Ciência dos Materiais para Engenharia: Comportamento Mecânico - Parte II, Notas de aula de Engenharia Civil

Baixe Ciência dos Materiais para Engenharia: Comportamento Mecânico - Parte II e outras Notas de aula em PDF para Engenharia Civil, somente na Docsity! 1 PMT 2100 - Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia - 2005 1 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 2 • 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 2 PMT 2100 - Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia - 2005 3 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 – Fadiga 4Comportamento Elástico E 1 1 σε = E = módulo de Young Reversível ⇒ não dissipa energia! γητ &= η = viscosidade [Pa.s] Irreversível ⇒ dissipa energia Fluxo Viscoso dt dε 5 9 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 (difusão, 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 PMT 2100 - Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia - 2005 10 Fluência• Quando a temperatura é superior a 0,4 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 6 PMT 2100 - Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia - 2005 11 Efeito da temperatura e da tensão sobre a fluência T4 > T3 > T2 > T1 ⇓ tf ,4 > tf,3 > tf,2 e σ4 > σ3 > σ2 > σ1 ⇓ tf ,4 > tf,3 > tf,2 e • Obs.: no caso 1 o material não quebra no intervalo coberto pelo gráfico, e poderia permanecer por todo o tempo de operação sem quebrar. 4min3min2min1min )()()()( εεεε &&&& <<< 4min3min2min1min )()()()( εεεε &&&& <<< 12 Outros fatores que afetam a fluência üEstrutura cristalina: ↑ complexa ⇒↑ resistência à fluência üPrecipitados: ↑ fração ⇒↑ resistência à fluência üContornos de grão: ↑ 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 7 PMT 2100 - Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia - 2005 13 • Exemplo: relação entre temperatura e taxa de deformação no comportamento mecânico de polímeros amorfos Temperatura x Taxa de Deformação • Temperatura (“estimativa 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 AA1100 ü 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. ü Portanto: T↑ ⇒ ↓σe e ↑ alongamento ü Aplicações : conformação mecânica de materiais metálicos, poliméricos e cerâmicos (vidros). 10 19 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. PMT 2100 - Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia - 2005 20 Ensaio de impacto (ensaio de queda de peso) Ensaio de queda de peso (Drop-Weight Test) üUm peso é lançado de uma altura pré- estabelecida em queda livre sobre a amostra. üO resultado é qualitativo ⇒ quebra ou não quebra (alternativamente, deforma ou não deforma, trinca ou não trinca,...) üPermite determinar a temperatura de transição para ductilidade nula (NDT, nil ductility transition temperature) ⇒ interessante em projeto de engenharia para aplicações em temperaturas sub- ambientes 11 PMT 2100 - Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia - 2005 21 Fadiga üAté o momento, foram estudadas solicitações estáticas ou monotônicas (a força cresce ou decresce continuamente). üNas aplicações de engenharia, entretanto, freqüentemente encontram-se solicitações cíclicas (ex. eixos, molas, asas de avião, bio-implantes, …), que implicam em fadiga. üA 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. üA 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. üA 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) 12 PMT 2100 - Introdução à Ciência dos Materiais para Engenharia - 2005 23 Ensaios de fadiga Máquina servo- hidráulica de ensaio de fadiga Corpos de prova antes e depois do ensaio Ensaio de fadiga a quente em material resistente ao calor 24 • 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, aços baixa liga e ferros fundidos 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. Curva S-N (curva de Wöhler) Caso geral Aços carbono