Guia Completo das 14 Principais Propriedades Mecânicas dos Materiais com Exemplos Práticos

O que são as Propriedades Mecânicas dos Materiais?

As propriedades mecânicas dos materiais definem o comportamento dos materiais sob a ação de forças externas, chamadas cargas. São uma medida da resistência e características duradouras de um material em serviço e são de grande importância no projeto de ferramentas, máquinas e estruturas.

As propriedades mecânicas são sensíveis à estrutura no sentido de que dependem da estrutura cristalina e seu processo de ligação e, especialmente, da natureza e comportamento das imperfeições que existem dentro do próprio cristal ou nos contornos de grão.

As Propriedades Mecânicas dos Materiais mais importantes e úteis são brevemente explicadas abaixo para garantir que os leitores possam escolher o material adequado para um dado projeto de forma rápida e sábia.

1. Resistência (Strength)

A resistência de um material é sua capacidade de suportar destruição sob a ação de cargas externas. Quanto mais forte o material, maior a carga que pode suportar. Portanto, determina a capacidade de um material suportar tensão sem falha. Como a resistência varia de acordo com o tipo de carregamento, é possível ter resistências à tração, compressão, cisalhamento ou torção.

A tensão máxima que qualquer material suportará antes da destruição é chamada de sua resistência última. A tendência de um material é sua resistência última em tração.

2. Elasticidade (Elasticity)

Elasticidade é a propriedade mecânica dos materiais pela qual a deformação causada pela carga aplicada desaparece após a remoção da carga. Em outras palavras, a elasticidade de um material é seu poder de voltar à sua posição original após deformação quando a tensão ou carga é removida. A elasticidade é uma propriedade de tração do material.

• Limite de proporcionalidade: É a tensão máxima sob a qual um material mantém uma taxa perfeitamente uniforme de deformação para tensão. Embora este valor seja difícil de medir, é usado em aplicações importantes como instrumentos de precisão, molas, etc.
• Limite elástico: A maioria dos materiais pode ser tensionada ligeiramente acima do limite de proporcionalidade sem adquirir um conjunto permanente. A maior tensão que um material pode suportar sem adquirir algum conjunto permanente é chamada de limite elástico. Além do limite elástico, portanto, o material em sua forma original e ocorre mudança permanente.
• Ponto de escoamento (Yield point): Em uma certa tensão, materiais dúcteis particularmente cessam de oferecer resistência a forças de tração, ou seja, fluem e ocorre uma mudança permanente relativamente grande sem aumento perceptível de carga. Este ponto é chamado de ponto de escoamento. Alguns materiais exibem um ponto de escoamento definido, caso em que a tensão de escoamento ou resistência de escoamento é simplesmente a tensão neste ponto. Aço doce é um exemplo disso.
• Tensão de prova (Proof stress): A maioria dos materiais dúcteis exibem escoamento progressivo e outra medida de tensão de escoamento, geralmente conhecida como tensão de prova. Tensão de prova é definida como a quantidade de tensão que um material pode suportar sem adquirir mais do que uma pequena quantidade de conjunto, medida comum sendo 0,1 ou 0,2% do comprimento de bitola original.

3. Rigidez (Stiffness)

A resistência de um material à deformação elástica ou deflexão é chamada de rigidez ou rigidez. Um material que sofre ligeira deformação sob carga tem um alto grau de rigidez. Por exemplo, vigas suspensas de Aço e Alumínio podem ambas ser fortes o suficiente para suportar a carga requerida, mas o alumínio vai "flechar" ou defletir mais. Em outras palavras, a viga de aço é mais rígida que a viga de alumínio.

Se o material segue a lei de Hooke, ou seja, tem uma relação tensão-deformação linear, sua rigidez é medida pelo módulo de Young E. Quanto maior o valor do módulo de Young, mais rígido o material.

Em tensão de tração e compressão, é chamado de módulo de rigidez ou "módulo de elasticidade"; em cisalhamento, o módulo de rigidez, e este é geralmente 40% do valor do módulo de Young para materiais comumente usados; em distorção volumétrica, o módulo de volume.

O termo flexibilidade às vezes é usado como oposto de rigidez. No entanto, flexibilidade geralmente tem a ver com flexão ou curvatura. Também pode implicar uso de flexão na faixa plástica.

4. Plasticidade (Plasticity)

A plasticidade de um material é sua capacidade de sofrer algum grau de deformação permanente sem ruptura ou falha. A deformação plástica ocorrerá apenas após a faixa elástica ter sido excedida.

A plasticidade é importante em conformação, moldagem, extrusão e muitos outros processos de trabalho a quente ou frio. Materiais como argila, chumbo, etc., são plásticos à temperatura ambiente e o aço é plástico quando em calor intenso. Em geral, a plasticidade aumenta com o aumento da temperatura.

5. Ductilidade (Ductility)

Ductilidade é uma das propriedades mecânicas de um material que lhe permite ser estirado em fio fino. Aço doce é um material dúctil. A porcentagem de alongamento e a redução de área em tração são frequentemente usadas como medidas empíricas da ductilidade.

6. Maleabilidade (Malleability)

Maleabilidade de um material é sua capacidade de ser achatado em chapas finas sem trincar por trabalho a quente ou frio. Alumínio, cobre, estanho, chumbo, aço, etc., são metais maleáveis.

É importante notar que alguns materiais podem ser maleáveis e dúcteis. Chumbo, por exemplo, pode ser prontamente laminado e martelado em chapas finas, mas não pode ser estirado em fio. Embora ductilidade e maleabilidade sejam frequentemente usadas indistintamente, a ductilidade é pensada como uma qualidade de tração, enquanto a maleabilidade é considerada uma qualidade de compressão.

As palavras ductilidade e maleabilidade tornam-nas quase sinônimas de trabalhabilidade ou conformabilidade, que está claramente relacionada à deformação plástica.

7. Resiliência (Resilience)

Resiliência é uma propriedade mecânica dos materiais que tem a capacidade de um material absorver energia na remoção da carga. A energia armazenada é devolvida exatamente em uma mola se a carga for removida.

A energia máxima que pode ser armazenada em um corpo até o limite elástico é chamada de resiliência de prova, e a resiliência de prova por unidade de volume é chamada de módulo de resiliência. Em outras palavras, o módulo de resiliência é definido como a quantidade de energia necessária para tensionar o volume unitário de um material até seu limite de proporcionalidade. A quantidade dá a capacidade do material de suportar choques e vibrações.

8. Tenacidade (Toughness)

A tenacidade é uma medida da quantidade de energia que um material pode absorver antes que a fratura ou falha real ocorra. Por exemplo, se uma carga for aplicada repentinamente a um pedaço de aço doce e depois a um pedaço de vidro, o aço doce absorverá muito mais energia antes que a falha ocorra. Assim, o aço doce é dito ser muito mais tenaz que o vidro.

A tenacidade de um material é sua capacidade de suportar deformações plásticas e elásticas. É, portanto, uma qualidade altamente desejável para peças estruturais e de máquinas que devem suportar choque e vibração. Aço manganês, ferro forjado, aço doce, etc., são materiais tenazes.

O trabalho ou energia que um material absorve às vezes é chamado de módulo de tenacidade. A tenacidade está relacionada à resistência ao impacto, ou seja, resistência a carregamento de choque.

9. Dureza (Hardness)

Dureza é uma propriedade fundamental intimamente relacionada à resistência. Dureza é geralmente definida em termos da capacidade de um material resistir a arranhões, abrasão, corte, indentação ou penetração. É importante notar que a dureza de um metal não está diretamente relacionada à endurecibilidade do metal.

Muitos métodos estão agora em uso para determinar a dureza do material. São Brinell, Rockwell e Vickers.

10. Endurecibilidade (Hardenability)

Endurecibilidade indica o grau de dureza que pode ser impartido ao metal, particularmente aço, pelo processo de têmpera. Determina a profundidade e distribuição de dureza induzida pela têmpera. A endurecibilidade de um metal é determinada por um ensaio Jominy para determinar quão bem um metal endurece do centro do metal para a interface do metal. O ensaio Jominy (ISO 642:1999) envolve aquecer uma peça de teste de aço (25 mm de diâmetro e 100 mm de comprimento) a uma temperatura de austenitização e resfriar rapidamente de uma extremidade com um jato de água controlado e padronizado. Um metal capaz de ser endurecido em toda a sua estrutura é dito ter maior endurecibilidade.

11. Fragilidade (Brittleness)

A fragilidade de um material é a propriedade de quebrar sem muita distorção permanente. Existem muitos materiais que quebram ou falham antes que muita deformação ocorra.

Tais materiais são frágeis, ex.: vidro, ferro fundido. Portanto, um material não dúctil é dito ser material frágil.

Geralmente, a resistência à tração de materiais frágeis é apenas uma fração de sua resistência à compressão.

12. Usinabilidade (Machinability)

Usinabilidade não é uma propriedade mecânica intrínseca dos materiais, mas sim o resultado de complexa interação entre a peça e vários dispositivos de corte operados em diferentes taxas sob diferentes condições de lubrificação. Como resultado, a usinabilidade é medida empiricamente, com resultados aplicáveis apenas sob condições semelhantes.

No entanto, simplesmente dito, é a facilidade com que um metal pode ser removido em várias operações de usinagem. Boa usinabilidade implica resultados satisfatórios em usinagem.

A usinabilidade de um metal é indicada por porcentagem, o que é o índice de usinabilidade. Todos os metais usinados são comparados a um padrão básico. O metal padrão usado para 100% de classificação de usinabilidade é aço de livre corte. Índice de usinabilidade de aços carbono geralmente varia de 40 a 60 por cento, e o de ferro fundido de 50 a 80 por cento.

13. Fluência (Creep)

A fluência é uma propriedade mecânica dos materiais. A deformação lenta e progressiva de um material com o tempo sob tensão constante é chamada de fluência. O tipo mais simples de deformação por fluência é fluxo viscoso.

Dependendo da temperatura, tensões mesmo abaixo do limite elástico podem causar alguma deformação permanente. É mais geralmente definida como uma deformação dependente do tempo ocorrendo sob tensão. Metais geralmente exibem fluência em temperaturas mais altas, enquanto plásticos, borracha e materiais amorfos semelhantes são muito sensíveis à temperatura para fluência.

Existem três estágios de fluência. No primeiro, o material alonga-se rapidamente, mas em taxa decrescente. No segundo estágio, a taxa de alongamento é constante. No 3º estágio, a taxa de alongamento aumenta rapidamente até que o material falhe. A tensão para uma taxa de deformação especificada a temperatura constante é chamada de resistência à fluência.

14. Fadiga (Fatigue)

A fadiga propriedades de um material determinam seu comportamento quando submetido a milhares ou até milhões de aplicações de carga cíclicas nas quais a tensão máxima desenvolvida em cada ciclo está bem dentro da faixa elástica do material. Sob estas condições, a falha pode ocorrer após um certo número de aplicações de carga, ou o material pode continuar a dar serviço indefinidamente. Em muitas instâncias, um componente é projetado para dar um certo comprimento de serviço sob um ciclo de carregamento especificado; muitos componentes de motores aero e turbinas de alta velocidade são deste tipo.

Estas foram todas as diferentes Propriedades Mecânicas dos Materiais que ajudam a obter insights sobre qual tipo de material deve ser escolhido de acordo com a necessidade.