Sumários

T6

15 março 2010, 09:30 • Augusto Moita de Deus

Recuperação elástica após deformação plástica.

Encruamento dos metais: à medida que se acumula deformação plástica, a tensão de cedência vai simultâneamente aumentando (diminuindo a respectiva ductilidade).

Material elástico idealmente plástico: material que não sofre encruamento, tendo uma curva de regime plástico que é paralela ao eixo das abcissas

Alguns metais exibem esse comportamento de forma muito aproximada

O fenómeno do encruamento, pelo qual o material vê aumentada a sua resistência (à cedência) pelo trabalho mecânico (ou trabalho plástico) sobre si imposto, bem como a compreensão à escala atómica do fenómeno da plasticidade, serão discutidos mais em detalhe na parte II deste capítulo.

No caso dos metais, a tensão de cedência e a tensão máxima tendem a ser similares à tracção e à compressão, no caso de peças que não tenham sido previamente deformadas plasticamente.

Nota: os materiais cerâmicos têm em geral um comportamento distinto à tracção e à compressão: a tensão máxima (em valor absoluto) é maior à compressão que à tracção. 

Efeito de Bauschinger: (aparente) redução do valor absoluto da tensão de cedência à compressão após o material ter sofrido encruamento à tracção (e vice-versa)

A diferença entre as tensões de cedência à tracção e compressão tende a ser próxima do dobro da tensão de cedência original. 

Variação de volume no ensaio de tracção (este tópico foi discutido em maior detalhe na aula prática):

Em regime elástico a variação de volume é normalmente desprezável face ao volume da amostra;

Em regime plástico a variação de volume é por definição nula (pois o que varia é a forma do material).

Isso significa que as fórmulas de conversão "valores nominais vs valores reais" são válidas em toda a região de interesse do ensaio de tracção.

Elas deixam de se aplicar após a estricção, visto que a geometria do provete deixa de ser regular. Mas a partir dessa altura a peça já não poderá ser usada para aplicações de engenharia, logo tal situação (comportamento após a tensão máxima) tem interesse limitado do ponto de vista das aplicações.

Deformação elástica e plástica à escala atómica

No 1º caso, as distâncias interatómicas variam (daí a variação de volume), mas quando se remove a força exterior, os átomos retornam à sua posição de equilíbrio; no 2º caso, o valor suficientemente elevado das tensões de corte pode levar à situação em que planos atómicos escorreguem uns relativamente aos outros (teremos de ver mais tarde como é que na prática isto é possível). Logo, quando se retira a força exterior, os átomos já não retornam à posição anterior: a deformação é permanente, sendo que a forma do material mudou mas não o seu volume. Sendo assim, por definição, a deformação puramente plástica conserva o volume. No entanto, num material real, juntamente com a deformação plástica existe sempre deformação elástica. Por isso num material real, quer em regime (puramente) elástico, quer em regime (elástico e) plástico, há sempre alguma variação de volume, que contudo na maior parte dos casos pode ser desprezada (pelos motivos expostos). Aliás, é com base na conservação de volume que se deduz a fórmula de conversão tensão real - tensão nominal.

Ensaio de dureza. 

Resistência à indentação, ou à deformação plástica superficial. Os ensaios de dureza (Rockwell, Brinell, Vickers) diferem da geometria e material do indentador e da carga aplicada. O número de dureza obtém-se de uma fórmula especificada para cada tipo de ensaio, cujas variáveis dependem (em geral) das dimensões do indentador e da indentação, bem como da carga. Quanto maior a dimensão da indentação, menor será a dureza.

Correlação directa entre dureza e resistência mecânica.

3. ESTRUTURAS CRISTALINAS . Motivação do estudo das estruturas cristalinas. Energia e arranjo atómico. Estruturas cristalinas e amorfas.

Célula unitária. 

Os valores relativos dos 3 parâmetros de rede e dos 3 ângulos entre os eixos cristalográficos definem os sistemas cristalográficos.

Referências para estudo:   Smith: 

276 -278   , 69-70

.   Callister: 

154-160, 38-40.

Leitura para a próxima aula teórica:       Smith: 69-91 . Callister: 38-59 .

P2

11 março 2010, 14:00 • Augusto Moita de Deus

Propriedades mecânicas, parte I.  Problemas 7, 9. Para entregar (I): 4, 5.

T5

11 março 2010, 11:30 • Augusto Moita de Deus

Recursos audiovisuais: ensaio de tracção.
  • Em dois desses filmes a mesma liga de cobre foi testada. Observa-se contudo que um dos provetes (o que sofreu recozimento) é apreciavelmente mais dúctil que o outro (que tinha sofrido trabalho plástico). Como iremos estudar ao longo desta cadeira:
  • Os tratamentos térmicos e/ou mecânicos em geral alteram a resistência e a ductilidade do material (são realizados precisamente com esse objectivo).
  • Em geral, nesses casos a resistência e a ductilidade variam em sentido oposto.
  • No entanto, nem todas as propriedades mecânicas são alteráveis por tratamentos térmicos e/ou mecânicos. Por exº, o módulo de Young,  E, que depende essencialmente da energia das ligações interatómicas, mantém-se essencialmente inalterado nesses tratamentos.
    • O módulo de elasticidade está intimamente relacionado com a energia de ligação interatómica (o mesmo acontece por exemplo à temperatura de fusão); assim, não é alterável através de tratamentos termicos e/ou mecânicos. 
    • Já a resistência (seja medida pela tensão de cedência, seja pela tensão máxima) e a ductilidade dos materiais podem eventualmente ser alteradas por tratamentos adequados (normalmente um aumento em resistência tem o custo de uma diminuição em ductilidade e vice-versa).

Recursos audiovisuais: Callister (animações- ensaio de tracção; curvas do ensaio de tracção de materiais diversos).

  • Discussão: como se pode avaliar quantitativamente a ductilidade e a resistência?
    • a ductilidade pode ser medida pela extensão plástica à fractura, pela máxima extensão uniforme, pela percentagem de redução de área (à fractura, ou no ponto de carga máxima), etc.; 
      • Recordou-se o facto de um material frágil ser um material que pode ser muito resistente. "Frágil" significa apresentar, à fractura, deformação plástica nula ou desprezável.
    • a resistência mecânica pode ser medida pelo valor da carga máxima, ou pelo valor da tensão de cedência.
  • Discussão: o facto de um material ter comportamento "elástico" significa que ele retorna às suas dimensões iniciais, após a remoção da carga aplicada. No caso dos metais e cerâmicos, o comportamento elástico é expresso por uma lei linear (lei de Hooke), mas no caso dos elastómeros a curva elástica é não-linear (e como se viu, a curva de descarga pode não coincidir com a curva de carga, ie, pode existir um fenómeno de histerese. Notar então: 
    • Linear => elástico
    • Elástico "não implica" linear. 

Velocidade de alongamento, velocidade (ou taxa) de deformação nominal e real.

Ensaio de tracção: célula de carga, extensómetro.

Coeficiente de Poisson. Deformação de corte (ou, distorção).  Módulo de distorção (ou de Coulomb). Relação entre a distorção e a tensão de corte em regime elástico. Relação entre o módulo de Coulomb, o módulo de Young e o coeficiente de Poisson para um material isótropo. 

Na aula prática far-se-á o cálculo da variação de volume em regime elástico de um material isotrópico sujeito a um esforço de tracção uniaxial.

Como se verá, em geral essa variação é não-nula, só que é, em percentagem, um valor relativamente muito baixo (tipicamente abaixo de 1%).

Significado físico do integral da curva tensão vs. extensão: energia mecânica absorvida, por unidade de volume. Módulo de resiliência (energia armazenada em regime elástico). Módulo de tenacidade (energia armazenada até à fractura).

A resiliência pode ser estimada em função da tensão de cedência (ou de forma aproximada: em função da tensão de prova) e do módulo de Young.

Referências para estudo:  Smith:    264-267, 269.  Callister: 134, 135, 140- 150.

Leitura para a próxima aula teórica:     Smith:    276  -278  , 69-77   . Callister:  154-160, 38-47.

P1

8 março 2010, 11:00 • Augusto Moita de Deus

Propriedades mecânicas, parte I.  Problemas 1, 2, 8a-c).

T4

8 março 2010, 09:30 • Augusto Moita de Deus

Ensaio de tracção uniaxial (cont).

Para além dos esforços axiais (tracção ou compressão), os outros modos básicos de deformação de uma peça são: torção, flexão. Tensões normais e tangenciais.  

Tensão real,  extensão  (ou deformação) real. Fórmulas de conversão entre valores nominais e reais, baseadas na conservação (aproximada) de volume. Motivos da utilização preferencial de gráficos envolvendo valores nominais.

  • A determinação directa da tensão real envolveria a determinação simultânea da força e da área instantânea, ao passo que para a tensão nominal basta saber a força (a área inicial é uma constante, suposta conhecida no início do ensaio). Não há perca de informação, pois sabendo os valores nominais, os valores reais podem sempre ser calculados, usando as fórmulas de conversão. 

Deformação uniforme; deformação não-uniforme, ou localizada (estricção). 

  • Motivo da existência de um troço decrescente na curva tensão-extensão nominal, enquanto que a curva de valores reais é sempre crescente: ao passo que para deformar cada vez mais o provete é necessário incrementar ( nem que seja localmente, o que sucede na zona de estricção   ) a tensão real, o que se passa é que ao se iniciar a estricção existe "menos área" a contribuír para a resistência do material, nessa zona, logo a força necessária para aumentar a tensão real nessa secção recta de área diminuída verifica-se que é cada vez menor, sendo que este efeito decorre em "feedback positivo" até à rotura.
    • As máquinas de ensaio de tracção normalmente trabalham ajustando a força necessária para garantir que a velocidade de alongamento seja constante. Se os sensores detectarem que para o fazer é necessário "menos força", tais sensores actuam o dispositivo electromecânico que é responsável pela carga (ie, a célula de carga) precisamente nesse sentido. Ou seja, a máquina tem um feedback (neste caso um "feedback negativo") no sentido de "perceber" o que é que o sistema tem de fazer para garantir que as amarras do provete se afastem a velocidade constante. Até ao ponto de carga máxima isso significa ir aumentando sucessivamente a força. Mas a partir do momento em que se dá a estricção (ou: deformação localizada) o mesmo requisito só é obtido diminuindo um pouco a força (se não se diminuisse a força... as amarras acelerariam!).

A tensão real é sempre superior à tensão nominal, e a extensão real é inferior à nominal. Para pequenas deformações (em particular, em regime elástico) os valores nominais e reais são praticamente coincidentes.

  • Daí a lei de Hooke ser normalmente expressa em "tensão" e "deformação", sem especificar se se trata de valores nominais ou reais, pois em regime elástico os dois tipos de valores são geralmente coincidentes (em metais e cerâmicos, o regime elástico abrange deformações que no máximo são da ordem de grandeza de 1%, o que permite fazer tal aproximação). 
Referências para estudo: Smith:   266-271,  274-276 . Callister:   136, 151-152, 154 .

Leitura para a próxima aula teórica:   Smith:   264-266, 276 -278 . Callister: 140-142, 148-  150, 155-160.