor
absoluto igual a εel.
- A contração referente à deformação visco-elástica ocorre num intervalo de tempo dt.
- No tempo t = tf + dt o corpo de prova não readquire suas dimensões iniciais, apresentando
uma deformação permanente ∆lvpl
(deformação plástica).
- O comportamento visco-elástico é irreversível, ocorrendo dissipação de energia no processo de deformação.
Comportamento Visco-Plástico
Efeito da temperatura sobre a deformação plástica
- Em baixas temperaturas ( e em baixas taxas de deformação ), uma deformação ε praticamente só depende da tensão σ.
- Em temperaturas altas ( e em baixas taxas de deformação ), uma deformação ε depende não somente da tensão σ, mas também do tempo e da temperatura.
- Alta temperatura
- Temperatura a partir da qual fenômenos difusivos (difus ão, ascensão de discordâncias, etc…) começam a se manifestar macroscopicamente.
- O limite entre “baixa temperatura” e “alta temperatura” varia de material para material.
Temperatura homóloga
F
H
T
T τ ≡
T = temperatura do material TF = temperatura de fusão (dadas em K)
τH > 0,4 → Alta Temperatura
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- Quando a temperatura é superior a 0,4 Fluência TF, os fenômenos difusivos tornam-se bastante significativos, e observam-se deformações plásticas em função do tempo, mesmo em tensões relativamente baixas. Esse é o fenômeno da fluência.
- A fluência é resultado de um comportamento visco-plástico dos metais.
Curva de Fluência
- Estágio I ou transiente : taxa de deformação decrescente; encruamento
- Estágio II ou estacionário : taxa de
deformação constante dε/dt é mínima;
balanço entre encruamento e superação de obstáculos por processos difusivos (por exemplo, ascensão de discordâncias)
- Estágio III ou terciário : taxa de deformação crescente; desenvolvimento de cavidades (cavitação); leva à ruptura do material
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temperatura e taxa de
deformação no comportamento
mecânico de polímeros amorfos
Temperatura x Taxa de Deformação
da energia cinética”) ⇒
vibrações da rede,
rotação de macro-
moléculas, difus ão etc…
- taxa de deformação ⇒ tempo necessário para que os processos ocorram.
- Temperatura e taxa de deformação tem efeitos opostos sobre o comportamento mecânico.
14 Efeito da temperatura sobre a deformação plástica
Exemplo
Variação da tensão de escoamento ( σe )
e do alongamento ( εf ) com a
temperatura para alumínio AA
¸ T↑ ⇒ aumento da amplitude de vibração (dos átomos ou das macro-moléculas), rotação (macro-moléculas) ⇒ maior facilidade de movimentação das discordâncias / deslizamento no caso das macro- moléculas.
¸ Portanto: T↑ ⇒ ↓σe e ↑ alongamento
¸ Aplicações : conformação mecânica de materiais metálicos, poliméricos e cerâmicos (vidros).
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Efeito da taxa de deformação sobre o comportamento plástico
Os processos de deformação
plástica requerem reorganização
de átomos e/ou moléculas ⇒
dependem do tempo
m
m: expoente de sensibilidade à taxa de
deformação
(strain-rate sensitivity)
Taxas de deformação muito elevadas (ou seja, deformações muito grandes
em intervalos de tempo muito pequenos) são situações de solicitações severas
para os materiais.
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Impacto
Ensaio de tração convencional:
Solicitações de impacto:
[ ]
5 1 1
− − −
ε & ≈ s
[ ]
2 3 1
−
ε & ≈ s
¸Pêndulo de impacto (Ensaios Charpy e Izod)
Pêndulo para
plásticos, leitura
digital
Detalhe de um ensaio
Izod: a amostra é fixada
em um mandril
Pêndulo para metais,
leitura analógica
Transição dúctil-frágil
•Não se deve
construir estruturas
utilizando materiais
que apresentem o
comportamento de
transição dúctil-frágil
caso haja utilização
em temperaturas
abaixo da
temperatura de
transição Tc, para
evitar fraturas
frágeis e
catastróficas.
Ruptura de uma ponte metálica no Canadá, acontecida em 1951. A estrutura rompeu de forma frágil numa noite de inverno (-30oC), num momento em que a ponte não estava sequer submetida a uma grande solicitação.
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Ensaio de impacto (ensaio de queda de peso)
Ensaio de queda de peso (Drop-Weight Test)
¸Um peso é lançado de uma altura pré- estabelecida em queda livre sobre a amostra.
¸O resultado é qualitativo ⇒ quebra ou não quebra (alternativamente, deforma ou não deforma, trinca ou não trinca,...)
¸Permite determinar a temperatura de transição para ductilidade nula (NDT, nil ductility transition temperature) ⇒ interessante em projeto de engenharia para aplicações em temperaturas sub- ambientes
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Fadiga
¸Até o momento, foram estudadas solicitações estáticas ou monotônicas (a força
cresce ou decresce continuamente ).
¸Nas aplicações de engenharia, entretanto, freqüentemente encontram-se
solicitações cíclicas (ex. eixos, molas, asas de avião, bio-implantes, …), que
implicam em fadiga.
¸A fadiga é respons ável por um grande número das falhas mecânicas observadas
nos componentes de engenharia e por um grande número de acidentes com
vítimas fatais.
¸A fadiga ocorre mesmo quando um componente é submetido a solicitações
dentro do regime elástico (isto é, para tensões inferiores ao limite de escoamento)
→ o fenômeno deve ser levado em conta em projetos de engenharia.
¸A fadiga ocorre em todas as classes de materiais (metálicos, cerâmicos,
poliméricos e compósitos)
22 Parâmetros da solicitação cíclica
∆σ: Amplitude de tensão
σmax: Tensão máxima
σmin: Tensão mínima
σm: Tensão média
R: Razão de tensões
λ: comprimento de onda
N = ∆t/λ: número de ciclos
no intervalo de tempo ∆t
Tipos de Solicitação (a) Senoidal (b) Periódica (c) Espectro (de tensões)
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- Capítulo do Callister tratado nesta aula
- Comportamento visco-elástico : apenas iniciado na seção 16.
- Fluência : seção 8.13 a 8.
- Impacto : seção 8.
- Fadiga : seção 8.7 e 8.
- Textos complementares indicados
- Kurz, W.; Mercier, J.P.; Zambelli, G. – Traité des Matériaux. 1. Introduction à la Science des Matériaux. PPUR. Lausanne. 1991. - Deformação plástica e viscoelasticidade. Cap. 12. pgs 269-294.
- Texto escrito pelo Prof. Cláudio Schoen (disponível no CoL)
