Propriedades Mecânicas

Para selecionar materiais apropriados e então obter um projeto eficiente, é essencial que se conheçam as propriedades relevantes dos materiais. As propriedades mecânicas dos materiais são medidas em termos do comportamento do material quando sujeito a uma força e são determinadas pelas deformações. Valores numéricos absolutos de algumas propriedades mecânicas não são determinados facilmente, mas são apresentados em comparação a outros materiais.

Muitos materiais em serviço estão sujeitos a forças ou carga, por exemplo a liga de alumínio empregada nas asas dos aviões ou o aço no eixo dos automóveis. Em tais situações é necessário projetar o equipamento de tal forma que as deformações em serviço não serão excessivas e fraturas não ocorrerão.

Deformação nos metais

Quando uma tensão (definida como a relação da força aplicada por unidade de área) é aplicada em um material o mesmo sofrerá deformação. Esta deformação pode ser elástica, a qual desaparece quando a tensão é retirada, ou plástica, que é uma deformação permanente. A figura a seguir mostra diagramas tensão x deformação típicos.

Arquivo:CurvaTensaoxDeformacao.png

Conforme a figura, até o ponto L.E. a deformação é proporcional, ou seja, obedece a lei de Hooke, sendo o coeficiente de elasticidade calculado pela razão entre a tensão e a deformação correspondente. O ponto L.E. é o limite de elasticidade ou de escoamento.

Em materiais tais como os aços doces, o limite de escoamento é bem definido, quando o material escoa, ou seja, a deformação plástica ocorre sem que, praticamente, haja aumento da tensão. Além, do ponto L.E. a deformação será, em parte, elástica e, em parte, inelástica. Porém, o material não mais retornará às suas dimensões originais quando a força for removida. Após o ponto L.E. o material estica rapidamente e a máxima tensão é aplicada no ponto L.Re. No ponto L.Ru ocorre a fratura.

Cabe ainda ressaltar a diferença de comportamento nas diversas curvas mostradas. Por exemplo, na figura (a) trata-se de um material frágil que se rompe sem que haja deformação plástica. Já na figura (b) temos um material dútil, com limite de escoamento definido. Quando não ocorre escoamento, o L.E. é definido como a tensão necessária para provocar uma deformação permanente de 0,2%.

Tensão: força por unidade de área;

Deformação plástica: deformação permanente provocada por tensões que ultrapassam o limite de elasticidade;

Deformação elástica: deformação reversível, proporcional à tensão aplicada;

Módulo de elasticidade (módulo de Young): quociente entre a tensão aplicada e a deformação elástica resultante.

Ductilidade: deformação plástica total até o ponto de ruptura. Pode ser expressa como o alongamento (ver Fig. 1.10) ou como a redução na área da seção reta do corpo, imediatamente antes da ruptura, chamada estricção: No material dútil a região do regime plástico é muito maior que a do regime elástico; o alongamento e estricção são grandes.

Estricção = área inicial - área final / área inicial

O limite de resistência à tração de um material é calculado dividindo-se a carga máxima suportada pelo mesmo pela área da seção reta inicial. Esse limite, tal como os demais, é expresso em unidades de tensão. Deve-se notar que o limite de resistência é calculado em relação à área inicial. Essa é uma observação importante, particularmente para os materiais dúcteis, pois os mesmo sofrem uma redução de área quando solicitados pela carga máxima. Embora a tensão verdadeira que solicita o material seja calculada considerando-se a área real, a tensão tal como definida anteriormente é mais importante para o engenheiro, pois os projetos devem ser feitos com base nas dimensões iniciais. Por este motivo também o limite de ruptura pode ser inferior ao limite de resistência.

Outro aspecto importante é que a deformação plástica (permanente) dos metais ocorre pelo deslizamento dos átomos, escorregando uns sobre os outros no cristal. Este deslizamento tende a acontecer preferencialmente ao longo de planos e direções específicos do cristal.

Laboratório Mecânica

Conceitos

No laboratório são feitos diversos experimentos afim de descrever o comportamento dos diversos materiais utilizados no dia-a-dia, quando são submetidos a algumas situações ou esforços mecânicos. Alguns dos possíveis esforços que podem modificar o material, são:

Expansão/Compressão
Torção
Cisalhamento
Fadiga

Estes testes são realizados com modelos que representam, de certa forma, fiel ao modelo original, e conseguem, portanto prever estas situações adversas e enfim evitar falhas na fabricação e manutenção. Um dos mais importantes testes realizados no laboratório, é o de ruptura.

Este teste consiste na tensão aplicada a um objeto usinado que represente de uma maneira fiel, podendo verificar aspectos como a tensão de ruptura, ou seja, a tensão máxima que o objeto aguenta sem que haja a ruptura. O computador conectado a esta máquina que realiza este experimento, fornece o gráfico de tensão por deformação ou de força por descolamento, auxiliando na identificação das fases elástica e plástica do material. Vale relembrar em que consistem as duas fases.

A fase elástica - Podemos notar a parte verde do gráfico - é a fase em que a tensão é proporcional a deformação, fornecendo uma tangente constante durante toda a fase. Durante esta fase, a deformação aplicada no material pode perfeitamente ser revertida e o material retornar ao formato inicial. Em uma análise atômica da situação, seria como se os átomos, separados por uma tração, voltassem ao estágio inicial quando não houver mais tensão aplicada.

A fase plástica - Podemos visualizar a parte amarela do gráfico - na segunda parte dele, é onde a deformação passa a variar de acordo com a tensão aplicada. Durante esta outra fase, a deformação não é reversível, e o material passa a assumir outro aspecto quando fica livre da tensão aplicada. Em uma análise atômica, é como se os átomos se rearranjassem para dar uma nova forma ao objeto.

Quando este teste é feito, a tensão no material causa uma expansão longitudinal e a uma diminuição na secção transversal. É importante ressaltar que o teste é feito com um modelo com medidas padronizadas e mesmo processo de fabricação. Assim, a quantização da variação longitudinal pela variação da secção transversal, na verdade, nada mais é que o coeficiente do Poisson. Uma melhor impressão pode ser formada observando a diminuição da secção transversal do molde da figura acima, em que a área em vermelho é a que mais expressa a tração submetida ao objeto.

V = Razão de Poisson (adimensional)
εx= Deformação na direção x, que é transversal
εy= Deformação na direção y, que é transversal
εz= Deformação na direção z, que é a longitudinal

Há algumas formas de classificar os materiais de acordo com as deformações e tensão máxima suportada, algumas das classificações possíveis apresentadas são:

materiais super elásticos
materiais elásticos
materiais dúcteis
materiais frágeis

Os materiais super elásticos e também os elásticos, basicamente, são aqueles que apresentam a capacidade de retornar a posição inicial, mesmo após aplicada uma tensão grande, (isso no caso dos super elásticos).
Os materiais dúcteis, são os que apresentam fases distintas entra elástica e plásticas, podendo identificar facilmente a mudança das fases no gráfico.
Os materiais frágeis, são aqueles que não possuem fase plástica, ou seja, quando submetido a uma grande tensão, o objeto se rompe, como é o caso do vidro, por exemplo.

Um pensamento errado que muitas vezes surge, é que o material não se deforma e rompe quando submetido a uma tração, novamente utilizando o exemplo do vidro. Isso não é verdade, todos os materiais possuem uma deformação quando é aplicada sobre ele uma tensão, a diferença, é claro, é o grau de deformação que este objeto pode chegar sem que se rompa.

Demonstrações

Quando precisamos descrever as formas de obter os dados necessários para a construção de algo, podemos citar três modos:

O teórico
O numérico
O experimental

O teórico é aquele em que são feitas as contas através da fórmulas e geometrias do objeto.
O numérico, é o método a que podemos recorrer quando a geometria do objeto não auxilia nos cálculos, ou não é possível o ajuste dos cálculos para aquele objeto, daí é que entram os softwares de simulação do objeto.
O experimental, como o próprio nome diz, é aquele onde é priorizado o experimento com o material afim de obter os dados necessários. No experimental, submete-se o material a exposição de forças.

Mas muitas vezes, o material sofre deformações ou até mesmo rupturas, assim, algumas vezes é necessário utilizar recursos, para trabalhar com ele. Um dos recursos que podem ser utilizados é a confecção de um molde fiel (criado em resina por uma impressora tridimensional) ou por um molde (também de resina) que simplesmente descreva o campo de forças e a forma que ele está presente no material testado. Um teste também muito utilizado, é justamente o que utiliza destas resinas, com a passagem de luz polarizada pela resina, que por sua vez está sob pressão, assim é criado um espectro com várias curvas de luz que permitem quantificar a deformação. Este teste recebe o nome de Fotoelasticidade e obedece a lei de Snell, ou seja, seu princípio fundamental é o da refração - Acima podemos ver a imagem de um molde em resina submetido a uma tração na ponta de prova, assim formam-se as curvas cromáticas, que permitem os cálculos necessários.

Engenharia Elétrica

Tudo que foi dito até agora se relaciona muto com a Engenharia Mecânica, mas há diversos paralelos que são feitos com a Engenharia elétrica. Alguns destes paralelos, aqueles que foram apresentados, serão discutidos. Podemos citar como exemplo o sensor criado para dimensionar a variação da secção transversal do objeto. Este sensor recebe o nome de Extensômetro e consiste de uma espira que contorna o corpo de prova, que após a aplicação de uma corrente na espira e tração no corpo, o valor da corrente mudará devido a algumas circunstâncias que nos permitirá calcular a deformação do objeto, lembrando que segue o princípio da resistividade elétrica.

Outro exemplo é o das linhas de transmissão, que são dispostas entre as torres formando um cosseno hiperbólico, e que pode ser explicado pela deformação sofrida em períodos com baixa temperatura em que o cabo sofre uma compressão e diminui de comprimento. Outra aplicação, é na construção das torres, tanto as de transmissão de energia, quanto as que são utilizadas na telecomunicação.

Torres como estas da foto acima sofrem uma oscilação devido a fatores como o vento - é absolutamente normal, até prédios tem - mas é de suma importância que a torre trabalhe somente na fase elástica, pois seria de um transtorno inadmissível que esta torre sofresse uma deformação permanente, assim é feito o calculo e dimensionamento para que esta torre não apresente futuros problemas. Nos prédios, o cuidado é redobrado, pois uma oscilação grande pode causar desconfortos nas pessoas que estão no prédio, por isso são adicionados ao concreto, armaduras de metal para que o problema seja resolvido.

Resumo

Devido ao fato de haver esforços mecânicos aos quais os objetos estão expostos é que se estuda as propriedades mecânicas de cada material. Esforços de Tensão, torção (entre outros) não podem modificar a estrutura original do objeto, isto é, deformá-los.

Para quantizar a deformação, são feitos testes e gráficos que podem nos fornecer a resistência mecânica e força máxima que o material aguenta sem que se rompa. A partir dos gráficos feitos podemos classificar os materiais como Frágeis, Dúcteis, Elásticos e também identificar as fases elástica e plástica.

Fase Elástica: Fase em que a tensão é proporcional a deformação, em que o objeto pode retornar ao aspecto original.
Fase Plástica: Fase em que a deformação passa a variar de maneira, não mais, proporcional, e essa deformação da passa a ser permanente.

Os materiais Frágeis são aqueles que não apresentam fase plástica.
Os materiais Dúcteis são os que apresentam fase elástica e plástica bem definidas.
Os materiais Elásticos são os que possuem a capacidade de retornar à posição inicial, mesmo quando existe uma tensão grande aplicada.

Outras alternativas existem para descrever a atuação de forças em um determinado corpo. Como é o caso do teste de Fotoelasticidade.

A Fotoelasticidade consiste na passagem de luz polarizada por um corpo de prova confeccionado em resina submetido a uma tração. A partir dessa passagem de luz pelo local onde existe tração, é formado um espectro com várias curvas cromáticas, que descreve o campo de forças e a partir da contagem destas curvas é possível determinar as deformações.

Há diversos paralelos que podem ser feitos com a área da Engenharia Elétrica. Como exemplos, temos o Extensômetro, as Linhas de Transmissão e suas respectivas torres.

O Extensômetro é um sensor submetido à passagem de corrente elétrica, criado com várias espiras que envolverão o objeto. Após aplicada uma tração no corpo de prova, o Extensômetro varia suas dimensões e consequentemente é variada também o valor da corrente que passa por ele. Vale ressaltar que envolve o princípio da resistividade elétrica.

As linhas de transmissão, dispostas de forma a não ser esticadas, também tem uma relação com o conteúdo visto no laboratório. Estas linhas, que podem ser submetidas à compressão ou expansão (muitas vezes por fatores climáticos) não podem apresentar danos caso isso ocorra, por isso não permanecem esticadas.

As Torres que acompanham estas linhas de transmissão apresentam oscilações. Estas oscilações não podem causar deformações, portanto, o material deverá apenas trabalhar em sua fase elástica. Grandes transtornos serão causados caso essa condição não seja cumprida.

Referências

Laboratório de Princípio e Ciência dos Materiais em apresentação feita em visita técnica ao laboratório.

CTM - Aula 09 - 2014/1

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