COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS

Muitos materiais, quando em serviço, são submetidos a forças ou cargas;

exemplos incluem a liga de alumínio a partir da qual uma asa de avião é construída e o aço do eixo da roda de um automóvel. Em tais situações é necessário conhecer as características do material e projetar o elemento estrutural a partir do qual ele é feito de tal maneira que qualquer resultante deformação não será excessiva e fratura não ocorrerá. O comportamento mecânico do material reflete a correlação entre sua resposta ou deformação a uma carga ou força aplicada. Importantes propriedades mecânicas são:

-Resistência mecânica,
-Dureza,
-Dutilidade e Rigidez.

As propriedades mecânicas de materiais são determinadas pela execução de experimentos de laboratório cuidadosamente projetados, que replicam tanto quanto possível as condições de trabalho. Fatores a serem considerados incluem a natureza da carga aplicada e a sua duração, bem como as condições ambientais. É possível para a carga que ela seja de tração, compressão, ou cisalhamento, e sua magnitude pode ser constante com o tempo, ou ela pode flutuar continuamente.

O tempo de aplicação pode ser apenas uma fração de segundo ou ele pode estender-se por um período de muitos anos. A temperatura de serviço pode ser um importante fator.
O papel dos engenheiros estruturais é determinar tensões e distribuições de tensões entre componentes estruturais que são submetidos a bem definidas cargas. Isto pode ser executado por técnicas de testes experimentais e/ou por análises de tensões teóricas e matemáticas.
Estes tópicos são tratados em textos tradicionais de análise de tensão e de resistência de materiais. Engenheiros de materiais e metalúrgicos, por outro lado, estão concernes à produção e fabricação de materiais para satisfazer requisitos de serviço como previstos por estas análises de tensões. Isto necessariamente envolve um entendimento das correlações entre a microestrutura (isto é, características internas) de materiais e suas propriedades mecânicas.
Materiais são frequentemente escolhidos para aplicações estruturais porque eles possuem combinações desejáveis de características mecânicas.
A presente discussão está confinada principalmente ao comportamento mecânico de metais; polímeros e cerâmicas estão tratados separadamente porque eles são, num grande grau, mecanicamente dissimilares aos metais. Este capítulo discute o comportamento tensão-deformação de metais e as principais propriedades mecânicas relacionadas a ele e examina outras características mecânicas que são importantes.
Tratamentos relacionados aos aspectos microscópicos do mecanismo de deformação e métodos para fortalecer e regular o comportamento mecânico de metais são deferidos para capítulos posteriores.

Se uma carga é estática ou varia de maneira relativamente lenta com o tempo e está aplicada uniformemente sobre uma seção reta ou superfície de um elemento estrutural, o comportamento mecânico pode ser determinado por um teste simples de tensão-deformação; este teste é muito comumente conduzido para metais à temperatura ambiente.

Existem 3 principais meios nos quais uma carga pode ser aplicada, isto é: tensão, compressão e cisalhamento

Na prática de engenharia muitas cargas são de torção em vez de cisalhamento puro; este tipo de carregamento é ilustrado na Figura acima.

Figura 2.1 (a) Ilustração esquemática de como uma carga de tensão produz uma elongação e deformação linear positiva.

Linhas pontilhadas representam a forma antes da deformação; linhas cheias, após a deformação. (b) Ilustração esquemática de como uma carga de compressão produz contração e uma deformação linear negativa. (c)

Representação esquemática da deformação cisalhante g, onde g = tg q. (d) Representação esquemática da deformação de torção (isto é, ângulo de torção f) produzido por um torque aplicado T.

Os resultados do ensaio de fadiga geralmente são apresentados numa curva tensão número de ciclos, ou simplesmente curva S-N (Ex: Fig 2.15). O S vem da palavra inglesa stress, que quer dizer tensão, e N representa o número de ciclos. Supondo que, para uma certa solicitação de flexão S1 o corpo de prova se rompa em um certo número de ciclos N1, e para uma solicitação S2 se rompa em N2 ciclos, e assim por diante, pode-se construir o diagrama S-N, com a tensão no eixo das ordenadas e o número de ciclos no eixo das abscissas.

Observando a curva obtida, nota-se que, à medida que se diminui a tensão aplicada, o corpo de prova resiste a um maior número de ciclos. Nota-se, também, que diminuindo a tensão a partir de um certo nível, em que a curva se torna horizontal, o número de ciclos para o rompimento do corpo de prova torna-se praticamente infinito.

Esta tensão máxima, que praticamente não provoca mais a fratura por fadiga, chama-se limite de fadiga ou resistência à fadiga do metal considerado. Mas, para a maioria dos materiais, especialmente os metais não ferrosos como o alumínio, a curva obtida no diagrama S-N é decrescente.

Portanto, é necessário definir um número de ciclos para obter a correspondente tensão, que será chamada de resistência à fadiga. Para o alumínio, cobre, magnésio e suas ligas, deve-se levar o ensaio a até 50 milhões de ciclos e, em alguns casos, a até 500 milhões de ciclos, para neste número definir a resistência à fadiga.

Uma superfície mal acabada contém irregularidades que, como se fossem um entalhe, aumentam a concentração de tensões, resultando em tensões residuais que tendem a diminuir a resistência à fadiga. Defeitos superficiais causados por polimento (queima superficial de carbono nos aços, recozimento superficial, trincas etc.) também diminuem a resistência à fadiga.

Para a maioria dos materiais metálicos, o regime elástico persiste apenas até deformações de aproximadamente 0,5%. A medida que o material é deformado além deste ponto, a tensão não é mais proporcional à deformação (a lei de Hooke, deixa de ser válida), ocorrendo então uma deformação permanente não recuperável, ou deformação Plástica.

Em primeiro lugar, consideremos a deformação permanente de um varão de um monocristal de zinco que é deformado para além do limite elástico. Se, após a deformação, se examinar o cristal de zinco, observa-se o aparecimento à superfície de degraus, que são designados por bandas de escorregamento (fig. 2.9 a e b). As bandas de escorregamento são provocadas pelo escorregamento, ou deformação devida às tensões de corte, dos átomos do metal que se encontram em determinados planos cristalográficos designados por planos de escorregamento. A superfície do monocristal de zinco deformado ilustra muito claramente. A formação das bandas de escorregamento já que, nestes cristais, o escorregamento está limitado aos planos basais da estrutura HC (fig. 2.9 c e d).

(a)

FIGURA 2.9 Monocristal de zinco deformado plasticamente, mostrando bandas de escorregamento: (a) vista frontal do cristal, (b) vista lateral do cristal, (c) vista lateral esquemática, indicando os planos basais de escorregamento no cristal HC e (d) indicação dos planos basais de escorregamento na célula unitária HC. (As fotografias do monocristal de zinco foram cedidas pelo Prof. Earl Parker da University of California em Berkeley.)

(Fonte: Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais. 3ª edição. William F. Smith)

Nos monocristais dos metais dúcteis com estrutura CFC, tais como o cobre e o alumínio, o escorregamento ocorre em múltiplos planos de escorregamento e, como consequência, o aspecto das bandas de escorregamento à superfície destes metais, quando deformados, é mais uniforme (fig. 2.10).

Se se observar a superfície escorregada destes metais com uma ampliação maior, verificar-se-á que, no interior das bandas, o escorregamento ocorreu segundo muitos planos de escorregamento (fig. 2.11). Estes degraus estreitos designam-se por linhas de escorregamento e a distância entre elas é geralmente da ordem de 50 a 500 átomos, enquanto que a distância entre bandas de escorregamento é, geralmente, cerca de 10 000 diâmetros atômicos. Infelizmente, os termos banda de escorregamento e linha de escorregamento são por vezes utilizados indiferentemente.

FIGURA 2.11 Formação de linhas de escorregamento e bandas de escorregamento durante a deformação plástica de um monocristal metálico.

(a) Varão cilíndrico de um monocristal Metálico.

(b) Escorregamento provocado pela deformação plástica devida à força aplicada ao varão.

(c) Região ampliada mostrando as linhas de escorregamento no interior das bandas de escorregamento (esquemático); com ampliações pequenas, o conjunto das linhas de escorregamento aparece como uma única banda de escorregamento, conforme se mostra na figura 6.29.

(Fonte: Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais. 3ª edição. William F. Smith)

Um dos testes mecânicos mais comuns de tensão-deformação é realização em tração.

Como será visto, o teste de tração pode ser usado para determinar várias propriedades mecânicas de materiais que são importante em projeto. Uma amostra é deformada, usualmente até à fratura, com carga de tração que é aplicada uniaxialmente ao longo do eixo de uma amostra. Uma amostra padrão de tração é mostrada na Figura 2.3. Normalmente, a seção reta é circular, mas amostras retangulares são também usadas. Durante o teste, a deformação é confinada a uma estreita região central, que tem uma seção reta uniforme ao longo do seu comprimento.

O diâmetro padrão é aproximadamente ½” polegada (12,74 mm), enquanto que o comprimento da seção a reduzida deveria ser pelo menos 4 vezes este diâmetro; 2.1/4” polegada (60mm) é comum. O comprimento útil é usado em cálculos de ductilidade, o valor padrão é 2” polegadas (50mm). A amostra é montada por suas extremidades que são colocadas dentro das garras do aparelho de teste (Figura 2.4). A máquina de teste de tração é projetada para alongar a amostra numa taxa constante e para medir continuamente e simultaneamente a carga aplicada instantânea (com uma célula de carga) e as resultantes elongações (usando um extensômetro).

Um teste de tensão-deformação tipicamente toma vários minutos para executar e é destrutivo; isto é, a amostra de teste é permanentemente deformada e usualmente fraturada.

Figura 2.4- Representação esquemática do aparelho usado para conduzir testes de tensão deformação por tração. O corpo de prova é alongado pelo travessão móvel; uma célula de carga e um extensômetro medem, respectivamente, a magnitude da carga aplicada e o alongamento.

O resultado de um ensaio de tração é registrado em um registrador gráfico (ou por um computador), na forma carga ou força em função do alongamento. Estas características carga deformação são dependentes do tamanho da amostra. Por exemplo, se a área de seção reta do corpo de prova for dobrada, será necessário o dobro da carga inicial para produzir o mesmo alongamento. Para minimizar esses fatores geométricos, carga e alongamento são normalizadas de acordo com seus respectivos parâmetros de tensão de engenharia e deformação de engenharia. Tensão de engenharia σ é definida pela relação:

Onde F é a carga instantânea aplicada perpendicularmente à seção reta da amostra, em unidade de libra-força (lbf) ou newtons (N) e Ao é área da seção reta original antes que qualquer carga seja aplicada (pol2 ou m2). As unidades de tensão de engenharia (doravante chamada somente por tensão) são libra-força por polegada quadrada, psi (Costumeiro nos Estados Unidos da América) ou megapascals, MPa (SI); 1 MPa = 106 N/m2.

A deformação de engenharia e é definida de acordo com a relação:

Onde lo é o comprimento original antes que qualquer carga seja aplicada e li é o comprimento instantâneo. Às vezes a quantidade li – lo é denotada como Δl e representa o alongamento da deformação ou variação no comprimento em algum instante, como referência ao comprimento original. Deformação de engenharia (doravante denominada somente por deformação) é adimensional, mas polegada por polegada ou metros por metro são às vezes usadas; o valor de deformação é obviamente independente do sistema de unidades. Às vezes deformação é também expressa como uma porcentagem, na qual o valor de deformação é multiplicado por 100.

Uma outra propriedade mecânica importante que pode ser importante considerar é a dureza, que é uma medida da resistência de um material à deformação plástica local (por exemplo, uma pequena impressão ou um risco). Os primeiros testes de dureza eram baseados em minerais naturais com uma escala construída somente com base na capacidade de um material riscar um outro que é mais macio. Um qualitativo e algo arbitrário esquema de indexação de dureza foi visualizado, denominado escala de Mohs, que variou desde 1 na extremidade macia para o talco até 10 para o diamante. Ao longo dos anos foram desenvolvidas Técnicas de Dureza Quantitativas nas quais um pequeno penetrador é forçado para dentro da superfície de um material a ser testado, sob controladas condições de carga e de taxa de aplicação. É medida a profundidade ou o tamanho da resultante penetração que por sua vez é relacionada(o) ao número de dureza; quanto mais macio o material, tanto maior e mais profunda a penetração e tanto menor o número índice de dureza. Durezas medidas são apenas relativas (em vez de absolutas) e cuidado deveria ser exercido ao se comparar valores determinados por diferentes técnicas.

Em testes Brinell, tal como nas medições Rockwell, um penetrador esférico duro é forçado para dentro da superfície do metal a ser testado. O diâmetro penetrador de aço endurecido (ou de carbeto de tungstênio) é de 10,00 mm (0,394 polegadas). Cargas padrões variam entre 500 e 3000 kg em incrementos de 500kg; durante um teste, a carga é mantida constante por um especificado tempo (entre 10 e 30 s). Materiais mais duros requerem maiores cargas aplicadas. O número de dureza Brinell, HB, é uma função tanto da magnitude da carga quanto do diâmetro da penetração resultante. Este diâmetro é medido com um microscópio especial de baixa potência, (ou lupa graduada), utilizando uma escala que está na ocular. O diâmetro medido é então convertido ao número de dureza Brinell (HB) usando uma tabela de conversão apropriada.

Requisitos de máxima espessura de amostra bem como a posição de penetração (relativamente às arestas da amostra) e de mínimo espaçamento entre penetrações são os mesmos daqueles dos testes Rockwell. Em adição, é requerida uma muito bem definida penetração; isto necessita uma superfície plana lisa na qual a penetração é feita.

Os testes Rockwell constituem o método mais comum usado para medir dureza porque eles são simples para realizar e não requerem nenhum habilidade especial. Várias diferentes escalas podem ser utilizadas a partir de possíveis combinações de vários penetradores e diferentes cargas, que permitem o teste de virtualmente todos os metais e ligas, desde o mais duro até o mais macio.

Penetradores incluem bolas de aço esféricas e endurecidas de diâmetros de 1/16, 1/8, 1/4 e 1/2 polegadas (1,588 mm, 3,175 mm, 6,350 mm e 12,70 mm) e um indentador cônico de diamante, que é usado para os mais duros materiais.

Com este sistema o número de dureza é determinado pela diferença na profundidade de penetração resultante da aplicação de uma carga inicial menor seguida por uma carga maior; utilização de uma carga menor melhora a precisão do teste. Com base na magnitude das cargas tanto maior quanto menor, existem 2 tipos de testes: Rockwell e Rockwell superficial. Para Rockwell, a carga menor é 10 kg, enquanto que as cargas maiores são 60, 100 e 150 kg. Cada escala é representada por uma letra do alfabeto; várias estão listadas com o correspondente indentor e carga nas Tabelas 6.4 e 6.5a. Para testes superficiais, 3 kg é a carga menor; 15, 30 e 45kg são os possíveis valores da carga maior. Estas escalas são identificadas por 15, 30 ou 45 (de acordo com a carga), seguidos por N, T,W, X ou Y, dependendo do penetrador. Testes superficiais são frequentemente realizados sobre amostras finas. Tabela 2.4 apresenta várias escalas superficiais.

Quando se estiver especificando durezas Rockwell e superficial, devem ser indicados tanto o número de dureza quanto o símbolo da escala. A escala é designada pelo símbolo HR seguido pela apropriada identificação da escala. Por exemplo, 80 HRB representa uma dureza Rockwell de 80 na escala B, e 60 HR30W indica uma dureza superficial de 60 na escala 30W.

A facilidade de converter a dureza medida numa escala para aquela de uma outra escala é muito desejável. Entretanto, de vez que dureza não é uma bem definida propriedade de material e por causa das dissimilares experimentais entre as várias técnicas, um compreensivo esquema de conversão não pode ser determinado. Dados de conversão de dureza têm sido determinados experimentalmente e encontrou-se que dependem do tipo e características do material. Os mais confiáveis dados de conversão existem para os aços e tais dados são apresentados na tabela 2.5.

Tabela 2.2 – Técnicas de Ensaio de Dureza

Tabela 2.3 – Escalas de Dureza Rockwell

Tabela 2.4 – Dureza Rockwell Superficial.

Tabela 2.5 -Tabela de Conversão de Dureza

Para cada caso, durezas podem variar até 130; entretanto, a medida em que os valores de dureza sobem acima de 100 ou caem abaixo de 20 em qualquer escala, elas se tornam imprecisas e, porque as escalas têm alguma superposição, numa tal situação é melhor utilizar a próxima escala mais dura ou mais mole.

Podem também resultar imprecisões se a amostra de teste for demasiado fina, se uma penetração for feita excessivamente próxima de uma aresta da amostra ou se 2 penetrações forem feitas muito próximas entre si. Espessura de amostra deveria ser pelo menos 10 vezes a profundidade da penetração, enquanto que se deveria deixar pelo menos 3 diâmetros de penetração entre uma penetração e a aresta da amostra, ou o centro de uma segunda penetração. Além disso, amostras de teste empilhadas uma sobre o topo de uma outra não é recomendado. Também, a precisão é dependente da penetração ser feita numa superfície plana e lisa ou não.

O aparelho moderno para realizar as medições de dureza Rockwell é automatizado e muito simples para usar; a dureza é lida diretamente e cada medição requer apenas uns poucos segundos. O aparelho moderno de teste também permite uma variação do tempo de aplicação da carga. Esta variável deve ser também considerada na interpretação dos dados de dureza.

Alguns aços e outros materiais exibem o comportamento de tensão de tração-deformação como mostrado na Figura 2.7 (a). A transição elástica-plástica é muito bem definida e ocorre abruptamente no que é denominado um fenômeno de ponto de escoamento. No ponto superior de escoamento, deformação plástica é iniciada com um real decréscimo na tensão. Deformação continuada flutua levemente ao redor de um valor constante de tensão, denominado o ponto inferior de escoamento; tensão subsequentemente sobe com crescente deformação. Para metais que exibem este efeito, o limite convencional de escoamento é tomado como a tensão média que está associada com o ponto inferior de escoamento, de vez que ele é bem definido e relativamente insensível ao procedimento de teste. Assim não é necessário empregar o método do desvio de deformação para estes materiais. A magnitude do limite convencional de escoamento para um metal é justo uma medida de sua resistência à deformação plástica. Limites de escoamento podem variar desde 5000 psi (35 MPa) para uma liga de alumínio de baixa resistência até mais de 200000 psi (1400 MPa) para aços de alta resistência. A fig 2.7 (b) mostra a transição elastoplástica é muito bem definida e ocorre de forma abrupta.

Em condições normais de uso, os produtos devem sofrer esforços abaixo do limite de proporcionalidade, ou limite elástico, que corresponde à tensão máxima que o material pode suportar. Em geral, os fabricantes especificam o produto para suportar esforços acima desse limite, ensaiam os materiais, controlam o processo de produção e tomam todos os cuidados para que o produto não apresente qualquer problema. Apesar de todas essas precauções, é possível que, após algum tempo de uso normal, de repente, sem aviso prévio e sem motivo aparente, o produto simplesmente venha a falhar, deixando o usuário na mão. Essa falha é típica de um fenômeno chamado fadiga,

O ensaio de resistência à fadiga é um meio de especificar limites de tensão e de tempo de uso de uma peça ou elemento de máquina. É utilizado também para definir aplicações de materiais. É sempre preferível ensaiar a própria peça, feita em condições normais de produção. Molas, barras de torção, rodas de automóveis, pontas de eixo etc. são exemplos de produtos normalmente submetidos a ensaio de fadiga. Quando não é possível o ensaio no próprio produto, ou se deseja comparar materiais, o ensaio é feito em corpos de prova padronizados.

Fadiga é a ruptura de componentes, sob uma carga bem inferior à carga máxima suportada pelo material, devido a solicitações cíclicas repetidas. A ruptura por fadiga começa a partir de uma trinca (nucleação) ou pequena falha superficial, que se propaga ampliando seu tamanho, devido às solicitações cíclicas. Quando a trinca aumenta de tamanho, o suficiente para que o restante do material não suporte mais o esforço que está sendo aplicado, a peça se rompe repentinamente.

A fratura por fadiga é típica: geralmente apresenta-se fibrosa na região da propagação da trinca e cristalina na região da ruptura repentina (fig 2.12).

Pode-se observar aproximadamente o que acontece na fadiga, dobrando repetidamente um pedaço de arame de aço. Após dobrar algumas vezes, se você observar atentamente, notará algumas pequenas trincas. Se continuar dobrando, observará que a trinca aumenta de tamanho até ocorrer a ruptura do arame. O estudo da fadiga é importante porque a grande maioria das falhas de componentes de máquinas, em serviço, se deve à fadiga. E a ruptura por fadiga ocorre sem nenhum aviso prévio, ou seja, num dado momento a máquina está funcionando perfeitamente e, no instante seguinte, ela falha.

A fluência é a deformação plástica que ocorre num material, sob tensão constante ou quase constante, em função do tempo. A temperatura tem um papel importantíssimo nesse fenômeno.

A fluência ocorre devido à movimentação de falhas, que sempre existem na estrutura cristalina dos metais. Não haveria fluência se estas falhas não existissem. Existem metais que exibem o fenômeno de fluência mesmo à temperatura ambiente, enquanto outros resistem a essa deformação mesmo a temperatura elevadas. As exigências de uso têm levado ao desenvolvimento de novas ligas que resistam melhor a esse tipo de deformação. A necessidade de testar esses novos materiais, expostos a altas temperaturas ao longo do tempo, define a importância deste ensaio.

Os ensaios que analisamos anteriormente nesta monografia, são feitos num curto espaço de tempo, isto é, os corpos de prova ou peças são submetidos a um determinado esforço por alguns segundos ou, no máximo, minutos. Porém, nas condições reais de uso, os produtos sofrem solicitações diversas por longos períodos de tempo. O uso mostra que, em algumas situações, os produtos apresentam deformação permanente mesmo sofrendo solicitações abaixo do seu limite elástico.

Essas deformações ocorrem mais frequentemente em situações de uso do produto que envolvam altas temperaturas. E quanto maior a temperatura, maior a velocidade da deformação.

Nos ensaios de fluência, o controle da temperatura é muito importante.

Verificou-se que pequenas variações de temperatura podem causar significativas alterações na velocidade de fluência. Exemplo disso é o aço carbono submetido ao ensaio de fluência, a uma tensão de 3,5 kgf/mm2, durante 1.000 horas: à temperatura de 500ºC, apresentou uma deformação de 0,04% e à temperatura de 540ºC apresentou uma deformação de 4%.

Após o escoamento, a tensão necessária para continuar a deformação plástica cresce até um máximo, e a seguir decresce até a fratura eventual. O limite de resistência à tração TS (psi ou MPa) é a tensão no máximo na curva de tensão-deformação de engenharia (F máx Figura 2.8). Isto corresponde à tensão máxima que pode ser suportada por uma estrutura em tração; se esta tensão é aplicada e mantida, a fratura acontecerá. Toda deformação até este ponto é uniforme através de toda a região mais estreita da amostra de tração. Entretanto, nesta tensão máxima, uma pequena constricção ou “pescoço” começa a se formar em algum ponto e toda subsequente deformação é confinada neste “pescoço”, como indicado pelas amostras esquemáticas inseridas na Figura 2.8. Este fenômeno é denominado estricção (“necking“) e a fratura finalmente ocorre no “pescoço”.

A resistência à fratura ou resistência à ruptura corresponde à tensão na fratura.

Os limites de resistência à tração podem variar em qualquer lugar desde 7000 psi (50 MPa) para um alumínio até um valor tão alto quanto 450000 psi (3000 MPa) para aços de alta resistência mecânica. Ordinariamente, quando a resistência mecânica de um metal é citada para propósitos de projeto, o limite convencional de elasticidade (“yield strength”) é usado. Isto é devido ao fato de que no tempo em que uma tensão correspondente ao limite de resistência à tração tenha sido aplicada, às vezes a estrutura terá experimentado tão grande deformação plástica que ela é inútil.

Além disto, resistências à fratura não são normalmente especificadas para propósitos de projeto de engenharia.

Figura 2.8: Comportamento típico da curva tensão-deformação de engenharia até a fratura do material.

(Fonte: Ciência e Engenharia de Materiais: uma Introdução 5ª Edição. Willian D. Callister, Jr)

Na primeira parte do ensaio de tração, o material metálico deforma-se elasticamente, isto é, se for descarregado, o corpo de prova volta ao seu comprimento original. No caso dos materiais metálicos, a deformação elástica máxima é geralmente inferior à 0,5%. Na região elástica do diagrama de tensão nominal-extensão nominal dos metais e ligas verifica-se em geral, uma relação linear entre a tensão e a extensão (Fig. 2.5), a qual é descrita pela lei de Hooke:

Fig. 2.5 Diagrama Esquemático Tensão- Deformação mostrando a deformação elástica linear para ciclos de carga e descarga.

(Fonte: Ciência e Engenharia de Materiais: uma Introdução 5ª Edição. Willian D. Callister, Jr)

O módulo de elasticidade está relacionado com a força de ligação entre os átomos do metal, ou liga. Na tabela 2.1, indicam-se os valores do módulo de elasticidade de alguns materiais metálicos e na fig 2.6 a influência da temperatura sobre os mesmos. Os materiais metálicos com módulos elásticos elevados são relativamente rígidos e não fletem facilmente. Os aços, por exemplo, têm módulo elasticidade elevados (da ordem de 207 GPa), enquanto as ligas de alumínio têm módulos de elasticidade mais baixos de cerca de 69 á 76 GPa. Convém notar que na região elástica, do diagrama tensão-extensão, o módulo não varia quando a tensão aumenta.

Tab. 2.1 Módulos de Elasticidade e Cisalhamento, e coeficiente de Poison para várias ligas Metálicas a Temperatura Ambiente

(Fonte: Ciência e Engenharia de Materiais: uma Introdução 5ª Edição. Willian D. Callister, Jr)

Fig. 2.6 Influência da Temperatura s obre o Módulo de Elasticidade, em alguns Metais

(Fonte: Ciência e Engenharia de Materiais: uma Introdução 5ª Edição. Willian D. Callister, Jr)

Na definição de fadiga, destacou-se que ela se deve a esforços cíclicos repetidos. De maneira geral, peças sujeitas a fadiga estão submetidas a esforços que se repetem com regularidade. Trata-se das tensões cíclicas. A tensão cíclica mais comum é caracterizada por uma função senoidal, onde os valores de tensão são representados no eixo das ordenadas e o número de ciclos no eixo das abscissas. As tensões de tração são representadas como positivas e as tensões de compressão como negativas. A figura 2.13 apresenta três tipos de ciclos de tensão.

Figura 2.13 – Ciclos de Tensões: Alternada, Positiva e Assimétricas

(Fonte: Ciência e Engenharia de Materiais: uma Introdução 5ª Edição. Willian D. Callister, Jr)

A figura a mostra um gráfico de tensão alternada, assim chamado porque as tensões de tração têm valor igual às tensões de compressão.

No gráfico b todas as tensões são positivas, ou seja, o corpo de prova está sempre submetido a uma tensão de tração, que oscila entre um valor máximo e um mínimo.

No gráfico c representa tensões positivas e negativas, como no primeiro caso, só que as tensões de compressão têm valores diferentes das tensões de tração.