Pra nós, basta olhar pra um objeto e dizer que ele possui plástico, borracha, cerâmica e ou metal em sua composição, mas não é bem assim que as coisas funcionam.
Plástico não é “tudo igual”, assim como a borracha e o metal também não são. É comum as pessoas classificarem a qualidade de um produto de acordo com essas terminologias, porém devemos saber que há centenas de polímeros diferentes, que proporcionam milhares de combinações, isto é, compósitos, que permitem agregar qualidades de diferentes materiais e criar produtos de alta qualidade.
Mas para sabermos definir a qualidade de um produto, precisamos conhecer as combinações destes materiais, as qualidades e defeitos que cada um possui e a vantagem e desvantagem de utiliza-los. Também é necessário saber que há produtos iguais (que podem ser aplicados no mesmo sistema), porém feitos de materiais diferentes e com diferenças de preços gritantes.
Outra coisa fácil de se ver na população leiga e até entre profissionais desses ramos é que muitos não conhecem de fato o produto que estão utilizando (ou pelo menos insistem em utilizar termos errôneos). Um bom exemplo são as velhas juntas de vedação estáticas de cabeçotes de motores a combustão interna, que antigamente eram baseadas em Fibra de Amianto e que, pela legislação moderna, foram substituídas por Fibra de Vidro e ou Fibra de Aramida, porém até hoje são conhecidas por todos como “juntas de amianto” ou “juntas de papelão de amianto”. Outro exemplo são algumas peças de cerâmica - como por exemplo bocais de lâmpadas domésticas -, comumente chamadas informalmente de "louça" ou "porcelana", quando na verdade são materiais muito mais comuns e baratos.
Tanto descrevemos sobre materiais, citamos um punhado de aplicações, mas não nos aprofundamos muito em algumas informações tão relevantes quanto o que já foi publicado: as propriedades mecânicas!
Neste artigo foi concatenado uma grande quantidade de informações de vários sites e documentos técnicos sobre como os materiais se relacionam com a física, abordando vários exemplos práticos e links que dão acesso à vários outros artigos no blog!
De ínício precisamos saber uma coisa:
Em CTM, tenacidade é a capacidade de um material absorver energia e deformar permanentemente (plasticamente) sem fraturar.
A tenacidade requer um equilíbrio de resistência e ductilidade.
Segundo a tenacidade, um material pode ser:
1. Friável (frágil, quebradiço): Que pode ser quebrado ou reduzido a pó com facilidade. Ex: Vidros e cerâmicas;
2. Maleável: Pode ser transformado facilmente em lâminas, Ex. Ouro, Prata, Cobre;
3. Séctil: Pode ser facilmente dividido em pedaços com um objeto cortante. Ex Ouro, Prata, Cobre, Alumínio;
4. Dúctil: Pode ser transformado facilmente em fios. Ex. Ouro, Prata, Cobre;
5. Flexível: Pode ser dobrado, mas não recupera a forma anterior. Ex: Alumínio, Talco, Gipsita, Polipropileno, Polietileno, Poliamida (plásticos em geral);
6. Elástico: Pode ser dobrado mas recupera a forma anterior. Ex. Micas e Borrachas.
OBSERVAÇÃO: Uma confusão comum ao termo é achar que um material duro é também tenaz. Como exemplo temos o diamante, que só pode ser riscado por outro diamante (logo, extremamente duro), mas pode ser quebrado se sofrer uma requisição muito alta como uma martelada (logo, tem baixa tenacidade, flexibilidade).
Outra confusão também feita no dia-a-dia é com flexibilidade e elasticidade. A elasticidade não é uma propriedade que se aplica apenas à objetos borrachosos, e a flexibilidade não é 'sinônimo' de elasticidade. Mas isso veremos ao longo do texto.
Ductilidade e Fragilidade
Um material dúctil é aquele que se deforma sob tensão mecânica. O Ouro, o Cobre e o Alumínio são metais muito dúcteis. O oposto de dúctil é frágil, quando o material se rompe sem sofrer grande deformação.
A ductilidade é a propriedade que representa o grau de deformação que um material suporta até o momento de sua fratura. Materiais que suportam pouca ou nenhuma deformação no processo de ensaio de tração são considerados materiais frágeis. Isto é, quando, por exemplo, um plástico é rasgado ao meio, esse processo entre estica-lo até rasga-lo é chamado de ductibilidade, contudo existe uma grande porcentagem de moléculas ultra finas que possibilita a deformação elástica.
Imagem 1
Em metalurgia a ductilidade é a propriedade que apresentam alguns metais e ligas metálicas quando estão sob a ação de uma força, podendo estirar-se sem romper-se, transformando-se num fio. Os metais que apresentam esta propriedade são denominados dúcteis.
Os metais se caracterizam por sua elevada ductilidade, pelo fato de os átomos se disporem de maneira tal na sua estrutura que possibilitam o deslizamento de uns sobre os outros, permitindo o estiramento sem rompimento. A ductilidade de uma determinada liga metálica pode variar em função da sua microestrutura. A microestrutura varia em função do tipo de tratamento térmico e do tipo de processo de fabricação. Ligas quimicamente idênticas, portanto, podem apresentar comportamentos variando entre totalmente frágil e totalmente dúctil.
Este fato é de extrema importância para a indústria, que pode trabalhar com um material em sua condição dúctil e, após isto, trata-lo termicamente para que atinja as propriedades finais.
Ductilidade x Fragilidade
Ao especificar um material, é importante ter em mente que fragilidade e ductilidade são propriedades totalmente opostas: a tendência de um material a deformar-se significativamente antes de se romper é uma medida de sua ductilidade, e a ausência de deformação significativa antes da ruptura é chamada de fragilidade. Portanto, quanto maior a ductilidade, menor a fragilidade.
Maleabilidade
A ductilidade e a maleabilidade (capacidade de formar lâminas) de um material são duas propriedades relacionadas, já que as duas dependem do deslizamento dos átomos uns sobre os outros através de uma ação externa sobre o material.
A maleabilidade é uma propriedade que junto a ductilidade apresentam os corpos ao serem moldados por deformação. A diferença é que a ductibilidade se refere a formação de filamentos e a maleabilidade permite a formação de delgadas lâminas do material sem que este se rompa, tendo em comum que não existe nenhum método para quantificá-los.
O elemento conhecido mais maleável é o Ouro, que se pode malear até dez milésimos de milímetro de espessura. Também apresenta esta característica, em menor escala, o Alumínio, tendo-se popularizado o papel de Alumínio como envoltório conservante para alimentos, assim como na fabricação do Tetra Brik.
Em muitos casos, a maleabilidade de uma substância metálica aumenta com a temperatura. Por isso, muitos metais são trabalhados mais facilmente a quente.
Com as explicações acima, podemos introduzir outros parâmetros...
OBSERVAÇÃO: Com a intenção de se ter uma melhor compreensão do texto, recomendo a leitura do artigo "Excepcional - Física do movimento", para que fique mais claro na mente o que é força, peso, inércia, atrito, massa, volume, densidade e movimento. Boa leitura!
Este tópico é permeado por cinco formas de aplicação de força em materiais: são elas:
→ Esforços axiais:
-> Tração;
-> Flexão;
-> Compressão.
→ Esforços transversais:
-> Torção;
-> Cisalhamento (tensão tangencial ou de corte).
De outra maneira, podemos classificar as tensões em tipos diferentes de esforços de cisalhamento. Observe:
→ Tensões normais (engloba Tração e Compressão);
→ Tensões transversais (Flexão);
→ Tensões torcionais (Torção).
A tensão é mais comumente usada quando a força é exercida para puxar um objeto (pense na tensão de um cabo de aço de um guindaste suspendendo um bloco), no entanto, ela pode ser usada na descrição de qualquer uma das forças acima listadas.
Em geral, quando se submete um material a um conjunto de forças se produz tanto flexão e ou torção, todos estes esforços conduzem a aparição de tensões tanto de tração como de compressão. Em outras palavras, todo esforço mecânico é composto por um conjunto de tensões normais.
Mas afinal, o que é cisalhamento?
Cisalhamento
No esforço de cisalhamento, (também chamado de tensão tangencial, ou ainda tensão de corte ou tensão cortante) é um tipo de tensão gerado por forças aplicadas em sentidos iguais ou opostos, em direções semelhantes, mas com intensidades diferentes no material analisado. Um exemplo disso é a aplicação de forças paralelas mas em sentidos opostos, ou a típica tensão que gera o corte em tesouras.
Um exemplo prático são molas de cisalhamento, confeccionadas em borracha e chapas de metal para aplicação alguns seletos tipos de suspensão de caminhões:
GIF 1 - O cisalhamento exemplificado com uma suspensão automotiva
Note que, quando a carga é aplicada o chassi é deslocado para baixo, tensionando as quatro molas de cisalhamento e comprimindo as duas molas de carga progressiva. Para tal efeito, tais molas devem ter uma ampla e resistente estrutura elastomérica entre as chapas (flanges e taxa). Para entender melhor, observe o Folder abaixo:
Complemento 1 - As molas de cisalhamento das suspensões Hendrikson UltiMaax e HaulMaax são feitas de lâminas de aço separadas por aplicações de borracha (em suspensões geralmente é aplicado NR pura, NR+BR ou NR+SR)
A partir deste tópico podemos expandir para outros tipos de tensão, afinal a flexão é um cisalhamento causado por cargas transversais e a torção é um cisalhamento causado por cargas torcionais!
Compressão
A compressão é gerada quando se empurra algo usando a força. Pense num cilindro preenchido de gás, pressurizado. O gás comprimido estará pressionando as peredes do vaso para o sentido cuja força contrária é inferior.
Imagem 2 - Cilindro para armazenamento de gases cuja pressão de trabalho é 300 kPa
Nas lâmpadas de baixa e alta pressão com vapor de Mercúrio ou vapor de Sódio também pode se notar forças de compressão...
Imagem 3 - Lâmpada fluorescente de uso doméstico. Está é de baixa pressão e com vapor de Mercúrio
Para se ter uma ideia, a pressão atmosférica ao nível do mar é de 1 ATM (atmosfera), ou seja, cerca de 101.3 kPa. Se pegarmos uma lâmpada de vapor de Mercúrio e gás Argônio sob alta pressão, teremos entre 2 e 4 ATM para o metal vaporizado e em torno de 0,03 ATM (3.039 Pa) para o gás de partida. Já uma lâmpada de vapor de Sódio com gás inerte sob baixa pressão deve conter o vapor metálico na casa dos 7x10^-7 ATM e gases Neônio e Argônio na casa dos 7x10^-4.
Como podemos notar, enquanto as de alta pressão possuem este nome pois operam acima da pressão atmosférica, as de baixa pressão operam abaixo dela.
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Tração
Já a tração é uma força de contato que é transmitida através de um meio físico capaz de puxar objetos. Em palavras simples, se a compressão "empurra", a tração "puxa".
Pegue como exemplo o semi-reboque da imagem acima: quem detém a capacidade de tracionar é o rebocador, isto é, o caminhão-trator. Através de um meio físico, ou seja, um acoplamento - composto por quinta-roda, mesa e pino-rei - ele consegue tracionar o semi-reboque. O trailer é dependente de alguém que o puxe.
Imagem 4 - Esta é a mesa e pino-rei que os semi-reboques possuem para serem 'puxados'
No caso da imagem acima, não há cordas ou cabos tensionados, mas sim os componentes do acoplamento, que precisam resistir a todas as forças aplicadas. Repare que, um semi-reboque carregado descendo uma serra gerará uma grande força de compressão sobre o acoplamento caso os freios do conjunto não estiverem em perfeita 'sintonia'.
A capacidade de tração de uma quinta-roda, definida como "valor D", é dada pela seguinte equação:
Complemento 2 - Como se calcula a capacidade de tração de uma quinta-roda
Através do exemplo acima (usando a 2° Lei de Newton, ou seja, o valor de tração é obtido multiplicando a massa pela sua aceleração), fornecido pela Jost, podemos concluir que uma capacidade de tração de 197,4 kN (kiloNewton) equivale à 20,129 kgf (kilograma força), ou seja, cerca de 20,1 toneladas. Parece pouco, no entanto, não estamos nos referindo à capacidade de carga de um veículo, mas sim da capacidade de um acoplamento em puxar cargas.
OBSERVAÇÃO: Note que até mesmo em documentos técnicos há a confusão entre peso e massa. O correto na descrição das variáveis seria "massa total máxima permitida no veículo trator (ton.)" e "massa total máxima no semi-reboque (ton.)".
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Flexão
O esforço de flexão ou Momento Fletor é um caso particular de tração e compressão agindo juntos na mesma seção, causando deformações predominantes nas faces opostas do corpo ou estrutura e menores deformações e consequentes tensões na parte central, se anulando no seu eixo de inércia. A unidade de medida é a força multiplicada pela distância de aplicação.
O conjunto de pontos de tensão nula no interior do copo flexionado é denominado Linha neutra.
Imagem 5 - Um parafuso que sofreu flexão
O parafuso da imagem acima foi flexionado a ponto de deformar-se, se mostrando até bastante dúctil. Em sua cabeça não havia especifícação alguma, portanto, não podemos saber se ele era de classe 4.8, 5.8 ou 8.8, por exemplo.
Este esforço de flexão mostra também que o parafuso ultrapassou sua fase elástica e entrou em deformação plástica. Mais um pouco de deformação ele iria atingir sua tensão de ruptura.
Observe a próxima figura:
Imagem 6 - Suspensão do tipo 'bogie', com apenas dois feixes (um de cada lado) para dois eixos
Um conjunto de lâminas empilhadas - em geral arqueadas - e com algum grau de elasticidade forma o feixe de molas, que através da flexão sustenta a massa do veículo sobre os eixos e absorve impactos de rodagem.
As placas de circuito impresso (PCBs), em geral feitas de Fenolite ou FR4 possuem algum grau de elasticidade, proporcionando mais resistência à vibrações e choques mecânicos, no entanto, os componentes soldados à elas precisam também suportar isso.
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Se tratando de componentes cerâmicos SMD, temos o ponto 'frágil' do tema!
Imagem 7 - Figura simplificada de um teste de flexão de PCB com um SMD soldado
Cerâmicas são literalmente frágeis, e componentes SMD feitos de tal classe de materiais soldados a uma placa de circuito são frequentemente vulneráveis a rachaduras por expansão térmica ou tensões mecânicas, mais do que componentes PTH.
As rachaduras podem vir da linha de montagem (de máquinas automatizadas) ou de alta corrente elétrica no circuito (maior geração de calor por efeito Joule). Vibração e forças de choque na placa de circuito são mais ou menos transmitidas sem amortecimento para os componentes e suas juntas de solda, e força excessiva pode fazer com que um capacitor destes quebre. O excesso de solda nas juntas é indesejável, pois pode aumentar as forças a que o condensador está sujeito.
Imagem 8 - Micrografia de cerâmica quebrada em um capacitor MLCC
CURIOSIDADE: A capacidade dos capacitores MLCC de resistir ao estresse mecânico é testada pelo chamado teste de flexão de substrato, em que um PCB com um MLCC soldado é dobrado por um punção de 1 a 3 mm. A falha ocorre se o MLCC entrar em curto-circuito ou mudar significativamente na capacitância.
As resistências à flexão dos MLCC diferem pelo material cerâmico, pelo tamanho do componente e pela construção física dos capacitores. Sem mitigação especial, os componentes MLCC de cerâmica NP0/C0G Classe 1 atingem uma resistência à flexão típica de 2 mm, enquanto os tipos maiores de cerâmica X7R, Y5V Classe 2 atingem apenas uma resistência à flexão de aproximadamente 1 mm.
Para saber mais sobre capacitores cerâmicos em geral, CLIQUE AQUI!
Peças menores, como o invólucro 0402, atingiram em todos os tipos de cerâmica maiores valores de resistência à flexão.
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Voltando ao assunto placas de circuito impresso, achei relevante citar uma falha descoberta recentemente em algumas PCBs de adaptadores gráficos da Gigabyte, mais especificamente da série RTX30 (Ampere) e RTX40 (Ada Lovelace). Se tratam de trincas no fim do conector PCIe x16, próximo à trava do slot:
Imagem 9 - A Gigabyte nega a garantia e devolve as placas com a seta indicando a trinca. Créditos: Louis Rossmann/eBay
Segundo sites de notícias, as trincas são mais frequentes em PCs vendidos prontos, isto é, montados, no entanto, é consenso que os adaptadores gráficos estão cada vez maiores em espessura e comprimento e apenas a PCB de FR4 se torna pouco para sustentar todo o sistema, necessitando de carenagens na parte de trás das placas, bem como nas laterais, que acabam sendo vistas mais como "embelezadoras" do que estruturais. Um bom exemplo é a Zotac RTX4090 PFG, com seus 38,1 cm de comprimento e 7,5 cm de espessura:
Imagem 10 - As placas para a linha RTX4xxx possuem um tamanho desconunal. Observe as carenagens que envolvem a PCB, o dissipador e os fans
Outro fator é o slot PCIe, que em placas-mãe mais parrudas já possui uma armação de metal por dentro da carcaça de plástico LCP com vários pontos de ancoragem na PCB, para ser além de uma conexão de dados também um apoio estrutural para os cartões gráficos, afinal, apenas o PCIe de plástico com seus 10,5 cm de comprimento não iria dar conta.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre a composição e estrutura dos slots PCIe, CLIQUE AQUI!
A questão aqui, no caso da Gigabyte, é que o FR4 foi tensionado, isto é, sofreu esforços de flexão, e não aguentando, abriu fissuras num ponto específico da peça...
Imagem 11 - Uma Gigabyte RTX4090 vista por trás e a região problemática destacada pelo dedo do Youtuber Jayz2cens
Tanto a fragilidade estrutural quanto a vibração gerada pelas ventoinhas podem ter colaborado para a falha, no entanto, como foi repassado, os casos são mais comuns em PCs vendidos pré-montados, indicando o agravante da falha de manuseio e ou montagem. Essa citação não serve para criticar, mas sim como um exemplo prático de ação da força de cisalhamento transversal.
Torção
No esforço de torção predomina a tensão de cisalhamento angular, e como na flexão, causa maiores deformações e consequentes tensões nas faces ou bordas externas da peça, corpo ou estrutura, se reduzindo na parte central onde as deformações são menores, se anulando na linha neutra localizada no eixo de inércia, onde não há deformação.
Quando se aperta um parafuso, a chave sofre com esforço de torção, ainda mais no momento do aperto final, onde o parafuso já se "recusa" a girar mais um 'teco' e você, na emoção, tenta forçar mais um pouquinho. Perceba que aqui a chave também precisa ter um grau de elasticidade para não se deformar ao ser forçada ao máximo!
É interessante notar a capacidade de torção de um chassi de carreta sem que ocorra sua ruptura.
Imagem 12 - Tombamento de carreta ao fazer uma curva
Tanto é que muitas vezes o esforço de torção gera um empenamento no chassi, isto é, se nota uma flexibilidade grande, e para isso é necessário alinha-lo novamente torcendo-o para o lado oposto...
Imagem 13 - Um chassi de semi-reboque sinistrado e o resultado após a reforma
Observe que tanto o parafuso quanto o cilindro mostrados como exemplo, ao serem forçados precisam ter algo fundamental pra não serem frágeis: o seu extremo oposto, a elasticidadade, e na sequência, a plasticidade!
Seguimos então com a explicação...
Tensão de ruptura?
Quando, por exemplo, uma barra composta por alguma liga metálica ou alguma liga polimérica é submetida a um esforço axial de tração (N), ela fica sujeita a uma tensão (σ), que é a razão entre a força e a área da seção transversal da peça.
O módulo de elasticidade (E) é uma constante de proporcionalidade entre a tensão (σ) e a deformação (ε), que torna esta área do gráfico bastante linear.
Gráfico 1 - Como ocorre a deformação nos materiais
Onde:
-> A: Limite elástico;
-> A': Limite de proporcionalidade (região de escoamento);
-> B: Limite de resistência;
-> C: Limite de ruptura.
De acordo com a magnitude do esforço (N) o comportamento mecânico da peça pode ser elástico (quando ainda se observa a lei de Hooke), ou plástico (quando a peça sai do regime elástico de Hooke passando para o patamar de escoamento).
Região Elástica: Regime de Hooke. A peça se deforma devido o esforço aplicado, todavia volta a seu estado inicial. O limite da tensão do regime elástico chama-se "resistência ao escoamento".
Sendo o módulo de elasticidade (E) uma medida da rigidez de um material, - ou seja, sua capacidade de deformar temporariamente sob a ação de uma carga e retornar à sua forma original quando a carga é removida - o módulo de Young (também conhecido como módulo de elasticidade longitudinal e simbolizado por "Y") é uma forma de quantizar a elasticidade em materiais isotrópicos (que possuem as mesmas propriedades em todas as direções) e amplamente utilizado na engenharia, pois é crucial para entender o comportamento elástico de um material.
Em outras palavras, o módulo de Young representa a relação entre a tensão longitudinal aplicada a um material e a deformação elástica resultante nessa mesma direção.
Para facilitar a compreensão: Y = E
CURIOSIDADE: A lei de Hooke determina a deformação sofrida por um corpo elástico através de uma força externa aplicada sobre ele.
Ou
Ou
Onde:
-> δ: Alongamento da peça, dado em metros (m);
-> E: Módulo de elasticidade, dado em Pascal (Pa);
-> F: Força nominal aplicada, dado em Newton (N);
-> A: Área da Secção transversal, dado em metros quadrados (m³);
-> L0: Comprimento inicial da peça (metros);
-> Lf: Comprimento final da peça (metros).
Região Plástica: O material escoa devido a tensão promovida pela carga. Essa deformação plástica é irreversível. Após o escoamento total, a tensão (σ) volta a aumentar até o limite de ruptura, onde a peça finalmente quebra. O limite de tensão de ruptura chama-se "resistência de ruptura".
O módulo de cisalhamento (G) de um material, também conhecido por módulo de Coulomb ou módulo de torção é definido como a razão entre a tensão de cisalhamento (simbolizado por "T", sendo o valor dado em Pascal) aplicada ao corpo e a sua deformação específica (abreviado aqui por "D", sendo um valor adimensional).
A tensão de cisalhamento relaciona-se com uma força aplicada paralelamente a uma superfície, com o objetivo de causar o deslizamento de planos paralelos uns em relação aos outros.
Imagem 14 - É o princípio de funcionamento das molas de cisalhamento dos sistemas de suspensão UltiMaax e HaulMaax, da Hendrickson
Veja abaixo o valor aproximado do módulo de elasticidade, módulo de cisalhamento e coeficiente de Poisson para alguns materiais:
Tabela 1 - Valor apróximados dos módulos para alguns materiais
Como podemos ver na tabela acima, quanto menor for a elasticidade, maior será a facilidade de cisalhar o material.
Quanto maior o valor do módulo de Young, menos elasticidade têm o material. Se usarmos a lógica, cerâmicas possuem o maior valor de E, enquanto polímeros possuem um valor menor. Ligas metálicas ficam entre os dois. O Y está diretamente relacionado às ligações interatômicas formadoras do material em questão, portanto, depende fortemente da composição química. Além disso, também depende da temperatura, tendendo a diminuir com o aumento desta, tornando-se menos rígido (mais elástico).
CURIOSIDADE: No gráfico abaixo temos a comparação entre a elasticidade de compósitos de base polimérica BMC / DMC / SMC (UP-GF) e a Poliamida (PA), bem como alguns metais já listados na Tabela 1:
Gráfico 2 - Comparação de elasticidade entre PA, UP-GF, Mg, Al e Aço
Perceba que a Poliamida possui muito pouca elasticidade (na casa dos 10 GPa), enquanto compósitos de UP-GF conseguem no máximo ficar na casa dos 30 GPa. Caso queira saber mais sobre compósitos, cargas em forma de fibras, pós, aditivos diversos e bases poliméricas, você pode CLICAR AQUI! e CLICAR AQUI!
CURIOSIDADE: A importância dos testes mecânicos para listar características de ligas metálicas é importante até mesmo na elétrica / eletrônica, como vemos neste fragmento de um catálogo da Aperam para algumas de suas ligas de Aço-Silício:
Tabela 2 - Perceba que são listadas informações sobre limite de escoamento e resistência mecânica. Volte no Gráfico 1 para se situar
Nos motores e alternadores, é fundamental que o núcleo do estator e do rotor sejam de elevada resistência mecânica. Caso queira saber mais sobre ligas de Aço-Silício, CLIQUE AQUI!
Mas e o coeficiente de Poisson?
A razão de Poisson (simbolizada por "µ", sendo um valor adimensional) mede a deformação em relação à direção de aplicação da carga de um material homogêneo e isotrópico. A relação estabelecida não é entre tensão e deformação, mas sim entre as deformações ortogonais. Por exemplo, ao aplicar tensão de tração a um elástico, é possível observar com facilidade que conforme o material é alongado axialmente, sofre contração na direção transversal, diminuindo sua espessura à medida que o alongamento aumenta ao longo do eixo onde a tensão de tração é aplicada. Da mesma forma, a aplicação de forças compressivas em uma bola de borracha, por exemplo, apresentará um comportamento parecido, uma vez que este material será expandido lateralmente ao longo de seu eixo transversal à medida que é comprimido longitudinalmente.
Os valores do coeficiente de Poisson de um determinado material podem contribuir para a previsibilidade de seu comportamento durante uma solicitação mecânica, já que materiais frágeis possuem valores de Coeficiente de Poisson próximos de 0, enquanto materiais elásticos possuem valores próximos à 0,7, por exemplo.
Para materiais isotrópicos o módulo de cisalhamento, o módulo de elasticidade e a razão de Poisson estão correlacionados pela seguinte equação:
CURIOSIDADE: Para a maioria dos metais que possui razão de Poisson de 0,25, o módulo de cisalhamento G equivale a aproximadamente 40% de Y, desta forma, se o valor de um dos módulos for conhecido, o outro pode ser estimado.
Muitos materiais são anisotrópicos, isto é, as propriedades mecânicas variam de acordo com a direção. Para esses materiais, as propriedades elásticas são completamente caracterizadas somente com a especificação de todas as constantes elásticas, sendo que o número destas depende da simetria do material. Como forma de complemento de conteúdo, acesse o PDF abaixo, com informações sobre a caracterização dos valores E em compósitos:
A maioria dos materiais policristalinos podem ser considerados isotrópicos, uma vez que a orientação dos grãos é aleatória.
CURIOSIDADE: Tanto os plásticos quanto as borrachas são feitas de polímeros, todavia, recebem respectivos nomes devido ao fato de serem plásticos (deformam-se e não retornam ao estado inicial) e elásticos (deformam-se, mas voltam ao estado inicial).
CURIOSIDADE: Podemos fazer uma analogia entre estas propriedades mecânicas e as propriedades elétricas dos materiais.
→ A polarização dielétrica equivale a fase elástica, ou seja, o material tem sua estrutura semi-cristalina ou amorfa polarizada, porém, volta ao normal ao interromper a aplicação de tensão elétrica (Volts).
→ Quando a tensão elétrica for alta o bastante para ir além da polarização, o material sofre uma ruptura dielétrica, tornando-se um condutor momentâneo até seu colapso por excesso de calor. Já quando a tensão mecânica for alta o bastante para ir além da fase elástica, ocorre o escoamento do material, gerando uma deformação plástica que antecede seu colapso (quebra, rompimento). Para saber mais sobre como ocorre a ruptura dielétrica, leia o texto sobre Condutores e Isolantes.
Mas as cerâmicas e vidros?
Como visto anteriormente nos tópicos sobre módulo de Young e de cisalhamento, tais materiais possuem muito pouca elasticidade e o gráfico não passa disso, ou seja, não ocorre escoamento, gerando-se ruptura bem antes. São, portanto, frágeis por natureza.
Quando fiz o artigo sobre velas de ignição (você pode ler CLICANDO AQUI!) resolvi abrir alguns ignitores para estudar o interior do componente, e ao pressionar o corpo cerâmico na morsa, com pouquíssima compressão cacos voaram para todos os lados!
Imagem 15 - Cerâmica é resistente ao calor extremo, no entanto, frágil feito vidro!
Aprecie o genérico gráfico abaixo:
Gráfico 3 - Curva de deformação para alguns materiais
Note que o PMMA (PoliMetilMetaAcrilato, mais conhecido como Acrílico) possui um maior grau de elasticidade que o vidro, o substituindo em várias aplicações, como por exemplo lanternas de veículos.
Imagem 16 - Lanterna de um Scania. Os carros de passeio também usam PMMA na lente
No entanto, para outras aplicações o Policarbonato se torna melhor, já que sua elasticidade é ainda maior que a do Acrílico. Basta você pegar um CD ou DVD e flexioná-lo ao limite para ver o quão difícil é atingir a ruptura do material. É por este motivo que lentes de faróis automotivos não utilizam mais vidro comum ou temperado, mas sim PC!
Imagem 17 - Farol do Palio Attractive com lente de Policarbonato
Dada a maior capacidade do PMMA de trincar ao ser atingido por artefatos, a dianteira precisa ter lentes mais resistentes!
Como a traseira do veículo não é tão propícia a ser atingida por pequenos objetos durante a rodagem, e levando em conta o fato do Policarbonato ser mais caro, permanece o uso de Acrílico.
CURIOSIDADE: Para saber muito mais sobre plásticos e borrachas, comece CLICANDO AQUI!
Resistência à tração
Resistência à tração, tratada também pelo conceito de limite de resistência à tração (LRT), é indicada pelo ponto máximo de uma curva de tensão-deformação e, em geral, indica quando a criação de um "pescoço" (necking) irá ocorrer. Em outros termos é a máxima tensão que um material pode suportar ao ser esticado ou puxado antes de ocorrer seu escoamento. Como é uma propriedade intensiva, o seu valor não depende do tamanho da amostra. No entanto, é dependente de outros fatores, como a preparação e formato da amostra, da presença ou ausência de defeitos de superfície, da temperatura de teste e da composição química do material.
CURIOSIDADE: Neste âmbito de estudos precisamos classificar as propriedades da matéria em dois tipos, isto é, as intensivas e as extensivas.
→ As propriedades intensivas são aquelas que não dependem da massa da amostra. Por exemplo, se temos uma solução e medimos a sua temperatura, independente da sua quantidade, a temperatura será a mesma. Outros exemplos são os pontos de fusão e de ebulição, independente da quantidade de material, eles permanecerão os mesmos.
→ As propriedades extensivas são aquelas que dependem da massa da amostra. O volume é um exemplo, podemos ver isso comparando um saco de 25 kg de farinha com um bag de 1 tonelada. É obvio que o que possui maior massa ocupa um espaço maior.
Existem também algumas propriedades intensivas que são derivadas de propriedades extensivas, como é o caso da densidade (densidade = massa/volume). A densidade é uma propriedade intensiva, pois não depende da variação da massa.
Alguns materiais quebram sem deformação plástica, no que é chamado de fratura frágil. Outros, que são mais dúcteis, incluindo a maioria dos metais, experimentarão alguma deformação plástica, estiramento (formando um "pescoço") antes da fratura.
CURIOSIDSADE: Você sabe o que é fluência dos metais? É um fenômeno pelo qual ligas metálicas tendem a sofrer deformações plásticas quando submetidos por longos períodos à tensões constantes, porém inferiores ao limite de resistência normal do material. Pode ser ativada pela temperatura (sua ocorrência é comum a temperaturas elevadas), e se manifesta com o passar do tempo. Esta deformação produz fissuras no material e pode acabar em ruptura. À temperatura ambiente, a deformação das estruturas metálicas é muito pequena, a não ser que a carga adquira uma tal intensidade que se aproxime do ponto de colapso.
Vamos ir pra um exemplo mais prático? Você já pensou se os parafusos fossem feitos de cerâmica?
Ao mínimo aperto você com certeza iria quebra-los em vários cacos!
Pense nisto e você verá que todo parafuso precisa ter um grau de elasticidade para se tornar aplicável em um sistema mecânico, ou seja, todo parafuso é elástico!
"Mas me disseram que os parafusos do cabeçote do carro são elásticos, os outros são comuns"
Pois é, não apenas os parafusos de cabeçote, mas também muitos parafusos do motor como um todo ultrapassam a fase elástica no momento do aperto, sofrendo uma deformação plástica, ou seja, irreversível, e por isso é comum ouvir dizer que "não se pode reaproveitar parafusos de cabeçote". Entretanto, muitos manuais de montagem de motores informam o comprimento máximo que determinados parafusos podem atingir para que então o mecânico tenha que obrigatoriamente descartá-los, sendo assim, alguns podem ser reutilizados mais uma vez.
De qualquer forma, vamos teorizar primeiro sobre parafusos elásticos!
Imagem 18 - Prato de uma quinta-roda Jost com fixadores Classe 8.8
Mas o que a classe do parafuso tem a ver com o assunto?
Imagem 19 - O que significam os números na cabeça dos parafusos?
Os parafusos têm classificações de resistência que indicam as peças ideais para cada tipo de aplicação.
CURIOSIDADE: Para parafusos com rosca métrica se utiliza o termo “classe” enquanto para parafusos com rosca polegada o termo correto é “grau”.
Na indústria em geral, por exemplo, os fixadores mais utilizados são das classes 4.8, 5.8, 8.8, 10.9 e 12.9.
Vejamos outro exemplo:
Complemento 3
Há, também, diferenças entre as classes no que se refere aos materiais e tratamentos distintos. Os parafusos de classe 4.8, 5.8 e 6.8, por exemplo, não recebem tratamento de têmpera e revestimento e costumam ser produzidos em aço de baixo ou médio teor de Carbono.
Já os fixadores de classe 8.8, 10.9 e 12.9 precisam receber os tratamentos e são fabricados com Aço-liga ou de médio teor de Carbono.
No caso de parafusos polegada, a indicação do grau é realizada através de marcas ou em alguns casos, a ausência delas. Os graus de resistência dos fixadores polegada são equivalentes às classes de resistência dos métricos.
Quanto maior for a classe / grau de resistência do parafuso, maior será a sua capacidade de gerar força, entretanto, menor será sua ductibilidade (propriedade do material de sofrer deformação permanente sem romper, sendo que, quanto menos dúctil for o parafuso, menor será sua capacidade de alongamento sem se romper).
Tendo esta informação em mãos, descobrimos o motivo daquele parafuso entortado lá no início do texto ter chegado numa deformação plástica tão grande!
Na verdade, ele foi aplicado em uma gambiarra no selim da minha bicicleta após o parafuso original ter quebrado ao meio em pouco tempo de uso da bike.
Já era o segundo parafuso e o problema persistia. Com a trepidação, o fixador afrouxava e a cada pouco era necessário re-apertar, além do mais a falta de ergonômia fazia com que a massa aplicada gerasse um desequilíbrio, forçando o selim mais de um lado do que de outro, flexionando o parafuso. Então resolvi fazer um 'sanduíche' com camadas de borracha entre as peças de liga de aço e de Alumínio que compunham a estrutura e passar outro fixador. Ficou assim:
Imagem 20 - Até o momento apenas precisei re-apertar uma vez
Creio que uma hora precisarei desmontar tudo para trocar as borrachas, afinal elas 'calam' na parte metálica e impedem que o parafuso se solte, todavia, com o passar dos tempo ocorre o ressecamento e perda da elasticidade / plasticidade, tornando o material quebradiço.
O limite de resistência à tração é usualmente encontrado pela realização de um ensaio, registrando-se a tensão aplicada versus a deformação. O máximo ponto da curva de tensão-deformação é o LRT.
A resistência à tração é definida como uma tensão, que é medida como força por unidade de área. Para alguns materiais não-homogêneos (ou com vários componentes), a resistência à tração pode ser definida apenas como uma força ou uma força por unidade de largura. No Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade é o Pascal (Pa) ou os seus múltiplos, como o MegaPascal (MPa), ou, ainda, a medida equivalente, que é Newton por metro quadrado (N/m³). Uma unidade usual nos Estados Unidos é a Libra-força por polegada quadrada (lbf/pol³ ou psi) ou seu múltiplo, kilo-Libra por polegada quadrada (abreviadamente, ksi ou, às vezes, kpsi), e é comumente usada como medida de resistência à tração.
Na imagem abaixo, uma etiqueta de um semi-reboque onde são informados os valores de torque ideais para os parafusos utilizados no projeto. Os valores mudam de acordo com o tamanho do fixador e sua classe:
Imagem 21 - Estes valores são informados para que seja feito o reaperto dos parafusos periodicamente
Resistência à vibração?
E quando ocorre o escoamento? O travamento de fixadores por deformação plástica é mais comum do que imaginamos e vai muito além dos parafusos de cabeçote. É exatamente o que eu quis fazer no selim da minha bicicleta: Ao invés de quebrar ou entortar outro parafuso, coloquei um elemento de deformação permanente na junção!
Repare que aqui não estamos dissertando sobre absorção e dissipação de vibrações, mas sim de imunidade à vibrações!
Observe a seguinte imagem...
Imagem 22 - Note o que há entre sapata de liga de Alumínio e cabeça dos parafusos
Perceba que esta sapata é afixada ao chassi com parafusos comuns, de classe 10.9, porém, para evitar que a vibração solte-os com o passar do tempo são aplicadas arruelas de deformação plástica. Para tal, faz-se uso de... plástico. É simples e barato, além do mais, torna-se possível o reuso da pequena peça por algumas vezes, apesar dela se deformar cada vez mais (requerendo que o parafuso seja apertado com um torque maior).
Imagem 23 - Em geral são aplicadas arruelas de Poliamida (PA6.6), mais conhecida como Nylon
CURIOSIDADE: Existem aplicações que exigem buchas de borracha ou de plástico ao invés de simples arruelas...
Imagem 24 - Comparativo entre fixações de berços do tanque em semi-reboques dianteiros de rodotrens da RANDON/Triel-HT e EHBSA-BR
As buchas de borracha podem ser feitas de NR, NR+BR ou NR+SBR, enquanto as de plástico fazem uso da PA6.6!
Também é comum o uso de arruelas de latão ou liga de Alumínio:
Imagem 25 - Arruelas metálicas de deformação plástica
A aplicação de tais arruelas metálicas é comum no bujão do cárter de motores de combustão interna. Sempre ao trocar o óleo do seu veículo, a remontagem do bujão exige um novo elemento deformável.
Ao invés de usar uma arruela de plástico ou até mesmo metálica, muitos projetos podem usar uma polca auto-travante, cuja diferença para as comuns é justamente um anel de plástico em uma das extremidades que se deforma e 'cala' na rosca do parafuso.
Imagem 26 - Este tipo de polca é conhecido pelo nome comercial "Parlock" e também faz uso de Poliamida
Ela também pode ser reutilizada algumas vezes, todavia, com o tempo perde a capacidade de travar a rosca e acaba afrouxando com a vibração do sistema.
CURIOSIDADE: A Poliamida possui uma elasticidade e resistência ao impacto bastante baixa se comparado com outros tipos de polímeros (ela se aproxima do PMMA), e por ser plástico seu escoamento é conseguido com menor torque, o que, além do custo de produção, facilita sua implementação. Podemos notar a baixa elasticidade da PA quando aplicada em forma de placa de desgaste (estas peças são chamadas genericamente pelo nome comercial Tecnil) em quintas-rodas de caminhões e semi-reboques. Usar um disco de PE-UHMW como elemento de desgaste é muito mais durável por possuir melhor coef. de atrito, muito mais elasticidade e resistência a impactos.
Para além deste sistema simples, existem polcas auto-travantes mais complexas, que fazem uso de tecnologias proprietárias, porém, com o mesmo propósito: deformação plástica para travamento do fixador.
Imagem 27 - Sistema auto-travante sem componentes feitos de polímero
O próximo sistema é ainda mais semelhante aos parafusos de deformação plástica:
Imagem 28 - Polca de deformação plástica
Para entender melhor o funcionamento da polca Helicoil e da polca de torque, vamos ver alguns parafusos de deformação plástica utilizados em motores de combustão interna, com enfoque na composição química...
Os parafusos de cabeçote para motores à combustão, em geral, possuem propriedades elásticas, plásticas e de resistência bem específicas. O fixador possuí uma resistência a tração inicial e um torque fornecido pré-determinado pelo fabricante gera uma tensão normal na área da cabeça do fixador, e, essa tensão, deve-se à “pré-carga inicial” (assentamento da peça) e aos passos de aperto angular subsequentes indicados por cada fabricante.
Fase pré-carga
A pré-carga é o aperto definido pelo fabricante ou montadora efetuado utilizando-se um torquimetro para tencionar e assentar o cabeçote (processo de baixa complexidade, necessitando apenas a regulagem do torquimetro e sua correta utilização).
Fase de torque angular
Este processo pode ser dimensionado para utilizar a capacidade máxima de resistência do parafuso, ou seja, o parafuso se deforma na região plástica sem que haja a ruptura. A liga metálica utilizada na confecção do fixador possuí alta ductibilidade (capacidade de se deformar antes de se romper).
A fase de torque angular é a mais precisa e seu dimensionamento é feito para que ultrapasse o escoamento em todos os casos, e, por esse motivo, é extraído à máxima força e menores dimensões precisam ser considerados no cálculo. A consequência disso é que esse método permite que sejam utilizados parafusos menores para se obter a força esperada e manter a junta em funcionamento.
No site "núcleo do conhecimento" visualizamos um artigo denominado "ESTUDO SOBRE ELASTICIDADE E PLASTICIDADE DOS PARAFUSOS DE CABEÇOTES AUTOMOTIVOS". Neste texto é descrito uma análise feita com amostras reais, comparando parafusos novos (medidas fornecidas pelo fabricante) e parafusos usados retirados de motores após manutenção. Foram realizadas medições com paquímetro, sendo:
-> Amostras de parafuso de cabeçote do Fiat Marea 2.0;
-> Amostras de parafuso de cabeçote da Mitsubishi Pajero 2.8 D;
-> Amostras de parafuso de cabeçote do Fiat Palio 1.6;
-> e amostras de parafuso de cabeçote da Chevrolet Zafira 2.0.
Observou-se que os parafusos usados possuíam comprimentos diferentes dos parafusos novos (deformação plástica). Buscou-se, então, saber a tensão aplicada em cada parafuso para gerar as deformações observadas, bem como o deslocamento linear de cada parafuso. Para isso utilizaram as fórmulas da Lei de Hooke e até mesmo projeções no SolidWorks.
Os resultados obtidos foram comparados com as tabelas ASTM e SAE para aços de utilização mecânica, e apontam que as peças analisadas tem propriedades relacionadas ao aço SAE 4340 para as amostras dos carros Palio, Marea e Pajero, com o módulo de elasticidade na casa dos 210 GPa.
Já para a Zafira foi utilizado como base o aço SAE 6150, cujo módulo de elasticidade gira em torno de 190 GPa.
Tabela 3 - Composição dos aços mencionados na análise
Detectou-se que o aço SAE 4340, por exemplo, tem um limite de escoamento de 460 MPa. Caso a força aplicada ao parafuso exceda o limite de escoamento, ou seja, ultrapasse a força de 460 MPa, ele entra na fase de deformação plástica, não retornando mais ao seu formato original.
O aço AISI 4340, classificado como um aço de baixa liga com médio Carbono, apresenta alta tenacidade, boa resistência mecânica, usinabilidade média, baixa soldabilidade e alta temperabilidade. Este material frequentemente é empregado em componentes mecânicos, em geral sob a ação de tensões dinâmicas.
Dado o tamanho e complexidade do texto, foi melhor dividir em duas partes para que mais informações possam ser adicionadas!
No Capítulo 2 trabalhamos a Força de Compressão, Resistência ao Impacto, Atrito, Goometria e Influência da Temperatura nos materiais.
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FONTES e CRÉDITOS
Texto: Leonardo Ritter.
Imagens, Vídeos, Gráficos e Diagramas: Leonardo Ritter; Hendrickson; Google Imagens.
Referências: Sabó; Mundo Educação; Brasil Escola; Hendrickson; Fontaine International; Jost Brasil; Sonelastic; Biopdi; Afinko Polímeros; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas!).
Ultima atualização: 25 de Abril de 2024.