Estresse
Qualquer componente, por mais simples ou complexo que seja, precisa transmitir ou suportar uma carga mecânica de algum tipo. A carga pode ser de um dos seguintes tipos: uma carga aplicada de forma constante (carga "morta"); uma carga que flutua, com mudanças lentas ou rápidas de magnitude (carga "viva"); uma carga aplicada de repente (carga de "choque"); ou uma carga devido a algum tipo de impacto. O estresse é uma forma de carga que pode ser aplicada a um componente.
Definição de Estresse
Quando um metal é submetido a uma carga (força), ele é distorcido ou deformado, independentemente da resistência do metal ou da leveza da carga. Se a carga for pequena, a distorção provavelmente desaparecerá quando a carga for removida. A intensidade, ou grau, de distorção é conhecida como deformação. Se a distorção desaparecer e o metal retornar às suas dimensões originais após a remoção da carga, a deformação é chamada de deformação elástica. Se a distorção não desaparecer e o metal permanecer deformado, o tipo de deformação é chamado de deformação plástica. A deformação é discutida em mais detalhes em outro artigo da saVRee.
Quando uma carga é aplicada ao metal, a própria estrutura atômica é deformada, sendo comprimida, distorcida ou estendida no processo. Os átomos que compõem um metal estão dispostos em um certo padrão geométrico, específico para aquele metal ou liga particular, e são mantidos nesse padrão por forças interatômicas. Quando assim dispostos, os átomos estão em seu estado de energia mínima e tendem a permanecer nesse arranjo. Deve-se realizar trabalho no metal (ou seja, energia deve ser adicionada) para distorcer o padrão atômico (trabalho é igual à força vezes a distância que a força se move).
Estresse é a resistência interna, ou contra-força, de um material aos efeitos distorcedores de uma força ou carga externa. Essas contra-forças tendem a retornar os átomos às suas posições normais. A resistência total desenvolvida é igual à carga externa. Essa resistência é conhecida como estresse.
Embora seja impossível medir a intensidade desse estresse diretamente, a carga externa e a área à qual ela é aplicada podem ser medidas. O estresse (σ) pode ser definido como a carga por unidade de área ou a força (F) aplicada por área de seção transversal (A) perpendicular à força, conforme mostrado na equação abaixo.
onde:
σ = estresse (psi ou lbs de força por in.2)
F = força aplicada (lbs)
A = área de seção transversal (in.2)
Nota
A unidade imperial de força é libra-força (lbf), que é diferente de libra-massa (lb) dependendo do efeito da gravidade. No planeta Terra, libra-força é quase exatamente a mesma que libra-massa. Para simplicidade, unidades de libra-massa (lb) serão usadas para todos os cálculos mostrados.
A unidade métrica SI de força é o Newton. O estresse é expresso em Newtons por metro quadrado (N/m2).
Tipos de Estresse
Estresses ocorrem em qualquer material que esteja sujeito a uma carga ou qualquer força aplicada. Existem muitos tipos de estresses, mas todos podem ser geralmente classificados em uma das seis categorias: estresses residuais, estresses estruturais, estresses de pressão, estresses de fluxo, estresses térmicos e estresses de fadiga.
Estresses Residuais
Estresses residuais são devidos aos processos de fabricação que deixam estresses em um material. A soldagem deixa estresses residuais nos metais soldados.
Estresses Estruturais
Estresses estruturais são estresses produzidos em membros estruturais devido aos pesos que suportam. Os pesos fornecem as cargas. Esses estresses são encontrados em fundações e estruturas de edifícios, bem como em partes de máquinas.
Estresses de Pressão
Estresses de pressão são estresses induzidos em recipientes contendo materiais pressurizados. A carga é fornecida pela mesma força que produz a pressão.
Estresses de Fluxo
Estresses de fluxo ocorrem quando uma massa de fluido em movimento induz uma pressão dinâmica na parede de um conduto. A força do fluido atingindo a parede atua como a carga. Este tipo de estresse pode ser aplicado de forma instável quando as taxas de fluxo flutuam. Um cenário de golpe de aríete é um exemplo de estresse de fluxo transitório.
Estresses Térmicos
Estresses térmicos existem sempre que há gradientes de temperatura em um material. Diferentes temperaturas produzem diferentes expansões e sujeitam os materiais a estresses internos. Este tipo de estresse é particularmente notável em mecanismos que operam em altas temperaturas e são resfriados por um fluido frio.
Estresses de Fadiga
Estresses de fadiga são devidos à aplicação cíclica de um estresse. Os estresses podem ser devido a vibração ou ciclagem térmica.
A importância de todos os estresses é aumentada quando os materiais que os suportam são defeituosos. Defeitos tendem a adicionar estresse adicional a um material. Além disso, quando as cargas são cíclicas ou instáveis, os estresses podem afetar um material de forma mais severa. Os estresses adicionais associados a defeitos e carga cíclica podem exceder o estresse necessário para que um material falhe.
Tipos de Estresse Aplicado
A intensidade do estresse dentro do corpo de um componente é expressa como um dos três tipos básicos de carga interna. Eles são conhecidos como tensivo, compressivo e corte. A imagem abaixo ilustra os diferentes tipos de estresse. Matematicamente, existem apenas dois tipos de carga interna porque o estresse tensivo e o compressivo podem ser considerados as versões positiva e negativa do mesmo tipo de carga normal.
No entanto, no design mecânico, a resposta dos componentes às duas condições pode ser tão diferente que é melhor, e mais seguro, considerá-los como tipos separados.
Como ilustrado na imagem abaixo, o plano de um estresse tensivo ou compressivo está perpendicular ao eixo de operação da força da qual se origina. O plano de um estresse de corte está no plano do sistema de força do qual se origina. É essencial manter essas diferenças bem claras tanto na mente quanto no modo de expressão.
Tipos de Estresse Aplicado
Estresse Tensivo
Estresse tensivo é um tipo de estresse em que as duas seções de material em cada lado de um plano de estresse tendem a se separar ou alongar, conforme ilustrado na imagem acima (Tensivo).
Estresse Compressivo
Estresse compressivo é o inverso do estresse tensivo. Partes adjacentes do material tendem a pressionar umas contra as outras através de um plano de estresse típico, conforme ilustrado na imagem acima (Compressivo).
Estresse de Corte
Estresse de corte existe quando duas partes de um material tendem a deslizar uma sobre a outra em qualquer plano típico de corte sob aplicação de força paralela a esse plano, conforme ilustrado na imagem acima (Corte).
A avaliação das propriedades mecânicas é feita abordando os três tipos básicos de estresse. Porque cargas tensivas e compressivas produzem estresses que atuam através de um plano, em uma direção perpendicular (normal) ao plano, estresses tensivos e compressivos são chamados de estresses normais. As designações abreviadas são as seguintes.
Para estresses tensivos: "+SN" (ou "SN") ou "σ" (sigma)
Para estresses compressivos: "-SN" ou "-σ" (menos sigma)
A capacidade de um material de reagir ao estresse compressivo ou pressão é chamada de compressibilidade. Por exemplo, metais e líquidos são incompressíveis, mas gases e vapores são compressíveis. O estresse de corte é igual à força dividida pela área da face paralela à direção em que a força atua, conforme mostrado na imagem anterior (Corte).
Dois tipos de estresse podem estar presentes simultaneamente em um plano, desde que um dos estresses seja de corte. Sob certas condições, diferentes combinações de tipos básicos de estresse podem estar presentes simultaneamente no material. A parede de um vaso de pressão tem estresse tensivo em vários locais devido à temperatura e pressão do fluido atuando na parede. O estresse compressivo é aplicado do lado de fora em outros locais da parede devido à pressão externa, temperatura e constrição dos suportes associados ao vaso. Nessa situação, os estresses tensivos e compressivos são considerados estresses principais. Se presente, o estresse de corte atuará em um ângulo de 90° em relação ao estresse principal.
Resumo
As informações importantes deste capítulo estão resumidas abaixo.
Resumo do Estresse
- Estresse é a resistência interna de um material aos efeitos distorcedores de uma força ou carga externa.
- Existem três tipos de estresse:
Estresse tensivo é um tipo de estresse em que as duas seções de material em cada lado de um plano de estresse tendem a se separar ou alongar.
Estresse compressivo é o inverso do estresse tensivo. Partes adjacentes do material tendem a pressionar umas contra as outras.
Estresse de corte existe quando duas partes de um material tendem a deslizar uma sobre a outra sob aplicação de força paralela a esse plano.
- Compressibilidade é a capacidade de um material de reagir ao estresse compressivo ou pressão.