Propriedades Físicas
Os materiais são selecionados para várias aplicações com base em suas propriedades físicas e químicas. Este artigo discute as diversas propriedades físicas dos materiais.
Resistência
Resistência é a capacidade de um material de resistir à deformação. A resistência de um componente é geralmente avaliada com base na carga máxima que pode ser suportada antes que ocorra falha. Sob compressão simples, a carga na fratura será a máxima aplicável sobre uma área significativamente ampliada em comparação com a área da seção transversal sem carga.
Essa dificuldade pode ser superada utilizando uma imagem de tensão nominal para tração e cisalhamento. Isso é determinado dividindo a carga máxima relevante pela área original da seção transversal do componente. Assim, a resistência de um material é a tensão nominal máxima que pode suportar. A tensão nominal é referida ao citar a "resistência" de um material e é sempre qualificada pelo tipo de tensão, como resistência à tração, resistência à compressão ou resistência ao cisalhamento.
Para a maioria dos materiais estruturais, a dificuldade em determinar a resistência à compressão pode ser superada substituindo o valor da resistência à tração pela resistência à compressão. Essa substituição é uma suposição segura, pois a resistência nominal à compressão é sempre maior que a resistência nominal à tração, porque a seção transversal efetiva aumenta na compressão e diminui na tração.
Quando uma força é aplicada a um metal, camadas de átomos dentro da estrutura cristalina se movem em relação a camadas adjacentes de átomos. Esse processo é chamado de deslizamento. As fronteiras de grão tendem a impedir o deslizamento. Quanto menor o tamanho do grão, maior a área da fronteira de grão. Diminuir o tamanho do grão por meio de trabalho a frio ou trabalho a quente do metal do metal tende a retardar o deslizamento e, assim, aumentar a resistência do metal. O trabalho a frio e a quente são discutidos na próxima seção.
Resistência à Tração Última
A resistência à tração última (UTS) é a resistência máxima à fratura. É equivalente à carga máxima que pode ser suportada por uma polegada quadrada de área de seção transversal (ou um metro quadrado) quando a carga é aplicada como tração simples. É expressa em libras por polegada quadrada ou Newtons por metro quadrado.
psi ou N/m2
Se a curva completa de tensão-deformação estiver disponível, a resistência à tração última aparece como o valor da coordenada de tensão do ponto mais alto da curva. Materiais que se alongam muito antes de quebrar sofrem uma redução tão grande da área da seção transversal que o material suportará menos carga nas etapas finais do teste. Uma diminuição acentuada na seção transversal é chamada de "estrangulamento". A resistência à tração última é frequentemente abreviada para "resistência à tração" ou até mesmo para "a última". "Resistência última" é às vezes usada, mas pode ser enganosa e, portanto, não é usada em algumas disciplinas.
Resistência ao Escoamento
Vários termos foram definidos para identificar a tensão na qual a deformação plástica começa. O valor mais comumente usado para esse fim é a resistência ao escoamento. A resistência ao escoamento é definida como a tensão na qual ocorre uma quantidade predeterminada de deformação permanente. A parte gráfica dos estágios iniciais de um teste de tração é usada para avaliar a resistência ao escoamento. Para encontrar a resistência ao escoamento, a quantidade predeterminada de deformação permanente é definida ao longo do eixo de deformação do gráfico, à direita da origem (zero). É indicada na imagem abaixo como Ponto (D).
Uma linha reta é desenhada através do Ponto (D) com a mesma inclinação da parte inicial da curva tensão-deformação. O ponto de interseção da nova linha e da curva tensão-deformação é projetado para o eixo de tensão. O valor da tensão, em libras por polegada quadrada ou Newtons por metro quadrado, é a resistência ao escoamento. É indicada na imagem abaixo como Ponto 3. Este método de plotagem é feito com o propósito de subtrair a deformação elástica da deformação total, deixando o "deslocamento permanente" predeterminado como um restante. Quando a resistência ao escoamento é relatada, a quantidade de deslocamento usada na determinação deve ser declarada. Por exemplo, "Resistência ao Escoamento (com deslocamento de 0,2%) = 51.200 psi."
Curva Tensão-Deformação Típica de Material Frágil
Exemplos de Resistência ao Escoamento
Alguns exemplos de resistência ao escoamento para metais são os seguintes.
Alumínio 3,5 x 104 a 4,5 x 104 psi
Aço inoxidável 4,0 x 104 a 5,0 x 104 psi
Aço carbono 3,0 x 104 a 4,0 x 104 psi
Valores Alternativos
Valores alternativos são às vezes usados em vez da resistência ao escoamento. Vários deles são brevemente descritos abaixo.
- O ponto de escoamento, determinado pelo método do divisor, envolve um observador com um par de divisores observando o alongamento visível entre duas marcas de medição na amostra. Quando ocorre o alongamento visível, a carga naquele instante é registrada, e a tensão correspondente a essa carga é calculada.
- Aço macio, quando testado em tração, frequentemente exibe uma característica peculiar, conhecida como ponto de escoamento. Se a curva tensão-deformação for plotada, uma queda na carga (ou às vezes uma carga constante) é observada, embora a deformação continue a aumentar. Eventualmente, o metal é fortalecido pela deformação, e a carga aumenta com mais deformação. O ponto alto na parte em forma de S da curva, onde o escoamento começou, é conhecido como ponto de escoamento superior, e o ponto mínimo é o ponto de escoamento inferior. Esse fenômeno é muito problemático em certas operações de estampagem profunda de chapas de aço. O aço continua a alongar e a se tornar mais fino em áreas locais onde a deformação plástica se inicia, deixando depressões indesejáveis chamadas de marcas de estiramento ou "vermes".
- O limite proporcional é definido como a tensão na qual a curva tensão-deformação primeiro se desvia de uma linha reta. Abaixo desse valor limite de tensão, a razão entre tensão e deformação é constante, e o material é dito obedecer à Lei de Hooke (tensão é proporcional à deformação). O limite proporcional geralmente não é usado em especificações porque a desvio começa tão gradualmente que controvérsias certamente surgirão quanto à tensão exata na qual a linha começa a curvar.
- O limite elástico foi previamente definido como a tensão na qual a deformação plástica começa. Este limite não pode ser determinado a partir da curva tensão-deformação. O método de determinação do limite teria que incluir uma sucessão de cargas ligeiramente crescentes com descarregamento completo intermediário para a detecção da primeira deformação plástica ou "deformação permanente". Como o limite proporcional, sua determinação resultaria em controvérsia. O limite elástico é usado, no entanto, como um termo descritivo e qualitativo.
Em muitas situações, a resistência ao escoamento é usada para identificar a tensão permitida à qual um material pode ser submetido. No entanto, para componentes que precisam suportar altas pressões, esse critério não é totalmente adequado e outros fatores devem ser considerados (tópicos além do escopo deste texto).
Ductilidade
A porcentagem de alongamento relatada em um teste de tração é definida como o alongamento máximo do comprimento da medição dividido pelo comprimento original da medição. A medição é determinada conforme mostrado na próxima imagem.
Medição do Alongamento Após a Fratura
A redução de área é a redução proporcional da área da seção transversal de uma peça de teste de tração, no plano de fratura, medida após a fratura.
A redução de área é relatada como informação adicional (à porcentagem de alongamento) sobre as características de deformação do material. Os dois são usados como indicadores de ductilidade, a capacidade de um material de ser alongado em tração. Como o alongamento não é uniforme em todo o comprimento da medição e é maior no centro do estrangulamento, a porcentagem de alongamento não é uma medida absoluta de ductilidade. Por causa disso, o comprimento da medição deve sempre ser declarado quando a porcentagem de alongamento é relatada. A redução de área, sendo medida no diâmetro mínimo do estrangulamento, é um melhor indicador de ductilidade.
Ductilidade é mais comumente definida como a capacidade de um material de se deformar facilmente sob a aplicação de uma força de tração, ou como a capacidade de um material de suportar deformação plástica sem ruptura. A ductilidade também pode ser pensada em termos de flexibilidade e compressibilidade. Materiais dúcteis mostram grande deformação antes da fratura. A falta de ductilidade é frequentemente chamada de fragilidade. Normalmente, se dois materiais têm a mesma resistência e dureza, aquele que tem maior ductilidade é mais desejável. A ductilidade de muitos metais pode mudar se as condições forem alteradas. Um aumento na temperatura aumentará a ductilidade. Uma diminuição na temperatura causará uma diminuição na ductilidade e uma mudança de comportamento dúctil para frágil.
O trabalho a frio também tende a tornar os metais menos dúcteis. O trabalho a frio é realizado em uma região de temperatura e durante um intervalo de tempo para obter deformação plástica, mas não aliviando o encruamento. Pequenas adições de impurezas aos metais, seja de forma deliberada ou não intencional, podem ter um efeito marcante na mudança de comportamento dúctil para frágil. O aquecimento de um metal trabalhado a frio para, ou acima, da temperatura na qual os átomos do metal retornam às suas posições de equilíbrio aumentará a ductilidade desse metal; esse processo é chamado de recozimento.
A ductilidade é desejável em aplicações de alta temperatura e alta pressão devido às tensões adicionais nos metais; alta ductilidade ajuda a prevenir fraturas frágeis.
Maleabilidade
Onde a ductilidade é a capacidade de um material de se deformar facilmente sob a aplicação de uma força de tração, maleabilidade é a capacidade de um metal de exibir grande deformação ou resposta plástica quando submetido a força compressiva. A força compressiva uniforme causa deformação da maneira mostrada na imagem abaixo. O material contrai-se axialmente com a força e expande-se lateralmente. A restrição devido ao atrito nas faces de contato induz tensão axial no exterior. As forças de tração operam ao redor da circunferência com a expansão lateral ou aumento do perímetro. O fluxo plástico no centro do material também induz tensão.
Deformação Maleável de um Cilindro Sob Compressão Axial Uniforme
Portanto, o critério de fratura (ou seja, o limite de deformação plástica) para um material plástico provavelmente dependerá mais da tensão de tração do que da tensão compressiva. A mudança de temperatura pode modificar tanto o modo de fluxo plástico quanto o modo de fratura.
Tenacidade
A qualidade conhecida como tenacidade descreve como um material reage sob impactos súbitos. É definida como o trabalho necessário para deformar uma polegada cúbica (unidades métricas são joule por metro cúbico) de metal até que ele frature. A tenacidade é medida pelo teste de Charpy ou pelo teste de Izod.
Ambos os testes usam uma amostra entalhada. A localização e a forma do entalhe são padrão. Os pontos de suporte da amostra, bem como o impacto do martelo, devem manter uma relação constante com a localização do entalhe.
Equipamento de Teste de Charpy
Os testes são realizados montando as amostras conforme mostrado na imagem acima e permitindo que um pêndulo de peso conhecido caia de uma altura definida. A energia máxima desenvolvida pelo martelo é de 120 ft-lb (163 N/m) no teste de Izod e 240 ft-lb (325 N/m) no teste de Charpy. Ao calibrar adequadamente a máquina, a energia absorvida pela amostra pode ser medida a partir do balanço ascendente do pêndulo após ter fraturado a amostra de material, conforme mostrado na imagem abaixo. Quanto maior a quantidade de energia absorvida pela amostra, menor será o balanço ascendente do pêndulo, e mais resistente será o material.
Teste de Tenacidade do Material
A indicação de tenacidade é relativa e aplicável apenas a casos que envolvem exatamente esse tipo de amostra e método de carregamento. Uma amostra de forma diferente produzirá um resultado totalmente diferente. Os entalhes são usados para confinar a deformação a um pequeno volume de metal. Na verdade, é a forma do metal, além da composição do material, que determina a tenacidade do material.
Dureza
Dureza é a propriedade de um material que lhe permite resistir à deformação plástica, penetração, indentação e riscos. Portanto, a dureza é importante do ponto de vista da engenharia, pois a resistência ao desgaste por fricção ou erosão, de vapor, óleo e água, geralmente aumenta com a dureza.
Os testes de dureza atendem a uma necessidade importante na indústria, mesmo que não meçam uma qualidade única que possa ser chamada de dureza. Os testes são empíricos, baseados em experimentos e observações, em vez de teoria fundamental. Seu principal valor é como um dispositivo de inspeção, capaz de detectar certas diferenças no material quando surgem, mesmo que essas diferenças possam ser indefiníveis. Por exemplo, dois lotes de material que têm a mesma dureza podem ou não ser iguais, mas se sua dureza for diferente, os materiais certamente não são iguais.
Vários métodos foram desenvolvidos para testes de dureza. Os mais utilizados são Brinell, Rockwell, Vickers, Tukon, Sclerscope e o teste de lima. Os quatro primeiros são baseados em testes de indentação e o quinto na altura de