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Propriedades mecânicas dos materiais

As propriedades mecânicas descrevem como um material responde às forças que sobre ele atuam — resistência, rigidez, dureza, tenacidade, ductilidade e elasticidade. A partir do conceito de tensão (σ = F/A) e do ensaio de tração, aprende-se a interpretar a curva tensão–deformação e a fundamentar a seleção de materiais para cada função. Disciplina de opção da formação específica do 12.º ano, Materiais e Tecnologias é avaliada exclusivamente por avaliação interna (sem Exame Final Nacional), com forte componente experimental e de projeto.

4 secções·~15 min de leitura·3 competências·Nível Base 1 · Padrão 2 · Aprofundamento 1

T·101010 / 17
Perfil de exame
Apropriação e Reflexão: definir com rigor as propriedades mecânicas e o ensaio de traçãoInterpretação e Comunicação: comparar materiais quanto ao comportamento mecânico e selecioná-losAplicar a tensão σ = F/A na análise de solicitações mecânicas
Operadores:identificadistinguecaracterizarelacionacalculacomparaselecionajustificaexplica

nível básico

Na formação geral, distinguir os cinco tipos de esforço, reconhecer as propriedades mecânicas fundamentais (resistência, rigidez, dureza, tenacidade, ductilidade, elasticidade) e ler as zonas da curva tensão–deformação.

nível avançado

No aprofundamento, aplicar σ = F/A e a lei de Hooke, interpretar quantitativamente a curva tensão–deformação e fundamentar a seleção de materiais pela resistência específica e pelo coeficiente de segurança.

Profundidade

Profundidade de leitura: Aprofundado

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Conteúdo · 4 secções▾
  1. Propriedades mecânicas dos materiais
    • 01Esforços e tensão: como se solicita um material○
    • 02O ensaio de tração e a curva tensão–deformação◐
    • 03Rigidez, dureza, tenacidade e ductilidade◐
    • 04Seleção de materiais pelo comportamento mecânico●
§ 01

Esforços e tensão: como se solicita um material#

●○○BaseLPAE-materiais-e-tecnologias-prop-mecanicas

Os cinco esforços mecânicos fundamentais

Esforços mecânicosEsquema com 21 elementos, peça, F, F, peça, F, F, peça, F, peça, F, F, peça, F, F, tração, compressão, flexão, corte, torçãopeçaFFpeçaFFpeçaFpeçaFFpeçaFFtraçãocompressãoflexãocortetorção
Fig. 1Fig. — os cinco esforços fundamentais: tração, compressão, flexão, corte e torção.

Pontos-chave

Um esforço (ou solicitação mecânica) é o modo como uma força atua sobre uma peça; consoante a direção e o sentido das forças distinguem-se cinco esforços fundamentais: tração, compressão, flexão, corte (ou cisalhamento) e torção.
Na tração as forças afastam-se e tendem a alongar a peça (o cabo que suspende um candeeiro); na compressão aproximam-se e tendem a encurtá-la (o pilar, a perna de uma mesa). São os dois esforços simples e opostos.
A flexão dobra a peça (uma prateleira carregada ao centro); o corte tende a fazer deslizar duas secções vizinhas em sentidos opostos (a ação de uma tesoura); a torção resulta de um binário que faz «torcer» a peça em torno do seu eixo (a chave a rodar um parafuso).
A tensão (σ, «sigma») mede a força distribuída pela área da secção: σ = F/A. Exprime-se em pascal (1 Pa = 1 N/m²) mas, por este ser muito pequeno, usa-se sobretudo o megapascal (1 MPa = 10⁶ Pa = 1 N/mm²).
A tensão não é o mesmo que a força: a mesma força produz maior tensão numa secção mais fina. Para comparar solicitações em peças de dimensões diferentes usa-se sempre a tensão, e não a força.
A deformação (extensão, ε «épsilon») mede a variação relativa de comprimento: ε = ΔL/L₀. É adimensional (m/m) e costuma exprimir-se em percentagem.
σ=FA\sigma = \dfrac{F}{A}σ=AF​

tensão (normal)

Força F dividida pela área A da secção. Em N e mm², o resultado sai diretamente em MPa.

ε=ΔLL0\varepsilon = \dfrac{\Delta L}{L_0}ε=L0​ΔL​

deformação (extensão)

Variação de comprimento ΔL sobre o comprimento inicial L₀; é adimensional e exprime-se muitas vezes em percentagem.

Exemplo resolvido

Tensão num tirante à tração

Um tirante de secção retangular de 4 mm × 10 mm é submetido a uma força de tração de 8000 N. Determine a tensão normal instalada, em MPa, e compare-a com a tensão de cedência do aço macio (≈ 250 MPa).

  1. 01Área da secção

    A secção é retangular: A = 4 mm × 10 mm = 40 mm².

  2. 02Cálculo da tensão

    σ = F ÷ A = 8000 N ÷ 40 mm² = 200 N/mm².

    σ=FA\sigma = \dfrac{F}{A}σ=AF​
  3. 03Unidades

    Como 1 N/mm² = 1 MPa, obtém-se σ = 200 MPa.

  4. 04Leitura do resultado

    200 MPa é inferior à tensão de cedência do aço macio (≈ 250 MPa), pelo que o tirante trabalha em regime elástico.

Resultado: σ = 200 MPa — abaixo da cedência, logo em regime elástico.

Foco no Exame Nacional

  • Identificar e distinguir, num objeto ou estrutura do quotidiano, os cinco tipos de esforço (tração, compressão, flexão, corte, torção), justificando com o modo de aplicação das forças.
  • Calcular a tensão σ = F/A a partir de uma força e da área da secção, exprimindo o resultado em MPa com as unidades corretas.

Erros frequentes

  • Confundir força e tensão: dizer que uma peça «aguenta 8000 N» não caracteriza o material, porque a tensão depende também da área; é preciso dividir a força pela secção (σ = F/A).
  • Trocar tração e compressão: a tração alonga (forças a afastarem-se) e a compressão encurta (forças a aproximarem-se); um cabo trabalha à tração, um pilar à compressão.
  • Misturar unidades de área: usar newtons e mm² dá diretamente MPa (1 N/mm² = 1 MPa); é erro passar a força a newtons mas manter a área em mm² e escrever o resultado em pascal.

Revisão ativa

Uma coluna de secção quadrada de 20 mm × 20 mm suporta uma força de compressão de 60 000 N. Calcule a tensão instalada, em MPa, e identifique o tipo de esforço.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Materiais e Tecnologias — 12.º ano (Direção-Geral da Educação (DGE))

§ 02

O ensaio de tração e a curva tensão–deformação#

●●○PadrãoLPAE-materiais-e-tecnologias-prop-mecanicas

Curva tensão–deformação (ensaio de tração)

Curva tensão–deformaçãoGráfico de σ(ε), zeros em x = 0, ordenada na origem y = 0, crescente, no intervalo x de 0 a 1.20.20.40.60.811.250100150200250300350400cedênciapatamar plásticoσ(ε)tensão σ (MPa)deformação ε
Fig. 2Fig. — curva idealizada σ(ε): a subida inicial é a zona elástica (lei de Hooke), o joelho assinala a cedência e o patamar corresponde à zona plástica, até à rotura.

Pontos-chave

O ensaio de tração é o ensaio mecânico normalizado mais importante: um provete de dimensões conhecidas é preso numa máquina universal de ensaios que o estica a velocidade controlada, registando a força aplicada e o alongamento; convertendo em σ = F/A e ε = ΔL/L₀ obtém-se a curva tensão–deformação.
No início a curva é um segmento de reta (zona elástica): a deformação é proporcional à tensão e totalmente reversível — retirada a carga, a peça retoma a forma. Esta proporcionalidade é a lei de Hooke, σ = E·ε.
O declive dessa reta é o módulo de Young (ou módulo de elasticidade), E = σ/ε; quanto maior E, mais rígido é o material (aço ≈ 210 GPa; alumínio ≈ 69 GPa; polímeros correntes ≈ 1 a 3 GPa).
O fim da zona elástica é o limite elástico; muito próximo situa-se a tensão de cedência (σ_c), a partir da qual começa a deformação plástica (permanente): retirada a carga, fica uma deformação residual.
Na zona plástica o material continua a deformar-se, em geral com algum endurecimento, até atingir a tensão máxima — a tensão de rotura ou resistência à tração (R_m); segue-se a estricção (redução localizada da secção) e a rotura do provete.
A área total sob a curva representa a energia absorvida por unidade de volume até à rotura e traduz a tenacidade do material.
σ=E ε\sigma = E\,\varepsilonσ=Eε

lei de Hooke

Na zona elástica, a tensão é proporcional à deformação; a constante de proporcionalidade é o módulo de Young E.

E=σεE = \dfrac{\sigma}{\varepsilon}E=εσ​

módulo de Young (rigidez)

Declive da reta elástica; mede a rigidez. Exprime-se em GPa (1 GPa = 1000 MPa).

Exemplo resolvido

Aplicação da lei de Hooke

Uma barra de aço com módulo de Young E = 210 GPa e comprimento inicial L₀ = 1,50 m é solicitada à tração com uma tensão de 210 MPa, dentro do regime elástico. Determine a deformação (extensão) e o alongamento da barra.

  1. 01Uniformizar unidades

    E = 210 GPa = 210 000 MPa; a tensão já está em MPa e L₀ = 1,50 m = 1500 mm.

  2. 02Deformação (lei de Hooke)

    ε = σ ÷ E = 210 ÷ 210 000 = 0,001, ou seja, 0,1 %.

    ε=σE\varepsilon = \dfrac{\sigma}{E}ε=Eσ​
  3. 03Alongamento

    ΔL = ε × L₀ = 0,001 × 1500 mm = 1,5 mm.

    ΔL=ε L0\Delta L = \varepsilon\,L_0ΔL=εL0​
  4. 04Interpretação

    A deformação é elástica: retirada a carga, a barra retoma exatamente o comprimento inicial.

Resultado: ε = 0,001 (0,1 %); ΔL = 1,5 mm — deformação elástica, reversível.

Foco no Exame Nacional

  • Interpretar uma curva tensão–deformação, identificando a zona elástica, o ponto de cedência, a zona plástica e a tensão de rotura, e explicando o que distingue a deformação elástica da plástica.
  • Aplicar a lei de Hooke (σ = E·ε) e determinar o módulo de Young a partir do declive da zona elástica.

Erros frequentes

  • Julgar que a deformação elástica é permanente: na zona elástica a deformação desaparece ao retirar a carga; só a partir da cedência (zona plástica) fica deformação permanente.
  • Confundir tensão de cedência com tensão de rotura: a cedência marca o início da deformação plástica, enquanto a rotura (R_m, tensão máxima) ocorre bem depois, já em regime plástico.
  • Confundir módulo de Young (rigidez) com resistência: o módulo é o declive da zona elástica (dificuldade em deformar elasticamente), ao passo que a resistência é a tensão que provoca a rotura; um material pode ser muito rígido e pouco resistente, ou vice-versa.

Revisão ativa

Na zona elástica da sua curva tensão–deformação, um provete apresenta uma tensão de 140 MPa correspondente a uma deformação de 0,0007. Determine o módulo de Young, em GPa, e diga se o material será metálico ou polimérico.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Materiais e Tecnologias — 12.º ano (Direção-Geral da Educação (DGE))

§ 03

Rigidez, dureza, tenacidade e ductilidade#

●●○PadrãoLPAE-materiais-e-tecnologias-prop-mecanicas

Principais propriedades mecânicas

Propriedades mecânicasTabela com 4 colunas e 6 linhas, Dados: Propriedade · Definição · Como se mede · Exemplo típico; Resistência · Maior tensão suportada sem romper · Tensão de rotura (R_m) no ensaio de tração · aço, fibra de carbono; Rigidez · Oposição à deformação elástica · Módulo de Young E (declive elástico) · aço (E ≈ 210 GPa); Dureza · Resistência da superfície ao risco/penetração · Escalas Mohs, Brinell, Rockwell, Vickers · diamante, vidro temperado; Tenacidade · Energia absorvida até à rotura · Área sob a curva; ensaio de impacto (Charpy) · aço macio (oposto: vidro, frágil); Ductilidade · Deformação plástica antes de romper (estirar em fios) · Alongamento após rotura, A(%) · cobre, alumínio, ouro; Elasticidade · Recuperar a forma ao retirar a carga · Limite elástico · mola de aço, borracha, célula destacada: Módulo de Young E (declive elástico)PROPRIEDADEDEFINIÇÃOCOMO SE MEDEEXEMPLO TÍPICORESISTÊNCIAMaior tensão suportada semromperTensão de rotura (R_m) noensaio de traçãoaço, fibra de carbonoRIGIDEZOposição à deformaçãoelásticaMódulo de Young E (decliveelástico)aço (E ≈ 210 GPa)DUREZAResistência da superfície aorisco/penetraçãoEscalas Mohs, Brinell,Rockwell, Vickersdiamante, vidro temperadoTENACIDADEEnergia absorvida até àroturaÁrea sob a curva; ensaio deimpacto (Charpy)aço macio (oposto: vidro,frágil)DUCTILIDADEDeformação plástica antes deromper (estirar em fios)Alongamento após rotura,A(%)cobre, alumínio, ouroELASTICIDADERecuperar a forma ao retirara cargaLimite elásticomola de aço, borracha
Fig. 3Fig. — propriedades mecânicas: definição, medição e exemplo.

Pontos-chave

Resistência mecânica é a maior tensão que o material suporta sem romper (ou sem ceder); mede-se pela tensão de rotura (R_m) ou de cedência obtidas no ensaio de tração. Um material resistente exige tensões elevadas para se partir.
Rigidez é a oposição à deformação elástica; mede-se pelo módulo de Young E. Um material rígido (aço, E ≈ 210 GPa) deforma pouco sob carga; um material flexível (borracha, E ≈ 0,01 a 0,1 GPa) deforma muito. Rigidez não é o mesmo que resistência.
Dureza é a resistência da superfície ao risco e à penetração; avalia-se por escalas como Mohs (risco, de 1 no talco a 10 no diamante), Brinell, Rockwell e Vickers (penetração de um indentador). Materiais duros resistem à abrasão mas são muitas vezes frágeis.
Tenacidade é a energia que o material absorve antes de romper (área sob a curva tensão–deformação); mede-se também por ensaios de impacto (Charpy, Izod). O oposto é a fragilidade: um material frágil (vidro, ferro fundido) parte-se bruscamente, quase sem deformação plástica.
Ductilidade é a capacidade de sofrer grande deformação plástica antes de romper, podendo ser estirado em fios (cobre, alumínio, ouro); a maleabilidade é a aptidão análoga para ser laminado em folhas. Quantifica-se pelo alongamento após rotura, A(%) = (L_f − L₀)/L₀ × 100.
Elasticidade é a capacidade de recuperar a forma depois de retirada a carga (dentro do limite elástico); uma mola de aço e uma borracha são muito elásticas. Não confundir elasticidade (recuperar a forma) com flexibilidade (deformar-se muito).
A(%)=Lf−L0L0×100A(\%) = \dfrac{L_f - L_0}{L_0}\times 100A(%)=L0​Lf​−L0​​×100

alongamento após rotura

Mede a ductilidade: L_f é o comprimento entre marcas depois da rotura e L₀ o comprimento inicial de referência.

Módulo de Young de alguns materiais

Módulo de Young (GPa)Gráfico de barras: material por E (GPa), Dados: módulo de Young E (GPa) · PP: 1.5; módulo de Young E (GPa) · madeira: 12; módulo de Young E (GPa) · alumínio: 69; módulo de Young E (GPa) · titânio: 110; módulo de Young E (GPa) · aço: 210050100150200PPmadeiraalumíniotitânioaço1.51269110210materialE (GPa)
Fig. 4Fig. — módulo de Young (GPa): PP ≈ 1,5; madeira ≈ 12; alumínio ≈ 69; titânio ≈ 110; aço ≈ 210. Maior E significa maior rigidez.
Exemplo resolvido

Ductilidade: alongamento após rotura

Num ensaio de tração, um provete de uma liga de alumínio tem comprimento inicial de referência L₀ = 50 mm. Após a rotura, o comprimento medido entre as marcas é L_f = 62 mm. Calcule o alongamento após rotura e classifique o material quanto à ductilidade.

  1. 01Dados

    L₀ = 50 mm; L_f = 62 mm (comprimento entre marcas depois da rotura).

  2. 02Alongamento após rotura

    A(%) = (L_f − L₀) ÷ L₀ × 100 = (62 − 50) ÷ 50 × 100.

    A(%)=Lf−L0L0×100A(\%) = \dfrac{L_f - L_0}{L_0}\times 100A(%)=L0​Lf​−L0​​×100
  3. 03Cálculo

    A(%) = 12 ÷ 50 × 100 = 24 %.

  4. 04Classificação

    24 % é muito superior a ~5 %, o valor de referência para materiais dúcteis; logo, a liga é dúctil.

Resultado: A = 24 % — material dúctil (ampla deformação plástica antes da rotura).

Foco no Exame Nacional

  • Distinguir e definir resistência, rigidez, dureza, tenacidade, ductilidade e elasticidade, indicando para cada uma como se mede e um exemplo de material.
  • Distinguir comportamento dúctil de frágil, relacionando-o com a curva tensão–deformação (extensa zona plástica vs. rotura quase sem deformação), e calcular o alongamento após rotura.

Erros frequentes

  • Confundir dureza com resistência ou com rigidez: a dureza é uma propriedade de superfície (resistência ao risco e à penetração); um material pode ser muito duro e, ao mesmo tempo, frágil (o vidro).
  • Achar que um material rígido é forçosamente resistente: o vidro é rígido mas frágil (pouco tenaz); a rigidez (módulo E) e a resistência (tensão de rotura) são propriedades independentes.
  • Confundir resistência com tenacidade: um material pode ser resistente (suporta tensão elevada) mas pouco tenaz se romper bruscamente; a tenacidade mede a energia absorvida (área sob a curva), não a tensão máxima.

Revisão ativa

Explique, recorrendo à curva tensão–deformação, por que razão o vidro é duro mas frágil, enquanto o cobre é menos duro mas muito dúctil e tenaz.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Materiais e Tecnologias — 12.º ano (Direção-Geral da Educação (DGE))

§ 04

Seleção de materiais pelo comportamento mecânico#

●●●AprofundamentoLPAE-materiais-e-tecnologias-prop-mecanicas

Como selecionar um material pelo comportamento mecânico

Seleção de materiaisGrafo, função e esforços da peça → propriedade mecânica determinante, propriedade mecânica determinante → materiais candidatos, materiais candidatos → verificar peso e segurança (R_m/ρ, n), verificar peso e segurança (R_m/ρ, n) → material selecionadofunção eesforços da peçapropriedademecânicadeterminantemateriaiscandidatosverificar peso esegurança (Rm/ρ, n)materialselecionado
Fig. 5Fig. — método de seleção de materiais a partir do comportamento mecânico.

Pontos-chave

Selecionar um material começa por identificar a função da peça e os esforços a que estará sujeita; a cada requisito corresponde uma propriedade mecânica determinante — uma mola precisa de elasticidade e limite elástico elevado, uma ferramenta de corte de dureza, um capacete de tenacidade, um cabo de resistência à tração.
Raramente basta uma propriedade: há compromissos (trade-offs). Aumentar a dureza costuma aumentar a fragilidade; privilegiar a rigidez pode penalizar a tenacidade. O projeto procura o melhor equilíbrio para a função pretendida.
Quando o peso importa, comparam-se propriedades específicas (por unidade de massa): a resistência específica (R_m/ρ) e a rigidez específica (E/ρ). É por terem elevada resistência específica que os compósitos de fibra de carbono substituem o aço na aeronáutica e no desporto.
Em serviço, o material não deve trabalhar junto ao seu limite: aplica-se um coeficiente de segurança n = σ_c/σ_s (superior a 1), que acomoda incertezas nas cargas, defeitos e fadiga; a tensão admissível de projeto é sempre inferior à de cedência.
Além do comportamento mecânico, a escolha final integra o processo de fabrico, o custo, a disponibilidade, o acabamento e o impacto ambiental — mas são as propriedades mecânicas que fixam quais os materiais tecnicamente viáveis.
Rmρ\dfrac{R_m}{\rho}ρRm​​

resistência específica

Resistência (R_m) por unidade de massa volúmica (ρ); compara materiais quanto à capacidade de carga a igual peso.

n=σcσsn = \dfrac{\sigma_c}{\sigma_s}n=σs​σc​​

coeficiente de segurança

Razão entre a tensão de cedência (σ_c) e a tensão de serviço (σ_s); deve ser maior do que 1 para haver margem.

Exemplo resolvido

Seleção pela resistência específica

Para uma peça estrutural sujeita a tração pretende-se a solução mais leve. Compare o aço (R_m ≈ 400 MPa; ρ = 7,85 g/cm³), a liga de alumínio (R_m ≈ 310 MPa; ρ = 2,70 g/cm³) e o compósito de fibra de carbono, CFRP (R_m ≈ 1000 MPa; ρ = 1,60 g/cm³), pela resistência específica, e indique o material mais vantajoso.

  1. 01Resistência específica do aço

    R_m ÷ ρ = 400 ÷ 7,85 ≈ 51 (em MPa·cm³/g).

    Rmρ\dfrac{R_m}{\rho}ρRm​​
  2. 02Liga de alumínio

    R_m ÷ ρ = 310 ÷ 2,70 ≈ 115.

  3. 03CFRP (fibra de carbono)

    R_m ÷ ρ = 1000 ÷ 1,60 = 625.

  4. 04Decisão

    Ordenando: CFRP (≈ 625) > alumínio (≈ 115) > aço (≈ 51). Para a solução mais leve com a mesma capacidade de carga, escolhe-se o CFRP.

Resultado: CFRP (≈ 625) é o mais vantajoso; o aço, apesar de resistente, é penalizado pela elevada densidade.

Foco no Exame Nacional

  • Justificar a seleção de um material para uma dada função, relacionando o esforço dominante com a propriedade mecânica determinante (resistência, rigidez, dureza, tenacidade, ductilidade ou elasticidade).
  • Comparar materiais pela resistência específica (R_m/ρ) e/ou pelo coeficiente de segurança, fundamentando quantitativamente a escolha.

Erros frequentes

  • Selecionar apenas pela resistência, ignorando o peso: para estruturas leves interessa a resistência específica (R_m/ρ); o aço é resistente mas denso, pelo que o alumínio ou o CFRP podem ser preferíveis.
  • Escolher o material mais duro sem considerar a fragilidade: a dureza máxima vem, muitas vezes, acompanhada de fragilidade (o vidro, a cerâmica); para peças sujeitas a impacto é preferível um material tenaz.
  • Dimensionar para trabalhar exatamente no limite de cedência: sem coeficiente de segurança, qualquer sobrecarga, defeito ou fadiga leva à rotura; a tensão de serviço deve ficar bem abaixo da de cedência.

Revisão ativa

Selecione, justificando, o material mais adequado para (a) uma mola de suspensão, (b) o gume de uma faca e (c) o casco de um capacete, indicando em cada caso a propriedade mecânica determinante.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Materiais e Tecnologias — 12.º ano (Direção-Geral da Educação (DGE))

Conteúdo

Secção -- / 04

    • 01Esforços e tensão: como se solicita um material○
    • 02O ensaio de tração e a curva tensão–deformação◐
    • 03Rigidez, dureza, tenacidade e ductilidade◐
    • 04Seleção de materiais pelo comportamento mecânico●

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Dos resumos à prática

Propriedades mecânicas dos materiais

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Referências e fontes

Fontes

Direção-Geral da Educação (DGE)

  • Aprendizagens Essenciais de Materiais e Tecnologias — 12.º ano

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