Ductilidade

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Ensaio de tração de uma liga AlMgSi . O pescoço local e as superfícies de fratura do copo e do cone são típicos para metais dúcteis.
Este teste de tração de um ferro fundido nodular demonstra baixa ductilidade.

A ductilidade é uma propriedade mecânica comumente descrita como a capacidade de um material ser trefilado (por exemplo, em arame). [1] Na ciência dos materiais , a ductilidade é definida pelo grau em que um material pode sustentar a deformação plástica sob tensão de tração antes da falha. [2] [3] A ductilidade é uma consideração importante em engenharia e fabricação, definindo a adequação de um material para certas operações de fabricação (como trabalho a frio ) e sua capacidade de absorver sobrecarga mecânica. [4] Alguns metais geralmente descritos como dúcteis incluem ouro e cobre . [5]No entanto, nem todos os metais sofrem falha dúctil, pois alguns podem ser caracterizados com falha frágil, como ferro fundido. Os polímeros geralmente podem ser vistos como materiais dúcteis, pois normalmente permitem a deformação plástica. [6]

A maleabilidade , uma propriedade mecânica semelhante, é caracterizada pela capacidade de um material de se deformar plasticamente sem falha sob tensão de compressão . [7] [8] Historicamente, os materiais eram considerados maleáveis ​​se fossem passíveis de conformação por martelagem ou laminação. [1] O chumbo é um exemplo de material relativamente maleável, mas não dúctil. [5] [9]

Ciência dos materiais

O ouro é extremamente dúctil. Ele pode ser puxado em um fio monoatômico e depois esticado mais antes de quebrar. [10]

A ductilidade é especialmente importante na metalurgia , pois os materiais que racham, quebram ou quebram sob tensão não podem ser manipulados usando processos de conformação de metal , como martelar , laminação , trefilação ou extrusão . Materiais maleáveis ​​podem ser moldados a frio por estampagem ou prensagem , enquanto materiais frágeis podem ser moldados ou termoformados .

Altos graus de ductilidade ocorrem devido às ligações metálicas , que são encontradas predominantemente em metais; isso leva à percepção comum de que os metais são dúcteis em geral. Nas ligações metálicas, os elétrons da camada de valência são deslocalizados e compartilhados entre muitos átomos. Os elétrons deslocalizados permitem que os átomos de metal deslizem uns pelos outros sem serem submetidos a fortes forças repulsivas que fariam com que outros materiais se quebrassem.

A ductilidade do aço varia dependendo dos constituintes da liga. Aumentar os níveis de carbono diminui a ductilidade. Muitos plásticos e sólidos amorfos , como Play-Doh , também são maleáveis. O metal mais dúctil é a platina e o metal mais maleável é o ouro . [11] [12] Quando altamente esticados, esses metais distorcem através da formação, reorientação e migração de discordâncias e cristais gêmeos sem endurecimento perceptível. [13]

Quantificação da ductilidade

As grandezas comumente usadas para definir a ductilidade em um teste de tração são o alongamento percentual (às vezes indicado como) e redução de área (às vezes denotada como) na fratura. [14] Deformação de fratura é a deformação de engenharia na qual um corpo de prova fratura durante um teste de tração uniaxial . O alongamento percentual, ou deformação de engenharia na fratura, pode ser escrito como: [15] [16] [17]

A redução percentual na área pode ser escrita como: [15] [16] [17]

onde a área de interesse é a área da seção transversal do medidor do corpo de prova.

De acordo com o projeto de engenharia mecânica de Shigley [4] significativo denota cerca de 5,0 por cento de alongamento.

Temperatura de transição dúctil-frágil

Aparência esquemática de barras metálicas redondas após testes de tração.
(a) Fratura frágil
(b) Fratura dúctil
(c) Fratura completamente dúctil

Os metais podem sofrer dois tipos diferentes de fraturas: fratura frágil ou fratura dúctil. A propagação da falha ocorre mais rapidamente em materiais frágeis devido à capacidade dos materiais dúcteis sofrerem deformação plástica. Assim, os materiais dúcteis são capazes de suportar mais estresse devido à sua capacidade de absorver mais energia antes da falha do que os materiais frágeis. A deformação plástica resulta no material seguindo uma modificação da equação de Griffith, onde a tensão crítica de fratura aumenta devido ao trabalho plástico necessário para estender a trinca somando-se ao trabalho necessário para formar a trinca - trabalho correspondente ao aumento da energia superficial que resulta da formação de uma superfície de fissura de adição. [18]A deformação plástica de metais dúcteis é importante, pois pode ser um sinal de falha potencial do metal. No entanto, o ponto em que o material exibe um comportamento dúctil versus um comportamento frágil não depende apenas do próprio material, mas também da temperatura na qual a tensão está sendo aplicada ao material. A temperatura em que o material muda de frágil para dúctil ou vice-versa é crucial para o projeto de produtos metálicos portadores de carga. A temperatura mínima na qual o metal transita de um comportamento frágil para um comportamento dúctil, ou de um comportamento dúctil para um comportamento frágil, é conhecida como temperatura de transição dúctil-frágil (DBTT). Abaixo do DBTT, o material não poderá se deformar plasticamente, e a taxa de propagação de trincas aumenta rapidamente, levando o material a sofrer ruptura frágil rapidamente. Além disso, o DBTT é importante, pois, uma vez que um material é resfriado abaixo do DBTT, ele tem uma tendência muito maior de quebrar com o impacto em vez de dobrar ou deformar (fragilização a baixa temperatura ). Assim, o DBTT indica que à medida que a temperatura diminui, a capacidade de um material de se deformar de maneira dúctil diminui e assim a taxa de propagação de trincas aumenta drasticamente. Em outras palavras, os sólidos são muito frágeis em temperaturas muito baixas e sua tenacidade se torna muito maior em temperaturas elevadas.

Para aplicações mais gerais, é preferível ter um DBTT mais baixo para garantir que o material tenha uma faixa de ductilidade mais ampla. Isso garante que rachaduras repentinas sejam inibidas para que falhas no corpo de metal sejam evitadas. Foi determinado que quanto mais sistemas de deslizamento um material possui, maior a faixa de temperaturas em que o comportamento dúctil é exibido. Isso se deve aos sistemas de deslizamento que permitem mais movimento das discordâncias quando uma tensão é aplicada ao material. Assim, em materiais com menor quantidade de sistemas de deslizamento, as discordâncias são muitas vezes travadas por obstáculos que levam ao encruamento, o que aumenta a resistência dos materiais, tornando o material mais frágil. Por esta razão, as estruturas FCC são dúcteis em uma ampla faixa de temperaturas, as estruturas BCC são dúcteis apenas em altas temperaturas, e as estruturas HCP são frequentemente frágeis em amplas faixas de temperatura. Isso faz com que cada uma dessas estruturas tenha diferentes desempenhos à medida que se aproximam da falha (fadiga, sobrecarga e fissuração por tensão) sob várias temperaturas, e mostra a importância do DBTT na seleção do material correto para uma aplicação específica. Por exemplo,zamak 3 exibe boa ductilidade à temperatura ambiente, mas quebra quando impactado em temperaturas abaixo de zero. DBTT é uma consideração muito importante na seleção de materiais que são submetidos a tensões mecânicas. Um fenômeno semelhante, a temperatura de transição vítrea , ocorre com vidros e polímeros, embora o mecanismo seja diferente nesses materiais amorfos.. O DBTT também depende do tamanho dos grãos dentro do metal, pois normalmente o tamanho de grão menor leva a um aumento na resistência à tração, resultando em um aumento na ductilidade e diminuição no DBTT. Este aumento na resistência à tração é devido aos tamanhos de grão menores, resultando no endurecimento do contorno de grão que ocorre dentro do material, onde as discordâncias requerem uma tensão maior para contornar os contornos de grão e continuar a se propagar por todo o material. Foi demonstrado que, continuando a refinar grãos de ferrita para reduzir seu tamanho, de 40 mícrons para 1,3 mícrons, é possível eliminar o DBTT inteiramente para que uma fratura frágil nunca ocorra no aço ferrítico (já que o DBTT necessário seria abaixo do zero absoluto). [19]

Em alguns materiais, a transição é mais nítida do que em outros e normalmente requer um mecanismo de deformação sensível à temperatura. Por exemplo, em materiais com uma rede cúbica de corpo centrado (bcc) o DBTT é prontamente aparente, pois o movimento das discordâncias do parafuso é muito sensível à temperatura porque o rearranjo do núcleo da discordância antes do deslizamento requer ativação térmica. Isso pode ser problemático para aços com alto teor de ferrita . Isso resultou em graves rachaduras no casco dos navios Liberty em águas mais frias durante a Segunda Guerra Mundial , causando muitos naufrágios. A DBTT também pode ser influenciada por fatores externos como a radiação de nêutrons , o que leva a um aumento da pressão interna .defeitos de rede e uma diminuição correspondente na ductilidade e aumento no DBTT.

O método mais preciso de medir o DBTT de um material é por teste de fratura . Normalmente , teste de dobra de quatro pontosem uma faixa de temperaturas é realizado em barras pré-trincadas de material polido. Dois testes de fratura são normalmente utilizados para determinar o DBTT de metais específicos: o teste Charpy V-Notch e o teste Izod. O teste Charpy V-notch determina a capacidade de absorção de energia de impacto ou tenacidade da amostra medindo a diferença de energia potencial resultante da colisão entre uma massa em um pêndulo em queda livre e o entalhe em forma de V usinado na amostra, resultando na pêndulo rompendo a amostra. O DBTT é determinado repetindo este teste em uma variedade de temperaturas e observando quando a fratura resultante muda para um comportamento frágil que ocorre quando a energia absorvida é drasticamente diminuída. O teste Izod é essencialmente o mesmo que o teste Charpy, sendo o único fator diferenciador a colocação da amostra; No primeiro a amostra é colocada verticalmente, enquanto no segundo a amostra é colocada horizontalmente em relação ao fundo da base. [20]

Para experimentos conduzidos em temperaturas mais altas, a atividade de discordância [ clarificação necessária ] aumenta. A uma certa temperatura, as discordâncias protegem a ponta da trinca de tal forma que a taxa de deformação aplicada não é suficiente para que a intensidade da tensão na ponta da trinca atinja o valor crítico de fratura (K iC ). A temperatura na qual isso ocorre é a temperatura de transição dúctil-frágil. Se os experimentos são realizados em uma taxa de deformação mais alta, mais blindagem de discordância é necessária para evitar fratura frágil e a temperatura de transição é aumentada. [ citação necessária ]

Veja também

Referências

  1. ^ a b Brande, William Thomas (1853). Um dicionário de ciência, literatura e arte: compreendendo a história, descrição e princípios científicos de cada ramo do conhecimento humano: com a derivação e definição de todos os termos de uso geral . Harper & Irmãos. pág. 369.
  2. ^ Kalpakjian, Serope, 1928- (1984). Processos de fabricação de materiais de engenharia . Reading, Mass.: Addison-Wesley. pág. 30. ISBN 0-201-11690-1. OCLC  9783323 .{{cite book}}: CS1 maint: vários nomes: lista de autores ( link )
  3. ^ "Ductilidade - O que é material dúctil" . Energia Nuclear . Recuperado 2020-11-14 .
  4. ^ a b Budynas, Richard G. (2015). Projeto de Engenharia Mecânica de Shigley—10ª ed . Monte McGraw. pág. 233. ISBN 978-0-07-339820-4..
  5. ^ a b Chandler Roberts-Austen, William (1894). Uma Introdução ao Estudo da Metalurgia . Londres: C. Griffin. pág. 16.
  6. ^ Ductilidade e seu efeito na falha do material. O Arquivo de Engenharia. (nd). https://theengineeringarchive.com/material-science/page-ductility-material-failure.html
  7. ^ "Maleabilidade - Materiais Maleáveis" . Energia Nuclear . Arquivado a partir do original em 25/09/2020 . Recuperado 2020-11-14 .
  8. ^ CIÊNCIA DO MATERIAL DO MANUAL DOS FUNDAMENTAIS . Vol. 1, Módulo 2 – Propriedades dos Metais. Departamento de Energia dos EUA. Janeiro de 1993. p. 25.
  9. ^ Rico, Jack C. (1988). Os Materiais e Métodos de Escultura . Publicações Courier Dover. pág. 129 . ISBN 978-0-486-25742-6..
  10. ^ Masuda, Hideki (2016). "Microscopia Eletrônica de Transmissão Combinada - Observação In situ do Processo de Formação e Medição das Propriedades Físicas de Fios Metálicos de Tamanho Atômico Simples". Em Janecek, Milos; Kral, Robert (eds.). Microscopia Eletrônica Moderna em Ciências Físicas e da Vida . InTech. doi : 10.5772/62288 . ISBN 978-953-51-2252-4.
  11. ^ Vaccaro, John (2002) Manual de materiais, manuais de Mc Graw-Hill, 15ª ed.
  12. ^ Schwartz, M. (2002) CRC enciclopédia de peças de materiais e acabamentos , 2ª ed.
  13. ^ Lah, Che; Akmal, Nurul; Trigueros, Sônia (2019). "Síntese e modelagem das propriedades mecânicas de nanofios de Ag, Au e Cu" . Sci. Tecnol. Av. Mater . 20 (1): 225–261. Bibcode : 2019STAdM..20..225L . doi : 10.1080/14686996.2019.1585145 . PMC 6442207 . PMID 30956731 .  
  14. ^ Dieter, G. (1986) Metalurgia Mecânica , McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-016893-0 
  15. ^ a b Da "revisão da ductilidade - mecânicos da força dos materiais - borda dos coordenadores" . www.engineersedge . com . Recuperado 2020-07-14 .
  16. ^ a b Askeland, Donald R. (2016). "6-4 Propriedades Obtidas do Teste de Tração". A ciência e engenharia de materiais . Wright, Wendelin J. (Sétima ed.). Boston, MA. pág. 195. ISBN 978-1-305-07676-1. OCLC  903959750 .
  17. ^ a b Callister, William D. Jr. (2010). "6.6 Propriedades de tração". Ciência e engenharia de materiais: uma introdução . Rethwisch, David G. (8ª ed.). Hoboken, NJ. pág. 166. ISBN 978-0-470-41997-7. OCLC  401168960 .
  18. ^ https://www.usna.edu/NAOE/_files/documents/Courses/EN380/Course_Notes/Ch11_Fracture.pdf [ URL simples PDF ]
  19. ^ Qiu, Hai; Hanamura, Toshihiro; Torizuka, Shiro (2014). "Influência do tamanho de grão na tenacidade à fratura dúctil do aço ferrítico" . Isij Internacional . 54 (8): 1958-1964. doi : 10.2355/isijinternational.54.1958 .
  20. ^ "Testes de temperatura de transição dúctil-frágil e energia de impacto - engenharia de Yena" .

Links externos