Resistência ao escoamento: Noções básicas e exemplos

Introdução

Sempre que pensamos na resistência dos materiais - seja o aço usado em um edifício, o alumínio de uma aeronave ou o cobre de um cabo -, a primeira coisa que nos vem à mente é o limite de elasticidade. Essa é uma das propriedades mecânicas mais importantes que os engenheiros consideram ao projetar qualquer coisa que precise suportar cargas sem dobrar ou falhar. Em termos simples, a resistência ao escoamento nos informa sobre o ponto em que um material não se deforma mais elasticamente (retorna à forma inicial), mas começa a se deformar permanentemente. Essa propriedade garante que as pontes não cedam, que as asas dos aviões não se deformem e que os equipamentos não entortem sob estresse.

Noções básicas sobre limite de elasticidade

O que é resistência ao escoamento?

Aresistência aoescoamento é a quantidade de tensão que um material pode resistir antes de começar a se deformar permanentemente. Até o momento, o material está se comportando elasticamente - ele voltará à sua forma original quando a carga for removida. Porém, quando ultrapassa o ponto de escoamento, a deformação é plástica e o material não recupera totalmente sua forma, mesmo quando a carga é removida.

Na ciência e na engenharia de materiais, a resistência ao escoamento é um parâmetro de projeto preocupante. As estruturas e peças são projetadas para ficarem muito abaixo desse valor, onde podem ser usadas para confiabilidade e segurança de longo prazo.

Força de escoamento e resistência à tração

É tentador equiparar o limite de escoamento à resistência à tração, mas eles são empregados para descrever duas fases diferentes do comportamento do material.

- O limite de elasticidade é o início da deformação plástica - o ponto em que o material começa a mudar de forma permanentemente.

- A resistência à tração, por outro lado, é a tensão máxima que o material pode suportar ao ser esticado antes de falhar.

Por exemplo, uma amostra de aço pode começar a ceder a 300 MPa, mas fraturar somente a 600 MPa. Os engenheiros podem fazer previsões sobre como os materiais se comportarão quando estiverem sujeitos a diferentes cargas - elástica, plástica e, por fim, de ruptura - se conhecerem os dois valores.

Deformação elástica vs. plástica

Para entender melhor o limite de elasticidade, é útil imaginar como os materiais se deformam. Abaixo da região elástica, os átomos são temporariamente deslocados de sua posição inicial, mas se recuperam quando a carga é liberada - esticando um elástico. Além do ponto de escoamento, encontra-se a região plástica, onde as ligações atômicas são reformadas ou os deslocamentos se movem dentro da estrutura cristalina. Depois de entrar nessa região, a deformação não pode ser revertida - dobrar um clipe de papel para que ele permaneça dobrado.

Curva de tensão-deformação e diagrama de resistência ao escoamento

A curva de tensão-deformação é a representação mais geral do comportamento do material sob tensão. A curva começa como uma linha reta, representando a deformação elástica. O módulo de elasticidade é o nome dado à inclinação dessa linha. O ponto de rendimento é o local do início do desvio da linearidade.

Para alguns materiais, esse máximo é facilmente reconhecível. Para outros, os projetistas usam um método de compensação (geralmente 0,2% de deformação) para estabelecer adequadamente a resistência ao escoamento. Essa curva não apenas nos informa onde ocorre o escoamento, mas também fornece muitas informações sobre resistência, ductilidade e resistência final.

Fatores que afetam a resistência ao escoamento

Composição do material

A composição química de um material influencia muito sua resistência ao escoamento. A inclusão de elementos de reforço, por exemplo, a adição de carbono ao ferro para produzir aço, ou de titânio ao alumínio, endurece significativamente o material. Os elementos introduzidos vedam o movimento de deslocamento dentro da estrutura cristalina, tornando o material mais difícil de deformar.

Temperatura

A temperatura também desempenha um papel importante. À medida que a temperatura aumenta, a energia é transferida para os átomos e eles podem se mover livremente, o que diminui a resistência do material. Por esse motivo, os metais ficam macios quando aquecidos e endurecem quando resfriados. Para aplicações de alta temperatura, são empregados materiais com resistência constante ao escoamento, como as ligas de titânio.

Processos de fabricação

Métodos de processamento como forjamento, laminação, trabalho a frio e tratamento térmico têm a capacidade de alterar substancialmente a microestrutura de um material. Por exemplo, o trabalho a frio produz deslocamentos que contribuem para a resistência ao escoamento por meio do endurecimento por deformação, enquanto o tratamento térmico pode diminuir o tamanho do grão e aumentar a uniformidade.

Medição da resistência ao escoamento

A resistência ao escoamento é geralmente medida por um teste de tração. No teste, um corpo de prova é puxado lentamente e a tensão e a deformação são registradas. A curva de tensão-deformação resultante permite que os engenheiros determinem o ponto de escoamento.

É padronizado - as peças de teste são criadas com tamanhos exatos, puxadas a taxas controladas e visualizadas com exatidão. São informações críticas necessárias para qualificar materiais para os setores de construção, aeroespacial, automotivo e outros setores relacionados à segurança.

Aplicações da resistência ao escoamento

A resistência ao escoamento não é um resultado de teste - é um conceito de projeto no mundo real.

-Construção civil: O aço e o concreto reforçado são fabricados para permanecer abaixo de sua resistência ao escoamento na carga máxima, de modo que os edifícios e as pontes sejam seguros e duráveis.

-Automotivo: As estruturas e os componentes automotivos devem resistir a vibrações, choques e tensões repetidas sem deformação permanente.

-Aeroespacial: Os materiais para aeronaves, geralmente ligas de alumínio ou titânio, devem manter sua resistência em altas altitudes e temperaturas.

- Eletrônicos: Até mesmo componentes pequenos, como conectores ou molas, dependem da resistência ao escoamento para manter a forma e a pressão de contato ao longo do tempo.

Tabela comparativa de materiais comuns

Esses valores indicam a faixa de resistência dos materiais típicos de engenharia. O titânio apresenta uma alta relação entre resistência e peso, enquanto o aço apresenta um equilíbrio constante entre custo, resistência e ductilidade.

Para obter mais informações sobre materiais e materiais técnicos, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

Conclusão

De modo geral, o limite de escoamento é mais do que uma peça de matemática mecânica - é uma ideia intrínseca que liga a ciência dos materiais e o projeto de engenharia. Da formação de asas de avião à construção de arranha-céus e à produção de microchips, saber como e quando os materiais cedem ajuda as inovações a permanecerem seguras e fortes.

Perguntas frequentes

Qual é a diferença entre limite de elasticidade e resistência à tração?

A resistência ao escoamento é o início da deformação permanente, enquanto a resistência à tração é o limite de fratura por tensão.

Por que a resistência ao escoamento é importante na engenharia?

Porque ele garante que um componente possa suportar as cargas aplicadas sem danos permanentes, o que é essencial para a segurança e o desempenho.

Como o limite de elasticidade é definido?

Por meio de um teste de tração, em que um corpo de prova é esticado até o ponto em que começa a se deformar plasticamente e a tensão associada é registrada.

A resistência ao escoamento pode ser aprimorada.

Sim - o rendimento é aprimorado por meio de liga, tratamento térmico, trabalho a frio ou outra alteração microestrutural.

A temperatura afeta o limite de escoamento?

Sim. Temperaturas mais altas tendem a reduzir o limite de escoamento, mas temperaturas mais baixas o aumentam.