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A curiosa dança do estresse e da deformação: como os materiais se deformam sob pressão?
Na engenharia e na ciência dos materiais, as curvas tensão-deformação são fundamentais para a compreensão do comportamento dos materiais. Esta curva mostra a relação entre tensão e deformação, que é obtida aplicando gradualmente uma carga a uma amostra de material de teste e medindo sua deformação. Essas curvas não apenas ajudam os engenheiros a prever o desempenho do material, mas também revelam propriedades importantes do material, como módulo de Young, resistência ao escoamento e resistência à tração final.
As curvas de tensão e deformação podem revelar as características dos materiais em diferentes estágios de deformação, tornando-as uma ferramenta importante que não pode ser ignorada na comunidade de engenharia.
Definição de curva de tensão e deformação
De modo geral, a curva tensão-deformação representa a relação entre tensão e deformação em qualquer forma de deformação. Essas relações podem ser normais, de cisalhamento ou uma mistura das duas, e podem ser uniaxiais, biaxiais ou multiaxiais, podendo até variar ao longo do tempo. A forma de deformação pode ser compressão, tensão, torção, rotação, etc.
A discussão futura se concentrará principalmente na relação entre a tensão normal axial e a deformação normal axial, que é obtida através de testes de tração. Em muitas situações práticas, diferentes materiais exibirão diferentes curvas de tensão-deformação que refletem o comportamento único do material.
Diferentes estágios da curva tensão-deformação
A curva tensão-deformação de muitos materiais pode ser dividida em vários estágios diferentes, cada estágio apresentando comportamentos diferentes. Tomando como exemplo o aço de baixo carbono, sua curva tensão-deformação à temperatura ambiente mostra os seguintes estágios principais:
Região elástica linear
O primeiro estágio é a região elástica linear. Nesta região a tensão é proporcional à deformação, ou seja, segue a lei de Hawke, e a inclinação desta região é o módulo de Young. Aqui, o material sofre apenas deformação elástica até atingir o início da deformação plástica, e a tensão neste ponto é chamada de limite de escoamento.
Zona de endurecimento por deformação
O segundo estágio é a zona de endurecimento por deformação. Nesta região, à medida que a tensão ultrapassa o limite de escoamento, a tensão aumenta gradativamente até que a chamada resistência à tração máxima seja atingida. Esta região é caracterizada por tensões que aumentam principalmente com a extensão do material. Como o material está sujeito ao endurecimento nesta fase, são necessárias tensões cada vez maiores para superar a resistência interna.
Durante o processo de endurecimento por deformação, a deformação plástica aumenta a densidade de discordância dentro do material, o que terá um impacto significativo no comportamento de deformação subsequente.
Área do pescoço
O terceiro estágio é a área de pescoço. Quando a tensão excede a resistência à tração máxima, a seção transversal local do material encolherá significativamente, formando estrangulamentos. Neste momento, a deformação é irregular e a tensão concentra-se nas partes estreitadas, levando a um desenvolvimento mais rápido do estreitamento e, eventualmente, à fratura. Embora a força de tração seja reduzida neste momento, o endurecimento continua e a tensão real ainda aumenta.
O final da região estreitada representa a ruptura do material, e o alongamento e a redução da seção transversal após a ruptura podem ser calculados para uso pela comunidade de engenharia no projeto de materiais e processos de fabricação.
Classificação de materiais
Com base nas características comuns exibidas pela curva tensão-deformação, podemos dividir aproximadamente os materiais em duas categorias: materiais dúcteis e materiais frágeis.
materiais dúcteis
Materiais dúcteis, como aço estrutural e a maioria dos outros metais, apresentam propriedades de escoamento em temperaturas geralmente normais. A curva tensão-deformação de tais materiais geralmente contém um ponto de escoamento bem definido e exibe uma série de comportamentos de deformação durante o estágio de deformação plástica. A tenacidade de um material dúctil está frequentemente relacionada com a área sob a sua curva tensão-deformação, que é uma indicação da energia absorvida pelo material antes da fratura.
Materiais quebradiços
Materiais frágeis, como ferro fundido, vidro e algumas pedras, apresentam comportamento muito diferente dos materiais dúcteis. Esses materiais muitas vezes não têm um ponto de escoamento bem definido e a fratura ocorre com pouca alteração na taxa de deformação. Sua curva tensão-deformação é geralmente linear e não produz deformação plástica significativa durante o processo de deformação.
Uma característica dos materiais frágeis é que eles tendem a voltar à sua forma original quando quebram, em nítido contraste com a fratura por estrangulamento dos materiais dúcteis.
Compreender como os materiais se comportam sob diferentes tensões é, sem dúvida, fundamental para projetar e selecionar materiais apropriados. Na engenharia aplicada, precisamos nos aprofundar nas propriedades de vários materiais e como eles se comportam em diferentes circunstâncias. Você já se perguntou quais fatores potenciais além da resistência devem ser considerados ao selecionar materiais?
