Quais os fatores que influem no ensaio de tração e nas propriedades obtidas

Ensaio de tração: Gráfico de tensão deformação

Sendo um dos ensaios mais empregados atualmente na indústria, o ensaio de tração avalia diversas propriedades mecânicas dos materiais, através de características extraídas da análise do gráfico gerado por esse ensaio, o qual é conhecido como diagrama tensão deformação, sendo muito útil para complementar a análise matemática envolvida no processo.

Materiais metálicos

A partir do gráfico de tensão deformação dos materiais metálicos poderíamos descrever todo os parâmetros importantes no ensaio. Abaixo podemos entender melhor estes parâmetros, que aparecem quando o material está sujeito a esforços de natureza mecânica (isso quer dizer que esses parâmetros determinam a maior ou menor capacidade que o material tem para transmitir ou resistir aos esforços que lhe são aplicados):

Figura 2 – Gráfico típico de tensão x deformação de um ensaio de tração

A partir das medidas de cargas e os respectivos alongamentos, constrói-se o gráfico de tensão x deformação, como mostra a figura 2, a qual mostra essa relação para diferentes tipos de Metais. A análise dos gráficos obtidos com os ensaios de tração permite o levantamento de inúmeras informações que são apresentadas a seguir:

Modulo de elasticidade (ou módulo de Young): Corresponde a inclinação (coeficiente angular) do segmento linear no gráfico tensão deformação. Nos materiais metálicos, o módulo de elasticidade é considerado uma propriedade insensível com a microestrutura, visto que o seu valor é fortemente dominado pela resistência das ligações atômicas, sendo apresentado conforme a relação:

Equação 1:
E = σ / ε.

Onde pode ser observado a proporcionalidade entre a tensão aplicada (σ) e a deformação (ε).

Deformação Plástica: À medida que o material continua a ser deformado além do regime elástico, a tensão deixa de ser proporcional à deformação e, portanto, a lei de Hooke não mais será obedecida, ocorrendo uma deformação permanente e não recuperável denominada deformação plástica. Para a maioria dos materiais metálicos, a transição do comportamento elástico para o plástico é gradual, ocorrendo uma curvatura no ponto de surgimento da deformação plástica, a qual aumenta mais rapidamente com a elevação de tensão.

Limite elástico: O limite elástico, também denominado limite de elasticidade e limite de fluência, é a tensão máxima que um material elástico pode suportar sem sofrer deformações permanentes após a retirada da carga externa. Ou seja, dentro do limite elástico o material retorna ao seu estado normal elástico depois de sofrer uma dada deformação.

Limite de proporcionalidade: É o limite ao qual a tensão aplicada não é mais proporcional ao alongamento, ou seja, o material não apresenta mais linearidade.

Limite de resistência: O limite de resistência à tração (algumas vezes representada pela sigla LRT) é a tensão no ponto máximo do gráfico de tensão deformação de engenharia, a qual corresponde à tensão máxima que pode ser sustentada por uma estrutura sob tração. Observando o gráfico ainda da figura 2, após o escoamento a tensão necessária para continuar o processo de deformação plástica em materiais metálicos aumenta até alcançar um valor máximo e a partir desse ponto, a tensão diminui até a fratura do material. Isso ocorre devido à rápida diminuição da seção resistente do corpo de prova ao se ultrapassar a tensão máxima, sendo expressa pela equação:

Equação 2:
σ = F / A0

Onde F é a força ou carga instantânea aplicada em uma direção ortogonal à seção reta (A0) e A0 representa a área da seção do corpo de prova (antes da aplicação da força).

Ductilidade: Representa uma medida do grau de deformação plástica que o material suportou até a fratura. Um material que experimenta uma deformação plástica muito pequena ou mesmo nenhuma quando da sua fratura é chamado de frágil. A ductilidade pode ser expressa quantitativamente tanto pelo alongamento percentual como pela redução de área percentual. Pode-se obter o alongamento percentual AL% da seguinte maneira:

Equação 3:
AL% = (Lf – L0/L0) * 100

onde Lf representa o comprimento da porção útil do corpo de prova no momento da fratura e L0 o comprimento útil original. Um conhecimento da ductilidade dos materiais é importante, pois dá uma indicação do grau segundo o qual uma estrutura irá se deformar plasticamente antes de fraturar, além de especificar o grau de deformação permissível durante operações de fabricação.

Tenacidade: A Tenacidade representa uma medida da capacidade de um material em absorver energia até a fratura. Esta é uma propriedade desejável para casos de peças sujeitas a choques e impactos, como engrenagens, correntes etc., portanto, a geometria do corpo de prova, bem como a maneira como a carga é aplicada, são fatores importantes nas determinações de tenacidade. Além disso, a tenacidade à fratura é uma propriedade indicativa da resistência do material à fratura quando este possui uma trinca.

Resiliência: É definida como a capacidade de um material absorver energia quando é deformado elasticamente, e após o descarregamento recuperar essa energia. Os materiais resilientes são aqueles que possuem limites de escoamento elevados e módulos de elasticidade pequenos, normalmente ligas onde são utilizadas na fabricação de molas. Pode ser representada pela seguinte equação:

Equação 4:
Uf = (σ esc^2) / 2ε

Onde o módulo de resiliência Uf relaciona a tensão de escoamento (σ esc) com o módulo de elasticidade.

Encruamento: O encruamento é um fenômeno modificativo da estrutura dos metais, em que a deformação plástica causará o endurecimento e aumento de resistência do metal. O encruamento de um metal pode ser definido então como sendo o seu endurecimento por deformação plástica.

Estricção ou Empescoçamento: Pode ser entendido como uma “formação de pescoço” ou “estiramento” que ocorre quando o aumento da dureza por encruamento é menor que a tensão aplicada e o material sofre uma grande deformação. Fica localizado na região em uma seção reduzida em que grande parte da deformação se concentra.

Coeficiente de Poisson: o coeficiente de Poisson (ν) é um parâmetro resultante da razão entre as deformações lateral e axial. Uma vez que as deformações laterais e a deformação axial sempre terão sinais opostos, o sinal negativo foi incluído nesta relação para que ν seja sempre um número positivo. O coeficiente de Poisson mede a rigidez do material na direção perpendicular à direção de aplicação da carga uniaxial. Os valores de ν para diversos metais estão entre 0,25 e 0,35 e no máximo 0,50. O coeficiente de Poisson é definido então como sendo o valor positivo ν que satisfaz a relação:

Equação 5:
V = – (εx/εz)= 
– (εy/εz)

Onde 𝜀 é representado a extensão lateral ou transversal, e a extensão segundo a direção do esforço uniaxial aplicado.

Ensaio de tração típico em metais:

Considerando agora um ensaio de tração típico para aços (Figura 3), inicialmente, ocorre deformação elástica, ou seja, a tensão e deformação tendem a aumentar linearmente e quando a carga é retirada o corpo poderia relaxar as tensões e retomar à sua forma original, dessa região do gráfico é possível obter-se o módulo de elasticidade do material, que é proporcional a rigidez do material.

Prosseguindo o ensaio, há um ponto em que o corpo entra no regime plástico de deformação, esse ponto é denominado limite de proporcionalidade (B), isto é, o alongamento é permanente. Em seguida, o corpo deforma-se até que a tensão limite de resistência seja atingida (C), onde se inicia a estricção. Por fim, o ensaio segue até a ruptura do corpo (D).

Figura 3 – Gráfico de Tensão deformação de um ensaio de tração

Além das propriedades mecânicas, através da curva é possível avaliar a resiliência e tenacidade de um material, em outras palavras, a capacidade de um material absorver energia no regime elástico e plástico, respectivamente. Ainda, através da análise macroscópica da fratura, do perfil das regiões do gráfico e das normas técnicas é possível classificar um material em dúctil ou frágil.

Na Figura 4 são apresentado os Ensaios de tração típicos para materiais dúcteis e frageis, sendo que os Materiais dúcteis tendem a apresentar grande deformação plástica, ocorrendo estricção no corpo de prova durante o ensaio, esse é o caso do cobre, aços baixo carbono ou da maioria dos polímeros. No caso de materiais frágeis, ocorre pouca ou nenhuma deformação plástica, pois o material armazena toda a energia aplicada para deformá-lo e fratura catastroficamente, isso ocorre com ferro fundido cinzento, aço temperado e materiais cerâmicos.

A forma e a magnitude do gráfico de tensão deformação de um metal dependerão da sua composição, tratamento térmico, histórico prévio de deformação plástica e da taxa de deformação, temperatura, e estado de tensão imposto durante o ensaio.

Quais fatores influenciam no ensaio de tração?

O comportamento de cada material durante o ensaio de tração é resultado da microestrutura, das ligações químicas estabelecidas, bem como dos tratamentos térmicos e das rotas de processamento empregados. Além desses fatores, as condições de ensaio também podem afetar o comportamento de cada material.

Quais são os fatores que podem influenciar nos ensaios e propriedades dos materiais?

Dentre os fatores a serem considerados nos ensaios incluem-se a natureza da carga aplicada, a duração de aplicação dessa carga e as condições ambientais. A carga pode ser de tração, compressão ou cisalhamento, e a sua magnitude pode ser constante ao longo do tempo ou então flutuar continuamente.

Quais propriedades podem ser extraídas de um ensaio de tração explique o que cada propriedade significa?

Rendimento: A deformação de um material sem aumentar a carga aplicada. Limite de resistência à tração: a tensão máxima que um material resiste sob tração. Limite de Ruptura: Onde o material se rompe. Ductilidade: Ductilidade é a capacidade de um material absorver energia sem quebrar.

Quais são as propriedades mecânicas avaliadas em um ensaio de tração?

Nesta aula você aprenderá a interpretar o diagrama tensão-deformação e ficará sabendo quais as propriedades determinadas no ensaio de tração: limite elástico ou de proporcionalidade, limite de escoamento, limite de resistência, limite de ruptura e estricção.