Materiais de
Construção Mecânica – Seleção, Uso e Solução
Propriedades
- Conceitos
Olá a todos que
prestigiam o nosso Blog Carroceiros de Plantão.
Dando
continuidade ao assunto sobre a escolha de materiais no desenvolvimento do
produto, tentarei de uma forma sucinta passar alguns conceitos que determinam
as propriedades mecânicas dos materiais.
Mas a partir
desse post, mudarei um pouco o enfoque, vou entrar de vez no mundo dos materiais
metálicos, materiais que são hoje, os mais difundidos e utilizados na cadeia
produtiva de carrocerias na indústria automotiva.
Vamos lá então.
Boa leitura a todos.
Metais, em
quase toda a totalidade da gama, apresentam características muito parecidas e
para diferencia-los precisamos conhecer alguns conceitos importantes sobre a
resistência dos materiais.
Vamos iniciar nosso estudo entendo
alguns desses conceitos. Começaremos
pelo conceito de Tensão e Deformação;
Tensão
Na mecânica,
tensão é uma medida da intensidade das forças internas agindo entre as partículas
de uma seção transversal de um corpo de material deformável. Essas forças
internas são forças de reação contra as forças externas aplicadas no corpo. A
tensão correspondente ao carregamento F pode ser obtida pela simples aplicação
do principio do equilíbrio.
·
Tensão nominal ou tensão de engenharia: σ = F/A0 [N/mm2]
·
Tensão real: σ = F/A [N/mm2]
Figura 1: Tensão
em um corpo assumido como como contínuo.
O conhecimento
da tensão real é mais interessante em estudos científicos sobre comportamento
mecânico e os mecanismos de deformação envolvidos.
Na engenharia,
para projetar estruturas e componentes mecânicos, utilizamos a tensão de engenharia.
Tensão
de Escoamento (σe)
É o valor da
tensão para a qual o material começa a se deformar plasticamente (deformação
plástica). O valor de tensão de escoamento de um metal é uma medida de
resistência à deformação plástica.
Alguns
materiais (ex. aço, ferro) apresentam um patamar de escoamento bem definido , com
limite superior e inferior (Fig.2).
Figura 2: Diagrama
Tensão (σ) x Deformação (ε) de um metal dúctil.
Limite Elástico (Le)
Quando
submetido a uma força de tração o material sofre, inicialmente, apenas
deformação elástica até ser alcançado o limite elástico; a partir deste ponto
do ensaio começa a ocorrer, além da elástica, a deformação plástica ou permanente.
Figura 3: Diagrama
Tensão (σ) x Deformação (ε) para determinação do Limite de Elástico
Tensão de Escoamento Convencionada (σ0,2)
Quando não
apresenta patamar de escoamento claramente definido define-se, por norma, como
tensão de escoamento aquela tensão para a qual o material já apresenta 0,2% de deformação
permanente e então determina-se graficamente (Fig. 4) esse limite.
Figura 4: Diagrama
Tensão (σ) x Deformação (ε) para Tensão de Escoamento Convencionada
Deformação
A deformação de
engenharia é, portanto uma grandeza adimensional e representa um valor médio
específico da deformação tomado sobre a extensão do segmento observado. É usual
também representar o valor “ε” como percentual. A deformação ocorre quando é aplicada
uma tensão ou variação térmica que altera a forma de um corpo.
As deformações
por tensão podem ser classificadas basicamente em três tipos: deformação
transitória ou elástica, deformação permanente ou plástica e ruptura.
Na deformação
elástica, o corpo retorna ao seu estado original após cessar o efeito da
tensão. Isso acontece quando o corpo é submetido a uma força que não supere a
sua tensão de elasticidade (Lei de hooke).
Na deformação
permanente, o corpo não retorna ao seu estado original, permanece deformado
permanentemente. Isso acontece quando o corpo é submetido à tensão de
plasticidade, que é maior daquela que produz a deformação elástica.
Na deformação
por ruptura o corpo rompe-se em duas ou mais partes. A ruptura acontece quando
um corpo recebe uma tensão inicialmente maior daquela que produz a deformação
plastica; essa tensão tende a diminuir após o início do processo.
Tensão x Deformação
A partir da
aplicação da tensão, obtemos uma determinada deformação e a partir desses
valores podemos construir um gráfico, muito importante para entender o
comportamento de um determinado material.
Tal gráfico é
conhecido como Diagrama Tensão x Deformação:
Figura 5: Diagrama Tensão (σ) x Deformação (ε) om os vários estágios de
deformação de um metal dúctil.
Figura 6: Diagrama
Tensão (σ) x Deformação (ε). Curva de tração real x deformação em tração
Módulo de Elasticidade (Módulo de Young)
Como vimos no
post anterior, o módulo de elasticidade é a inclinação da curva tensão x
deformação (σ x ε) na região elástica.
É uma
propriedade muito importante pois representa a rigidez do material, isto é, a
sua resistência à deformação
elástica.
Figura 7: Diagrama
Tensão (σ) x Deformação (ε) para determinação do módulo de elasticidade
(Módulo de Young)
Para a maioria
dos metais, este módulo varia entre 45 GPa, para o magnésio, até 400 GPa, para
o tungstênio. Os polímeros geralmente possuem módulo de elasticidade bem mais
baixos, variando entre 0,002 e 4,8 GPa.
Alguns valores
do módulo de elasticidade:
·
Metais: varia entre 45 GPa (Mg) e 407 GPa (W);
·
Cerâmica: entre 70 e 500 GPa e Diamante = 1000Gpa
·
Polímeros: entre 0,007 e 4 GPa.
Resiliência
A resiliência é
a capacidade de um material em absorver energia quando ele é deformado
elasticamente e depois, com o descarregamento, ter essa energia recuperada.
A propriedade
associada é o módulo de resiliência (Ur)
que representa a energia de deformação por unidade de volume para tencionar o
material até o seu limite elástico. Na tração, é a área abaixo da curva σ x ε até o limite elástico.
Figura 8: Diagrama
Tensão (σ) x Deformação (ε). Correlação de Resiliência entre material
metálico e materiais cerâmicos
Tenacidade
Tenacidade é a
energia mecânica, ou seja, o impacto necessário para levar um material à
ruptura. Tenacidade é uma medida de quantidade de energia que um material pode
absorver antes de fraturar. Os materiais cerâmicos, por exemplo, têm uma baixa
tenacidade.
Segundo a
tenacidade um material pode ser:
• Friável
(frágil, quebradiço): Que pode ser quebrado ou reduzido a pó com facilidade;
• Maleável:
Pode ser transformado facilmente em lâminas;
• Séctil: Pode
ser facilmente cortado com uma lâmina;
• Dúctil: Pode
ser transformado facilmente em fios;
• Flexível:
Pode ser dobrado, mas não recupera a forma anterior;
• Elástico: Pode
ser dobrado mas recupera a forma anterior.
Tal energia
pode ser calculada através da área num gráfico Tensão x Deformação do material,
portanto basta integrar a curva que define o material, da origem até a ruptura (Fig. 9).
Uma confusão
comum ao termo é achar que um material duro é também tenaz, como exemplo temos
o diamante, que só pode ser riscado por outro diamante (logo, extremamente
rígido), mas pode ser quebrado se sofrer uma requisição muito alta como uma
martelada.
Figura 9: Diagrama
Tensão (σ) x Deformação (ε). Área característica de Tenacidade de Materiais
Metálicos
Figura 10: Diagrama
Tensão (σ) x Deformação (ε). Áreas característica de Tenacidade de Materiais
Cerâmicos e Materiais Metálicos
Para aqueles que acompanham o
desenvolvimento do assunto, Materiais de Construção Mecânica, esse post foi bem
mais direcionado e específico. Abordamos pontos importantes para a escolha do
material mais apropriado ao produto a ser desenvolvido, e suas propriedades.
Apresentamos conceitos e propriedades, e focamos num grupo específico, o grupo
dos metálicos, o mais utilizado e importante para a construção de carrocerias
automotivas.
Abordamos os conceitos de tensão,
deformação, seus limites, propriedades como tenacidade e resiliência.
O próximo passo é estudar um evento
único e mais complexo, que demanda muito estudo por parte da engenharia mecânica
e dos materiais, e muito importante para nós, desenvolvedores do produto: é o
efeito da fadiga.
Ficarei muito grato se puderem me
dar um feedback sobre meus, aqui mesmo no Blog no campo COMENTÁRIOS.
Desejo a todos um bom fim de semana
e até a próxima.
Mauro Chilese Gobbi
CAE Specialist Engineer
Bibliografia
Dieter, G.E. (1991) Engineering Design, A Materials and Processing
Approach, 2nd edition, Chapter 5, McGraw-Hill, New York.
CALLISTER, Jr., W.D. Materials Science and
Engineering. 7 º ed. New York: John Wiley & Sons, Inc, 2007.
Murnaghan, F. D. (1937): "Finite deformations of
an elastic solid", en American Journal of Mathematics, 59, pp. 235-260.
Atkin, Raymond John. 'An introduction to the Theory of
Elasticity' (em inglés). [S.l.]: North-Holland (ed.), 1980. ISBN 0-486-44241-1
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