As propriedades de tensão indicam como o material reagirá às forças que estão sendo aplicadas em tensão. Um ensaio de tracção é um ensaio mecânico fundamental onde uma amostra cuidadosamente preparada é carregada de forma muito controlada enquanto mede a carga aplicada e o alongamento da amostra ao longo de alguma distância. Os ensaios de tração são utilizados para determinar o módulo de elasticidade, limite elástico, alongamento, limite proporcional, redução de área, resistência à tração, ponto de escoamento, resistência ao escoamento e outras propriedades de tração.
O produto principal de um teste de tração é uma curva de carga versus alongamento que é então convertida em uma curva de tensão versus deformação. Como tanto a tensão de engenharia quanto a deformação de engenharia são obtidas dividindo-se a carga e o alongamento por valores constantes (informações da geometria da amostra), a curva carga-elongamento terá a mesma forma que a curva tensão-deformação de engenharia. A curva tensão-deformação relaciona a tensão aplicada à deformação resultante e cada material tem sua própria curva tensão-deformação única. Uma curva tensão-deformação de engenharia típica é mostrada abaixo. Se a tensão verdadeira, baseada na área da seção transversal real do corpo de prova, for usada, verifica-se que a curva tensão-deformação aumenta continuamente até a fratura.
Região Elástica Linear e Constantes Elásticas
Como pode ser visto na figura, a tensão e a deformação aumentam inicialmente com uma relação linear. Esta é a porção linear-elástica da curva e indica que não ocorreu nenhuma deformação plástica. Nesta região da curva, quando a tensão é reduzida, o material retornará à sua forma original. Nesta região linear, a linha obedece à relação definida como Lei de Hooke, onde a relação tensão/esforço é uma constante.
A inclinação da linha nesta região onde a tensão é proporcional à deformação e é chamada de módulo de elasticidade ou módulo de Young. O módulo de elasticidade (E) define as propriedades de um material à medida que ele sofre tensão, deforma e retorna à sua forma original depois que a tensão é removida. É uma medida da rigidez de um determinado material. Para calcular o módulo de elasticidade, basta dividir a tensão pela deformação no material. Como a deformação não tem unidades, o módulo terá as mesmas unidades que a tensão, como kpi ou MPa. O módulo de elasticidade se aplica especificamente à situação de um componente sendo esticado com uma força de tração. Este módulo é interessante quando é necessário calcular quanto uma haste ou fio se estica sob uma carga de tração.
Existem vários tipos diferentes de módulos, dependendo da forma como o material está sendo esticado, dobrado ou distorcido de outra forma. Quando um componente é submetido a cisalhamento puro, por exemplo, uma barra cilíndrica sob torção, o módulo de cisalhamento descreve a relação tensão-esforço linear-elástico.
A tensão axial é sempre acompanhada por tensões laterais de sinal oposto nas duas direções, mutuamente perpendiculares à tensão axial. As deformações que resultam de um aumento no comprimento são designadas como positivas (+) e as que resultam em uma diminuição no comprimento são designadas como negativas (-). A razão de Poisson é definida como a negativa da razão entre a deformação lateral e a deformação axial para um estado de tensão uniaxial.
A razão de Poisson é às vezes também definida como a razão entre os valores absolutos da deformação lateral e axial. Esta razão, assim como a deformação, é unitless, uma vez que ambas as deformações são unitless. Para tensões dentro da faixa elástica, esta relação é aproximadamente constante. Para um material elástico perfeitamente isotrópico, a razão de Poisson é de 0,25, mas para a maioria dos materiais o valor está na faixa de 0,28 a 0,33. Geralmente para os aços, a razão de Poisson terá um valor de aproximadamente 0,3. Isto significa que se houver uma polegada por polegada de deformação na direção em que a tensão é aplicada, haverá 0,3 polegadas por polegada de deformação perpendicular à direção em que a força é aplicada.
Só duas das constantes elásticas são independentes, então se duas constantes são conhecidas, a terceira pode ser calculada usando a seguinte fórmula:
E = 2 (1 + n) G.
| Onde: | E | = | módulo de elasticidade (módulo de Young) |
| n | = | Rácio de Poisson | |
| G | = | >módulo de rigidez (módulo de cisalhamento). |
Um par de constantes elásticas adicionais que podem ser encontradas incluem o módulo de elasticidade aparente (K), e as constantes de Lame (m e l). O módulo a granel é usado para descrever a situação em que um pedaço de material é submetido a um aumento de pressão em todos os lados. A relação entre a alteração da pressão e a deformação resultante produzida é o módulo a granel. As constantes de Lame são derivadas do módulo de elasticidade e da razão de Poisson.
Ponto de Rendimento
Em materiais dúcteis, em algum momento, a curva tensão-deformação se desvia da relação linha reta e a Lei não se aplica mais, pois a deformação aumenta mais rapidamente do que a tensão. A partir deste ponto no teste de tração, alguma deformação permanente ocorre no corpo de prova e diz-se que o material reage plasticamente a qualquer aumento adicional de carga ou tensão. O material não voltará à sua condição original, sem tensão, quando a carga for removida. Em materiais frágeis, ocorre pouca ou nenhuma deformação plástica e o material se fratura perto do final da porção linear-elástica da curva.
Com a maioria dos materiais há uma transição gradual do comportamento elástico para o plástico, e o ponto exato no qual a deformação plástica começa a ocorrer é difícil de determinar. Portanto, vários critérios para o início do rendimento são usados dependendo da sensibilidade das medidas de deformação e do uso pretendido dos dados. (Ver tabela) Para a maioria das aplicações de desenho de engenharia e especificação, é utilizada a resistência de cedência. A tensão de ruptura é definida como a tensão necessária para produzir uma pequena quantidade de deformação plástica. A tensão de cedência compensada é a tensão correspondente à intersecção da curva tensão-deformação e uma linha paralela à parte elástica da curva compensada por uma deformação especificada (nos EUA a tensão de cedência é tipicamente de 0,2% para metais e 2% para plásticos).
Na Grã-Bretanha, a tensão de ruptura é frequentemente referida como a tensão de prova. O valor do offset é 0,1% ou 0,5%
Para determinar a tensão de ruptura usando este offset, o ponto é encontrado no eixo de deformação (eixo x) de 0,002, e então uma linha paralela à linha de tensão-deformação é traçada. Esta linha irá intersectar a linha tensão-deformação ligeiramente depois de começar a curvar, e essa intersecção é definida como a tensão de ruptura com um desvio de 0,2%. Uma boa maneira de ver a tensão de ruptura com desvio é que depois de um corpo de prova ter sido carregado com sua tensão de ruptura com desvio de 0,2% e depois descarregado, ele será 0,2% mais longo do que antes do teste. Mesmo que a tensão de ruptura deva representar o ponto exato no qual o material fica permanentemente deformado, o alongamento de 0,2% é considerado um sacrifício tolerável pela facilidade que cria na definição da tensão de ruptura.
alguns materiais como ferro fundido cinzento ou cobre macio não apresentam essencialmente um comportamento linear-elástico. Para estes materiais, a prática habitual é definir a tensão de cedência como a tensão necessária para produzir alguma quantidade total de tensão.
- O verdadeiro limite elástico é um valor muito baixo e está relacionado com o movimento de algumas centenas de deslocamentos. São necessárias medições de micro deformação para detectar deformação na ordem de 2 x 10 -6 in/in.
- O limite proporcional é a tensão mais alta na qual a tensão é diretamente proporcional à deformação. Ele é obtido observando o desvio da porção reta da curva tensão-deformação.
- Limite elástico é a maior tensão que o material pode suportar sem qualquer tensão permanente mensurável que permaneça na liberação completa da carga. Ele é determinado através de um tedioso procedimento de teste de carga-descarga incremental. Com a sensibilidade das medições de tensão geralmente empregada em estudos de engenharia (10 -4in/in), o limite elástico é maior do que o limite proporcional. Com o aumento da sensibilidade da medição de deformação, o valor do limite elástico diminui até eventualmente igualar o verdadeiro limite elástico determinado a partir de medições de micro deformação.
- A força de elasticidade é a tensão necessária para produzir uma pequena quantidade especificada de deformação plástica. A tensão de cedência obtida por um método offset é normalmente utilizada para fins de engenharia porque evita as dificuldades práticas de medição do limite elástico ou do limite proporcional.
Resistência à Tensão Estimada
A resistência à tração final (UTS) ou, mais simplesmente, a resistência à tração, é o nível máximo de tensão de engenharia atingido em um teste de tensão. A resistência de um material é a sua capacidade de resistir a forças externas sem se quebrar. Em materiais frágeis, o UTS irá no final da parte linear-elástica da curva tensão-deformação ou próximo do limite elástico. Em materiais dúcteis, o UTS estará bem fora da porção elástica dentro da porção plástica da curva tensão-deformação.
Na curva tensão-deformação acima, o UTS é o ponto mais alto onde a linha é momentaneamente plana. Uma vez que o UTS é baseado na tensão de engenharia, muitas vezes não é o mesmo que a resistência à ruptura. Em materiais dúcteis ocorre o endurecimento por tensão e a tensão continuará a aumentar até que ocorra a fratura, mas a curva tensão-deformação de engenharia pode mostrar um declínio no nível de tensão antes que ocorra a fratura. Isto é o resultado da tensão de engenharia ser baseada na área da seção transversal original e não levar em conta o pescoço que normalmente ocorre no corpo de prova. O UTS pode não ser completamente representativo do mais alto nível de tensão que um material pode suportar, mas o valor não é tipicamente usado no projeto de componentes de qualquer maneira. Para metais dúcteis, a prática atual de projeto é usar a força de escoamento para o dimensionamento de componentes estáticos. Entretanto, como o UTS é fácil de determinar e bastante reprodutível, é útil para fins de especificação de um material e para fins de controle de qualidade. Por outro lado, para materiais frágeis, o design de um componente pode ser baseado na resistência à tração do material.
Medidas de Ductilidade (Alongamento e Redução de Área)
A ductilidade de um material é uma medida da extensão da deformação de um material antes da fratura. A quantidade de ductilidade é um fator importante quando se considera a formação de operações como a laminação e extrusão. Também fornece uma indicação de como os danos visíveis de sobrecarga a um componente podem se tornar antes das fraturas do componente. A ductilidade também é utilizada como medida de controle de qualidade para avaliar o nível de impurezas e o processamento adequado de um material.
As medidas convencionais de ductilidade são a tensão de engenharia na fratura (normalmente chamada de alongamento) e a redução de área na fratura. Ambas as propriedades são obtidas encaixando novamente a amostra após a fratura e medindo a mudança no comprimento e na área da seção transversal. O alongamento é a alteração do comprimento axial dividido pelo comprimento original da amostra ou parte da amostra. Ela é expressa como uma porcentagem. Como uma fração apreciável da deformação plástica será concentrada na região do pescoço da amostra de tração, o valor do alongamento dependerá do comprimento do gage sobre o qual a medição é feita. Quanto menor for o comprimento do gage, maior será a deformação localizada na região do pescoço que será considerada no cálculo. Portanto, ao relatar valores de alongamento , o comprimento do gage deve ser dado.
Uma maneira de evitar a complicação do necking é basear a medição do alongamento na deformação uniforme até o ponto em que o necking começa. Isto funciona bem às vezes, mas algumas curvas de tensão-deformação de engenharia são frequentemente bastante planas nas proximidades da carga máxima e é difícil estabelecer com precisão a tensão quando o agarramento começa a ocorrer.
Redução da área é a alteração da área da secção transversal dividida pela área da secção transversal original. Esta alteração é medida na região do pescoço para baixo do espécime. Tal como o alongamento, é normalmente expresso como uma percentagem.
Como discutido anteriormente, a tensão é apenas uma das formas em que um material pode ser carregado. Outras formas de carregar um material incluem compressão, flexão, cisalhamento e torção, e há uma série de testes padrão que foram estabelecidos para caracterizar como um material se comporta sob essas outras condições de carregamento. Uma introdução muito rápida a algumas dessas outras propriedades do material será fornecida na próxima página.