O que torna um material adequado para uma aplicação de engenharia específica? A resposta está na compreensão das suas propriedades. Este artigo aborda 11 propriedades essenciais dos materiais, como a resistência mecânica, a resistência ao impacto e a condutividade térmica, oferecendo informações sobre as suas definições, significado e implicações práticas. No final, compreenderá como estas propriedades influenciam o desempenho do material e o seu papel fundamental na conceção e fabrico de engenharia.
Loucura: A fissura é um tipo de defeito que ocorre no processo de deformação de materiais poliméricos. Aparece como uma cor prateada devido à sua baixa densidade e elevada refletividade à luz. A fissura ocorre nas partes fracas ou defeituosas dos materiais poliméricos.
Superplasticidade: Em determinadas condições, o material apresenta um alongamento muito grande (cerca de 1000%) sem estrangulamento ou rotura, o que se designa por superplasticidade. A proporção da deformação gerada pelo deslizamento dos limites do grão, εg, na deformação total, εt, situa-se tipicamente entre 50% e 70%, indicando que o deslizamento dos limites do grão desempenha um papel importante na deformação superplástica.
Fratura frágil: Antes da fratura do material, não existe uma deformação plástica macroscópica evidente, nem sinais de aviso. Este processo é frequentemente súbito e rápido, o que o torna muito perigoso.
Fratura dúctil: O processo de fratura que apresenta uma deformação plástica macroscópica evidente antes e durante a fratura. Na fratura dúctil, o processo de propagação da fenda é geralmente lento e consome uma grande quantidade de energia de deformação plástica.
Fratura de clivagem: A fratura frágil ao longo de um plano cristalino específico causada pela destruição de ligações entre átomos sob tensão normal é designada por fratura por clivagem. O degrau de clivagem, o padrão de rio e o padrão de língua são as características microscópicas básicas da fratura por clivagem.
Fratura por cisalhamento: A fratura por cisalhamento é a fratura causada pelo deslizamento e separação do material ao longo do plano de deslizamento sob tensão de cisalhamento. A fratura por agregação de microporos é um modo comum de fratura dúctil nos materiais. A superfície da fratura é geralmente cinzenta escura e fibrosa em macro, enquanto a superfície da micro fratura tem um padrão caraterístico de muitas "covinhas" distribuídas na superfície.
Tipo de tensão, grau de deformação plástica, presença ou ausência de fenómenos e velocidade de propagação da fenda.
Se o material não sofrer qualquer deformação plástica ou sofrer muito pouca deformação plástica antes da fratura, e se a fratura frágil ocorrer sem estrangulamento, então a tensão crítica, σc, é igual à tensão de rutura, σb.
No entanto, se o estrangulamento ocorrer antes da fratura, σc e σb não são iguais.
A fórmula de Griffith só é adequada para sólidos frágeis que contenham microfissuras, como o vidro, materiais de cristais inorgânicos e aço de ultra-alta resistência.
Em muitos materiais estruturais de engenharia, como o aço estrutural e os materiais poliméricos, a ponta da fenda sofre uma deformação plástica significativa, que consome uma grande quantidade de energia de deformação plástica.
Por conseguinte, a fórmula de Griffith deve ser modificada para refletir corretamente este fenómeno.
A razão entre a tensão de cisalhamento máxima, τmax, e a tensão normal máxima, σmax, é chamada de coeficiente de suavidade do estado de tensão, denotado por α.
Quanto maior for α, maior será a componente de tensão de corte máxima, indicando um estado de tensão mais suave e uma maior facilidade de deformação plástica no material.
Inversamente, quanto menor for α, mais duro se torna o estado de tensão, levando a uma fratura mais frágil.
Quando um provete tem um entalhe, a sua tensão de cedência é mais elevada do que a de um provete sob tensão uniaxial devido à presença de tensão triaxial, o que é referido como o fenómeno de "reforço do entalhe".
No entanto, este "reforço do entalhe" não pode ser considerado como um método de reforço do material, uma vez que resulta apenas da deformação plástica do material, condicionada por tensões tridimensionais.
Neste caso, o valor de σs do próprio material permanece inalterado.
Revisto:
Na tensão unidirecional, o componente de tensão normal é grande, enquanto o componente de tensão de corte é pequeno, resultando num estado de tensão dura.
Este ensaio é normalmente aplicado a materiais com baixa resistência à deformação plástica e resistência ao corte, conhecidos como materiais plásticos.
A compressão unidirecional tem um coeficiente de suavidade do estado de tensão de a=2, e é principalmente utilizada para testar materiais frágeis.
Os ensaios de flexão não sofrem a deflexão do provete que ocorre durante os ensaios de tração.
Na flexão, a distribuição de tensões na secção transversal atinge o seu máximo na superfície, o que a torna uma forma eficaz de refletir defeitos superficiais nos materiais.
Ensaio de torção: O coeficiente de suavidade do estado de tensão em torção é superior ao da tensão, o que o torna um método eficaz para avaliar a resistência e a plasticidade de materiais que são frágeis sob tensão.
No ensaio de torção, a distribuição de tensões na secção da amostra é mais elevada na superfície, o que o torna altamente sensível às características do material. endurecimento de superfícies e defeitos de superfície.
O ensaio de torção resulta numa tensão normal e numa tensão de corte aproximadamente iguais.
A superfície de fratura no ensaio de torção é perpendicular ao eixo da amostra e é frequentemente utilizada para avaliar materiais plásticos.
Na fratura normal, o ângulo entre a superfície de fratura e o eixo da amostra é de aproximadamente 45 graus, o que se deve à tensão normal. Os materiais frágeis apresentam frequentemente este tipo de superfície de fratura.
O princípio do ensaio de dureza Vickers é semelhante ao do Dureza Brinell uma vez que ambos os métodos calculam os valores de dureza com base na carga por unidade de área da indentação.
A principal diferença entre os dois ensaios é o tipo de indentador utilizado. No ensaio de dureza Vickers, é utilizado um indentador de pirâmide de diamante com um ângulo de 136 graus entre lados opostos. Em contrapartida, o ensaio de dureza Brinell utiliza uma esfera de aço endurecido ou um liga dura bola como indentador.
Vantagens do ensaio de dureza Brinell:
A grande área de indentação do ensaio de dureza Brinell torna-o capaz de refletir o desempenho médio de cada fase constituinte numa grande área, e os resultados do ensaio são estáveis e altamente repetíveis.
Por conseguinte, o ensaio de dureza Brinell é particularmente adequado para medir a dureza de materiais como ferro fundido cinzento e ligas de rolamentos.
Desvantagens do ensaio de dureza Brinell:
O grande diâmetro de indentação do ensaio de dureza Brinell torna-o geralmente inadequado para a inspeção direta de produtos acabados.
Além disso, a necessidade de substituir o diâmetro do indentador e a carga para materiais com dureza variável, bem como o inconveniente de medir o diâmetro da indentação, são desvantagens adicionais do ensaio.
Vantagens do ensaio de dureza Rockwell:
Funcionamento fácil e rápido;
A indentação é pequena, e a peça de trabalho pode ser inspeccionada diretamente;
Desvantagens:
Representação deficiente devido à pequena indentação;
Os valores de dureza medidos com escalas diferentes não podem ser diretamente comparados nem trocados.
O ensaio de dureza Vickers tem muitas vantagens:
Medição exacta e fiável;
É possível selecionar qualquer carga.
Além disso, a dureza Vickers não tem o problema de que a dureza de diferentes escalas de dureza Rockwell não pode ser unificada, e a espessura da peça de teste é mais fina do que a da dureza Rockwell.
Desvantagens do ensaio de dureza Vickers:
O seu método de medição é problemático, a sua eficiência de trabalho é baixa, a área de indentação é pequena e a sua representatividade é fraca, pelo que não é adequado para a inspeção de rotina da produção em massa.
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Quando a temperatura durante o ensaio desce abaixo de uma determinada temperatura, tk (temperatura de transição dúctil-frágil), materiais como os metais e ligas com cristais hexagonais bcc ou de empacotamento estreito, em especial os aços estruturais de média e baixa resistência habitualmente utilizados em engenharia, sofrem uma transição de um estado dúctil para um estado frágil, resultando numa diminuição significativa da energia de absorção do impacto.
Esta transição é caracterizada por uma mudança no modo de fratura da agregação de microporos para a clivagem transgranular e uma mudança na aparência da fratura de fibrosa para cristalina, um fenómeno conhecido como fragilidade a baixa temperatura.
A temperaturas inferiores à temperatura de transição dúctil-frágil, a resistência à fratura é inferior à limite de elasticidaderesultando num comportamento frágil a baixas temperaturas.
A. Influência da estrutura cristalina: Os metais cúbicos de corpo centrado e as suas ligas apresentam fragilidade a baixas temperaturas, enquanto os metais cúbicos de face centrada e as suas ligas não apresentam geralmente fragilidade a baixas temperaturas.
A fragilidade a baixa temperatura dos metais BCC pode estar intimamente relacionada com o fenómeno de cedência tardia.
B. A influência da composição química: o teor de elementos solutos intersticiais aumenta, a energia superior diminui e a temperatura de transição dúctil-frágil aumenta.
C. Influência da microestrutura: o refinamento do grão e da estrutura pode aumentar a tenacidade dos materiais.
D. Influência da temperatura: É relativamente complexo, e a fragilidade (fragilidade azul) ocorre dentro de um determinado intervalo de temperatura.
E. Efeito da taxa de carga: Aumentar a taxa de carga é como baixar a temperatura, o que aumenta a fragilidade do material e aumenta a temperatura de transição dúctil-frágil.
F. Influência da forma e do tamanho do provete: quanto menor for o raio de curvatura do entalhe, maior será o tk.
As fronteiras de grão servem como resistência à propagação de fissuras.
A redução do número de deslocações no empacotamento do limite pré-granulado ajuda a reduzir a concentração de tensões.
Um aumento da área total do contorno de grão reduz a concentração de impurezas ao longo dos contornos de grão, reduzindo assim a probabilidade de fratura frágil intergranular.
Quando a tensão de trabalho de peças grandes não é elevada, mesmo muito abaixo do limite de elasticidade, ocorre frequentemente uma fratura frágil, que é designada por fratura frágil de baixa tensão.
O CCI (fator de intensidade do campo tensão-deformação na ponta da fenda no corpo da fenda) é uma medida da tenacidade à fratura por deformação plana e representa a capacidade de um material para resistir à propagação instável de fendas em condições de deformação plana.
JIc (a energia de deformação na ponta da fenda) é também conhecida como tenacidade à fratura e representa a capacidade de um material para resistir à iniciação e propagação de fendas.
GIc representa a energia consumida por unidade de área para evitar a propagação de fissuras instáveis num material.
δC (deslocamento de abertura da fenda), também conhecido como resistência à fratura do material, indica a capacidade de um material para impedir o início da expansão da fenda.
KI e KIC são dois conceitos distintos.
KI é um parâmetro mecânico que representa a força do campo de tensão-deformação na ponta da fenda no corpo da fenda e depende da tensão aplicada, do tamanho da amostra e do tipo de fenda, mas é independente do material.
Por outro lado, o CCI é um índice de propriedade mecânica do material que depende de factores internos, como a composição e a estrutura, mas não é afetado por factores externos, como a tensão aplicada e o tamanho da amostra.
A relação entre KI e KIC é semelhante à relação entre σ e σs, em que KI e σ são parâmetros mecânicos, e KIC e σs são índices de propriedades mecânicas dos materiais.
(1) Este tipo de rotura é uma rotura súbita e inesperada que ocorre sem deformação plástica percetível antes de falha por fadiga e caracteriza-se por uma fratura frágil.
(2) Falha por fadiga é um tipo de fratura retardada de ciclo de baixa tensão.
(3) A fadiga é altamente sensível a defeitos como entalhes, fissuras e defeitos estruturais.
(4) As formas de fadiga podem ser classificadas de várias maneiras.
De acordo com o estado de tensão, as formas de fadiga incluem a fadiga por flexão, a fadiga por torção, a fadiga por tensão e compressão, a fadiga por contacto e a fadiga composta.
Com base no nível de tensão e na vida de fratura, a fadiga pode ainda ser classificada em fadiga de alto ciclo e fadiga de baixo ciclo.
Fonte de fadiga, zona de crescimento de fendas de fadiga e zona de fratura transitória.
σ-1 (resistência à fadiga) representa a resistência à fadiga de vida infinita dos espécimes lisos, que é adequada para o projeto e verificação da resistência à fadiga tradicional;
ΔKth (valor limite do crescimento da fenda de fadiga) representa o desempenho de fadiga de vida infinita da amostra de fenda, que é adequado para o projeto e verificação da resistência à fadiga das peças fissuradas.
Desgaste por adesão, desgaste abrasivo, desgaste por corrosão e desgaste por fadiga por picadas (fadiga de contacto).
Desgaste de aderência: A superfície de desgaste é caracterizada por crostas de diferentes tamanhos na superfície das peças.
Desgaste abrasivo: ranhura formada por um risco ou sulco evidente numa superfície de fricção.
Fadiga de contacto: há muitos buracos (pockmarks) na superfície de contacto, alguns dos quais são profundos, e há vestígios de linhas de crescimento de fendas de fadiga na parte inferior.
Correto. Porque o desgaste é inversamente proporcional à dureza.
A tensão de compressão residual da camada superficial é aumentada enquanto a superfície resistência e dureza são aumentados.
Temperatura específica aproximada: T/Tm
Fluência: Refere-se à deformação plástica gradual de um material sob a influência de temperatura e carga constantes durante um longo período de tempo.
Resistência de resistência: Este termo refere-se à tensão máxima que um material pode suportar sem sofrer uma fratura por fluência, sob uma temperatura específica e dentro de um período de tempo designado.
Limite de fluência: Representa a resistência de um material à deformação por fluência a alta temperatura.
Estabilidade de relaxamento: O termo utilizado para descrever a capacidade de um material para resistir ao relaxamento de tensões é designado por estabilidade de relaxamento.
Os principais mecanismos de deformação por fluência nos materiais incluem o deslizamento de deslocações, a difusão atómica e o deslizamento nos limites dos grãos.
Para os materiais poliméricos, o alongamento da cadeia molecular sob força externa é também um fator que contribui para a fluência.
A fratura intercristalina é uma forma comum de fratura por fluência, particularmente a altas temperaturas e baixos níveis de tensão. Isto deve-se ao facto de a resistência dos grãos policristalinos e dos limites dos grãos diminuir com a temperatura, mas esta última diminui mais rapidamente, levando a uma menor resistência dos limites dos grãos em relação à resistência dos grãos a altas temperaturas.
Existem dois modelos para explicar a fratura no limite do grão: o modelo de deslizamento do limite do grão e de concentração de tensões e o modelo de agregação de vazios.
O mecanismo de deformação plástica dos metais baseia-se no deslizamento e na geminação.
O mecanismo de deformação por fluência dos metais é principalmente impulsionado pelo deslizamento de deslocações, fluência por difusão e deslizamento de limites de grão.
A altas temperaturas, a temperatura elevada proporciona a ativação térmica de átomos e vacâncias, permitindo que as deslocações se movam e continuem a causar deformação por fluência.
Sob a influência de uma força externa, é gerado um campo de tensão desigual no interior do cristal, levando a diferenças de energia potencial entre átomos e vacâncias. Isto resulta na difusão direcional de energia potencial elevada para energia potencial baixa.
Para materiais sólidos, a capacidade térmica não é afetada significativamente pela estrutura do material.
Numa transição de fase de primeira ordem, a curva da capacidade térmica muda abruptamente e tem um valor infinito.
Numa transformação de fase de segunda ordem, a mudança ocorre gradualmente ao longo de um intervalo de temperatura específico e resulta numa capacidade térmica máxima finita.
Os materiais amorfos têm baixa condutividade térmica porque a sua estrutura ordenada de curto alcance pode ser considerada como um cristal com grãos extremamente pequenos.
Devido ao pequeno tamanho do grão e às numerosas fronteiras de grão, os fónons são facilmente dispersos, levando a uma condutividade térmica significativamente reduzida.
Sob a ação de um campo magnético, o movimento orbital dos electrões na matéria produz o diamagnetismo.
Determinação da curva de solubilidade máxima no diagrama de fase da liga:
Utilizando a regra de que as soluções sólidas monofásicas exibem um paramagnetismo mais elevado do que as estruturas mistas bifásicas e a relação linear entre o paramagnetismo da mistura e a composição da liga, é possível determinar a solubilidade máxima de uma liga a uma temperatura específica e a curva de solubilidade da liga.
Investigando a decomposição de Ligas de alumínio:
A transição ordem-desordem, a transição de isomerismo e a temperatura de recristalização foram estudadas para melhor compreender a decomposição das ligas de alumínio.
Para que um metal exiba ferromagnetismo, é necessário não só que os seus átomos tenham momentos magnéticos de spin diferentes de zero, mas também que esses momentos se alinhem espontaneamente e gerem magnetização espontânea.
Os materiais magnéticos macios têm um ciclo de histerese estreito e são caracterizados por uma elevada condutividade magnética e um baixo Hc. Em contraste, os materiais magnéticos duros têm um laço de histerese espesso, Hc, Br e (BH)m elevados.
Num metal, o campo elétrico criado pelos iões positivos é uniforme e não há interação entre os electrões de valência e os iões. Este campo é considerado uma propriedade de todo o metal e permite a livre circulação dos electrões em todo o metal.
De acordo com a teoria quântica dos electrões livres, os electrões internos de cada átomo do metal mantêm o estado de energia de um único átomo, enquanto os electrões de valência têm estados de energia diferentes devido à quantização e têm níveis de energia distintos.
A teoria das bandas de energia também reconhece que os electrões de valência nos metais são partilhados e quantizados em energia, mas sugere que o campo potencial criado pelos iões nos metais não é uniforme, mas muda periodicamente.
O aumento da temperatura intensifica a vibração dos iões e aumenta a amplitude da vibração térmica, levando ao aumento da desordem atómica, à redução do movimento dos electrões e ao aumento da probabilidade de dispersão. Estes factores resultam num aumento da resistividade.
Nos semicondutores, a condução é principalmente conduzida por electrões e buracos. Um aumento da temperatura aumenta a energia cinética dos electrões, conduzindo a um aumento do número de electrões livres e de buracos no cristal e, consequentemente, a um aumento da condutividade e a uma diminuição da resistência.
(1) Temperatura crítica de transição Tc
(2) Campo magnético crítico Hc
(3) Densidade de corrente crítica Jc
A alteração da microestrutura de metais e ligas é estudada através da medição da alteração da resistividade.
(1) Medir a curva de solubilidade da solução sólida
(2) Medir a temperatura de transformação numa liga com memória de forma.
Efeito térmico, efeito fotossensível, efeito sensível à pressão (sensível à tensão e sensível à pressão), efeito sensível magnético (efeito Hall e efeito de magnetoresistência), etc.
Avaria eléctrica, avaria térmica e avaria química.
Propriedades ópticas lineares: Quando uma luz de uma única frequência incide sobre um meio transparente que não absorve luz, a sua frequência não se altera. Quando a luz de diferentes frequências incide simultaneamente no meio, não há interação entre as ondas de luz e não é produzida qualquer nova frequência.
Quando dois feixes de luz se intersectam, se forem coerentes, ocorrerá interferência. Se forem luzes incoerentes, apenas a intensidade da luz se combinará, seguindo o princípio da sobreposição linear.
Outras propriedades ópticas incluem a refração, a dispersão, a reflexão, a absorção e a dispersão.
Não é prático utilizar metais na ótica da luz visível porque absorvem fortemente a luz visível. Isto deve-se ao facto de os electrões de valência dos metais ocuparem uma banda incompleta e, depois de absorverem os fotões, ficarem num estado excitado. Podem transferir energia através de colisões e produzir calor, mas não transitam para a banda de condução.
A luz incidente é forte;
Requisitos de simetria dos cristais;
Correspondência de fases.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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