O que torna um material adequado para uma aplicação específica de engenharia? A resposta está na compreensão de suas propriedades. Este artigo aborda 11 propriedades essenciais do material, como resistência mecânica, resistência ao impacto e condutividade térmica, oferecendo insights sobre suas definições, importância e implicações práticas. Ao final, você entenderá como essas propriedades influenciam o desempenho do material e sua função fundamental no projeto de engenharia e na fabricação.
Mania: Craze é um tipo de defeito que ocorre no processo de deformação de materiais poliméricos. Ela aparece como uma cor prateada devido à sua baixa densidade e alta refletividade à luz. A fissura ocorre nas partes fracas ou defeituosas dos materiais poliméricos.
Superplasticidade: Sob determinadas condições, o material apresenta um alongamento muito grande (em torno de 1000%) sem estrangulamento ou ruptura, o que é chamado de superplasticidade. A proporção da deformação gerada pelo deslizamento do contorno do grão, εg, na deformação total, εt, está normalmente entre 50% e 70%, indicando que o deslizamento do contorno do grão desempenha um papel importante na deformação superplástica.
Fratura frágil: Antes de o material fraturar, não há deformação plástica macroscópica óbvia nem sinais de alerta. Esse processo geralmente é repentino e rápido, o que o torna muito perigoso.
Fratura dúctil: O processo de fratura que mostra uma deformação plástica macroscópica óbvia antes e durante a fratura. Na fratura dúctil, o processo de propagação da trinca é geralmente lento e consome uma grande quantidade de energia de deformação plástica.
Fratura de clivagem: A fratura frágil ao longo de um plano de cristal específico causada pela destruição de ligações entre átomos sob estresse normal é chamada de 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 em materiais. A superfície da fratura é geralmente cinza-escura e fibrosa em macro, enquanto a superfície da microfratura tem um padrão característico de muitas "covinhas" distribuídas na superfície.
Tipo de tensão, grau de deformação plástica, presença ou ausência de presságio e velocidade de propagação da trinca.
Se o material não sofrer nenhuma deformação plástica ou sofrer muito pouca deformação plástica antes da fratura, e a fratura frágil ocorrer sem necking, a tensão crítica, σc, será igual à tensão de ruptura, σb.
Entretanto, se o estrangulamento ocorrer antes da fratura, σc e σb não serão iguais.
A fórmula de Griffith só é adequada para sólidos frágeis que contêm microfissuras, como vidro, materiais de cristal inorgânico e aço de altíssima resistência.
Em muitos materiais estruturais de engenharia, como aço estrutural e materiais poliméricos, a ponta da trinca passa por uma deformação plástica significativa, que consome uma grande quantidade de energia de deformação plástica.
Portanto, a fórmula de Griffith deve ser modificada para refletir com precisão esse fenômeno.
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 o componente de tensão de cisalhamento máxima, indicando um estado de tensão mais suave e maior facilidade de deformação plástica no material.
Por outro lado, quanto menor for α, mais difícil será o estado de tensão, levando a uma fratura mais frágil.
Quando um corpo de prova tem um entalhe, sua tensão de escoamento é maior do que a de um corpo de prova sob tensão uniaxial devido à presença de tensão triaxial, o que é chamado de fenômeno de "fortalecimento do entalhe".
No entanto, esse "reforço de entalhe" não pode ser considerado um método de reforço de material, pois é apenas o resultado da deformação plástica do material restringido pela tensão tridimensional.
Nesse caso, o valor de σs do próprio material permanece inalterado.
Revisado:
Na tensão unidirecional, o componente de tensão normal é grande, enquanto o componente de tensão de cisalhamento é pequeno, resultando em um estado de tensão rígida.
Esse teste 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 usada principalmente para testar materiais frágeis.
Os testes de flexão não sofrem com a deflexão do corpo de prova que ocorre durante os testes de tensão.
Na flexão, a distribuição de tensão na seção transversal atinge o máximo na superfície, o que a torna uma maneira eficaz de refletir defeitos de superfície em materiais.
Teste de torção: O coeficiente de suavidade do estado de tensão na torção é maior do que na tensão, o que o torna um método eficaz para avaliar a resistência e a plasticidade de materiais que são frágeis sob tensão.
No teste de torção, a distribuição de tensão na seção da amostra é mais alta na superfície, o que a torna altamente sensível à endurecimento de superfícies e defeitos de superfície.
O teste de torção resulta em tensão normal e tensão de cisalhamento aproximadamente iguais.
A superfície de fratura no teste de torção é perpendicular ao eixo da amostra e é frequentemente usada para avaliar materiais plásticos.
Na fratura normal, o ângulo entre a superfície da fratura e o eixo da amostra é de aproximadamente 45 graus, o que se deve à tensão normal. Os materiais frágeis frequentemente apresentam esse tipo de superfície de fratura.
O princípio do teste de dureza Vickers é semelhante ao do Dureza Brinell pois ambos os métodos calculam os valores de dureza com base na carga por unidade de área da indentação.
A principal diferença entre os dois testes é o tipo de indentador usado. No teste de dureza Vickers, é utilizado um indentador de pirâmide de diamante com um ângulo de 136 graus entre os lados opostos. Por outro lado, o teste de dureza Brinell usa uma esfera de aço endurecido ou um liga dura bola como indentador.
Vantagens do teste de dureza Brinell:
A grande área de indentação do teste de dureza Brinell o torna capaz de refletir o desempenho médio de cada fase constituinte em uma grande área, e os resultados do teste são estáveis e altamente repetíveis.
Como resultado, o teste de dureza Brinell é particularmente adequado para medir a dureza de materiais como ferro fundido cinzento e ligas de rolamentos.
Desvantagens do teste de dureza Brinell:
O grande diâmetro de indentação do teste de dureza Brinell o torna 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 a inconveniência de medir o diâmetro da indentação, são outras desvantagens do teste.
Vantagens do teste de dureza Rockwell:
Operação fácil e rápida;
A indentação é pequena, e a peça de trabalho pode ser inspecionada diretamente;
Desvantagens:
Representação ruim devido ao pequeno recuo;
Os valores de dureza medidos com escalas diferentes não podem ser comparados nem trocados diretamente.
O teste de dureza Vickers tem muitas vantagens:
Medição precisa e confiável;
Você pode 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 teste de dureza Vickers:
Seu método de medição é problemático, sua eficiência de trabalho é baixa, a área de indentação é pequena e sua representatividade é ruim, por isso não é adequado para a inspeção de rotina da produção em massa.
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Quando a temperatura durante o teste cai abaixo de uma determinada temperatura, tk (a temperatura de transição dúctil-frágil), materiais como bcc ou metais e ligas de cristal hexagonal compactado, especialmente aços estruturais de média e baixa resistência comumente usados em engenharia, passam por uma transição de um estado dúctil para um estado frágil, resultando em uma diminuição significativa da energia de absorção de impacto.
Essa transição é caracterizada por uma mudança no modo de fratura de agregação de microporos para clivagem transgranular e uma mudança na aparência da fratura de fibrosa para cristalina, um fenômeno conhecido como fragilidade em baixa temperatura.
Em temperaturas abaixo da temperatura de transição dúctil-frágil, a resistência à fratura é menor do que a resistência à fratura. resistência ao escoamentoresultando em um comportamento frágil em baixas temperaturas.
A. Influência da estrutura cristalina: Os metais cúbicos centrados no corpo e suas ligas apresentam fragilidade em baixas temperaturas, enquanto os metais cúbicos centrados na face e suas ligas geralmente não apresentam fragilidade em baixas temperaturas.
A fragilidade dos metais BCC em baixas temperaturas pode estar intimamente relacionada ao fenômeno de escoamento tardio.
B. A influência da composição química: o conteúdo de elementos de soluto intersticiais aumenta, a energia mais alta diminui e a temperatura de transição dúctil-frágil aumenta.
C. Influência da microestrutura: O refinamento do grão e da estrutura pode aumentar a resistência dos materiais.
D. Influência da temperatura: É relativamente complexo e frágil (frágil azul) dentro de uma determinada faixa de temperatura.
E. Efeito da taxa de carregamento: Aumentar a taxa de carregamento é como diminuir 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 corpo de prova: quanto menor for o raio de curvatura do entalhe, maior será o tk.
Os limites dos grãos servem como resistência à propagação de trincas.
A redução do número de deslocamentos no empacotamento do limite pré-granulação ajuda a reduzir a concentração de tensão.
Um aumento na 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 alta, mesmo muito abaixo do limite de escoamento, ocorre com frequência uma fratura frágil, que é chamada de fratura frágil de baixa tensão.
O KIC (fator de intensidade do campo de tensão-deformação na ponta da trinca no corpo da trinca) é uma medida da resistência à fratura por deformação plana e representa a capacidade de um material de resistir à propagação instável de trincas em condições de deformação plana.
JIc (a energia de deformação na ponta da trinca) também é conhecida como resistência à fratura e representa a capacidade de um material de resistir ao início e à propagação de trincas.
O GIc representa a energia consumida por unidade de área para evitar a propagação de rachaduras instáveis em um material.
δC (deslocamento de abertura de trinca), também conhecido como resistência à fratura do material, indica a capacidade do material de impedir o início da expansão da trinca.
KI e KIC são dois conceitos distintos.
KI é um parâmetro mecânico que representa a força do campo de tensão-deformação na ponta da trinca no corpo da trinca e depende da tensão aplicada, do tamanho da amostra e do tipo de trinca, mas é independente do material.
Por outro lado, o KIC é um índice de propriedade mecânica do material que depende de fatores internos, como composição e estrutura, mas não é afetado por fatores externos, como tensão aplicada e tamanho da amostra.
A relação entre KI e KIC é semelhante àquela entre σ e σs, em que KI e σ são parâmetros mecânicos, e KIC e σs são índices de propriedade mecânica dos materiais.
(1) Esse tipo de falha é uma falha repentina e inesperada que ocorre sem deformação plástica perceptível antes de falha por fadiga e é caracterizada por 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, rachaduras 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 fadiga por flexão, fadiga por torção, fadiga por tensão e compressão, fadiga por contato e fadiga composta.
Com base no nível de estresse e na vida útil da fratura, a fadiga pode ser classificada em fadiga de alto ciclo e fadiga de baixo ciclo.
Fonte de fadiga, zona de crescimento de trincas por fadiga e zona de fratura transitória.
σ-1 (resistência à fadiga) representa a resistência à fadiga de vida infinita dos espécimes lisos, o que é adequado para o projeto e a verificação da resistência à fadiga tradicional;
ΔKth (valor limite de crescimento de trinca por fadiga) representa o desempenho de fadiga de vida infinita da amostra de trinca, que é adequado para o projeto e a verificação da resistência à fadiga das peças trincadas.
Desgaste por adesão, desgaste abrasivo, desgaste por corrosão e desgaste por fadiga por pite (fadiga por contato).
Desgaste de adesão: A superfície de desgaste é caracterizada por crostas de diferentes tamanhos na superfície das peças.
Desgaste abrasivo: ranhura formada por arranhão ou sulco evidente na superfície de atrito.
Fadiga de contato: há muitos buracos (pockmarks) na superfície de contato, alguns dos quais são profundos, e há traços de linhas de crescimento de trincas por fadiga na parte inferior.
Correto. Porque o desgaste é inversamente proporcional à dureza.
A tensão compressiva 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: Esse termo refere-se à tensão máxima que um material pode suportar sem sofrer 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 em alta temperatura.
Estabilidade de relaxamento: O termo usado para descrever a capacidade de um material de resistir ao relaxamento de tensão é chamado de estabilidade de relaxamento.
Os principais mecanismos de deformação por fluência em materiais incluem deslizamento de deslocamento, difusão atômica e deslizamento de limite de grão.
Para materiais poliméricos, o alongamento da cadeia molecular sob força externa também é um fator que contribui para a fluência.
A fratura intercristalina é uma forma comum de fratura por fluência, principalmente em altas temperaturas e baixos níveis de tensão. Isso ocorre porque a resistência dos grãos policristalinos e dos limites dos grãos diminui com a temperatura, mas a última diminui mais rapidamente, levando a uma menor resistência dos limites dos grãos em relação à resistência dos grãos em altas temperaturas.
Há dois modelos para explicar a fratura do contorno do grão: o modelo de deslizamento do contorno do grão e de concentração de tensão e o modelo de agregação de vacância.
O mecanismo de deformação plástica dos metais é baseado em deslizamento e geminação.
O mecanismo de deformação por fluência dos metais é impulsionado principalmente pelo deslizamento de deslocamento, pela fluência por difusão e pelo deslizamento do limite de grão.
Em altas temperaturas, a temperatura elevada proporciona a ativação térmica de átomos e vacâncias, permitindo que os deslocamentos se movam e continuem a causar a deformação por fluência.
Sob a influência de uma força externa, um campo de estresse desigual é gerado dentro do cristal, levando a diferenças na energia potencial entre os átomos e as lacunas. Isso resulta em difusão direcional de alta energia potencial para baixa energia potencial.
Para materiais sólidos, a capacidade térmica não é afetada significativamente pela estrutura do material.
Em uma transição de fase de primeira ordem, a curva de capacidade térmica muda abruptamente e tem um valor infinito.
Em uma transformação de fase de segunda ordem, a mudança ocorre gradualmente em uma faixa de temperatura específica e resulta em uma capacidade térmica máxima finita.
Os materiais amorfos têm baixa condutividade térmica porque sua estrutura ordenada de curto alcance pode ser considerada como um cristal com grãos extremamente pequenos.
Devido ao pequeno tamanho de grão e aos numerosos limites de grão, os fônons são facilmente dispersos, levando a uma redução significativa da condutividade térmica.
Sob a ação do campo magnético, o movimento orbital dos elétrons 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 maior paramagnetismo 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 em uma temperatura específica e a curva de solubilidade da liga.
Investigando a decomposição de Ligas de alumínio:
A transição de ordem-desordem, a transição de isomerismo e a temperatura de recristalização foram estudadas para entender melhor a decomposição das ligas de alumínio.
Para que um metal exiba ferromagnetismo, não é necessário apenas que 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 loop de histerese estreito e são caracterizados por alta condutividade magnética e baixo Hc. Por outro lado, os materiais magnéticos duros têm um loop de histerese espesso, alto Hc, Br e (BH)m.
Em um metal, o campo elétrico criado pelos íons positivos é uniforme e não há interação entre os elétrons de valência e os íons. Esse campo é considerado uma propriedade de todo o metal e permite a livre circulação de elétrons em todo o metal.
De acordo com a teoria quântica de elétrons livres, os elétrons internos de cada átomo no metal mantêm o estado de energia de um único átomo, enquanto os elétrons de valência têm estados de energia diferentes devido à quantização e têm níveis de energia distintos.
A teoria da banda de energia também reconhece que os elétrons de valência nos metais são compartilhados e quantizados em energia, mas sugere que o campo potencial criado pelos íons nos metais não é uniforme, mas muda periodicamente.
O aumento da temperatura intensifica a vibração dos íons e aumenta a amplitude da vibração térmica, levando ao aumento da desordem atômica, à redução do movimento dos elétrons e ao aumento da probabilidade de dispersão. Esses fatores resultam em um aumento da resistividade.
Nos semicondutores, a condução é impulsionada principalmente por elétrons e buracos. Um aumento na temperatura aumenta a energia cinética dos elétrons, levando a um aumento no número de elétrons livres e buracos no cristal e, portanto, um aumento na condutividade e uma diminuição na 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 medindo-se a alteração da resistividade.
(1) Medir a curva de solubilidade da solução sólida
(2) Medir a temperatura de transformação na 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 magnetorresistência), etc.
Quebra elétrica, quebra térmica e quebra química.
Propriedades ópticas lineares: Quando a luz de uma única frequência incide em um meio transparente que não absorve luz, sua frequência não muda. Quando a luz de diferentes frequências incide sobre o meio ao mesmo tempo, não há interação entre as ondas de luz e nenhuma nova frequência é produzida.
Quando dois feixes de luz se cruzam, se eles forem coerentes, ocorrerá interferência. Se forem de luz incoerente, somente a intensidade da luz se combinará, seguindo o princípio da superposição linear.
Outras propriedades ópticas incluem refração, dispersão, reflexão, absorção e dispersão.
Não é prático usar metais para óptica de luz visível porque eles absorvem muito a luz visível. Isso ocorre porque os elétrons de valência nos metais ocupam uma banda incompleta e, após absorverem fótons, ficam em um estado excitado. Eles podem transferir energia por meio de colisões e produzir calor, mas não fazem a transição para a banda de condução.
A luz incidente é forte;
Requisitos de simetria dos cristais;
Correspondência de fase.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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