Como Forças de Tração e Compressão Influenciam a Resistência do Metal

A resistência de um metal desempenha papel importante no design de produtos ou arquiteturas estruturais. Existem diferentes elementos para a resistência de um metal, incluindo resistência à tração, resistência ao escoamento, dureza e densidade. Forças de tração vs. compressão podem ter efeito na quantidade de tensão ou pressão que um metal pode suportar antes de falhar, por isso é importante determinar qual resistência de material funcionará melhor dependendo da aplicação requerida.

Forças de Tração vs. Compressão: Guia Rápido

Abaixo, descrevemos brevemente 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 estica, 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.

Resistência à tração pode ser dividida em duas partes:

• Resistência ao Escoamento: Quando o metal é submetido a carregamento de tração externo, 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 Última: Além do ponto de escoamento, o metal continuará a mostrar deformação plástica até um ponto antes do estreitamento ocorrer. Esse limite é conhecido como resistência à tração última. Em resumo, representa a tensão máxima que um metal pode suportar sem quebrar em dois pedaços.

Força de Compressão em Metais

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

Existem seis tipos diferentes de modos de falha por compressão:

1. Flambagem: Mudança repentina de forma lateral sob carga axial
2. Cisalhamento: Falha por deslizamento na direção da força aplicada
3. Duplo barril: Formação de dois barris durante compressão de corpos prismáticos altos sem zonas externas
4. Barrilamento: Geração de superfície convexa no exterior de um cilindro
5. Compressão homogênea: Nenhum atrito presente na superfície de contato
6. Instabilidade compressiva: Falha devido ao amolecimento por trabalho do metal

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

Diferentes Metais Sob Forças de Tração vs. Compressão

O valor máximo de resistência à compressão e resistência à tração varia entre metais. Alguns metais mostram resistência à tração excepcional sob tração, enquanto alguns são bons em suportar força compressiva máxima. Assim, comparar dois metais sob forças de tração vs. compressão requer reconhecer a aplicação do metal em primeiro lugar; só então fica fácil compará-lo a 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 que o alumínio; no entanto, o alumínio é leve e oferece melhor resistência à corrosão que o aço. Assim, é importante estudar os parâmetros ao considerar os requisitos da aplicação.

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

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

Por outro lado, em materiais dúcteis, trincas formadas sob carga fecham facilmente sem propagar através do material. Como resultado, são igualmente fortes em tração e compressão; no entanto, tendem a falhar sob tensão de cisalhamento.

A Importância de Entender Resistências do Material

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

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

Agora, por exemplo, se construirmos uma casa de metal com baixo módulo de Young, ela defletirá muito sob carga compressiva; um metal mais rígido daria resposta mais desejada.

Varas de salto com vara modernas são um ótimo exemplo disso. Para maximizar o desempenho do atleta, uma vara deve ser feita de materiais leves, mas também deve armazenar deformação elástica enquanto a vara dobra. Assim, essas varas são construídas de fibra de vidro (E = 15 GPa) ou mistura de fibra de vidro e fibra de carbono (E = 500 GPa).

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

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