ciências dos materiais- 232 · metal com 99,9999% de pureza = 1022-1023 impurezas por cm3. ... •...
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Aula 1 –
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Professor: Luis Gustavo Sigward EricssonCurso: Engenharia MecânicaSérie: 6º/ 5º Semestre
Ciências dos materiais- 232
Terça
Semana par
19:00 às 20:40
21:00 às 22:40
2a aula- Imperfeições em Sólidos- Propriedades Mecânicas dos Metais- Falhas em Materiais
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Aula 2 – Imperfeições em Sólidos
Imperfeições em Sólidos
Cristal – arranjo regular e periódico dos átomos
Defeito – irregularidade (imperfeição ou “erro”) no arranjo cristalino
Defeitos Cristalinos
A classificação dos defeitos cristalinos é frequentemente feita de acordo com a geometria ou dimensão dos defeitos.
Defeitos pontuais – Dimensão zero
Defeitos lineares – uma dimensão (unidimensional)
Defeitos planos (interfaciais) – fronteiras (2 dimensões)
Defeitos volumétricos – 3 dimensões
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Defeitos Pontuais
Envolve a falta de um átomo (uma posição do reticulado,normalmente ocupada, encontra-se vazia)
São formados durante a solidificação do cristal ou comoresultado das vibrações atômicas (O número de vacânciasaumenta exponencialmente com a temperatura)
As propriedades dos materiais podem ser controladas criandoou controlando estes defeitos
Vacâncias
Aula 2 – Imperfeições em Sólidos
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Vacância
Distorçãonos planos
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Defeitos Pontuais
Um átomo extra no interstício do cristal (mesmo material)
Produz uma distorção no reticulado, uma vez que o átomo é, geralmente,maior que o interstício.
A formação de um defeito intersticial implica na criação de uma vacância
Existem em concentrações menores que as vacâncias
Átomos Intersticiais
Aula 2 – Imperfeições em Sólidos
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interstício
Distorçãonos planos
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Defeitos Lineares (Discordâncias)
As discordâncias estão associadas com a cristalização e a deformação
(origem: térmica, mecânica e supersaturação de defeitos pontuais).
A presença deste defeito é a responsável pela deformação, falha e
rompimento dos materiais.
A quantidade e o movimento das discordâncias podem ser
controlados pelo grau de deformação (conformação mecânica) e/ou
por tratamentos térmicos.
Aula 2 – Imperfeições em Sólidos
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Defeitos Lineares (Discordâncias)
Discordância é um defeito linear ou unidimensional em torno do qual
alguns dos átomos estão desalinhados.
Discordância em inglês é chamada “dislocation”.
Podem ser:
Cunha
Hélice
Mista
Aula 2 – Imperfeições em Sólidos
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Defeitos Lineares (Discordâncias)
Envolve um plano extra de átomos
O vetor de Burger é perpendicular à direção da linha de discordância
Envolve zonas de tração e compressão
Discordância em Cunha
Aula 2 – Imperfeições em Sólidos
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Defeitos Lineares (Discordâncias)
Átomos acima da linha de discordância estão espremidos
(compressão) e os átomos abaixo da linha estão separados (tração)
Discordância em Cunha
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Defeitos Lineares (Discordâncias)
Produz distorção na rede
O vetor de burger é paralelo à direção da linha de discordância
Formada por uma tensão de cisalhamento
A parte superior do cristal é deslocada uma distância atômica
Discordância em Hélice
Aula 2 – Imperfeições em Sólidos
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Defeitos Lineares (Discordâncias)
Discordância em Hélice
Aula 2 – Imperfeições em Sólidos
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Defeitos Lineares (Discordâncias)
Discordância - Cunha vs Hélice
Aula 2 – Imperfeições em Sólidos
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Discordância em Cunha
Discordância em Hélice
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Defeitos Lineares (Discordâncias)
Discordância mista
Aula 2 – Imperfeições em Sólidos
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Defeitos Interfaciais
Contorno de Grão
Aula 2 – Imperfeições em Sólidos
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• A forma do grão é controlada pela presença dos grãos circunvizinhos
• O tamanho de grão é controlado por:
Composição
Taxa de cristalização ou solidificação
• Energia
Energia do contorno de grão é similar à da energia da superfícieexterna, ou seja, mais elevada que no interior do grão.
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Defeitos Interfaciais
Contorno de Grão
Aula 2 – Imperfeições em Sólidos
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– Corresponde à região que separa doisou mais cristais de orientaçõesdiferentes em materiais policristalinos
um cristal = um grão
– No interior de cada grão todos osátomos estão arranjados segundo umúnico modelo e única orientação,caracterizada pela célula unitária
Material com apenas uma orientação cristalina, ou seja, que contém apenas um grão é chamado de monocristal
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Defeitos Interfaciais
Maclas ou Cristais Gêmeos (“Twins”)
Aula 2 – Imperfeições em Sólidos
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• É um tipo especial de contorno de grão.
• Os átomos de um lado do contorno são imagens espelhadas dos átomosdo outro lado do contorno.
• A macla ocorre num plano definido e numa direção específica,dependendo da estrutura cristalina.
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Soluções Sólidas
Aula 2 – Imperfeições em Sólidos
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Um metal considerado puro sempre tem impurezas (átomos estranhos)
presentes
Metal com 99,9999% de pureza = 1022-1023 impurezas por cm3.
A presença de impurezas promove a formação de defeitos pontuais na
estrutura do metal.
As impurezas podem ser adicionadas intencionalmente com a
finalidade:
• aumentar a resistência mecânica
• aumentar a resistência à corrosão
Quando a adição é feita intencionalmente formam-se as ligas.
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Soluções Sólidas
Aula 2 – Imperfeições em Sólidos
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A estrutura do cristal é mantida e não formam-se novas estruturas.
As soluções sólidas formam-se mais facilmente quando impureza ehospedeiro tem estrutura e dimensões eletrônicas semelhantes.
As impurezas são chamadas soluto (< quantidade) e a matriz é chamadasolvente (> quantidade).
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Soluções Sólidas
Substitucionais
Aula 2 – Imperfeições em Sólidos
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• Há a substituição de átomos do solvente no reticulado cristalino porátomos de soluto.
• Átomos de soluto e do solvente devem ter aproximadamente o mesmotamanho.
• Para formar uma solução sólida substitucional ambos os átomos de solutoe de solvente devem obedecer uma série de condições chamadas “Regrasde Hume – Rothery”.
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Soluções Sólidas
Substitucionais
Aula 2 – Imperfeições em Sólidos
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Regras de Hume – Rothery
Raio atômico – deve ter uma diferença de no máximo 15%, caso contrário pode promover distorções na rede e assim formação de nova fase
Estrutura cristalina – mesma
Eletronegatividade – próximas
Valência – mesma ou maior que a do hospedeiro (diferença máxima 1 unidade).
Tanto o soluto como o solvente devem obedecer a essas regras simultaneamente.
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Soluções Sólidas
Intersticiais
Aula 2 – Imperfeições em Sólidos
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Os átomos de impurezas ocupam os espaços dos interstícios.
Como os materiais metálicos tem geralmente fator de empacotamento alto as posições intersticiais são relativamente pequenas.
Geralmente, no máximo 10% de impurezas são incorporadas nos interstícios.
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Exercícios
Aula 2 – Imperfeições em Sólidos
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1) Cite as principais diferenças entre as soluções substitucionais eintersticiais .
2) Descreva com as suas palavras o que são defeitos pontuais e lineares
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Propriedades Mecânicas
Aula 2 – Propriedades Mecânicas dos Metais
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A determinação e/ou conhecimento das propriedades mecânicas é oprincipal fator para a seleção de materiais para diversas aplicações.
As propriedades mecânicas definem o comportamento do material quandosujeitos à esforços mecânicos, pois estas estão relacionadas à capacidade domaterial de resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper e semse deformar de forma incontrolável.
Super Light Car Life Cycle Assessment
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Tipos de Tensões
Aula 2 – Propriedades Mecânicas dos Metais
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• Tração
• Compressão
• Cisalhamento
• Flexão
• Torção
Cargaestática
muda lentamentecomportamento mecânico
Teste tensão-deformação
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Classificação dos Ensaios Mecânicos
Aula 2 – Propriedades Mecânicas dos Metais
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Ensaio de Tração
Aula 2 – Propriedades Mecânicas dos Metais
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• Um corpo de prova é deformado, geralmente até a fratura, por uma carga detração, que aumenta gradativamente, aplicada uniaxialmente ao longo do eixomaior do corpo de prova.
• O equipamento de tração é projetado para alongar o espécime a uma taxaconstante e ao mesmo tempo medir instantaneamente a carga aplicada e oalongamento correspondente.
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Ensaio de Tração
Aula 2 – Propriedades Mecânicas dos Metais
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• A representação gráfica de um ensaio de tensão-deformação é um gráfico decarga ou tensão vs. alongamento ou deformação.
y
strain
Typical response of a metal
TS
stre
ss
strain
F = fracture or
ultimate
strength
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Tensão de Engenharia
Deformação de Engenharia
𝜎 =𝐹
𝐴𝑜
𝜀 =𝑙𝑖 − 𝑙𝑜𝑙𝑜
=Δ𝑙
𝑙𝑜
Ensaio de tração
Tensão () vs. Deformação (e)
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Similar ao ensaio de tração, exceto que a forçaaplicada é compressiva.
Valem as mesmas equações do ensaio de tração.
Deformações compressivas são negativas, umavez que lo > li.
Testes compressivos são importantes quando omaterial é frágil em tração.
Ensaio de tração
Ensaios de Compressão
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Aula 2 – Propriedades Mecânicas dos Metais
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Ensaio de tração
Deformação Elástica
Elástico significa reversível!
2. Small load
F
d
bonds stretch
1. Initial 3. Unload
return to initial
F
d
Linear-elastic
Non-Linear-elastic
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Ensaio de tração
Deformação Elástica
O grau no qual a estrutura deforma depende
da intensidade de uma tensão imposta
E representa o módulo de Young (módulo de
elasticidade)
Quando a deformação é proporcional à tensão aplicada tem-se uma
deformação elástica. A deformação elástica é uma deformação não
permanente, ou seja, ao se remover a tensão o corpo de prova retorna ao
seu tamanho inicial.
Lei de Hooke𝜎 = 𝐸 ∙ 𝜀
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A inclinação da curva tensão vs.deformação dá o valor do módulode Young (E).
Quanto maior o módulo, maisresistente é o material, ou sejamenor é a deformação elásticaresultante da aplicação de umatensão.
Módulo de Young ou
Módulo de Elasticidade
Ensaio de tração
Deformação Elástica
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Ex.: Um corpo de prova de cobre de 305 mm de comprimento é
tracionado com uma tensão de 276 MPa. Se a deformação é
completamente elástica, qual será o alongamento resultante?
Dados: = 276 MPalo = 305 mmECu = 110 GPa
Ensaio de tração
Deformação Elástica
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Ensaio de tração
Propriedades Elásticas dos Materiais
Quando uma tensão de tração é imposta, ocorre
um alongamento elástico e uma deformação
elástica ez na direção da tensão aplicada.
Para tensão uniaxial e material isotrópico:
Mesmas propriedades em qualquer direçãoex = ez
Para materiais isotrópicos é possível relacionar os módulos de elasticidade e de cisalhamento
Razão de Poisson: 𝜈 = −𝜀𝑥𝜀𝑧
= −𝜀𝑦
𝜀𝑧
𝐸 = 2𝐺 1 + 𝜈
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Ensaio de tração
Deformação Plástica
Para a maioria dos metais a deformação elástica permanece somente para deformações de
cerca de 0,5 % (e = 0,005). Além desse ponto não há mais proporção entre tensão de
deformação e ocorre deformação permanente, não-recuperável ou deformação plástica.
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Ensaio de tração
Propriedades de Tração
A maioria das estruturas é projetada para garantir que ao se aplicar uma tensão ocorra
apenas deformação elástica. Ao ocorrer uma deformação plástica, a estrutura ou
componente não é capaz de agir como projetado.
É necessário conhecer o ponto em que ocorre a transição entre deformação plástica e
elástica.
Para metais que têm uma transição gradual
procura-se o ponto em que ocorre a transição,
o que não é facilmente determinável. Esse
ponto é chamado de limite de
proporcionalidade.
Alguns aços e outros materiais apresentam um
escoamento muito bem definido e ocorre
abruptamente.
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Aula 2 – Propriedades Mecânicas dos Metais
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Ensaio de tração
Propriedades de Tração
Limite de Escoamento
Quando não observa-senitidamente o fenômeno deescoamento, a tensão deescoamento corresponde à tensãonecessária para promover umadeformação permanente de 0,2%(obtido pelo método gráficoindicado na figura ao lado)
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Ensaio de tração
Propriedades de Tração
Resistência à tração
Após o escoamento, a tensãonecessária para continuar adeformação plástica em metaisaumenta até um máximo (M) eentão diminui até uma provávelfratura (P).
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Ductilidade
Mede o grau de deformaçãoplástica que foi atingido nafratura.
Um material que experimentamuito pouca ou nenhumadeformação plástica antes dafratura é denominado frágil("brittle").
Materiais frágeis - deformaçãomenor que 5%.
Propriedades de Tração
Porcentagem de elongação
Lf
AoAf
Lo
Porcentagem de Redução de Área
Ensaio de tração
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Aula 2 – Propriedades Mecânicas dos Metais
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Propriedades de Tração
Resiliência
Mede a capacidade de ummaterial absorver energia quandoé deformado elasticamente (apósdescarregamento a sua energia érecuperada).
A propriedade associada é omódulo de resiliência, Ur , que é aenergia de deformação porunidade de volume requeridapara tensionar o material a partirdo estado não-carregado até oponto de escoamento.
Assumindo uma região elástica linear
Ensaio de tração
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Aula 2 – Propriedades Mecânicas dos Metais
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Ensaio de tração
Propriedades de Tração
Tenacidade
É a medida da capacidade de ummaterial absorver energia até afratura.
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Aula 2 – Propriedades Mecânicas dos Metais
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Ensaio de tração
Propriedades de Tração
Recuperação elástica após deformação plástica
Depois do descarregamento após umensaio de tração, parte dadeformação total é recuperada comodeformação elástica. A inclinação dacurva de descarregamento é paralelaà parte elástica da curva.
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Exercícios
Aula 2 – Propriedades Mecânicas dos Metais
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1) Cite as principais diferenças entre os comportamentos de deformação plásticae elástica.
2) Quais as propriedades que podem ser obtidas num ensaio de tração e o quecada uma representa.
3) Na escala atômica o que significa estar sofrendo deformação elástica,deformação plástica, ruptura.
4) Para cada tipo de material – Metálico, plástico e cerâmico, diga por intuiçãocomo são as seguintes propriedades: Módulo de elasticidade, Tensão deEscoamento, LRT, Ductilidade, condutividade elétrica e térmica. Faça umatabela.
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Fratura
Aula 2 – Falhas em materiais
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Consiste na separação do material em 2 ou mais partes devido à aplicação de
uma carga estática à temperaturas relativamente baixas em relação ao ponto
de fusão do material
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Fratura
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Fraturas dúcteisFratura frágil
• Dúctil – a deformaçãoplástica continua até umaredução na área paraposterior ruptura (Éobservada em materiais CFC)
• Frágil – não ocorredeformação plástica,requerendo menos energiaque a fratura dúctil queconsome energia para omovimento de discordânciase imperfeições no material (Éobservada em materiais CCCe HC)
Aula 2 – Falhas em materiais
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Fratura
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• Fratura dúctil :- Um pedaço- Grandes deformações
• Fratura frágil:- Muitas partes - Pequenas deformações
Exemplo: Falha em tubo
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Fratura
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Mecanismo da Fratura Dúctil
a) Empescoçamento
b) Formação de cavidades
c) Coalescimento das cavidades
d) Formação e propagação da trinca
em um ângulo de 45º
e) Rompimento do material por
propagação da trinca
Aula 2 – Falhas em materiais
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Fadiga
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• É a forma de falha ou ruptura que ocorrenas estruturas sujeitas à forças dinâmicase cíclicas
• Nessas situações o material rompe comtensões muito inferiores àcorrespondente à resistência à tração(determinada para cargas estáticas)
• É comum ocorrer em estruturas comopontes, aviões, componentes demáquinas
• A falha por fadiga é geralmente denatureza frágil mesmo em materiaisdúcteis.
Aula 2 – Falhas em materiais
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Fadiga
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• A fratura ou rompimento do material porfadiga geralmente ocorre com a formação epropagação de uma trinca.
• A trinca inicia-se em pontos onde háimperfeição estrutural ou de composiçãoe/ou de alta concentração de tensões (queocorre geralmente na superfície)
• A superfície da fratura é geralmenteperpendicular à direção da tensão à qual omaterial foi submetido
Aula 2 – Falhas em materiais
crack origin
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Fadiga
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CURVA -N
A curva -N representa a tensão versus número de ciclos para que ocorra afratura.Normalmente para N utiliza-se escala logarítmica
Vida em fadiga (Nf): o número de ciclos necessários para ocorrer a falha em
um nível de tensão específico.
Aula 2 – Falhas em materiais
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Fadiga
Aula 2 – Falhas em materiais
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Fatores que Afetam a Vida em Fadiga
Tensão Média: o aumento do nível médio de tensão leva a uma diminuição da
vida útil
Efeitos de Superfície: variáveis de projeto (cantos agúdos e demais
descontinuidades podem levar a concentração de tensões e então a formação
de trincas) e tratamentos superficiais (polimento, jateamento, endurecimento
superficial melhoram significativamente a vida em fadiga)
Efeitos do ambiente: fadiga térmica (flutuações na temperatura) e fadiga por
corrosão (ex. pontos de corrosão podem atuar como concentradores de
tensão)
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Fluência
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• Quando um metal é solicitado por uma carga,imediatamente sofre uma deformaçãoelástica. Com a aplicação de uma cargaconstante, a deformação plástica progridelentamente com o tempo (fluência) até haverum estrangulamento e ruptura do material
• Velocidade de fluência (relação entredeformação plástica e tempo) aumenta com atemperatura
• Esta propriedade é de grande importânciaespecialmente na escolha de materiais paraoperar a altas temperaturas
• Este fenômeno é observado em todos osmateriais, e torna-se importante à altastemperaturas (T = 0,4.TF)
Aula 2 – Falhas em materiais
elastic
primary secondary
tertiary
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Exercícios
52
1) Cite as principais diferenças entre fraturas dúctil e frágil.
2) Quais são as características dos fenômenos de fluência e fadiga.
Aula 2 – Falhas em materiais