Ensaio de Tração de Ferro e Aço: Insights Essenciais para Aplicações Estruturais

As propriedades mecânicas de ferros e aços são frequentemente avaliadas através de ensaio de tração. A técnica de ensaio é bem padronizada e pode ser conduzida economicamente com um mínimo de equipamento. Como materiais de ferro e aço são utilizados em aplicações estruturais, eles devem ter propriedades de tração que atendam aos requisitos dos códigos e normas relevantes. Estes requisitos nos códigos e normas são os níveis mínimos de resistência e ductilidade. Devido a isso, a informação disponível do ensaio de tração é frequentemente subutilizada. No entanto, o exame direto de muitas das interações metalúrgicas que influenciam os resultados do ensaio de tração pode melhorar consideravelmente a utilidade dos dados de ensaio. O exame dessas interações, e correlação com variáveis metalúrgicas/material/aplicação como tratamento térmico, acabamento superficial, ambiente de ensaio, estado de tensão e exposições termo-mecânicas previstas, pode levar a melhorias significativas tanto na eficiência quanto na qualidade da utilização de materiais de ferro e aço em aplicações de engenharia.

O ensaio de tração de materiais de ferro e aço é feito por muitas razões. Propriedades de tração são normalmente incluídas em especificação de material para garantir qualidade e são frequentemente usadas para prever o comportamento destes materiais durante diferentes formas de carregamento além de tração uniaxial. O resultado do ensaio de tração é normalmente usado na seleção destes materiais para usos de engenharia. Fornece uma técnica relativamente fácil e barata para desenvolver dados de propriedades mecânicas para seleção, qualificação e utilização destes materiais em aplicações de engenharia. Estes dados são geralmente usados para estabelecer a adequação destes materiais para uma aplicação particular, e/ou para fornecer base de comparação com outros materiais substitutos.

Comportamento Elástico de Materiais de Ferro e Aço

Estruturas de ferro e aço são geralmente projetadas para que o material usado na construção sofra carregamentos elásticos durante condições normais de serviço. Estas cargas produzem deformações elásticas ou reversíveis no material. O balanço de um prédio de aço alto em vento forte é um exemplo no qual a deformação elástica é prontamente visível. Flexão de um eixo de automóvel e estiramento de uma ponte com a passagem de veículos são exemplos de deformações elásticas menos perceptíveis. A magnitude da deformação depende dos módulos elásticos do material suportando a carga. Embora módulos elásticos não sejam geralmente determinados por ensaio de tração, o comportamento de tração pode ser usado para mostrar a importância das propriedades elásticas na seleção e uso de materiais de ferro e aço.

O módulo de Young para ferro (Fe) (207 GPa) é quase 2 vezes o de cobre (Cu) (117 GPa) e cerca de 3 vezes o de alumínio (Al) (69 GPa). Devido ao seu maior valor de módulo de Young, um componente feito com Fe deflete menos que um componente similar feito com Cu ou Al quando o componente sofre carga equivalente. Exemplo: durante ensaio de tração, as deformações elásticas de tração para barras de tração de 12,8 mm de diâmetro de Fe, Cu e Al carregadas a 455 kg são 0,00016 mm/mm para Fe, 0,00029 mm/mm para Cu e 0,0005 mm/mm para Al. A capacidade do aço de resistir à deformação elástica é devido à sua propriedade de "rigidez", e o módulo de Young (E) é uma medida desta propriedade. Construções de engenharia que precisam de estruturas muito rígidas devem ser feitas de componentes muito maciços ou com materiais que tenham altos valores de módulos elásticos. Como o módulo elástico do Fe é maior que o de muitos outros materiais, materiais de ferro e aço são frequentemente usados para aplicações que precisam de alta rigidez.

A equação que define o módulo de Young (E), "S = Ee", baseia-se na observação de que a deformação de tração (e) é linearmente proporcional à tensão aplicada (S). Esta relação linear fornece boa explicação do comportamento de materiais de ferro e aço sob a maioria das situações práticas. No entanto, quando estes materiais são submetidos a carregamento cíclico ou vibratório, até mesmo leve desvio de comportamento verdadeiramente elástico linear pode se tornar importante. Uma medida do desvio da elasticidade linear é a resposta anelástica do material.

Anelasticidade

Anelasticidade é um processo de deformação totalmente reversível que é dependente do tempo. A dependência do tempo deve-se à falta de movimento imediato de átomos durante a aplicação de uma carga. Existem muitos mecanismos para um processo de deformação dependente do tempo, incluindo o movimento difusivo de átomos de impureza. Este movimento difusivo pode ser simplesmente átomos saltando para sítios de rede vizinhos tornados favoráveis devido à aplicação de uma carga.

Carregamento de tração de material de ferro e aço, que é uma liga Fe-C (carbono), produz deformações elásticas no material, e sua estrutura cúbica de corpo centrado (bcc) é distorcida para se tornar tetragonal de corpo centrado (bct). C, em solução sólida, produz distorção similar na rede de Fe. Há uma diferença básica entre a distorção introduzida por carga de tração e as introduzidas pela dissolução de carbono. A distorção média da rede do material durante o ensaio de tração é anisotrópica, o que significa que cada célula unitária da estrutura é alongada na direção da carga de tração e, devido à razão de Poisson, o material também contrai na direção lateral. Em contraste, a distorção média da rede resultante da solução de C é isotrópica, embora cada átomo individual de C produza uma distorção anisotrópica localizada.

Átomos de carbono, em solução sólida no Fe, estão localizados nos sítios intersticiais como mostrado esquematicamente na Fig. 1. Como os átomos de C dissolvidos são muito grandes para os sítios intersticiais, um átomo de C no sítio X empurra os átomos de Fe A e B para longe e causa o alongamento da célula unitária na direção x. Similarmente, um átomo de C no sítio Y empurra átomos de Fe B e C para longe e causa alongamento na direção y, e um átomo de C no sítio Z causa alongamento na direção z. Dentro de qualquer grão de Fe ou alfa não tensionado, átomos de C são distribuídos aleatoriamente nos sítios X, Y e Z. Assim, embora cada célula unitária seja distorcida em uma direção específica, a distorção geral do grão não tensionado é basicamente isotrópica, ou igual em todas as direções.

A aplicação de tensão de tração causa sítios intersticiais favorecidos específicos. Se a tensão de tração é paralela à direção x, sítios tipo X são expandidos e tornam-se sítios favorecidos para átomos de C. Sítios tipo Y tornam-se favorecidos se a tensão está na direção y, e sítios tipo Z são favorecidos quando a tensão está na direção z. Durante o ensaio de tração, átomos de C migram ou difundem para os sítios tornados favoráveis pela aplicação da carga de tração. Esta migração é dependente de tempo e temperatura e pode ser a causa de deformação anelástica. A aplicação súbita da carga de tração pode deformar elasticamente a rede do material a tal taxa que a migração de C para o sítio favorecido não pode ocorrer quando a carga é aplicada.

No entanto, se o material permanece sob carga, a migração dependente do tempo para sítio favorecido produz deformação adicional da rede devido à tendência do C intersticial de empurrar átomo de Fe na direção da tensão aplicada. Esta deformação adicional é a deformação anelástica no material. Da mesma forma, se a carga é liberada subitamente, a deformação elástica recupera imediatamente, enquanto a recuperação da deformação anelástica precisa de tempo à medida que o átomo de C intersticial se reloca do sítio previamente favorecido para formar uma distribuição uniforme na rede do material. A dependência do tempo da deformação elástica e anelástica é mostrada esquematicamente na Fig. 1.

A combinação da deformação elástica e anelástica faz com que o módulo de Young, determinado durante o ensaio de tração, seja dependente da taxa de carregamento (ou taxa de deformação) e possa produzir amortecimento ou atrito interno no material submetido a cargas cíclicas ou vibratórias. A deformação anelástica é uma causa de relaxamento de tensão durante o ensaio de tração quando a amostra de ensaio é carregada e mantida em um deslocamento fixo. Este relaxamento de tensão é frequentemente chamado de "efeito elástico posterior" (elastic aftereffect) e resulta devido a uma queda de carga dependente do tempo, já que a carga necessária para manter o deslocamento fixo diminui à medida que átomos se movem para sítios favorecidos e deformação anelástica ocorre. Este efeito elástico posterior demonstra a importância do tempo ou taxa de carregamento nos resultados do ensaio.

A deformação reversível total que acompanha a aplicação de uma carga de tração a uma amostra de ensaio é a soma das deformações elástica e anelástica. Aplicação rápida da carga faz a deformação anelástica aproximar-se de zero (o tempo de ensaio não é suficiente para deformação anelástica), assim a deformação total durante o carregamento é igual à deformação elástica verdadeira. Aplicação muito lenta da mesma carga permite que a deformação anelástica acompanhe o processo de carregamento, assim a deformação reversível total neste ensaio excede a deformação reversível durante carregamento rápido. O valor medido do módulo de Young no ensaio de baixa taxa de deformação é menor que o medido no ensaio de alta taxa de deformação, e portanto o módulo de elasticidade medido é dependente da taxa de deformação. O baixo valor do módulo de Young é denominado "módulo relaxado" (relaxed modulus) e o módulo medido em altas taxas de deformação é denominado "módulo não relaxado" (unrelaxed modulus).

Capacidade de Amortecimento

Ensaios de tração e carregamentos cíclicos são frequentemente feitos em taxas de deformação ou carregamento que estão entre aquelas necessárias para comportamento totalmente relaxado e aquelas requeridas para comportamento totalmente não relaxado. Portanto, tanto no carregamento quanto no descarregamento, a porção inicial ou de curto tempo da curva tensão-deformação produz comportamento não relaxado, enquanto as porções posteriores, de tempo mais longo, produzem comportamento mais relaxado. A transição de comportamento não relaxado para relaxado produz uma histerese de carregamento-descarregamento na curva tensão-deformação. Esta histerese representa uma perda de energia durante o ciclo de carregamento-descarregamento. A quantidade de perda de energia é proporcional à magnitude da histerese. Tal perda de energia que pode ser atribuída a efeito anelástico dentro da rede do material é denominada "atrito interno". Atrito interno desempenha papel chave na capacidade de materiais de ferro e aço de absorver energia vibratória. Tal absorção pode causar o aumento da temperatura do material durante o ciclo de carregamento-descarregamento. Uma medida da suscetibilidade do material a atrito interno é a capacidade de amortecimento.

Como anelasticidade e atrito interno são dependentes de tempo e temperatura, a capacidade de amortecimento do material é tanto dependente de temperatura quanto de taxa de deformação. Atrito interno e amortecimento desempenham papéis chave na resposta do material a vibrações. Materiais de ferro e aço testados sob condições que causam atrito interno significativo durante ciclo de carregamento-descarregamento sofrem grandes perdas de energia e são ditos ter altas capacidades de amortecimento. Estes materiais são úteis para absorção de vibrações. Exemplo é o ferro fundido cinzento que tem capacidade de amortecimento muito alta e é regularmente usado para bases de instrumentos e equipamentos que devem ser isolados de vibrações da área. Pés de laminador, tornos, prensas, etc. normalmente usam bases de ferro fundido para reduzir transmissão de vibrações de máquinas para o piso e área circundante. No entanto, alta capacidade de amortecimento nem sempre é uma qualidade útil do material.

Anelasticidade, amortecimento, relaxamento de tensão e módulos elásticos de materiais de ferro e aço também são dependentes da microestrutura do material, bem como das condições de ensaio. Estas propriedades não são geralmente determinadas por técnicas de ensaio de tração. No entanto, estas propriedades, bem como os parâmetros da máquina, influenciam a forma da curva tensão-deformação.

O Limite de Proporcionalidade

A tensão aparente necessária para produzir o início da curvatura na relação tensão-deformação de tração é o limite de proporcionalidade (PL). O PL é definido como a tensão máxima na qual a deformação permanece direcionalmente proporcional à tensão. O afastamento da proporcionalidade pode ser atribuído à anelasticidade e/ou à iniciação de deformação plástica. A capacidade de detectar a ocorrência destes fenômenos durante o ensaio de tração depende da precisão com que tensão e deformação são medidas. O valor medido do PL diminui à medida que a precisão da medição aumenta. Como o valor medido do PL depende da precisão do ensaio, o PL não é geralmente reportado como propriedade de tração do material. Além disso, o valor do PL tem pouca ou nenhuma utilidade na seleção, qualificação e uso de materiais para aplicações de engenharia. Uma tensão muito mais reprodutível e prática é o YS do material.

Escoamento dos Materiais e Início da Plasticidade

O YS de materiais de ferro e aço pode ser definido como a tensão na qual o material mostra um desvio especificado da proporcionalidade entre tensão e deformação. Desvios muito pequenos da proporcionalidade podem ser causados por efeito anelástico, mas este afastamento do comportamento linear é totalmente reversível e não representa o início de deformação plástica (não reversível) significativa ou escoamento. Valor teórico de YS é calculado da equação YS = E/2π onde E é módulo de elasticidade e π é 3,14159. Teoricamente, o escoamento não ocorre a menos que a tensão aplicada seja uma fração significativa do módulo de elasticidade. Esta estimativa para escoamento geralmente superestima o YS medido por um fator de pelo menos 150 no caso de materiais de ferro e aço. A discrepância entre o YS teórico e real é devida ao movimento de discordâncias. Discordâncias são defeitos na rede cristalina, e o movimento destes defeitos é um mecanismo primário de deformação plástica. A técnica que altera o YS do material depende de interações de defeitos para alterar a facilidade do movimento de discordâncias.

A mobilidade de discordâncias é dependente do teor de liga, extensão de trabalho a frio, tamanho, forma e distribuição de inclusões e partículas de segunda fase, e tamanho de grão do material. A resistência aumenta à medida que o teor de liga aumenta, pois os átomos de liga (ou impureza) interagem com discordâncias e impedem movimento subsequente. Assim, este tipo de fortalecimento resulta da interação de defeito pontual com defeito linear.

Trabalho a frio é uma técnica eficaz para aumentar a resistência de materiais de ferro e aço. Este mecanismo de fortalecimento é eficaz pois o número de discordâncias no material aumenta à medida que a porcentagem de trabalho a frio aumenta. Estas discordâncias adicionais restringem o movimento contínuo de outras discordâncias. Trabalho a frio é um exemplo de fortalecimento devido a defeitos lineares interagindo com outros defeitos lineares em uma rede cristalina. Laminação, estampagem, forjamento, trefilação, swaging e até extrusão podem ser usados para fornecer o trabalho a frio necessário.

Fronteiras de grão e de fase também bloqueiam movimento de discordâncias. Assim, o YS aumenta à medida que o número de fronteiras de grão aumenta e/ou a porcentagem de segunda fase na estrutura aumenta. Uma diminuição no tamanho de grão aumenta o número de fronteiras de grão por unidade de volume, aumentando assim a densidade de defeitos de área na rede do material. Como interações entre defeitos de área e defeitos lineares restringem a mobilidade de discordâncias, o YS aumenta à medida que o tamanho de grão diminui e o número de partículas de segunda fase aumenta.

Materiais de ferro e aço mostram ampla faixa de YS devido aos diferentes mecanismos de fortalecimento. A faixa de YS depende do tamanho de grão, porcentagem de trabalho a frio, distribuição de partículas de segunda fase e outros parâmetros microestruturais relativamente facilmente quantificáveis. O valor do parâmetro microestrutural depende da história termo-mecânica do material. Portanto, o conhecimento das variáveis metalúrgicas importantes é quase uma necessidade para interpretação inteligente dos dados de YS e para projeto e utilização de estruturas e componentes feitos destes materiais.

A definição mais comum de YS é a tensão necessária para causar deformação plástica de 0,002 mm/mm. Esta deformação representa um desvio prontamente mensurável da proporcionalidade, e a tensão necessária para produzir este desvio é o YS por desvio de 0,2% (0.2% offset yield strength). Uma quantidade significativa de movimento de discordâncias é necessária antes que um desvio de 0,2% do comportamento linear seja atingido. Portanto, durante ensaio de tração padrão, o YS por desvio de 0,2% é quase independente de variáveis da máquina de ensaio, efeitos de fixação e deformações não lineares reversíveis como anelasticidade. Devido a esta independência, o YS por desvio de 0,2% é uma propriedade reprodutível usada na descrição das propriedades mecânicas de materiais de ferro e aço. Ainda assim, é importante saber que a magnitude do YS, ou qualquer outra propriedade de tração, depende da estrutura de defeitos do material testado. Portanto, a história termo-mecânica do material deve ser conhecida se YS for usado como parâmetro de projeto significativo.

Ponto de Escoamento (Yield Point)

O início do movimento de discordâncias em alguns materiais de ferro e aço, principalmente aços de baixo C testados à temperatura ambiente, é súbito, em vez de um processo relativamente gradual. Esta ocorrência súbita de escoamento torna a representação do escoamento pelo método de desvio de 0,2% impraticável. Devido ao escoamento súbito, a curva tensão-deformação em aço doce tem um ponto de escoamento (YP), e o YS de aço doce é descrito pelo tensão de escoamento inferior (lower yield stress). O YP desenvolve-se devido às interações dos átomos de soluto (dissolvidos) e discordâncias na rede do solvente (hospedeiro). A interação soluto-discordância em aços doces envolve migração de C e interação com discordâncias. Como a interação causa a concentração de soluto ser alta nas proximidades das discordâncias, o ponto de escoamento é dito desenvolver-se devido à segregação de C nas discordâncias.

Muitos dos sítios intersticiais ao redor das discordâncias são ampliados e, portanto, são sítios de baixa energia ou favorecidos para ocupação pelos átomos de soluto. Quando estes sítios ampliados são ocupados, uma alta concentração ou atmosfera de soluto é associada à discordância. No aço doce, a segregação de soluto produz atmosfera rica em C na discordância. O movimento da discordância é restringido, pois tal movimento precisa da separação da discordância da atmosfera de C. Assim que a separação ocorre, a tensão necessária para movimento contínuo de discordância diminui e, no ensaio de tração, as tensões de escoamento inferiores são atingidas. Este processo de escoamento envolve movimento de discordância em regiões localizadas da amostra de ensaio. Como movimento de discordância é deformação plástica, as regiões nas quais as discordâncias se moveram representam regiões deformadas ou bandas no material. Estas bandas localizadas, deformadas, são chamadas de bandas de Lüders. Uma vez iniciadas, deformações adicionais causam as bandas de Lüders a se propagarem através do comprimento de medida da amostra de ensaio.

Esta propagação ocorre em tensão constante que é o YS inferior do aço. Quando toda a seção de medida escoou, a curva tensão-deformação começa a subir devido à interação de discordâncias com outras discordâncias, e o endurecimento por deformação (strain hardening) inicia. A existência de YP e bandas de Lüders é importante devido ao impacto do amolecimento súbito e deformação localizada em técnicas de processamento. Exemplo: escoamento súbito localizado causa fluxo irregular de material. Fluxo irregular de material é indesejável em operação de trefilação, pois a carga no equipamento de trefilação muda rapidamente, causando grande liberação de energia que deve ser absorvida pelo equipamento de processamento. Além disso, deformações localizadas de Lüders produzem marcas de estiramento em materiais durante processo de estampagem. Estas marcas de estiramento são chamadas de "stretcher strains" e são prontamente aparentes em superfícies estampadas. Isto deteriora a aparência da superfície e reduz a utilidade do componente. Se material que não tem YP é estampado, superfície lisa é desenvolvida, pois o processo de endurecimento por deformação espalha a deformação uniformemente através do material.

Efeitos do Tamanho de Grão no Escoamento

Materiais de ferro e aço usados em aplicações estruturais são policristalinos. Estes materiais tipicamente contêm grande número de cristais microscópicos ou grãos. O tamanho dos grãos é difícil de definir precisamente porque a forma tridimensional do grão é bastante complexa. Se o grão for assumido como esférico, o diâmetro do grão (d) pode ser usado para especificar o tamanho. Para especificação mais precisa do tamanho de grão, normalmente inclui o intercepto médio de grão (I), e a razão (Sv) de superfície de fronteira de grão para volume de grão. Estes dois parâmetros podem ser estabelecidos através de técnicas metalográficas quantitativas.

No entanto, por razões históricas, o parâmetro d é a medida mais comum usada para descrever a influência do tamanho de grão no YS de materiais de ferro e aço. Esta influência é frequentemente quantificada através da relação Hall-Petch, pela qual YS é relacionado ao tamanho de grão através de uma equação empírica.

Fronteiras de grão atuam como barreiras ao movimento de discordâncias, causando acúmulo de discordâncias atrás das fronteiras. Este acúmulo de discordâncias concentra tensões na ponta do acúmulo, e quando a tensão é suficiente, discordâncias adicionais podem ser nucleadas no grão adjacente. A magnitude da tensão na ponta de um acúmulo de discordâncias é dependente do número de discordâncias no acúmulo. O número de discordâncias contidas em um acúmulo aumenta com o aumento do tamanho de grão devido ao maior volume de grão. Esta diferença no número de discordâncias em um acúmulo torna mais fácil para novas discordâncias serem nucleadas em material de grão grande do que em material de grão fino de pureza comparável, e esta diferença na facilidade de nucleação de discordâncias extrapola diretamente para a diferença no YS.

Efeito do Trabalho a Frio e Endurecimento por Deformação

Deformação plástica de materiais de ferro e aço a temperatura superior à de recristalização é trabalho a quente, enquanto deformação plástica destes materiais a temperatura inferior à de recristalização é trabalho a frio. Estes materiais durante ensaio de tração acima da temperatura de recristalização não mostram endurecimento por deformação significativo, e o YS de tração torna-se a tensão máxima que o material pode efetivamente suportar. Uma curva tensão-deformação para estes materiais mostra que a tensão necessária para causar deformação plástica contínua aumenta à medida que a deformação de tração aumenta.

A tensão necessária para deformação contínua é frequentemente designada como tensão de fluxo (flow stress) na deformação de tração específica. O aumento da tensão de fluxo com aumento da deformação é a base para aumentar a resistência dos materiais por trabalho a frio. O efeito do tamanho de grão na resistência do material é retido através do processo de trabalho a frio. O fato de que a dependência do tamanho de grão da resistência é retida através do processo de endurecimento por deformação estabelece a possibilidade de interação entre os vários mecanismos de fortalecimento nestes materiais. Exemplo: trabalho a frio causa aumento de resistência através da interação entre defeito pontual e discordância, e estes efeitos são aditivos aos efeitos de liga.

Também, resistência não é a única propriedade de tração afetada pelo processo de trabalho a frio. Ductilidade diminui com aumento do trabalho a frio, e se o trabalho a frio for muito extenso, barra de aço pode trincar e fraturar durante o trabalho a frio. O efeito global do trabalho a frio na resistência e ductilidade é que o aumento de resistência e diminuição de ductilidade causa a área sob a curva tensão-deformação a diminuir. Isto é importante pois esta área representa o trabalho ou energia necessária para fraturar a barra de aço, e o resultado do ensaio de tração mostra que esta energia diminui à medida que a porcentagem de trabalho a frio aumenta.

Trabalho a frio, seja por laminação, trefilação, estampagem ou forjamento, muda a microestrutura. A forma de grão resultante é determinada pela direção do fluxo de metal durante o processamento. Os grãos na amostra laminada a frio são alongados e achatados, mudando de grãos semiesféricos para grãos em forma de panqueca. Um processo de trefilação de barra produz grãos em forma de agulha. Além das mudanças na forma do grão, o interior do grão é distorcido por operações de trabalho a frio. Bandas de alta densidade de discordâncias (bandas de deformação) se desenvolvem, fronteiras de geminação são dobradas, e fronteiras de grão tornam-se rugosas e distorcidas. Como as mudanças microestruturais induzidas por deformação são anisotrópicas, as propriedades de tração de material forjado é frequentemente anisotrópica. As microestruturas endurecidas por deformação e as propriedades mecânicas acompanhantes que resultam do trabalho a frio podem ser significativamente alteradas por recozimento. As mudanças microestruturais introduzidas pelo aquecimento a temperaturas mais altas dependem tanto do tempo quanto da temperatura do recozimento. Esta dependência de temperatura resulta pois movimento de átomos é necessário para o recozimento ser eficaz.

Resistência à Tração (Tensile Strength)

A capacidade de endurecer por deformação é uma das características normais no comportamento mecânico que separam materiais de ferro e aço de outros materiais de engenharia. Nem todos os materiais metálicos mostram esta característica. Exemplo: cromo (Cr) é muito frágil e fratura em ensaio de tração sem evidência de endurecimento por deformação. As curvas tensão-deformação para materiais frágeis são similares às de materiais cerâmicos. Fratura ocorre antes que deformação plástica significativa ocorra. Tais materiais frágeis não têm YS real, e a tensão de fratura é a tensão máxima que o material pode suportar. No entanto, materiais de ferro e aço sofrem deformação plástica antes da fratura, e a tensão máxima que o material pode suportar (baseada nas dimensões originais) é a resistência última ou à tração (TS) do material.

A margem entre o YS e o TS fornece um fator de segurança operacional para materiais de ferro e aço em estruturas. Além desta margem de segurança, o valor real de TS tem muito pouco uso prático. A capacidade de uma estrutura suportar cargas complexas de serviço tem pouca relação com TS, e o projeto estrutural deve ser baseado no escoamento. O TS é fácil de medir e frequentemente reportado, pois é a tensão máxima em uma curva tensão-deformação. Códigos de engenharia às vezes especificam que o material deve atender a certos requisitos de TS.

Historicamente, TS, com reduções baseadas em experiência para evitar escoamento, era usado em cálculos de projeto. À medida que a precisão de medição de curvas tensão-deformação melhorou, a utilização de TS reduziu, e na década de 1940 vários códigos de projeto eram baseados no escoamento. Existe um grande banco de dados empírico que correlaciona TS com dureza, resistência à fadiga (FS), ruptura por tensão, e propriedades mecânicas. Estas correlações, requisitos históricos de códigos, e o fato de que projetos estruturais incorporando materiais frágeis devem ser baseados em TS fornecem a base técnica para a utilização contínua de TS como critério de projeto.

Trabalho a frio e outros mecanismos de fortalecimento de materiais de ferro e aço não aumentam TS tão rapidamente quanto aumentam o YS. Portanto, processos de fortalecimento são frequentemente acompanhados por redução na capacidade de sofrer deformação plástica. Esta redução diminui a capacidade do material de absorver energia antes da fratura e, em muitos casos, é importante para a utilização bem-sucedida destes materiais. Análise do comportamento de tração destes materiais pode fornecer insight sobre as capacidades de absorção de energia do material.

Tenacidade (Toughness)

A capacidade de absorver energia sem fraturar é devida à tenacidade do material. Na maioria dos casos, fraturas de materiais de ferro e aço são iniciadas em defeitos pré-existentes. Estes defeitos podem ser pequenos o suficiente para serem elementos da microestrutura ou, quando ligeiramente maiores, podem ser trincas macroscópicas no material ou, no caso extremo, descontinuidades visualmente observáveis na estrutura. Um material de aço tenaz resiste à propagação de defeitos através de processos como escoamento e deformação plástica. O máximo desta deformação ocorre próximo à ponta do defeito. Como a fratura envolve tanto tensão de tração quanto deformação plástica, ou deformação, a curva tensão-deformação pode ser usada para estimar a tenacidade do material. No entanto, existem ensaios específicos projetados para medir tenacidade do material. A maioria destes ensaios é conduzida com amostras pré-trincadas e inclui tanto impacto quanto mecânica da fratura. Cálculos de tenacidade baseados em comportamento de tração são estimativas e não devem ser usados para projeto.

A área sob uma curva tensão-deformação é uma medida da energia absorvida pelo material durante o ensaio de tração. Esta área é uma estimativa aproximada da tenacidade do material. Como a deformação plástica associada à deformação de tração de materiais de ferro e aço é tipicamente várias ordens de magnitude maior que a deformação elástica acompanhante, plasticidade ou movimento de discordâncias é muito importante para o desenvolvimento de tenacidade. Isto é demonstrado pelas curvas tensão-deformação para um material frágil, um semi-frágil e um dúctil. Fratura frágil ocorre com pouca ou nenhuma deformação plástica, e assim a área (A) sob a curva tensão-deformação é dada pela equação A = 0,5 Se. Estimativa da energia de fratura a partir de propriedades de tração típicas de amostra de aço doce com YS de 205 MPa, TS de 415 MPa, e deformação até fratura de 0,3, dá 1,12 J/mm³ da seção de medida da amostra de ensaio.

A razão da energia para fratura dúctil para energia para fratura frágil é 900. Esta razão aumenta com aumento da deformação até fratura e com aumento do endurecimento por deformação. A relação área-energia é apenas aproximada. A utilidade de tais estimativas de tenacidade é a facilidade com que o ensaio pode ser feito e o insight que as estimativas fornecem sobre a importância da plasticidade para prevenção de fratura. Além disso, uma deformação plástica de apenas 0,01% pode ter efeito notável na capacidade do material de absorver energia sem fraturar.

Tenacidade é propriedade muito importante para muitas aplicações estruturais. Braços de guindaste, cascos de navios, eixos, engrenagens e acoplamentos são todos requeridos para absorver energia durante serviço. A capacidade de suportar carregamentos de terremotos, sobrepressões de sistema e até pequenos acidentes também precisa de tenacidade do material. Aumentar a resistência de materiais de ferro e aço geralmente reduz ductilidade e, em muitos casos, reduz tenacidade. Assim, aumentar a resistência do material pode aumentar a probabilidade de falha induzida por serviço quando tenacidade do material é importante para serviço satisfatório.

Isto é visto comparando as áreas sob as duas curvas tensão-deformação na Fig. 2. As áreas hachuradas cruzadas na Fig. 2 mostram outra propriedade de tração que é o módulo de resiliência. Módulo de resiliência pode ser medido a partir de curvas tensão-deformação de tração. A capacidade de materiais de ferro e aço de absorver energia através de processo elástico é a resiliência do material. O módulo de resiliência é definido como a área sob a porção elástica da curva tensão-deformação. Aumentar o YS e/ou diminuir o módulo de Young aumentam o módulo de resiliência e melhoram a capacidade destes materiais de absorver energia sem sofrer deformação permanente.

Ductilidade do Material

A ductilidade do material durante ensaio de tração é geralmente estabelecida medindo-se a elongação até fratura ou a redução de área (RA) na fratura. Em geral, a medição de ductilidade é de interesse de três maneiras: (i) indicar até que ponto um aço pode ser deformado sem fratura em operações de conformação metálica como laminação, conformação ou extrusão; (ii) indicar ao projetista, de forma geral, a capacidade do aço de fluir plasticamente antes da fratura; e (iii) servir como indicador de mudanças no nível de impurezas ou condições de processamento. A medição de ductilidade deve ser especificada para avaliar qualidade do material, embora não exista relação direta entre a medição de ductilidade e o desempenho.

A ductilidade de tração é medida muito útil durante avaliação de qualidade do material. Muitos códigos e normas especificam valores mínimos para ductilidade de tração. Uma razão para estas especificações é a garantia de tenacidade adequada sem a necessidade de exigir especificação de tenacidade mais cara. A maioria das mudanças na composição do material e/ou condições de processamento produzem mudanças na ductilidade de tração. Além disso, as características de conformação metálica de materiais de ferro e aço são melhor correlacionadas com a capacidade de endurecer por deformação do que com a ductilidade do material. As capacidades de endurecimento por deformação de muitos materiais de ferro e aço usados para serviço de engenharia foram quantificadas através da análise do comportamento de tensão-deformação verdadeira.

Relação Tensão-Deformação Verdadeira

A conversão do comportamento tensão-deformação de engenharia para relação tensão-deformação verdadeira mostra que o máximo na curva tensão-deformação de engenharia resulta de instabilidade de tração, não de diminuição da resistência do material. A queda na curva tensão-deformação de engenharia é artificial e ocorre apenas porque o cálculo de tensão é baseado na área de seção transversal original. Tanto o ensaio quanto a análise mostram que, para a maioria dos materiais de ferro e aço, a instabilidade de tração corresponde ao início de estreitamento (necking) no corpo de prova. O estreitamento resulta de localização de deformação. Portanto, uma vez iniciado o estreitamento, a deformação verdadeira não pode ser calculada a partir do alongamento da amostra. Devido a estas e outras limitações analíticas dos dados de tensão-deformação de engenharia, se dados de tração são usados para entender e prever resposta metalúrgica durante deformação associada a processos de fabricação, então a relação tensão-deformação verdadeira é favorecida.

A deformação que pode ser acomodada sem fratura em uma operação de estampagem profunda varia com o material. Exemplo: aço inoxidável austenítico pode ser estampado com sucesso a 50% RA, enquanto aço ferrítico pode falhar após ~20% a 30% RA em operações de estampagem similares. Ambos os tipos de aços sofrem mais de 50% RA durante ensaio de tração. Esta diferença em estampabilidade correlaciona-se com o expoente de endurecimento por deformação (n) e, portanto, é aparente a partir da inclinação das curvas tensão-deformação verdadeira para os dois aços.

Os valores n para aços ferríticos e austeníticos são tipicamente 0,25 e 0,5, respectivamente. Um material perfeitamente plástico tem valor n zero e um sólido completamente elástico tem valor n um. A maioria dos materiais de ferro e aço tem valores n entre 0,1 e 0,5. Expoentes de endurecimento por deformação correlacionam-se com a capacidade de discordâncias se moverem ao redor ou sobre discordâncias e outros obstáculos em seu caminho. Tal movimento é denominado "cross slip" (deslizamento cruzado). Quando o deslizamento cruzado é fácil, discordâncias não se acumulam umas atrás das outras e o valor n é baixo. Aço doce é exemplo que sofre deslizamento cruzado facilmente. O valor n aumenta à medida que o deslizamento cruzado se torna mais difícil. O deslizamento cruzado é muito difícil em aço inoxidável austenítico e o valor n para este aço é ~0,5.

Amostras de tração, chapas, placas, arames, barras e outras seções metálicas têm variações ponto a ponto no tamanho da seção, YS e outras inhomogeneidades microestruturais e estruturais. Deformação plástica destes materiais inicia nas regiões localmente fracas. Na ausência de endurecimento por deformação, esta deformação plástica inicial reduz o tamanho líquido da seção e foca deformação contínua nas áreas fracas. No entanto, o endurecimento por deformação causa o aumento da tensão de fluxo na região deformada. Este aumento na tensão de fluxo aumenta a carga necessária para deformação plástica contínua na área e causa a deformação a se espalhar pela seção. Quanto maior o valor n, maior é o aumento na tensão baixa e maior é a tendência para a deformação plástica se tornar uniforme. Esta tendência tem grande impacto na fabricabilidade dos materiais de ferro e aço.

Exemplo: a RA máxima que pode ser acomodada em uma operação de trefilação é igual ao valor n determinado a partir do comportamento tensão-deformação verdadeira do material. Devido a tal correlação, o efeito de variáveis de processo como taxa de deformação e temperatura pode ser avaliado através de ensaio de tração. Isso fornece base para estimar o efeito de variáveis de processo sem avaliação direta, em processo, das variáveis.

Efeitos de Temperatura e Taxa de Deformação

O YS da maioria dos materiais de ferro e aço aumenta à medida que a taxa de deformação aumenta e diminui à medida que a temperatura aumenta. Esta dependência resulta de uma combinação de vários fatores metalúrgicos. Exemplo: discordâncias são deslocamentos e, portanto, não podem mover-se mais rápido que a velocidade do som. Além disso, à medida que velocidades de discordâncias se aproximam da velocidade do som, o deslizamento cruzado torna-se cada vez mais difícil e o valor n aumenta. Este aumento no valor n aumenta a tensão de fluxo em qualquer deformação dada, aumentando assim o YS do material. Uma diminuição na ductilidade e até uma transição de fratura dúctil para frágil também pode ser associada a aumentos de YS induzidos por taxa de deformação.

Em muitos aspectos, diminuir a temperatura é similar a aumentar a taxa de deformação. A mobilidade de discordâncias diminui à medida que a temperatura diminui, e portanto, para a maioria dos materiais de ferro e aço, a resistência aumenta e a ductilidade diminui à medida que as temperaturas são abaixadas. Se a redução na mobilidade de discordâncias for adequada, a ductilidade pode ser reduzida ao ponto de fratura frágil. Materiais de ferro e aço que mostram transição de fratura dúctil para frágil quando a temperatura é abaixada não devem ser usados para aplicação estrutural a temperatura abaixo desta temperatura de transição.

Movimento de discordâncias é inibido por interação entre discordâncias e por átomo de liga ou impureza (alien). O efeito desta interação é tanto dependente de tempo quanto de temperatura. A interação atua para aumentar o YS e limitar a ductilidade. O processo é mais eficaz quando há tempo suficiente para átomo alien se segregar à discordância e quando a velocidade de discordância é quase igual à velocidade de difusão do átomo alien. Portanto, a qualquer temperatura dada, a interação discordância-átomo alien está em máximo em alguma taxa de deformação intermediária. Em baixa taxa de deformação, o átomo alien pode difundir tão rapidamente quanto a discordância se move e há pouca ou nenhuma tendência para o processo de deformação forçar separação de discordância de sua atmosfera de soluto. Em altas taxas de deformação, uma vez que a separação foi alcançada, não há tempo adequado disponível para a atmosfera ser restabelecida durante o período de ensaio. Movimento de átomos aumenta com aumento de temperatura, assim a taxa de deformação que permite interação discordância-átomo alien ocorrer é dependente de temperatura. Como esta interação limita a ductilidade, a elongação no ensaio de tração pode mostrar um mínimo em temperatura de ensaio intermediária onde tal interação é muito eficaz.

O efeito da interação discordância-átomo alien dependente do tempo na curva tensão-deformação de materiais de ferro e aço é denominado "envelhecimento por deformação" (strain aging) e "envelhecimento dinâmico por deformação" (dynamic strain aging). Envelhecimento por deformação é geralmente aparente quando ensaio de tração de material que mostra YP agudo é interrompido. Se a amostra de ensaio é descarregada após ser deformada além do YP, através da região de deformação de Lüders e na porção de endurecimento por deformação da curva tensão-deformação, um de dois comportamentos é observado quando o ensaio de tração é retomado.

Se a amostra é recarregada em curto período de tempo, a porção elástica da curva de recarregamento é paralela à curva de carregamento elástico original e a deformação plástica retoma no nível de tensão que foi atingido justo antes do ensaio ser interrompido. No entanto, se o tempo entre descarregamento e recarregamento é suficiente para segregação de átomo alien à discordância, o YP reaparece e a deformação plástica não é reiniciada quando o nível de tensão de descarregamento é atingido. Esta reaparição do YP é envelhecimento por deformação, e a força do pico de envelhecimento por deformação é dependente de tempo e temperatura, pois difusão e segregação de átomo de soluto à discordância é necessária para o pico se desenvolver. Se a taxa de deformação de tração está em faixa onde segregação de soluto pode ocorrer durante o ensaio, envelhecimento dinâmico por deformação é observado. Segregação pina a discordância previamente móvel e aumenta a tensão de fluxo, e quando a nova tensão de fluxo mais alta é atingida, a discordância é separada da atmosfera de soluto e a tensão de fluxo diminui. Este aumento e diminuição alternados na tensão de fluxo causa a curva tensão-deformação a ser serrilhada.

Fluxo serrilhado é usual em aço doce, pois contém elemento de liga ou impureza móvel. Este efeito foi estudado em detalhe inicialmente por Portevin e LeChatelier e é frequentemente chamado de efeito Portevin-LeChatelier. Condição de processamento deve ser selecionada para evitar efeito de envelhecimento por deformação. Esta seleção essencialmente envolve controle de taxa de deformação e temperatura de processamento.

Métodos Especiais de Ensaio

O ensaio de tração fornece informação básica concernente à resposta de materiais de ferro e aço a carregamento mecânico. Temperatura de ensaio e taxa de deformação (ou taxa de carregamento) normalmente são controladas devido aos efeitos destas variáveis na resposta metalúrgica da amostra. O ensaio de tração geralmente mede resistência e ductilidade. Estes parâmetros são frequentemente sensíveis à configuração da amostra, ambiente de ensaio e maneira pela qual o ensaio é conduzido. Métodos especiais de ensaio de tração foram desenvolvidos para medir o efeito de condições de ensaio/amostra na resistência e ductilidade de materiais de ferro e aço. Estes métodos incluem o ensaio de tração com entalhe (notch tensile test) e o ensaio de tração a baixa taxa de deformação (slow-strain-rate tensile test).

Ensaio de Tração com Entalhe

Materiais de ferro e aço usados em aplicações de engenharia são frequentemente requeridos para suportar carregamento multi-axial e alta concentração de tensão devido à configuração do componente. O ensaio de tração padrão mede desempenho do material em amostra de barra lisa exposta a carga uniaxial. Esta diferença entre aplicação e amostra de ensaio pode reduzir a capacidade do ensaio de tração padrão de prever resposta do material sob condições antecipadas de aplicação. Além disso, a redução na ductilidade geralmente induzida por carregamento multi-axial e concentração de tensão pode não ser visível no resultado do ensaio. O ensaio de tração com entalhe foi desenvolvido para minimizar esta fraqueza no ensaio de tração padrão e examinar o comportamento do material na presença de falhas, entalhes e concentrações de tensão.

A amostra de tração com entalhe geralmente contém um entalhe de 60° com raio de raiz menor que 0,025 mm. O estado de tensão logo abaixo da ponta do entalhe aproxima-se de tensão triaxial, e para aços dúcteis este estado de tensão normalmente aumenta o YS e diminui a ductilidade. Este aumento no YS resulta do efeito do estado de tensão na dinâmica de discordâncias. Tensão de cisalhamento é necessária para movimento de discordâncias. Carregamento puramente triaxial não produz tensão de cisalhamento. Portanto, movimento de discordâncias na ponta do entalhe é limitado e o valor de YS é aumentado. Esta restrição no movimento de discordâncias também reduz a ductilidade da amostra com entalhe. Para aços de baixa ductilidade, a redução na ductilidade induzida por entalhe pode ser tão severa que a falha ocorre antes que o YS por desvio de 0,2% seja atingido.

A sensibilidade de materiais de ferro e aço ao efeito de entalhe é denominada "sensibilidade a entalhe" (notch sensitivity). Esta sensibilidade é quantificada através da razão da resistência com entalhe para TS de barra lisa. Material que é sensível a entalhe tem razão menor que um. Dados de tração de barra lisa para estes materiais não prediz satisfatoriamente o comportamento do material sob condições de serviço. Material tenaz e dúctil frequentemente é fortalecido por entalhe e tem razão de sensibilidade a entalhe maior que um; assim, o ensaio de tração padrão é um preditor conservador de desempenho para este material.

Ensaio a Baixa Taxa de Deformação

Ambientes de ensaio também podem ter efeitos adversos no comportamento de tração de materiais de ferro e aço. A caracterização do efeito ambiental na resposta do material pode ser realizada conduzindo o ensaio de tração no ambiente de interesse. Como a severidade do ataque ambiental geralmente aumenta com aumento do tempo, o ensaio de tração projetado para determinar efeitos ambientais frequentemente é conduzido em taxa de deformação muito baixa. A baixa taxa de deformação aumenta o tempo de ensaio e maximiza a exposição ao ambiente de ensaio. Este tipo de ensaio é denominado "ensaio a baixa taxa de deformação" (SSRT - slow strain rate testing) ou "ensaio a taxa de extensão constante" (CERT - constant extension rate testing). Exposição ao ambiente agressivo pode reduzir a resistência e/ou ductilidade da amostra de ensaio. Esta redução pode ser acompanhada pelo início de trincas superficiais e/ou mudança no modo de fratura. Estudo SSRT ou CERT que mostra efeitos prejudiciais no comportamento de tração estabelece que o material de ensaio é suscetível a degradação ambiental.

Esta suscetibilidade pode causar preocupação sobre a utilização do material naquele ambiente. Inversamente, o ensaio pode mostrar que o comportamento de tração do material não é influenciado pelo ambiente e é, portanto, adequado para aplicação naquele ambiente. SSRT ou CERT pode ser usado para triar materiais para exposições de serviço potenciais e/ou examinar os efeitos de mudanças operacionais antecipadas nos materiais usados em sistemas de processo. Em qualquer caso, a intenção é evitar utilização de materiais sob condições que possam degradar resistência e ductilidade e causar falha prematura. Além dos dados de tração, evidência de efeito ambiental adverso também pode ser encontrada através do exame da morfologia de fratura das amostras de ensaio de CERT e SSRT.

Características de Fratura

A fratura de tração de materiais de ferro e aço dúcteis geralmente inicia internamente na porção estreitada da barra de tração. Partículas como inclusões, segunda fase dispersa e/ou precipitados podem servir como sítios de nucleação. O processo de fratura começa pelo desenvolvimento de pequeno furo, ou micro-vazio, na interface partícula-matriz. Deformação contínua aumenta o micro-vazio até que, em algum ponto do processo de ensaio, o micro-vazio contate outros micro-vazios e coalesça. Este processo é denominado "coalescência de micro-vazios" (micro-void coalescence) e dá origem à topografia de superfície de fratura com covinhas (dimpled) característica dos processos de falha dúctil.

A topografia de superfície de uma fratura frágil difere significativamente da de coalescência de micro-vazios. Fratura frágil geralmente inicia em imperfeições na superfície externa do material e propaga-se por processo de clivagem transgranular ou por separação ao longo de fronteira de grão. A topografia de superfície resultante é ou facetada, talvez com padrão semelhante a rio típico de clivagem, ou intergranular, produzindo aparência semelhante a "rock candy". O material de ensaio pode ser inerentemente frágil ou fragilidade pode ser introduzida por tratamento térmico, abaixamento da temperatura de ensaio, presença de ambiente agressivo e/ou presença de entalhe afiado na amostra de ensaio.

A temperatura, taxa de deformação, ambiente de ensaio e outras condições, incluindo acabamento superficial da amostra para ensaio de tração, são geralmente bem estabelecidas. Um entendimento dos efeitos de tais parâmetros de ensaio nas características de fratura da amostra de ensaio pode ser muito útil na determinação da susceptibilidade de materiais de ferro e aço para degradação durante fabricação ou durante aplicação. Tipicamente, qualquer tratamento térmico ou condição de ensaio que cause o processo de fratura a mudar de coalescência de micro-vazios para modo de fratura mais frágil reduz a ductilidade e tenacidade do material e pode promover fratura precoce sob condições de serviço selecionadas. Como o processo de fratura é muito sensível tanto à condição metalúrgica da amostra quanto às condições do ensaio de tração, a caracterização da superfície de fratura é componente importante de muitos programas de ensaio de tração.