Tudo sobre a curva tensão-deformação

O que precisa de saber sobre curvas tensão-deformação

Já alguma vez viu uma ponte a balançar com ventos fortes e pensou se seria segura? Ou viu os engenheiros a testar o peso que uma viga metálica pode suportar? Por detrás destes testes está uma curva tensão-deformação - um dos mais ferramentas importantes em engenharia. Esta curva diz-nos como os materiais se comportam sob força, ajudando os engenheiros a escolher os materiais certos para tudo, desde as asas dos aviões até aos dispositivos médicos.

Quer seja um estudante a aprender ciência dos materiais ou um engenheiro a escolher entre aço e titânio, compreender as curvas tensão-deformação ajudá-lo-á a tomar melhores decisões sobre os materiais. Vamos explorar o significado destas curvas e porque é que são tão importantes.

Definições básicas: O que são tensões e deformações?

Antes de nos debruçarmos sobre a curva propriamente dita, vamos entender o que as palavras stress e estirpe na verdade, quer dizer:

Stress

O stress é o força por unidade de área que actua sobre um material. Pense nela como a força com que está a empurrar ou a puxar algo, distribuída pela sua área de superfície. Medimo-la em unidades como megapascal (MPa).

A fórmula básica é:

• Tensão (σ) = Força/Área

Existem três tipos principais de stress:

• Tensão de tração - forças de tração
• Tensão de compressão - forças de empurrão
• Tensão de cisalhamento - forças de deslizamento

Estirpe

A deformação mede o quanto um material tem mudou de forma em relação ao seu tamanho original. É o deformação que acontece quando a força é aplicada.

A fórmula é:

• Deformação (ε) = Alteração do comprimento/comprimento original

A tensão não tem unidades porque é um rácio (como uma percentagem).

Engenharia vs. tensão-deformação real

Ao testar materiais, os engenheiros utilizam duas formas diferentes de traçar os dados:

• Tensão-deformação de engenharia: Utiliza as dimensões originais do provete (mais fácil de calcular mas menos exato para grandes deformações)
• Tensão-deformação real: Tem em conta a alteração das dimensões à medida que o material se estica ou comprime (mais complexo mas mais exato)

As curvas mais básicas que verá são curvas de tensão-deformação de engenharia. A investigação e o projeto avançados podem utilizar dados reais de tensão-deformação, o que se torna importante quando os materiais sofrem grandes alterações de forma.

Componentes principais da curva tensão-deformação

A curva tensão-deformação tem várias regiões importantes que nos dizem como um material se comporta sob força. Vejamos cada parte:

1. Região elástica

Esta é a primeira parte da curva, onde:

• A linha é reta (linear)
• Se retirarmos a força, o material volta à sua forma original (como um elástico)
• Lei de Hooke aplica-se: a tensão é diretamente proporcional à deformação
• O declive desta reta chama-se Módulo de Young (E), que mede rigidez

Um declive mais acentuado significa um material mais rígido. Por exemplo, o aço tem um módulo de Young de cerca de 200 GPa, enquanto o da borracha é de apenas 0,01-0,1 GPa. Isto explica porque é que o aço dificilmente se dobra quando o pressionamos, mas a borracha estica-se facilmente.

2. Ponto de rendimento

Este ponto crítico marca o momento em que o material deixa de se comportar elasticamente e começa a deformar-se permanentemente. A tensão neste ponto é designada por limite de elasticidade.

• Antes do ponto de cedência: o material regressa à forma original quando a força é removida
• Após o ponto de cedência: o material mantém-se deformado mesmo após a remoção da força

Alguns materiais, como o aço macio, mostram um "estalido" ou uma queda clara no ponto de cedência, enquanto outros, como o alumínio, mostram uma mudança gradual. Para materiais sem um ponto de escoamento claro, os engenheiros utilizam o método 0,2% método de compensação para o encontrar.

3. Região plástica

Após a cedência, o material entra na região plástica onde:

• Ocorre uma deformação permanente
• O material pode ser submetido a endurecimento por deformação (ficando mais forte à medida que se deforma)
• Eventualmente alcança o resistência à tração final (UTS)A tensão máxima que pode suportar
• Depois da UTS, nectarina começa quando o material se afina numa área

4. Ponto de fratura

O ponto final da curva é onde o material se rompe completamente. A deformação neste ponto indica-nos a capacidade do material ductilidade - o quanto pode esticar antes de se partir.

Aplicações práticas das curvas tensão-deformação

A compreensão das curvas tensão-deformação não é apenas académica - estas curvas orientam decisões do mundo real todos os dias:

Seleção de materiais

Os engenheiros utilizam dados de tensão-deformação para selecionar materiais para necessidades específicas:

• Precisa de algo que não se dobre? Procure um produto de alta Módulo de Young
• Precisa de algo que aguente uma força elevada sem se partir? Procure um produto de alta limite de elasticidade
• Precisa de algo que possa esticar muito? Procure uma roupa alta ductilidade

Por exemplo, polímeros reforçados com vidro têm maior rigidez do que os plásticos normais, o que os torna melhores para peças de suporte de carga.

Controlo de qualidade

Os fabricantes testam amostras de lotes de produção para verificar se cumprem as normas de engenharia:

• As normas ASTM e ISO estabelecem propriedades mínimas para diferentes materiais
• Os ensaios de tensão-deformação detectam defeitos resultantes de um tratamento térmico inadequado ou de problemas de fabrico
• As indústrias aeroespacial e médica exigem uma certificação rigorosa dos materiais

Análise de falhas

Quando as peças se partem inesperadamente, os engenheiros analisam o comportamento da tensão-deformação para descobrir o motivo:

• O material era demasiado frágil?
• Cedeu com uma tensão inferior à prevista?
• Houve um tipo de carga inesperado?

Projeto de engenharia

Ao projetar estruturas, os engenheiros utilizam dados de tensão-deformação para:

• Calcular a deformação de uma ponte sob carga
• Determinar se um implante médico se deformará com o peso do corpo
• Prever se a peça metálica voltará a nascer depois de se formar

Como gerar uma curva tensão-deformação

A criação de uma curva tensão-deformação requer equipamento especializado e testes cuidadosos:

Ensaio de tração

O método mais comum utiliza um Máquina de ensaio universal (UTM) isso:

• Agarra o provete de ensaio em ambas as extremidades
• Puxa-o a um ritmo controlado
• Mede a força com células de carga
• Mede a deformação com extensómetros
• Regista dados para traçar a curva

Normas

Os testes seguem normas específicas para garantir resultados consistentes:

• ASTM E8: Norma para testar metais nos EUA
• ISO 6892: Norma internacional para ensaios de tração
• Estas especificam a forma, a dimensão e as condições de ensaio da amostra

Interpretação dos resultados

A partir dos dados de teste, os engenheiros calculam:

• Módulo de Young (E): Declive da região elástica
• Resistência ao escoamento: Tensão no ponto de escoamento
• Resistência à tração final (UTS): Valor máximo da tensão
• Ductilidade: Deformação total antes da fratura

Conceitos avançados de análise tensão-deformação

Para os que procuram aprofundar o comportamento dos materiais, entram em jogo vários conceitos avançados:

Curva tensão-deformação verdadeira

Como mencionado anteriormente, a verdadeira curva tensão-deformação tem em conta a alteração da secção transversal durante o ensaio. Isto torna-se importante quando:

• Ocorrem grandes deformações
• São necessários dados exactos para as simulações informáticas
• Está a trabalhar com materiais que pescam significativamente

Anisotropia

Muitos materiais apresentam propriedades diferentes consoante a direção:

• A chapa metálica laminada é mais forte numa direção
• A madeira é mais forte ao longo do veio do que ao longo do mesmo
• Compósitos de fibra de carbono pode ser concebido com propriedades direcionais
• Os ensaios devem ter em conta estas diferenças

Efeitos da taxa de deformação

A rapidez com que se aplica a força pode alterar o comportamento do material:

• A carga rápida (elevada taxa de deformação) pode tornar alguns materiais mais fortes mas menos dúcteis
• O carregamento lento dá resultados diferentes
• É por isso que os ensaios de colisão de automóveis são diferentes dos ensaios de carga estática

Utilização informática

A engenharia moderna baseia-se em simulações informáticas que utilizam dados de tensão-deformação:

• A Análise de Elementos Finitos (FEA) prevê o comportamento das peças
• As simulações ajudam a otimizar os desenhos antes dos ensaios físicos
• Curvas de tensão-deformação exactas são essenciais para obter bons resultados

Comparação de materiais com base no comportamento tensão-deformação

Diferentes materiais apresentam padrões de tensão-deformação muito diferentes. Esta tabela apresenta as principais propriedades dos materiais mais comuns:

Esta tabela mostra porque é que a seleção de materiais é tão importante. Por exemplo:

• Se precisar de algo que se possa dobrar sem partir, o aço macio, com a sua maior ductilidade, poderá ser melhor do que o vidro
• Se o peso for importante, o alumínio pode ser preferido ao aço, apesar da menor rigidez
• Se precisar de algo que possa esticar muito, a borracha é claramente superior

Aplicações industriais dos dados de tensão-deformação

Diferentes indústrias centram-se em diferentes aspectos da curva tensão-deformação:

Por exemplo, em maquinagem aeroespacialOs materiais têm de manter as suas propriedades sob mudanças extremas de temperatura e cargas cíclicas.

Perguntas frequentes sobre curvas tensão-deformação

Conclusão

A curva tensão-deformação é muito mais do que um simples gráfico - é uma ferramenta poderosa que ajuda os engenheiros a compreender como os materiais se comportam sob força. Desde a escolha da liga correta para um componente de aeronave para a conceção de edifícios mais seguros, estas curvas orientam inúmeras decisões de engenharia.

As principais conclusões incluem:

• A região elástica mostra o quanto um material pode dobrar-se e voltar à sua forma original
• O ponto de cedência marca o início da deformação permanente
• A região plástica e a resistência à tração final mostram a resistência de um material
• O ponto de fratura revela a ductilidade e a absorção total de energia

Da próxima vez que vir uma ponte suspensa a balançar ao vento ou observar uma garrafa de plástico a saltar em vez de se partir ao cair, lembre-se que os engenheiros selecionaram cuidadosamente esses materiais com base no seu comportamento tensão-deformação.

Para obter mais informações sobre materiais e processos de fabrico, explore recursos sobre normas de ensaio de materiais ou saiba como as técnicas de fabrico modernas, como Maquinação CNC utilizar dados de propriedades de materiais para criar peças de elevado desempenho.