Efeitos de tensão vs. forças de compressão no metal

A resistência de um metal desempenha um papel importante na concepção de produtos ou arquiteturas estruturais. Existem diferentes elementos para a resistência de um metal, incluindo resistência à tração, resistência ao escoamento, dureza e densidade. As forças de tensão versus compressão podem afetar a quantidade de tensão ou pressão que um metal pode suportar antes de falhar, e é por isso que é importante determinar qual a resistência do material funcionará melhor dependendo da aplicação necessária.

Tensão vs. Forças de compressão:um guia rápido

Abaixo, descrevemos brevemente as forças de tração e compressão em metais, detalhando como cada uma funciona e os efeitos que podem ter em vários metais.

Força de tração em metais

Sempre que um metal se estica, ele está sob força de tração. Matematicamente, tensão de tração é igual a força/área. A tensão máxima que um metal pode suportar representa sua resistência à tração.

A resistência à tração pode ser dividida em duas partes:

• Força de rendimento: Quando o metal é submetido a um carregamento externo de tração, ele sofrerá deformação elástica e plástica. A resistência ao escoamento denota a força de tração até a qual um metal pode recuperar sua forma original uma vez que a força é removida.
• Resistência à tração máxima: Além do limite de escoamento, o metal continuará a apresentar deformação plástica até um ponto antes da estriação ocorrer. Este limite é conhecido como resistência à tração final. Em suma, representa a tensão máxima que um metal pode suportar sem quebrar em dois pedaços.

Força de compressão em metais

A força de compressão representa a compressão ou pressão máxima que um metal pode suportar sem quebrar. Há uma redução no comprimento em relação à sua medida original.

Existem seis tipos diferentes de modos de falha compressiva:

1. Encurvadura: Mudança lateral repentina na forma sob uma carga axial
2. Corte: Falha de deslizamento ao longo da direção da força aplicada
3. Barril duplo: A formação de dois barris durante a compressão de corpos prismáticos altos sem zonas externas
4. Barretes: A geração de uma superfície convexa no exterior de um cilindro
5. Compressão homogênea: Não há atrito na superfície de contato
6. Instabilidade compressiva: Falha devido ao trabalho de amolecimento do metal

Um teste amplamente aceito para determinar a resistência à compressão é o teste de dureza de Mohs.

Diferentes metais sob tensão vs. forças de compressão

O valor máximo de resistência à compressão e resistência à tração varia entre os metais. Alguns metais apresentam excepcional resistência à tração sob tensão, enquanto alguns metais são bons em lidar com a força de compressão máxima. Assim, comparar dois metais sob tração versus forças de compressão requer, em primeiro lugar, reconhecer a aplicação do metal; só então fica fácil compará-lo com outros metais.

O gráfico abaixo compara a resistência, dureza e densidade de diferentes metais:



O aço tem maior resistência à tração e resistência ao escoamento do que o alumínio; no entanto, o alumínio é leve e oferece melhor resistência à corrosão do que o aço. Assim, é importante estudar os parâmetros ao considerar os requisitos de aplicação.

Além disso, um metal pode ter alta resistência à tração, mas baixa resistência à compressão e vice-versa. Por exemplo, a resistência à compressão do ferro fundido é maior do que sua resistência à tração, mas para o aço macio, é o oposto.

Materiais frágeis, como ferro fundido, contêm muitos vazios. Sob resistência à tração, esses vazios atuam como entalhes, resultando em uma alta propagação de trincas através do material. Mas sob uma força de compressão, esses vazios se fecham, anulando qualquer possibilidade de propagação de trincas.

Por outro lado, em materiais dúcteis, as trincas formadas sob a carga são fechadas facilmente sem se propagarem pelo material. Como resultado, estes são igualmente fortes em tensão e compressão; no entanto, eles tendem a falhar sob tensão de cisalhamento.

A importância de entender as forças dos materiais

As resistências à compressão e à tração são propriedades muito importantes de um metal quando se trata de projeto de engenharia. Em qualquer projeto de engenharia, o objetivo principal é manter a deformação plástica a menor possível. Nesse sentido, o módulo de Young (denominado E) pode ser considerado um parâmetro fundamental no processo de seleção.

O módulo de Young é outra maneira de calcular o grau de deformação de um material sob tensão ou compressão longitudinal. É definida como a razão entre a tensão longitudinal e a deformação. Quanto maior o módulo de Young, mais rígido é o material e menor a deformação elástica para uma determinada carga aplicada.

Agora, por exemplo, se construirmos uma casa a partir de um metal com baixo módulo de Young, ele irá defletir muito sob uma carga de compressão; um metal mais rígido daria uma resposta mais desejada.

Os postes de salto modernos são um ótimo exemplo disso. Para maximizar o desempenho de um atleta, uma vara de salto deve ser feita de materiais leves, mas também deve armazenar tensão elástica à medida que a vara se dobra. Assim, esses postes são construídos em fibra de vidro (E =15 GPa) ou uma mistura de fibra de vidro e fibra de carbono (E =500 GPa).

O módulo de Young para alguns dos metais mais usados ​​é mostrado abaixo:

Material	Módulo de Young (E)
	106psi	109N/m2, GPa
Alumínio	10.0	69
Latão		102-125
Cobre	17	117
Níquel	31	170
Aço inoxidável (AISI 302)		180
Aço estrutural (ASTM-A 36)		200
Aço carbono		215
Titânio (puro)	16
Liga de titânio		105-120
Ferro forjado		190-210

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