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Comportamento Mecânico II
PMT 2100 - Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia 9a aula
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OBJETIVOS E ROTEIRO DA AULA
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Temperatura versus taxa de deformação Comportamento elástico, fluxo viscoso e comportamento visco-elástico Efeito da temperatura sobre a deformação plástica Fluência Efeito da taxa de deformação sobre o comportamento plástico Impacto Fadiga
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Temperatura × taxa de deformação
RT = < energia cinética > ⇒ vibrações da rede, rotação de macro-moléculas, difusão etc… ∂ε [ s −1 ] : taxa de deformação ⇒ tempo ∂t necessário para que os processos ocorram
ε& =
Temperatura e taxa de deformação tem efeitos opostos sobre o comportamento mecânico 3
Exemplo: Relação entre temperatura e taxa de deformação no comportamento mecânico de polímeros amorfos
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Comportamento elástico
ε1 =
σ1 E
E = módulo de rigidez Reversível ⇒ não dissipa energia!
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Fluxo Viscoso
τ = ηγ&
η = viscosidade [Pa.s] Irreversível ⇒ dissipa energia
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Comportamento Visco-elástico
Uma componente elástica e uma componente viscosa
Reversível porém dissipa parte da energia Polímeros
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Efeito da temperatura sobre a deformação plástica ü T↑ ⇒ aumento da amplitude de vibração (dos átomos ou das macro-moléculas), rotação (macro-moléculas) ⇒ maior facilidade de movimentação das discordâncias/ deslizamento das macro-moléculas. Portanto: T↑ ⇒ ↓σe e ↑ alongamento Conformação mecânica de materiais metálicos, poliméricos e cerâmicos (vidros de sílica)
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Exemplo
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Fluência Temperatura homóloga:
τH ≡
T TF
• T = temperatura absoluta •TF = temperatura de fusão (em [K])
τH > 0,4 ⇒ Fenômenos difusivos (difusão, ascensão de discordâncias etc…) começam a se manifestar macroscopicamente ⇒ fluência 10
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Parâmetros de fluência Taxa mínima de fluência:
ε&min
tempo para ruptura: t f ↓ ε&min ou ↑tf ⇒ ↑ resistência à fluência
•Estágio I ou transiente: taxa de deformação decrescente, encruamento •Estágio II ou estacionário: taxa de deformação constante (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 11
Efeitos da temperatura e da tensão sobre a fluência
T1 < T2 < T3 ⇒ (tf)1 > (tf)2 > (tf)3 e (ε&min )1 < (ε&min ) 2 < (ε&min ) 3 σ1 < σ2 < σ3 ⇒ (tf)1 > (tf)2 > (tf)3 e (ε&min )1 < (ε&min ) 2 < (ε&min ) 3
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Outros fatores que afetam a fluência üEstrutura cristalina: üPrecipitados: üContornos de grão:
↑ complexa ⇒↑ resistência à fluência ↑ fração ⇒↑ resistência à fluência ↑ tamanho de grão ⇒↑ resistência à fluência
← Pá de turbina para aviões a jato com grãos orientados feita por solidificação direcional
Pá de turbina monocristalina: o canal em forma de espiral permite que apenas um grão cresça na peça → Fonte: http://www.msm .cam.ac.uk/phase-trans/2001/slides.IB/photo .html
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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 ⇒ tempo
∆σ ∝ (∆ ε& )m m: expoente de sensibilidade à taxa de deformação (strain-rate sensitivity)
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Impacto
[ ] [s ]
Ensaio de tração convencional:
ε& ≈ 10 − 5 ~ 10 −1 s −1
Solicitações de impacto:
ε& ≈ 10 2 ~ 10 3
üPêndulo de impacto (Ensaios Charpy e Izod) Pêndulo para plásticos, leitura digital
−1
Pêndulo para metais, leitura analógica
Detalhe de um ensaio Izod: a amostra é fixada em um mandril
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Ensaio de impacto (Pêndulo)
W f = mg (hi − h f ) Wf : trabalho de fratura m: massa do pêndulo g: aceleração da gravidade h i : altura inicial do pêndulo h f : altura final do pêndulo
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Transição dúctil-frágil Medida do trabalho de fratura em função da temperatura
~100
~5
•Transição abrupta de um comportamento frágil de baixa temperatura para um comportamento dúctil de alta temperatura •Depende fortemente da geometria da amostra e do seu critério de definição: deve ser evitada para projeto de engenharia •Permite comparar, entretanto, a fragilidade ou ductilidade relativa em solicitações de impacto através de um ensaio padronizado •Pode ser observada em metais CCC e HC, polímeros e em cerâmicas (em temperaturas elevadas) 17
Ensaio de impacto (ensaio de queda de peso) Ensaio de queda de peso (Drop-Weight Test)
üUm peso é lançado de uma altura préestabelecida em queda livre sobre a amostra. üO resultado é qualitativo, quebra ou não quebra (alternativamente, deforma ou não deforma, trinca ou não trinca etc..) üPermite determinar a temperatura de transição para ductilidade nula (NDT, nil ductility transition temperature): projeto de engenharia para aplicações em temperaturas sub-ambientes 18
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Fadiga
Fatos: üAté o momento, 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, bioimplantes etc…) → Fadiga üA fadiga é responsável por um grande número das falhas mecânicas observadas nos componentes de engenharia e de um grande número de acidentes com vítimas fatais em toda a história üA fadiga ocorre mesmo quando o componente é submetido a solicitações dentro do regime elástico (isto é, para tensões inferiores ao limite de escoamento) → projeto de engenharia üA fadiga ocorre em todas as classes de materiais (metálicos, cerâmicos, poliméricos e compósitos) 19
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 20
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Ensaios de fadiga Máquina servohidráulica de ensaio de fadiga
Corpos de prova antes e depois do ensaio
Ensaio de fadiga a quente em material resistente ao calor
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Curva S-N Caso geral
Aços carbono
O ensaio é realizado em freqüência constante e com um valor de R fixo para um grande número de amostras em cada nível de amplitude de tensão, faz-se o gráfico do número médio de ciclos necessários para a ruptura do material. Define-se o limite de fadiga (σL, endurance limit) como sendo o nível de amplitude de tensão abaixo do qual não se observa a ruptura por fadiga. Para aços carbono há um limite de fadiga bem definido, para os demais materiais convenciona-se um número de 107 ciclos para a definição do limite de fadiga.
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