Decodificando a curva tensão-deformação:insights essenciais para engenharia de materiais

Sem saber como um material reage à tensão, ou quanto dela pode suportar, seus produtos e estruturas projetados podem falhar e deixar você coçando a cabeça. Uma ótima maneira de evitar isso é por meio de um gráfico de curva tensão-deformação que fornece um explicador visual das qualidades de um material e como ele responderá a vários estressores. Explicaremos exatamente como o gráfico funciona e como você pode lê-lo neste artigo.

O que é estresse?

Existem muitos tipos de tensão, mas quando se trata do tipo que os engenheiros estão trabalhando para descobrir, a definição mais simples é a quantidade de força aplicada a uma área de seção transversal. Saber disso lhe dá uma compreensão de quanto um material pode suportar antes de fraturar ou quebrar. A fórmula para descobrir isso pode ser vista abaixo:

1. 𝜎 =estresse
2. F =força aplicada
3. A =área da seção transversal

Para saber mais, consulte nosso artigo sobre Estresse.

O que é tensão?

Embora tensão e deformação sejam frequentemente discutidas juntas, esta última é a deformação pela qual um material passa em comparação com suas dimensões originais. É outro ponto de referência calculável que é essencial para ajudar os engenheiros a realmente conhecerem melhor um material e a terem a melhor ideia de quando uma estrutura ou item feito de um material específico irá quebrar. Deformação é um exemplo de valor sem unidade (já que ambos os números na fórmula são comprimentos), e a fórmula é semelhante a esta:

1. ε =tensão
2. Lf =comprimento final após a deformação ocorrer 
3. L0 =comprimento original ou inicial

Para saber mais, consulte nosso guia completo sobre Strain.

O que é a curva tensão-deformação?

Agora vamos dar uma olhada na medição da curva tensão-deformação e que tipos de informações podem ser extraídas dela. Na fabricação hoje, existem muitas máquinas que fazem todas as medições para você. Essas curvas geralmente são criadas por uma moderna máquina de teste de tração, e os referidos gráficos são padronizados pela ASTM International em algumas categorias – E8 para metais e D638 para plásticos. Você pode esperar que testes e medições criem esta curva para ser mais ou menos assim:

• Você ou o operador fornecerão ou criarão um material de teste com as dimensões corretas.
• Em seguida, você irá prender ou prender o material de teste nas mandíbulas da máquina de teste.
• A máquina então colocará uma carga de tração no material e aumentará essa carga até que o material se quebre.
• Quando isso acontecer, a máquina registrará os valores de tensão e deformação com base nessas leituras.

Por que as curvas tensão-deformação são importantes?

A curva tensão-deformação é importante porque permite aos engenheiros determinar rapidamente várias das propriedades mecânicas mais críticas e fundamentais de qualquer material. Um único teste de tração pode produzir um gráfico tensão-deformação, que permite obter as seguintes propriedades de um material:

1. Módulo de Young
2. Força de rendimento
3. Resistência à tração máxima
4. Ductilidade
5. Proporção de Poisson

Como são geradas as curvas tensão-deformação?

As curvas tensão-deformação são geradas automaticamente por modernas máquinas de teste de tração. Essas máquinas monitoram e registram continuamente a força aplicada a um corpo de prova e a quantidade de deformação que ele sofre como resultado dessa carga. Os métodos de teste mais comumente usados ​​para testes de tração e criação de curvas tensão-deformação padronizadas são aqueles emitidos pela ASTM International. ASTM E8 padroniza testes de tração para materiais metálicos enquanto ASTM D638 padroniza testes de tração para materiais plásticos. As etapas para criar uma curva tensão-deformação estão descritas na lista abaixo:

1. Prepare a amostra de teste com as dimensões exigidas.
2. Monte a amostra de teste nas mandíbulas da máquina de teste de tração.
3. Aplique uma carga de tração continuamente crescente à amostra até que ela quebre.
4. A máquina de teste de tração registrará a tensão e a deformação sofridas pela amostra de teste com base nas leituras da força aplicada pela célula de carga e no deslocamento das mandíbulas que seguram a peça de teste.

Quais são as diferentes maneiras de medir o estresse e a tensão?

Existem dois tipos que você encontrará na curva tensão-deformação:tensão e deformação de engenharia e tensão e deformação verdadeiras. 

1. Tensão e Deformação de Engenharia

O primeiro tipo (engenharia) também é chamado de tensão e deformação nominais e é calculado sem considerar os detalhes muito pequenos da deformação plástica. É uma maneira fácil de obter valores através de um teste de tração padrão e compreender o desempenho de um material. A fórmula para o estresse de engenharia é assim:

2. Estresse e tensão verdadeiros

Este é o valor real de tensão e deformação que você obtém se levar em consideração a deformação plástica. Fazer cálculos para esse tipo específico de tensão e deformação é ótimo para aprender as propriedades mecânicas de um material e, para descobri-lo, você precisa usar dados experimentais sobre o comprimento de referência instantâneo, a área da seção transversal e a carga aplicada. A fórmula para encontrar o estresse verdadeiro é assim:

Quais são os estágios da curva tensão-deformação?

Um diagrama tensão-deformação tem três estágios. Na primeira etapa, o material sofre apenas deformação elástica. Quando a tensão aplicada é liberada, o material retorna às suas dimensões originais. 

A deformação plástica uniforme ocorre no segundo estágio. Esta etapa começa no ponto de escoamento e continua enquanto o material puder continuar a fortalecer através do endurecimento por deformação (o mesmo processo que ocorre na conformação a frio) com cada novo incremento da carga aplicada. Eventualmente, a capacidade do material de deformação plástica estável se esgota. A quantidade de deformação plástica que pode ser tolerada durante esta fase nos diz muito sobre a relativa fragilidade ou ductilidade do material.

O estágio final de um teste de tração é conhecido como “estrangulamento”. Este estágio ocorre depois que a tensão de tração final do material é atingida e nenhum endurecimento por deformação adicional é possível. Em vez de deformação contínua e estável, uma região de deformação localizada se forma em algum lugar na seção transversal do corpo de prova. As tensões de tração excessivas reduzem as dimensões do material que são perpendiculares à força aplicada, o que causa uma redução significativa na área. Isso faz com que o material tenha o formato de um “pescoço”. Uma vez iniciado o estreitamento, a tensão de engenharia do material diminui enquanto a tensão verdadeira continua a aumentar.  O material fratura logo após o início do estreitamento.

Como você lê um gráfico de tensão-deformação?

Aqui está um guia rápido para ler um desses gráficos:

1. Escolha um valor de tensão no eixo Y.
2. Desenhe uma linha horizontal a partir do eixo Y até cruzar com a linha da curva tensão-deformação. Faça um ponto nesse ponto. 
3. Desenhe uma linha vertical do ponto de intersecção até o eixo X. Juntas, essas linhas devem formar um ângulo de 90 graus.
4. O valor da tensão escolhido na etapa um mostra a tensão que corresponde à deformação (ou deformação) que ocorre no material naquele ponto. 

Quais são as diferentes regiões do gráfico da curva tensão-deformação?

Depois de ter um gráfico mostrando a curva tensão-deformação, vale a pena entender as regiões, os estágios e as informações que você pode analisar a partir dele. Os três estágios são deformação elástica, deformação uniforme e estrangulamento. A deformação elástica ocorre quando um material sofre tensão, mas ainda pode retornar às suas dimensões originais. A deformação uniforme ocorre enquanto um material consegue suportar o reforço por meio do endurecimento por deformação – o que é uma demonstração de sua fragilidade ou ductilidade. O estreitamento ocorre quando a resistência à tração máxima foi atingida e o endurecimento por deformação não é mais possível. A deformação localizada aparecerá em algum lugar na seção transversal do material, suas dimensões diminuirão enquanto a tensão aumentará e então ultrapassará o ponto sem retorno e se deformará ou quebrará permanentemente.

Agora que você conhece as etapas, pode entender as regiões e escolher cinco dos pontos mais importantes do gráfico, que descrevemos resumidamente a seguir:

1. Limite Proporcional

O ponto final da porção linear na curva tensão-deformação da qual o módulo de Young pode ser extraído calculando a inclinação.

Para saber mais, consulte nosso artigo sobre limite proporcional.

2. Limite Elástico

O ponto final da deformação elástica, que é então assumido pela deformação plástica (é difícil distingui-lo do limite elástico quando você mede metais).

Para saber mais, consulte nosso artigo sobre limite elástico.

3. Ponto de rendimento

O mesmo que o limite elástico, mas calculável, muito mais confiável para os engenheiros. Para resolver isso, desloque a parte linear da curva em +0,2% ao longo do eixo horizontal. Então, você encontra o ponto de interseção entre a linha de deslocamento e a curva tensão-deformação original e obtém o limite de escoamento. 

Para saber mais, consulte nosso guia completo sobre ponto de rendimento.

4. Ponto de estresse final

A maior quantidade de tensão na curva tensão-deformação, após a qual começa a estricção. Também é importante observar que, embora este seja o ponto mais alto no gráfico, o ponto mais alto real acontece exatamente quando o material se rompe. 

5. Fratura ou Ponto de Ruptura

Como o próprio nome diz, este é o ponto da curva onde o seu material se deformou tanto que finalmente quebrou ou fraturou.

Para saber mais, consulte nosso guia completo sobre fratura ou ponto de ruptura.

Como é feita uma curva tensão-deformação?

Uma curva tensão-deformação é feita através da realização de um teste de tração usando uma máquina de teste universal. A máquina de teste capturará automaticamente os dados para produzir uma curva tensão-deformação à medida que a carga aumenta e a amostra se deforma. 

Como as curvas tensão-deformação são usadas?

O gráfico tensão-deformação é usado para determinar várias propriedades mecânicas de um material, incluindo módulo de elasticidade, razão de Poisson, tensão de escoamento e resistência à tração final. Essas propriedades ajudam os engenheiros a selecionar materiais para aplicações onde a capacidade de suporte de carga é crítica.

Qual é a curva tensão-deformação de um material dúctil? 

A curva tensão-deformação de engenharia para um material dúctil é caracterizada por uma linha reta crescente até que o limite de escoamento seja alcançado. Após o ponto de escoamento, a função de tensão e deformação aumenta de forma não linear e atinge o pico quando a resistência à tração final é atingida. Posteriormente, a tensão de engenharia diminui de forma não linear à medida que a deformação continua a aumentar. Eventualmente, uma vez que a deformação do material se torna tão grande, o material fratura.

Para saber mais, consulte nosso guia completo sobre ductilidade.

Qual é a curva tensão-deformação de um material frágil?

A curva tensão-deformação de um material frágil é uma linha fortemente inclinada que mostra a tensão aumentando rapidamente com pouca deformação. Ao contrário dos materiais dúcteis, a curva tensão-deformação para um material frágil mostra pouca deformação plástica após a tensão de escoamento (ponto de escoamento) ser atingida. O material fratura logo após a tensão de escoamento. 

Para saber mais, consulte nosso guia completo sobre fragilidade.

Qual é a diferença entre tensão-deformação de engenharia e tensão-deformação verdadeira?

As diferenças entre tensão-deformação de engenharia e tensão-deformação verdadeira estão listadas abaixo: 

1. A engenharia tensão-deformação não leva em consideração a deformação do material, ao contrário da tensão-deformação verdadeira.
2. A deformação de engenharia é a razão entre a mudança no comprimento e o comprimento original, enquanto uma deformação verdadeira é o logaritmo natural do comprimento instantâneo sobre o comprimento original.
3. A tensão-deformação de engenharia é ideal para determinar o desempenho do material, enquanto a tensão-deformação verdadeira é ideal para determinar as propriedades do material.

Qual é a diferença entre estresse e tensão?

As diferenças entre tensão e deformação estão listadas abaixo:

1. A tensão é a força por unidade de área, enquanto a deformação é uma variação no comprimento de uma dimensão em relação ao comprimento original da dimensão.
2. O estresse tem unidades de Pa ou psi, enquanto a deformação não tem unidade.
3. O símbolo da tensão é 𝛔, enquanto o símbolo da deformação é 𝞊.
4. O estresse é necessário para causar tensão.
5. O estresse não pode ser medido diretamente e é calculado por meio de relações matemáticas, enquanto uma tensão pode ser medida diretamente.

Para saber mais, consulte nosso guia completo sobre estresse versus tensão.

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Kat de Naoum

Kat de Naoum é escritora, autora, editora e especialista em conteúdo do Reino Unido com mais de 20 anos de experiência em redação. Kat tem experiência em escrever para diversas organizações técnicas e de manufatura e adora o mundo da engenharia. Além de escrever, Kat foi paralegal por quase 10 anos, sete dos quais em finanças de navios. Ela escreveu para muitas publicações, tanto impressas quanto online. Kat é bacharel em literatura e filosofia inglesa e mestre em redação criativa pela Kingston University.

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