Diagrama Tensão Deformação dos materiais: principais conceitos

Introdução

O diagrama tensão-deformação é uma ferramenta essencial para entender o comportamento mecânico de materiais quando submetidos a uma carga. Ele permite avaliar como um material se deforma e resiste à tensão aplicada. Neste artigo, exploraremos em detalhes o conceito do diagrama tensão-deformação e analisaremos suas características para metais, polímeros, cerâmicas e compósitos.

1. O Conceito do Diagrama Tensão-Deformação

O diagrama tensão-deformação é uma representação gráfica da relação entre a tensão aplicada a um material e a deformação resultante. A tensão é definida como a carga aplicada por unidade de área, enquanto a deformação é a medida da mudança de forma do material em resposta à tensão aplicada.

A análise do diagrama tensão-deformação permite identificar as propriedades mecânicas de um material, incluindo elasticidade, resistência e capacidade de deformação plástica. É uma ferramenta valiosa na engenharia de materiais, pois fornece informações cruciais para o projeto e a seleção de materiais em diversas aplicações.

O diagrama tensão-deformação é construído com base em testes de tração, nos quais uma amostra do material é submetida a uma força de tração gradualmente crescente até a falha. Durante o teste, são registradas as mudanças na carga aplicada e na deformação do material.

2. Diagrama Tensão-Deformação para Metais

A partir do gráfico de tensão deformação dos materiais metálicos podemos descrever os parâmetros mais 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).

Considerando agora um ensaio de tração típico para aços, 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 1 – 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 1, 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:

Módulo de elasticidade (ou módulo de Young) é dado pela razão entre a tensão aplicada em um material pela sua deformação. O módulo de elasticidade é preferencialmente obtido na fase elástica do material, ou seja, na fase em que se aplica uma tensão no material que tende a se deformar e quando esta tensão é interrompida o material volta a seu estado inicial.

Podemos obter o módulo de elasticidade através da 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).

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.

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.

2.1 Comportamento Elástico

No início do diagrama tensão-deformação para metais, a deformação é proporcional à tensão aplicada, caracterizando a região elástica. Os metais exibem um comportamento elástico, o que significa que retornam à sua forma original quando a carga é removida. A inclinação dessa região é conhecida como módulo de elasticidade ou módulo de Young.

2.2 Limite de Escoamento

À medida que a tensão aplicada aumenta, o material atinge um ponto chamado limite de escoamento. Nesse ponto, o metal sofre uma deformação permanente, mesmo após a remoção da carga. O limite de escoamento é uma medida da resistência do material à deformação plástica.

2.3 Região de Encruamento

Após o limite de escoamento, o material entra na região de encruamento. Nessa região, a tensão necessária para continuar a deformação aumenta gradualmente. A resistência do material aumenta, tornando-o mais rígido.

2.4 Fratura e Falha

Se a tensão aplicada continuar a aumentar, o metal eventualmente atingirá seu ponto de fratura. A fratura ocorre quando a tensão aplicada excede a resistência do material. A forma da curva no diagrama tensão-deformação pode variar dependendo do tipo de metal e das características específicas de sua estrutura.

2.4.1 Fratura Dúctil

Alguns metais exibem um comportamento de fratura dúctil, onde a deformação antes da falha é acompanhada de considerável deformação plástica. A fratura dúctil é caracterizada pela formação de pescoço na amostra e pela presença de deformações significativas antes da falha final.

2.4.2 Fratura Frágil

Outros metais podem apresentar um comportamento de fratura frágil, onde a falha ocorre sem uma deformação plástica significativa. A fratura frágil é caracterizada por uma falha súbita e sem aviso prévio, com pouca ou nenhuma deformação plástica antes da falha.

2.5 Exemplos de Metais e seus Diagramas Tensão-Deformação

Aço Estrutural

O aço estrutural é amplamente utilizado na indústria da construção civil devido à sua alta resistência e ductilidade. Seu diagrama tensão-deformação apresenta uma região elástica inicial, seguida por uma região plástica com um platô, onde a deformação é acompanhada por um aumento gradual da tensão. A fratura dúctil é observada antes da falha final.

Alumínio

O alumínio é conhecido por sua leveza e alta condutividade térmica. Seu diagrama tensão-deformação exibe uma região elástica seguida por uma região plástica e um platô. A fratura dúctil é comumente observada antes da falha final, tornando-o adequado para aplicações que exigem boa conformabilidade.

Cobre

O cobre é amplamente utilizado em aplicações elétricas e térmicas devido à sua excelente condutividade. Seu diagrama tensão-deformação mostra uma região elástica inicial, seguida por uma região plástica e um platô. A fratura dúctil é comum antes da falha final.

Titânio

O titânio é conhecido por sua alta resistência e baixa densidade. Seu diagrama tensão-deformação exibe uma região elástica inicial, seguida por uma região plástica e um platô. A fratura dúctil é observada antes da falha final, tornando-o adequado para aplicações aeroespaciais e biomédicas.

3. Diagrama Tensão-Deformação para Polímeros

3.1 Comportamento Elástico

Os polímeros também apresentam uma região elástica no diagrama tensão-deformação, semelhante aos metais. No entanto, os polímeros geralmente têm uma inclinação menor nessa região, indicando uma menor rigidez em comparação com os metais.

3.2 Ponto de Ruptura

Ao contrário dos metais, os polímeros não possuem um limite de escoamento bem definido. Em vez disso, eles exibem um ponto de ruptura, que marca a tensão máxima suportada pelo material antes da falha. O ponto de ruptura é uma medida da resistência à tração do polímero.

3.3 Encruamento

Alguns polímeros podem apresentar uma região de encruamento semelhante à dos metais, onde a tensão necessária para continuar a deformação aumenta gradualmente. No entanto, essa região não é tão proeminente nos polímeros como nos metais.

3.4 Fratura e Falha

A fratura em polímeros geralmente ocorre após o ponto de ruptura, quando a tensão aplicada excede a resistência do material. A forma do diagrama tensão-deformação para polímeros pode variar dependendo da estrutura química do polímero e de outros fatores, como a presença de aditivos.

3.4.1 Fratura Cisalhante

Alguns polímeros podem apresentar um modo de fratura conhecido como fratura cisalhante. Esse tipo de fratura ocorre quando o material sofre uma deformação por cisalhamento, com as camadas do polímero escorregando umas sobre as outras. A fratura cisalhante é caracterizada por superfícies de fratura planas e lisas.

3.4.2 Fratura Frágil

Outros polímeros podem apresentar um comportamento de fratura frágil, onde a falha ocorre sem uma deformação plástica significativa. A fratura frágil é caracterizada por uma falha súbita e sem aviso prévio, com superfícies de fratura frágeis e quebradiças.

3.5 Exemplos de Polímeros e seus Diagramas Tensão-Deformação

Polietileno de Alta Densidade (PEAD)

O PEAD é um polímero amplamente utilizado devido à sua resistência química e baixo custo. Seu diagrama tensão-deformação exibe uma região elástica inicial, seguida por uma região plástica com uma curva gradual de aumento da tensão. A fratura ocorre de forma geralmente dúctil, com superfícies de fratura alongadas e fibrilares.

Polimetilmetacrilato (PMMA)

O PMMA, também conhecido como acrílico, é um polímero transparente com boa resistência ao impacto. Seu diagrama tensão-deformação mostra uma região elástica inicial, seguida por uma região plástica. A fratura ocorre de maneira dúctil, com superfícies de fratura fibrosas.

Polietileno Tereftalato (PET)

O PET é um polímero comumente utilizado em garrafas plásticas e embalagens. Seu diagrama tensão-deformação exibe uma região elástica inicial, seguida por uma região plástica. A fratura ocorre de maneira dúctil, com superfícies de fratura fibrilares e algumas características de fratura frágil.

Poliuretano (PU)

O PU é um polímero versátil com propriedades elásticas e de alta resistência ao desgaste. Seu diagrama tensão-deformação apresenta uma região elástica inicial, seguida por uma região plástica com um aumento gradual da tensão. A fratura ocorre principalmente de maneira dúctil, com superfícies de fratura alongadas e fibrilares.

4. Diagrama Tensão-Deformação para Cerâmicas

4.1 Comportamento Elástico

O comportamento elástico das cerâmicas é geralmente limitado, com uma região elástica inicial no diagrama tensão-deformação. No entanto, essa região elástica é muitas vezes pequena e mal definida em comparação com os metais e polímeros. As cerâmicas são caracterizadas por sua alta rigidez e baixa deformação elástica.

4.2 Ponto de Ruptura

As cerâmicas geralmente não apresentam um limite de escoamento bem definido. Em vez disso, elas tendem a falhar abruptamente após atingir um ponto de ruptura. A tensão no ponto de ruptura é uma medida da resistência à tração das cerâmicas.

4.3 Encruamento

Diferentemente dos metais, as cerâmicas não exibem uma região de encruamento pronunciada. A deformação plástica em cerâmicas é geralmente limitada e ocorre principalmente por meio de mecanismos como microfraturamento.

4.4 Fratura e Falha

A fratura em cerâmicas é geralmente causada pela propagação de trincas ou microfissuras no material. Essas trincas podem ser introduzidas durante o processamento ou como resultado de tensões internas. A forma do diagrama tensão-deformação para cerâmicas pode variar dependendo do tipo de cerâmica e das condições de teste.

4.4.1 Fratura Frágil

As cerâmicas são conhecidas por seu comportamento frágil, o que significa que a fratura ocorre sem deformação plástica significativa. A fratura frágil em cerâmicas é caracterizada por uma falha súbita e sem aviso prévio, com superfícies de fratura lisas e sem características de deformação plástica.

4.4.2 Fratura por Cisalhamento

Alguns tipos de cerâmicas podem exibir um comportamento de fratura por cisalhamento, onde a falha ocorre através do deslizamento de planos de cisalhamento. Isso resulta em superfícies de fratura angulares e ásperas.

4.5 Exemplos de Cerâmicas e seus Diagramas Tensão-Deformação

Óxido de Alumínio (Alumina)

A alumina é uma cerâmica amplamente utilizada devido à sua alta resistência ao calor e à abrasão. Seu diagrama tensão-deformação exibe uma região elástica inicial, seguida por uma rápida falha frágil. A fratura ocorre sem deformação plástica significativa, resultando em superfícies de fratura lisas e brilhantes.

Nitreto de Silício (Si3N4)

O nitreto de silício é uma cerâmica com excelente resistência mecânica e térmica. Seu diagrama tensão-deformação mostra uma região elástica inicial, seguida por uma falha frágil. A fratura ocorre sem deformação plástica, resultando em superfícies de fratura lisas e sem características de deformação.

Carbeto de Silício (SiC)

O carbeto de silício é uma cerâmica extremamente dura e resistente. Seu diagrama tensão-deformação apresenta uma região elástica inicial, seguida por uma falha frágil. A fratura ocorre sem deformação plástica significativa, resultando em superfícies de fratura lisas e brilhantes.

Zircônia Parcialmente Estabilizada com Ítria (PSZ)

A zircônia parcialmente estabilizada com ítria é uma cerâmica com alta tenacidade e resistência ao impacto. Seu diagrama tensão-deformação exibe uma região elástica inicial, seguida por uma falha frágil ou uma combinação de fratura frágil e dúctil, dependendo das condições de teste. A fratura pode ser acompanhada de características de deformação plástica localizada.

5. Diagrama Tensão-Deformação para Compósitos

5.1 Comportamento Elástico

Os compósitos são materiais compostos por diferentes fases, como matrizes poliméricas reforçadas com fibras ou partículas. O diagrama tensão-deformação para compósitos geralmente exibe uma região elástica inicial, semelhante aos polímeros. A rigidez e a resistência à tração do compósito dependem das propriedades da matriz e do reforço.

5.2 Limite de Escoamento

Em compósitos, o limite de escoamento pode ser mais difícil de definir do que em materiais homogêneos. Isso ocorre porque o comportamento elástico e plástico do compósito depende das propriedades individuais da matriz e do reforço. O limite de escoamento pode ser determinado pela deformação plástica da matriz ou pela falha do reforço.

5.3 Região de Encruamento

A região de encruamento em compósitos pode variar dependendo das características da matriz e do reforço. Em alguns casos, pode haver uma região de encruamento semelhante à dos metais, enquanto em outros casos, o comportamento plástico pode ser dominado pela deformação da matriz.

5.4 Fratura e Falha

A fratura em compósitos pode ocorrer de diferentes formas, dependendo da interação entre a matriz e o reforço. A forma do diagrama tensão-deformação para compósitos pode variar significativamente com base nas propriedades do reforço, na aderência matriz-reforço e nas características do processo de fabricação.

5.5 Exemplos de Compósitos e seus Diagramas Tensão-Deformação

Fibra de Carbono Reforçada com Matriz de Resina Epóxi

As fibras de carbono reforçadas com matriz de resina epóxi são amplamente utilizadas em aplicações aeroespaciais e automotivas. Seu diagrama tensão-deformação exibe uma região elástica inicial, seguida por uma região plástica ou uma combinação de falha frágil e dúctil, dependendo da aderência entre a fibra e a matriz.

Compósito de Vidro Reforçado com Matriz de Poliéster

Os compósitos de vidro reforçados com matriz de poliéster são comumente utilizados em aplicações de construção civil e indústria naval. Seu diagrama tensão-deformação mostra uma região elástica inicial, seguida por uma região plástica. A fratura pode ocorrer de forma dúctil ou frágil, dependendo da qualidade da interface entre a fibra de vidro e a matriz de poliéster.

Compósito de Aramida Reforçado com Matriz de Poliamida

Os compósitos de aramida reforçados com matriz de poliamida são conhecidos por sua alta resistência ao impacto e baixa densidade. Seu diagrama tensão-deformação exibe uma região elástica inicial, seguida por uma região plástica. A fratura pode ocorrer de forma dúctil ou frágil, dependendo da interação entre as fibras de aramida e a matriz de poliamida.

Compósito de Alumina Reforçado com Partículas de Zircônia

Os compósitos de alumina reforçados com partículas de zircônia são amplamente utilizados em aplicações de engenharia. Seu diagrama tensão-deformação mostra uma região elástica inicial, seguida por uma região plástica. A fratura pode ocorrer de forma dúctil ou frágil, dependendo da aderência entre as partículas de zircônia e a matriz de alumina.

Conclusão

Neste artigo, exploramos em detalhes o conceito do diagrama tensão-deformação e analisamos suas características para diferentes materiais, como metais, polímeros, cerâmicas e compósitos. O diagrama tensão-deformação é uma ferramenta fundamental na engenharia de materiais, permitindo compreender o comportamento mecânico dos materiais quando submetidos a uma carga.

Para os metais, observamos que o diagrama tensão-deformação apresenta uma região elástica inicial, um limite de escoamento, uma região de encruamento e diferentes modos de fratura, como fratura dúctil e frágil. Os polímeros, por sua vez, exibem uma região elástica, um ponto de ruptura e características de fratura dúctil ou frágil.

As cerâmicas mostram uma região elástica limitada, uma falha frágil e baixa deformação plástica. Os compósitos, que são materiais compostos por diferentes fases, apresentam um comportamento elástico semelhante ao dos polímeros, mas suas propriedades dependem das características individuais da matriz e do reforço. O diagrama tensão-deformação para compósitos pode variar significativamente, com diferentes modos de fratura e comportamento plástico.

Compreender o diagrama tensão-deformação é essencial para selecionar e projetar materiais adequados para diferentes aplicações. A análise desse diagrama permite identificar as propriedades mecânicas dos materiais, incluindo elasticidade, resistência e capacidade de deformação plástica. Além disso, é importante considerar fatores como a composição química, a microestrutura, a aderência matriz-reforço e as condições de teste ao analisar o diagrama tensão-deformação.

Em resumo, o estudo do diagrama tensão-deformação é de suma importância na engenharia de materiais. Ele fornece informações cruciais para o projeto e a seleção de materiais, auxiliando no desenvolvimento de produtos mais seguros, duráveis e eficientes. Ao compreender o comportamento mecânico dos materiais, podemos otimizar sua utilização e garantir o desempenho desejado em uma ampla gama de aplicações industriais.

FAQs

O que é o diagrama tensão-deformação?
O diagrama tensão-deformação é uma representação gráfica que mostra a relação entre a tensão aplicada a um material e a deformação resultante. Ele é utilizado para compreender o comportamento mecânico dos materiais.

Quais são os materiais abordados no artigo?
O artigo aborda os seguintes materiais: metais, polímeros, cerâmicas e compósitos.

O que é o comportamento elástico em um diagrama tensão-deformação?
O comportamento elástico é a região inicial do diagrama em que o material retorna à sua forma original quando a tensão é removida. Nessa região, a deformação é reversível.

O que é o limite de escoamento?
O limite de escoamento é a tensão máxima que um material pode suportar antes de sofrer deformação plástica permanente. É um indicador da resistência do material à deformação.

Quais são os modos de fratura observados nos materiais estudados?
Nos materiais estudados, podem ocorrer fraturas dúctil e frágil. A fratura dúctil envolve uma deformação plástica significativa antes da falha, enquanto a fratura frágil ocorre sem deformação plástica notável.

Como os compósitos diferem dos outros materiais abordados?
Os compósitos são materiais compostos por diferentes fases, como matrizes poliméricas reforçadas com fibras ou partículas. Eles apresentam um comportamento mecânico que depende das propriedades individuais da matriz e do reforço.

Qual é a importância do diagrama tensão-deformação na engenharia de materiais?
O diagrama tensão-deformação é fundamental na seleção e no projeto de materiais para diversas aplicações. Ele fornece informações sobre a elasticidade, resistência e deformação plástica dos materiais, auxiliando no desenvolvimento de produtos mais seguros e eficientes.

Quais são os principais fatores a serem considerados ao analisar um diagrama tensão-deformação?
Ao analisar um diagrama tensão-deformação, é importante considerar fatores como a composição química do material, a microestrutura, a aderência matriz-reforço (no caso de compósitos) e as condições de teste utilizadas.

Como o conhecimento do diagrama tensão-deformação pode otimizar a seleção de materiais?
O conhecimento do diagrama tensão-deformação permite selecionar materiais com propriedades mecânicas adequadas para uma determinada aplicação, garantindo que o material escolhido seja capaz de suportar as cargas e condições de serviço específicas.

Onde posso obter mais informações sobre o diagrama tensão-deformação e os materiais abordados?
Você pode buscar informações adicionais em livros e publicações científicas especializadas em engenharia de materiais. Consultar profissionais e pesquisadores na área também pode fornecer insights valiosos.