Materiais metálicos



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Mecânica dos Materiais

Introdução

Nos séculos passados, como a construção dos objectos era essencialmente artesanal, não havia um controlo de qualidade regular dos produtos fabricados.

Avaliava-se a qualidade de uma lâmina de aço, a dureza de um prego, a pintura de um objecto simplesmente pelo próprio uso.

Um desgaste prematuro que conduzisse à rápida quebra da ferramenta era o método racional que qualquer um aceitava para determinar a qualidade das peças, ou seja, a análise da qualidade era baseada no comportamento do objecto depois de pronto.

O acesso a novas matérias-primas e o desenvolvimento dos processos de fabricação obrigaram à criação de métodos padronizados de produção, em todo o mundo. Ao mesmo tempo, desenvolveram-se processos e métodos de controlo de qualidade dos produtos.

Actualmente, entende-se que o controlo de qualidade precisa começar pela matéria-prima e deve ocorrer durante todo o processo de produção, incluindo a inspecção e os ensaios finais nos produtos acabados.

Nesse quadro, é fácil perceber a importância dos ensaios de materiais: é por meio deles que se verifica se os materiais apresentam as propriedades que os tornarão adequados ao seu uso.

Que propriedades são essas, que podem ser verificadas nos ensaios?

É possível que você já tenha analisado algumas delas ao estudar o módulo de Materiais ou mesmo em outras oportunidades.
Para que servem os ensaios

Se você parar para observar crianças brincando de cabo-de-guerra, ou uma dona de casa torcendo um pano de chão, ou ainda um ginasta fazendo acrobacias numa cama elástica, verá alguns exemplos de esforços a que os materiais estão sujeitos durante o uso.

Veja a seguir a representação esquemática de alguns tipos de esforços que afectam os materiais.





Tracção



Torção

Corte ou cisalhamento
É evidente que os produtos têm de ser fabricados com as características necessárias para suportar esses esforços. Mas como saber se os materiais apresentam tais características?

Realizando ensaios mecânicos! Os ensaios mecânicos dos materiais são procedimentos padronizados que compreendem testes, cálculos, gráficos e consultas a tabelas, tudo isso em conformidade com normas técnicas.

Realizar um ensaio consiste em submeter um objecto já fabricado ou um material que vai ser processado industrialmente a situações que simulam os esforços que eles vão sofrer nas condições reais de uso, chegando a limites extremos de solicitação.

Os ensaios podem ser realizados na própria oficina ou em ambientes especialmente equipados para essa finalidade: os laboratórios de ensaios.


Os ensaios fornecem resultados gerais, que são aplicados a diversos casos, e devem poder ser repetidos em qualquer local que apresente as condições adequadas.

São exemplos de ensaios que podem ser realizados na oficina:


Ensaio por lima - É utilizado para verificar a dureza por meio do corte do cavaco.

Quanto mais fácil é retirar o cavaco, mais mole o material. Se a ferramenta desliza e não corta, podemos dizer que o material é duro.





Ensaio pela análise da centelha - É utilizado para fazer a classificação do teor de carbono de um aço, em função da forma das centelhas que o material emite ao ser desbastado num esmeril.
Por meio desses tipos de ensaios não se obtêm valores precisos, apenas conhecimentos de características específicas dos materiais.

Os ensaios podem ser realizados em protótipos, no próprio produto final ou em corpos de prova e, para serem confiáveis, devem seguir as normas técnicas estabelecidas.


Imagine que uma empresa resolva produzir um novo tipo de tesoura, com lâmina de aço especial. Antes de lançar comercialmente o novo produto, o fabricante quer saber, com segurança, como será seu comportamento na prática.

Para isso, ele ensaia as matérias-primas, controla o processo de fabricação e produz uma pequena quantidade dessas tesouras, que passam a ser os protótipos.

Cada uma dessas tesouras será submetida a uma série de testes que procurarão reproduzir todas as situações de uso cotidiano. Por exemplo, o corte da tesoura pode ser testado em materiais diversos, ou sobre o mesmo material por horas seguidas. Os resultados são analisados e servem como base para o aperfeiçoamento do produto.

Os ensaios de protótipos são muito importantes, pois permitem avaliar se o produto testado apresenta características adequadas à sua função. Os resultados obtidos nesses testes não podem ser generalizados, mas podem servir de base para outros objectos que sejam semelhantes ou diferentes.

Já os ensaios em corpos de provas, realizados de acordo com as normas técnicas estabelecidas, em condições padronizadas, permitem obter resultados de aplicação mais geral, que podem ser utilizados e reproduzidos em qualquer lugar.
Protótipo é a versão preliminar de um produto, produzida em pequena quantidade, e utilizada durante a fase de testes.

Corpo de prova é uma amostra do material que se deseja testar, com dimensões e forma especificadas em normas técnicas.

Propriedades dos materiais

Todos os campos da tecnologia, especialmente aqueles referentes à construção de máquinas e estruturas, estão intimamente ligados aos materiais e às suas propriedades.

Tomando como base as mudanças que ocorrem nos materiais, essas propriedades podem ser classificadas em dois grupos:

1- físicas;

2-·químicas.

Se colocamos água fervente num copo descartável de plástico, o plástico amolece e muda sua forma. Mesmo mole, o plástico continua com sua composição química inalterada. A propriedade de sofrer deformação sem sofrer mudança na composição química é uma propriedade física.

Por outro lado, se deixarmos uma barra de aço-carbono (ferro + carbono) exposta ao tempo, observaremos a formação de ferrugem (óxido de ferro: ferro + oxigénio). O aço-carbono, em contacto com o ar, sofre corrosão, com mudança na sua composição química. A resistência à corrosão é uma propriedade química.

Entre as propriedades físicas, destacam-se as propriedades mecânicas, que se referem à forma como os materiais reagem aos esforços externos, apresentando deformação ou ruptura.

Quando você solta o pedal da embriaguem do carro, ele volta à posição de origem graças à elasticidade da mola ligada ao sistema accionador do pedal.

A elasticidade é um exemplo de propriedade mecânica. Pode ser definida como a capacidade que um material tem de retornar à sua forma e dimensões originais quando cessa o esforço que o deformava.




A estampagem de uma chapa de aço para fabricação de um capô de automóvel, por exemplo, só é possível em materiais que apresentem plasticidade suficiente. Plasticidade é a capacidade que um material tem de apresentar deformação permanente apreciável, sem se romper.

Uma viga de uma ponte rolante deve suportar esforços de flexão sem se romper. Para tanto, é necessário que ela apresente resistência mecânica suficiente.

Resistência mecânica é a capacidade que um material tem de suportar esforços externos (tracção, compressão, flexão etc.) sem se romper.
Para determinar qualquer dessas propriedades é necessário realizar um ensaio específico.
Tipos de ensaios mecânicos

Existem vários critérios para classificar os ensaios mecânicos. A classificação que adoptaremos neste módulo agrupa os ensaios em dois blocos:

1- ensaios destrutivos;

2- ensaios não destrutivos.

Ensaios destrutivos são aqueles que deixam algum sinal na peça ou corpo de prova submetido ao ensaio, mesmo que estes não fiquem inutilizados.

Os ensaios destrutivos abordados nas próximas aulas deste módulo são:

1-Tracção

2- Compressão

3- Corte

4- Dobramento

5- Flexão

6- Embutimento

7- Torção

8- Dureza

9- Fluência

10- Fadiga

11- Impacto

Ensaios não destrutivos são aqueles que após sua realização não deixam nenhuma marca ou sinal e, por consequência, nunca inutilizam a peça ou corpo de prova. Por essa razão, podem ser usados para detectar falhas em produtos acabados e semi-acabados.

Os ensaios não destrutivos tratados nas aulas deste módulo são:

a) Visual

b) Líquido penetrante

c) Partículas magnéticas

d) Ultra-som

e) Radiografia industrial


Exercício 1

Complete as frases com a alternativa que as torna correctas:

a) A propriedade física ............................. mudança na composição química do material.

· acarreta

· não acarreta

b) Resistência mecânica é uma propriedade .............................

· física

· química

c) Resistência à corrosão é uma propriedade .............................

· química

· mecânica

d) À forma como os materiais reagem aos esforços externos chamamos de propriedade .............................

· química

· mecânica


Exercício 2

Marque com um X a resposta correcta.

Cessando o esforço, o material volta à sua forma original. Dizemos que esta propriedade mecânica se chama:

( ) resistência mecânica;

( ) elasticidade;

( ) plasticidade.


Exercício 3

Você estudou que os ensaios podem ser: destrutivos e não destrutivos.

Relacione correctamente os exemplos com os ensaios: 1- Ensaio destrutivo 2- Ensaio não destrutivo

Ensaio por ultra-som

Ensaio visual

Ensaio de tracção

Ensaio por lima

Ensaio de dureza


Ensaio de tracção, cálculo da tensão

Você com certeza já andou de elevador, já observou uma carga sendo elevada por um guindaste ou viu, uma ponte rolante transportando grandes cargas para lá e para cá. Além das grandes cargas movimentadas nessas situações, um outro fato certamente chama a sua atenção: são os cabos de aço usados nesses equipamentos!

Você faz ideia do esforço que esses cabos têm de aguentar ao deslocar estas cargas? Sabe como se chama esse esforço e como ele é calculado? Sabe que a determinação deste tipo de esforço e a especificação das dimensões de cabos estão entre os problemas mais frequentemente encontrados no campo da Mecânica?

Tanto o super dimensionamento como o sub dimensionamento de produtos têm consequências que podem ser graves: o primeiro porque gera desperdício de material, maior consumo de energia e baixo desempenho; o segundo porque o produto vai falhar e, além do prejuízo, pode causar sérios acidentes, com danos irreparáveis.

Essas considerações servem para ilustrar o quanto é importante conhecer a resistência dos materiais, que pode ser avaliada pela realização de ensaios mecânicos. O ensaio mecânico mais importante para a determinação da resistência dos materiais é o ensaio de tracção.

Se você está interessado em aprofundar seus conhecimentos sobre esses assuntos, está no caminho certo. Nesta aula você terá oportunidade de conhecer as unidades de medida usadas nos ensaios mecânicos de tracção. Ficará sabendo o que se entende por tensão e deformação. E aprenderá a fórmula para calcular a tensão a que estão submetidos os materiais durante o uso. Fique com a gente!


Para que servem os ensaios de tracção

Como você já sabe, as propriedades mecânicas constituem uma das características mais importantes dos metais em suas várias aplicações na engenharia, visto que o projecto e a fabricação de produtos se baseiam principalmente no comportamento destas propriedades.




A determinação das propriedades mecânicas dos materiais é obtida por meio de ensaios mecânicos, realizados no próprio produto ou em corpos de prova de dimensões e formas especificadas, segundo procedimentos padronizados por normas brasileiras e estrangeiras.

O corpo de prova é preferencialmente utilizado quando o resultado do ensaio precisa ser comparado com especificações de normas internacionais.

O ensaio de tracção consiste em submeter o material a um esforço que tende a alongá-lo até a ruptura. Os esforços ou cargas são medidos na própria máquina de ensaio.

No ensaio de tracção o corpo é deformado por alongamento, até o momento em que se rompe. Os ensaios de tracção permitem conhecer como os materiais reagem aos esforços de tracção, quais os limites de tracção que suportam e a partir de que momento se rompem.




Antes da ruptura, a deformação

Imagine um corpo preso numa das extremidades, submetido a uma força, como na ilustração ao lado. Quando esta força é aplicada na direcção do eixo longitudinal, dizemos que se trata de uma força axial.

Ao mesmo tempo, a força axial é perpendicular à secção transversal do corpo.

Observe novamente a ilustração anterior. Repare que a força axial está dirigida para fora do corpo sobre o qual foi aplicada. Quando a força axial está dirigida para fora do corpo, trata-se de uma força axial de tracção.


A aplicação de uma força axial de tracção num corpo preso produz uma deformação no corpo, isto é, um aumento no seu comprimento com diminuição da área da secção transversal.

Este aumento de comprimento recebe o nome de alongamento. Veja o efeito do alongamento num corpo submetido a um ensaio de tracção.



Corpo de prova antes do ensaio à tracção



Corpo de prova depois do ensaio à tracção

O alongamento é representado pela letra A e é calculado subtraindo-se o comprimento inicial do comprimento final e dividindo-se o resultado pelo comprimento inicial.

Em linguagem matemática, esta afirmação pode ser expressa pela seguinte igualdade: sendo que Lo representa o comprimento inicial antes do ensaio e Lf representa o comprimento final após o ensaio.



Suponha que você quer saber qual o alongamento sofrido por um corpo de 12 mm que, submetido a uma força axial de tracção, ficou com 13,2 mm de comprimento.

Aplicando a fórmula anterior, você fica sabendo que:

A unidade mm/mm indica que ocorre uma deformação de 0,1 mm por 1 mm de dimensão do material.

Pode-se também indicar a deformação de maneira percentual. Para obter a deformação expressa em percentagem, basta multiplicar o resultado anterior por 100.

No nosso exemplo: A = 0,1 mm/mm ´ 100 = 10%.


Há dois tipos de deformação, que se sucedem quando o material é submetido a uma força de tracção: a elástica e a plástica.

·

Deformação elástica: não é permanente.

Uma vez cessados os esforços, o material volta à sua forma original.
Deformação plástica: é permanente.

Uma vez cessados os esforços, o material recupera a deformação elástica, mas fica com uma deformação residual plástica, não voltando mais à sua forma original.



Tensão de tracção: o que é e como é medida

A força de tracção actua sobre a área da secção transversal do material. Tem-se assim uma relação entre essa força aplicada e a área do material que está sendo exigida, denominada tensão. Neste módulo, a tensão será representada pela letra T.

Em outras palavras:

Tensão (T) é a relação entre uma força (F) e uma unidade de área (S):



T = F/S
Dica

Para efeito de cálculo da tensão suportada por um material, considera-se como área útil da secção deste material a soma das áreas de suas partes maciças. Por exemplo: um cabo metálico para elevação de pesos, cuja área da secção é de 132,73 mm2, composto por 42 espiras de 1,2 mm2, tem como área útil 50,4 mm2.


A unidade de medida de força adoptada pelo Sistema Internacional de Unidades (SI) é o newton (N).

A unidade quilograma-força (kgf) ainda é usada, porque a maioria das máquinas disponíveis possui escalas nesta unidade. Porém, após a realização dos ensaios, os valores de força devem ser convertidos para newton (N).

A unidade de medida de área é o metro quadrado (m2). No caso da medida de tensão, é mais frequentemente usado seu submúltiplo, o milímetro quadrado (mm2).

Assim, a tensão é expressa matematicamente como:


Durante muito tempo, a tensão foi medida em kgf/mm2 ou em psi (pound square inch, que quer dizer: libra por polegada quadrada).

Com adopção do Sistema Internacional de Unidades (SI) essas unidades foram substituídas pelo pascal (Pa). Um múltiplo dessa unidade, o megapascal (MPa), vem sendo utilizado por um número crescente de países.

Veja no quadro de conversões a seguir a correspondência entre essas unidades de medida.

Exercicio

Sabendo que a tensão sofrida por um corpo é de 20 N/mm2, como você expressa esta mesma medida em MPa?

Para dar sua resposta, consulte o quadro de conversões, se achar necessário.

Resposta: ....................

T = N/mm2

Se você interpretou correctamente o quadro de conversões, sua resposta deve ter sido 20 MPa.

Veja a conversão desta mesma medida para:

kgf/mm2 se 1 MPa = 0,102 kgf/mm2, então: 20 MPa = 2,04 kgf/mm2

e para:


psi se 1 kgf/mm2 = 1422,27 psi, então 2,04 kgf/mm2 = 2901,4308 psi
Calculando a tensão

Um amigo, que está a montar uma oficina de manutenção mecânica, pediu a sua ajuda para calcular a tensão que deve ser suportada por um tirante de aço de 4 mm2 de secção, sabendo que o material estará exposto a uma força de 40 N.

Sabendo qual a força aplicada (F = 40 N) e qual a área da secção do tirante (S = 4 mm2), basta aplicar a fórmula:

Portanto, a tensão que o cabo deverá suportar é de 10 N/mm2. Mas, se o seu Amigo quiser saber a resposta em megapascal, o resultado será 10 MPa.

Exercício 1

Assinale com um X a(s) resposta(s) que completa(m) a frase correctamente:

O ensaio de tracção tem por finalidade(s) determinar:

a) ( ) o limite de resistência à tracção;

b) ( ) a impressão causada por um penetrador;

c) ( ) o diâmetro do material ensaiado;

d) ( ) o alongamento do corpo ensaiado.
Exercício 2

Quando se realiza ensaio de tracção, podem ocorrer duas deformações.

Assinale com um X quais são elas, na sequência em que os fenómenos ocorrem no material.

a) ( ) plástica e elástica;

b) ( ) plástica e normal;

c) ( ) plástica e regular;

d) ( ) elástica e plástica.
Exercício 3

Calcule a deformação sofrida por um corpo de 15 cm, que após um ensaio de tracção passou a apresentar 16 cm de comprimento. Expresse a resposta de forma percentual.


Exercício 4

Sabendo que a tensão de um corpo é igual a 12 N/mm2, a quanto corresponde essa tensão em kgf/mm2?


Exercício 5

Qual a tensão, em MPa, sofrida por um corpo com 35 mm2 que está sob efeito de uma força de 200 kgf?






Ensaio de tracção: Propriedades mecânicas avaliadas

Segure um pedaço de elástico com as duas mãos, uma em cada ponta, como mostra a ilustração.

Depois, mantendo um dos lados fixos, vá aplicando, devagar, uma força de tracção do lado oposto. Pare de aplicar a força por um instante. Observe como o elástico tende a retornar à sua forma original quando a força é aliviada.

Volte a traccionar um dos lados. Veja que, ao mesmo tempo em que o elástico vai se alongando, sua secção se estreita. Agora não tem mais jeito! Mesmo que você pare de traccionar, o elástico não volta mais à forma original. Continue traccionando mais um pouco. Ops! O elástico se rompeu. Você está com dois pedaços, um em cada mão. Juntando os dois pedaços você notará que eles estão maiores que o pedaço original.

Isso que você acabou de fazer pode ser considerado uma forma rudimentar de ensaio de tracção. Quando o ensaio de tracção é realizado num laboratório, com equipamento adequado, ele permite registrar informações importantes para o cálculo de resistência dos materiais a esforços de tracção e, consequentemente, para projectos e cálculos de estruturas. Algumas informações são registadas durante a realização do ensaio e outras são obtidas pela análise das características do corpo de prova após o ensaio.

Os dados relativos às forças aplicadas e deformações sofridas pelo corpo de prova até a ruptura permitem traçar o gráfico conhecido como diagrama tensão-deformação.


Diagrama tensão-deformação

Quando um corpo de prova é submetido a um ensaio de tracção, a máquina de ensaio fornece um gráfico que mostra as relações entre a força aplicada e as deformações ocorridas durante o ensaio.

Mas o que nos interessa para a determinação das propriedades do material ensaiado é a relação entre tensão e deformação.

Você já sabe que a tensão (T) corresponde à força (F) dividida pela área da secção (S) sobre a qual a força é aplicada. No ensaio de tracção convencionou-se que a área da secção utilizada para os cálculos é a da secção inicial (So).

Assim, aplicando a fórmula T = F,/So podemos obter os valores de tensão para montar um gráfico que mostre as relações entre tensão e deformação.

Este gráfico é conhecido por diagrama tensão-deformação.

Os valores de deformação, representados pela letra grega minúscula e (epsílon), são indicados no eixo das abcissas (x) e os valores de tensão são indicados no eixo das ordenadas (y).

A curva resultante apresenta certas características que são comuns a diversos tipos de materiais usados na área da Mecânica.


Analisando o diagrama tensão-deformação passo a passo, você vai ficar a conhecer cada uma das propriedades que ele permite determinar. A primeira delas é o limite elástico.


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