Diagrama tensão-deformação: como ler o gráfico, pontos, fórmulas e curva verdadeira

O diagrama tensão-deformação é o gráfico da tensão (σ = F/S0) contra a deformação (ε = ΔL/L0) medido no ensaio de tração. Veja como ler cada ponto, as fórmulas, a curva verdadeira, o aço CA-50, o concreto da NBR 6118 e exercícios resolvidos.

Ensaios MecânicosPor Mardoqueu M. Costa
32 min de leitura

O diagrama tensão-deformação é o gráfico da tensão (σ = F / S0) contra a deformação (ε = ΔL / L0) medido no ensaio de tração. Dele saem o módulo de elasticidade, o limite de escoamento, o limite de resistência, o alongamento e a tenacidade do material. É a mesma curva para um aço de construção, um alumínio ou um plástico; o que muda é a forma dela, e a forma diz como o material vai se comportar em serviço.

Resumo em 30 segundos:

  • Eixos: tensão σ = força ÷ área inicial, em MPa; deformação ε = alongamento ÷ comprimento inicial, adimensional ou em %.
  • Leitura: trecho reto (elástico), escoamento, encruamento, ponto máximo, estricção e ruptura.
  • Duas curvas: a de engenharia usa a área inicial e cai depois do ponto máximo; a verdadeira usa a área instantânea e continua subindo.
  • No Brasil: o vergalhão CA-50 é aceito pela curva do ensaio (ABNT NBR 7480:2024), e o projeto usa diagramas idealizados da ABNT NBR 6118:2023.

O que é o diagrama tensão-deformação e como ele é obtido

A curva nasce no ensaio de tração. Uma máquina universal de ensaios prende o corpo de prova entre duas garras e o traciona com velocidade controlada, em geral até a ruptura. Durante o ensaio, a célula de carga mede a força F e o extensômetro, preso ao corpo de prova, mede o alongamento ΔL dentro de um trecho marcado, o comprimento de referência L0. O registro bruto é uma curva de força contra alongamento.

Na foto, um corpo de prova de aço preso nas garras de cunha da máquina universal, com o extensômetro fixado no trecho útil: é desse arranjo que saem a força e o alongamento que formam o diagrama.

Corpo de prova de aço preso nas garras de cunha de uma máquina universal, com extensômetro fixado no trecho útil
Ensaio de tração com extensômetro: a força e o alongamento medidos aqui formam o diagrama tensão-deformação

Essa curva bruta ainda não é uma propriedade do material: um corpo de prova mais grosso precisa de mais força, e um mais comprido alonga mais milímetros. Para comparar ensaios de tamanhos diferentes, o software divide a força pela área inicial da seção, S0, e o alongamento pelo comprimento de referência inicial, L0:

  • Tensão de engenharia: σ = F / S0. Com força em newtons e área em mm², o resultado sai em N/mm², que é o mesmo que MPa.
  • Deformação de engenharia: ε = ΔL / L0 = (L − L0) / L0. É adimensional (mm/mm); multiplicada por 100, fica em %.

Essas são as definições da ASTM E646 e as usadas pela ABNT NBR ISO 6892-1:2024, que fixa o método de tração de metais em temperatura ambiente (de 10 °C a 35 °C). O gráfico de σ no eixo vertical contra ε no eixo horizontal é o diagrama tensão-deformação. O nome "de engenharia" indica que S0 e L0 ficam fixos durante todo o ensaio, mesmo depois que a seção real começa a afinar; essa escolha tem consequências que aparecem mais adiante, na comparação com a curva verdadeira.

A curva separa dois tipos de deformação. A deformação elástica é reversível: some quando a carga é retirada. A deformação plástica é permanente. Pelo tipo de esforço, a deformação pode ser de tração, compressão, cisalhamento ou torção; o diagrama deste artigo é o de tração uniaxial, o mais usado para caracterizar materiais.

Como ler o diagrama tensão-deformação passo a passo

A curva de um metal dúctil, como um aço de baixo carbono, passa por quatro regiões em sequência: elástica, escoamento, encruamento e estricção. O gráfico abaixo mostra essas regiões numa curva típica, com quatro pontos marcados: A, o limite de proporcionalidade, onde a curva deixa de ser reta; B, o limite elástico, logo acima; C, o limite de resistência; e D, a ruptura. Os itens seguintes percorrem a curva da esquerda para a direita.

Curva tensão-deformação de um metal dúctil com as regiões elástica, de escoamento, de encruamento e de estricção e os pontos A (limite de proporcionalidade, fim do trecho reto), B (limite elástico), C (limite de resistência à tração) e D (ruptura)
Diagrama tensão-deformação de um metal dúctil: regiões elástica, de escoamento, de encruamento e de estricção, e os pontos A a D

Região elástica e lei de Hooke

No início da curva, tensão e deformação crescem na mesma proporção. Esse trecho obedece à lei de Hooke, σ = E·ε, e a inclinação da reta é o módulo de elasticidade (ou módulo de Young), E = Δσ / Δε. O módulo mede a rigidez: quanto maior, menos o material deforma sob a mesma tensão. Nos metais ele depende da força das ligações entre os átomos e quase nada da microestrutura; por isso um aço recozido e um temperado têm praticamente o mesmo E, em torno de 207 GPa. Nos aços, esse trecho termina com deformação da ordem de 0,1 % a 0,2 %; numa curva que vai até 25 %, ele fica colado ao eixo vertical, e para ler E é preciso ampliar o início do gráfico.

Enquanto alonga, o corpo de prova também afina. A razão entre a deformação lateral e a axial, com sinal positivo, é o coeficiente de Poisson: ν = −εtransversal / εaxial. Nos metais fica entre 0,25 e 0,35, e o máximo teórico para um material isotrópico é 0,5. Para medi-lo, usa-se um extensômetro axial e outro transversal.

Limite de proporcionalidade e limite elástico

São dois pontos diferentes, e confundi-los é um dos erros mais comuns. O limite de proporcionalidade é o fim do trecho reto: a maior tensão em que σ ainda é proporcional a ε. O limite elástico é a maior tensão que o material suporta sem ficar com deformação permanente depois de descarregado. Um material pode continuar elástico depois de deixar de ser linear: os elastômeros e o concreto são assim.

Nos metais, os dois pontos quase coincidem e são difíceis de medir, porque dependem da sensibilidade do extensômetro. Na figura acima eles aparecem quase sobrepostos: A, onde a curva se separa da reta pontilhada, e B, logo acima. Como a curva pode deixar de ser reta antes de surgir deformação permanente, o limite de proporcionalidade fica, em rigor, igual ou abaixo do limite elástico. Por essa dificuldade de medição, as normas usam como critério o limite de escoamento, explicado a seguir.

Escoamento: patamar ou offset de 0,2 %

O escoamento é o início da deformação plástica, e a tensão em que ele acontece, o limite de escoamento, é a base do projeto estrutural: a peça é dimensionada para trabalhar abaixo dela. A forma de medi-lo depende do material.

Com patamar. Aços de baixo carbono, como o 1020 laminado ou recozido, mostram um patamar: a tensão atinge um pico, o limite superior de escoamento (ReH), cai um pouco e o corpo de prova alonga sem a tensão subir, no limite inferior (ReL). Nesse trecho, faixas de deformação plástica, as bandas de Lüders, percorrem o comprimento útil.

Sem patamar. No alumínio, no cobre, nos aços encruados a frio e na maioria das ligas, a passagem do elástico para o plástico é gradual. Nesse caso, o limite convencional Rp0,2 é obtido pelo método do offset: traça-se uma reta paralela ao trecho elástico partindo de ε = 0,2 % (0,002) no eixo horizontal, e o ponto onde ela corta a curva é o Rp0,2, a tensão que deixa 0,2 % de deformação permanente. O gráfico abaixo mostra a construção com os números do exercício 2, resolvido no fim do artigo: E = 200 GPa e Rp0,2 de cerca de 282 MPa.

Gráfico do método do offset: reta paralela ao trecho elástico deslocada 0,2 % corta a curva do ensaio em Rp0,2 de 282 MPa, com E de 200 GPa
Método do offset de 0,2 %: a paralela ao trecho elástico corta a curva no Rp0,2

Encruamento

Depois do escoamento, a tensão volta a subir com a deformação. Isso é o encruamento: a deformação plástica multiplica as discordâncias, os defeitos lineares cujo movimento produz a deformação, e elas passam a se bloquear umas às outras, de modo que é preciso mais tensão para continuar deformando. É o que eleva o escoamento de um aço trefilado a frio. O encruamento tem uma descrição matemática, a lei de Hollomon, apresentada na seção sobre a curva verdadeira.

Limite de resistência à tração (Rm)

O ponto mais alto da curva de engenharia é o limite de resistência à tração, Rm = Fmáx / S0, o ponto C da figura. Até ele, a deformação se distribui por todo o comprimento útil; a deformação nesse ponto é o alongamento uniforme, Ag. Em norma brasileira de vergalhão aparece com o símbolo fst, e em textos antigos como LR.

O Rm não é a "tensão de ruptura" de um material dúctil: nele a ruptura acontece depois, com tensão de engenharia menor. Só nos materiais frágeis os dois valores coincidem.

Estricção

A partir do Rm, a deformação se concentra numa região do corpo de prova, que afina formando um pescoço: é a estricção, ou empescoçamento. A área nessa região passa a diminuir mais depressa do que o encruamento aumenta a resistência, e a força necessária para continuar alongando cai. Como a curva de engenharia continua dividindo a força por S0, a tensão calculada também cai, embora o material do pescoço continue endurecendo.

Ruptura, alongamento e redução de área

O último ponto da curva, D na figura, é a ruptura. Depois dela se medem as duas medidas de ductilidade. O alongamento após ruptura é A = (Lu − L0) / L0 × 100, com Lu medido juntando as duas partes; como a parcela elástica se recupera na ruptura, A é só deformação plástica. A redução de área, ou estricção medida, é Z = (S0 − Su) / S0 × 100, com Su a menor seção no pescoço.

O alongamento depende do comprimento de referência: medido em 5 diâmetros, em 10 diâmetros ou em 50 mm, o mesmo material dá números diferentes, porque o pescoço pesa mais num trecho curto. Todo valor de A precisa vir acompanhado do L0.

Resiliência e tenacidade: as áreas sob a curva

A área sob o diagrama tensão-deformação é energia por unidade de volume (MPa multiplicado por deformação dá MJ/m³). A área sob o trecho elástico é a resiliência, a energia que o material absorve e devolve ao ser descarregado, medida pelo módulo de resiliência Ur = σe² / (2E). A área sob a curva inteira, até a ruptura, é a tenacidade em tração, UT = ∫σ dε: combina resistência e ductilidade, e por isso um material muito resistente mas frágil pode ter tenacidade baixa. O exercício 4 calcula as duas para o aço 1020.

Propriedades que saem da curva

A tabela reúne o que foi lido nos itens anteriores: cada propriedade, o lugar da curva onde ela é lida, a fórmula e a unidade. Serve de consulta rápida no laboratório e na leitura de certificados.

PropriedadeComo se lê no gráficoFórmulaUnidade
Módulo de elasticidade (E)inclinação do trecho retoΔσ / ΔεGPa
Limite de proporcionalidadefim do trecho retoleitura diretaMPa
Limite elásticomaior σ sem deformação permanenteensaio com descarregamentosMPa
Limite de escoamento (ReH, ReL, Rp0,2)patamar ou offset de 0,2 %F / S0MPa
Limite de resistência (Rm)ponto máximoFmáx / S0MPa
Alongamento uniforme (Ag)deformação no ponto máximoleitura direta%
Alongamento após ruptura (A)deformação final, sem a parcela elástica(Lu − L0) / L0 × 100%
Redução de área (Z)medida no corpo de prova rompido(S0 − Su) / S0 × 100%
Resiliência (Ur)área sob o trecho elásticoσe² / (2E)J/m³
Tenacidade (UT)área sob a curva inteira∫σ dεJ/m³
Expoente de encruamento (n)inclinação de log σv × log εvσv = K·εvnadimensional

Curva de engenharia × curva verdadeira

A curva de engenharia usa a área inicial S0 e o comprimento inicial L0 do começo ao fim. A curva verdadeira usa os valores instantâneos: a tensão verdadeira é σv = F / S, com S a área naquele instante, e a deformação verdadeira é εv = ln(L / L0), a soma dos pequenos incrementos de alongamento, cada um dividido pelo comprimento do momento. As definições estão na ASTM E646.

Enquanto a deformação é uniforme, uma curva se converte na outra sem medir a área instantânea. A deformação plástica praticamente não muda o volume, então S·L = S0·L0, e daí saem:

  • Tensão verdadeira: σv = σ·(1 + ε).
  • Deformação verdadeira: εv = ln(1 + ε).

As duas fórmulas só valem até o Rm, o início da estricção. Depois dele a deformação deixa de ser uniforme, a seção do pescoço não é mais dada por S0·L0/L e a conversão perde o sentido. No trecho elástico as duas curvas praticamente coincidem, porque a área quase não muda; a diferença cresce com a deformação plástica.

Os números do exercício 3 mostram o tamanho da diferença: um aço com Rm = 420 MPa e alongamento uniforme de 20 % está, no mesmo instante do ensaio, em σv = 420 × 1,20 = 504 MPa e εv = ln 1,20 = 0,182 na curva verdadeira. O gráfico abaixo compara as duas curvas desse aço: depois do Rm, a de engenharia cai até a ruptura, enquanto a verdadeira continua subindo, em trecho tracejado porque é só a tendência.

Curva de engenharia e curva verdadeira do mesmo aço: Rm de 420 MPa em deformação de 0,20 corresponde a tensão verdadeira de 504 MPa e deformação verdadeira de 0,182, com o critério de Considère e a lei de Hollomon
Curva de engenharia e curva verdadeira do mesmo aço, com o Rm e o ponto de Considère

Para levantar a curva verdadeira depois do Rm, é preciso medir o diâmetro mínimo do pescoço durante o ensaio, ou corrigir a curva por simulação. O ponto final pode ser estimado pela redução de área: εv,f = ln[1 / (1 − Z)]. Em compressão acontece o contrário da tração: a seção aumenta, e a tensão verdadeira fica abaixo da nominal.

Lei de Hollomon e expoente de encruamento n

Entre o escoamento e o Rm, a curva verdadeira de muitos metais segue bem a lei de Hollomon: σv = K·εvn. K é o coeficiente de resistência, em MPa, e n é o expoente de encruamento, que mede quanto o metal endurece ao se deformar. Nos metais, n fica em geral entre 0,1 e 0,5 (Dieter). Ele é determinado pela ASTM E646-16(2024) ou pela ISO 10275:2020, com um ajuste em escala log-log: no gráfico de log σv contra log εv, a lei vira uma reta de inclinação n. Para aço de baixo carbono de estampagem, a faixa de cálculo comum é de 10 % a 20 % de deformação de engenharia. O artigo sobre encruamento trata do mecanismo em detalhe.

Critério de Considère

A estricção começa quando o aumento de resistência por encruamento deixa de compensar a perda de área: no ponto de força máxima, a inclinação da curva verdadeira iguala a própria tensão, dσv/dεv = σv. Aplicado à lei de Hollomon, esse critério dá um resultado simples: no Rm, n = εv. Um metal com n alto encrua mais, adia a estricção e distribui melhor a deformação, o que explica por que n é o número que a indústria de estampagem mais olha numa chapa. Com n e Rm se calcula também K = Rm·(e/n)n, com e = 2,718, como no exercício 3.

Onde se usa cada curva

A curva de engenharia é a dos certificados, das especificações de produto e do projeto estrutural, que trabalha abaixo do escoamento; nesse regime a diferença entre as duas é desprezível. A curva verdadeira entra quando a deformação plástica é grande: na simulação por elementos finitos com material não linear, na conformação e estampagem de chapas e no estudo do encruamento. A tabela resume a comparação.

AspectoCurva de engenhariaCurva verdadeira
Área usadainicial, S0instantânea, S
Deformaçãoε = ΔL / L0εv = ln(L / L0)
Depois do Rmcai até a rupturacontinua subindo
Conversãoponto de partidaσ(1 + ε) e ln(1 + ε), só até o Rm
Uso típicocertificado, especificação, projetosimulação, conformação, encruamento

Material dúctil e material frágil

A forma da curva separa os materiais em dois grupos. O dúctil, como o aço de baixo carbono, o alumínio e o cobre, escoa, encrua, forma pescoço e alonga bastante antes de romper. Nem todo dúctil tem patamar: o alumínio e o cobre passam ao regime plástico de forma gradual e são medidos pelo offset de 0,2 %. A fratura de um metal dúctil tem aspecto de taça e cone, com redução de área alta, e a deformação visível avisa antes da ruptura.

O frágil, como o ferro fundido cinzento, o vidro e as cerâmicas, tem curva quase linear até a ruptura: não há escoamento nem estricção, e o limite de resistência coincide com a tensão de ruptura. A razão é que uma trinca se propaga antes que o movimento de discordâncias produza deformação plástica apreciável. A fratura é plana, perpendicular ao eixo, e acontece sem aviso. O mesmo material pode mudar de grupo: aços de estrutura cúbica de corpo centrado ficam frágeis em baixa temperatura. A ductilidade e a tenacidade são as propriedades que quantificam essa diferença.

Diagrama tensão-deformação do aço: 1020, CA-50 e NBR 6118

O aço aparece em três versões do diagrama que convém não misturar: a curva medida de um aço mecânico como o 1020, a curva medida de um vergalhão para aceitação pela norma de produto, e o diagrama idealizado que o projetista usa no cálculo de concreto armado.

Aço 1020

O aço 1020 é o exemplo clássico de curva com patamar de escoamento. Os valores dependem da condição de fornecimento, e a fonte precisa ser citada junto. Para o 1020 laminado a quente (barra redonda de 19 a 32 mm), a ficha do MatWeb dá escoamento de 205 MPa, Rm de 380 MPa, alongamento de 25 % e redução de área de 50 %. Para o 1020 recozido, o Callister dá 180 MPa de escoamento, 380 MPa de resistência e 25 % de alongamento.

O 1020 trefilado a frio mostra o efeito do encruamento: o escoamento sobe para cerca de 350 MPa e a resistência para 420 MPa, mas o alongamento cai para cerca de 15 % (valores típicos da tabela ASM), e em geral o patamar desaparece. O módulo praticamente não muda com o tratamento; veja módulo de elasticidade do aço.

Vergalhão CA-50 (ABNT NBR 7480:2024)

O CA-50 é laminado a quente e tem curva com patamar de escoamento e encruamento. A ABNT NBR 7480:2024 exige dele três valores tirados do ensaio de tração:

  • Escoamento característico: fyk ≥ 500 MPa, determinado pelo ensaio da ISO 6892-1.
  • Relação entre resistência e escoamento: fst/fy mínima de 1,10 na edição de 2024 da ABNT NBR 7480 (era 1,08 na de 2007), conforme a tabela da norma reproduzida pelo fabricante na ficha do vergalhão CA-50.
  • Alongamento após ruptura: A ≥ 8 %, medido em 10 diâmetros.

A relação fst/fy é uma exigência de ductilidade: garante que a barra, depois de escoar, ainda tenha reserva de resistência antes de romper. O exercício 5 mostra a aceitação de uma barra de 12,5 mm com esses três critérios. O dobramento é um ensaio à parte.

Diagrama de cálculo do aço (ABNT NBR 6118:2023)

No projeto de concreto armado, a ABNT NBR 6118:2023 não usa a curva medida do vergalhão, e sim um diagrama idealizado bilinear: uma reta com o módulo Es = 210 GPa (valor admitido na falta de ensaio) até a tensão de escoamento de cálculo, seguida de um patamar horizontal. A tensão de cálculo é fyd = fyk / γs, com γs = 1,15; para o CA-50, fyd = 500 / 1,15 = 435 MPa. A deformação de início de escoamento de cálculo é εyd = fyd / Es = 2,07 ‰, e o alongamento na tração é limitado a 10 ‰.

O mesmo diagrama vale para aços com ou sem patamar, justamente porque é uma idealização de projeto, com coeficiente de segurança embutido, e não uma curva de ensaio. O encruamento real do vergalhão fica fora do cálculo, como reserva. O gráfico desse diagrama aparece na próxima seção, ao lado do diagrama do concreto.

Diagrama tensão-deformação do concreto: parábola-retângulo

O concreto é ensaiado e dimensionado em compressão. A resistência à tração é uma fração pequena da resistência à compressão, e o comportamento em tração é quase frágil; no concreto armado, o concreto trabalha comprimido e o aço resiste à tração. A resistência de referência, fck, sai do ensaio de compressão de corpos de prova cilíndricos.

A curva do concreto não tem trecho realmente reto. Para tensões de compressão abaixo de 0,5·fc, a ABNT NBR 6118:2023 admite relação linear com o módulo secante; a norma distingue o módulo tangente inicial, Eci, do secante, Ecs (veja módulo de elasticidade do concreto). O coeficiente de Poisson admitido é 0,2.

No estado-limite último, a norma usa o diagrama parábola-retângulo: uma parábola do 2º grau até a deformação εc2, seguida de um trecho horizontal até a deformação última εcu, com ordenada 0,85·fcd. Para os concretos do Grupo I (C20 a C50), os valores da NBR 6118 são εc2 = 2,0 ‰ e εcu = 3,5 ‰, e a parábola é σc = 0,85·fcd·[1 − (1 − εc/εc2)²]. A resistência de cálculo é fcd = fck / γc, com γc = 1,4 em condições normais. Para o Grupo II (C55 a C90), os parâmetros passam a depender do fck.

Os gráficos abaixo põem lado a lado os dois diagramas de cálculo: à esquerda o aço CA-50 bilinear, com fyd = 435 MPa, εyd = 2,07 ‰ e εu = 10 ‰; à direita o concreto parábola-retângulo do Grupo I, com a tensão expressa como fração de fcd.

Diagramas de cálculo da ABNT NBR 6118:2023: aço CA-50 bilinear com fyd de 435 MPa, εyd de 2,07 por mil e εu de 10 por mil, e concreto parábola-retângulo com εc2 de 2 por mil, εcu de 3,5 por mil e patamar em 0,85·fcd, Grupo I, C20 a C50
Diagramas de cálculo da ABNT NBR 6118:2023: aço bilinear e concreto parábola-retângulo (Grupo I, C20 a C50)

Polímeros, cerâmicas e compósitos

Fora dos metais, a curva muda de forma porque o mecanismo de deformação é outro. As diferenças principais estão resumidas a seguir, por família.

Polímeros

Os polímeros têm módulo muito menor que o dos metais: o polietileno de alta densidade (PEAD) fica em torno de 1 GPa, contra cerca de 207 GPa do aço. Há três formas típicas de curva:

  • Termoplástico semicristalino (PE, PP, náilon): a tensão sobe até um pico de escoamento, cai, e forma-se um pescoço estável que se propaga pelo corpo de prova enquanto as cadeias se alinham (estiramento a frio); no fim a tensão volta a subir até a ruptura. O alongamento chega a centenas de por cento.
  • Polímero frágil (PMMA, poliestireno, baquelite): curva quase linear até a ruptura, com alongamento de poucos por cento.
  • Elastômero: curva em "S", não linear desde o início, com módulo baixo e grande deformação elástica recuperável.

Os polímeros são muito sensíveis à temperatura e à velocidade de ensaio. Por isso a ASTM D638-22 e a ISO 527-1:2019 fixam velocidade, condicionamento e corpo de prova; duas curvas do mesmo plástico só se comparam nas mesmas condições.

Cerâmicas

Alumina, nitreto de silício e carbeto de silício têm módulo alto e curva linear até a fratura frágil, sem deformação plástica apreciável. A resistência depende das trincas introduzidas na fabricação, o que dá dispersão grande entre corpos de prova. Como a garra tende a quebrar a peça e qualquer desalinhamento gera flexão, a resistência de cerâmicas raramente é medida em tração: usa-se o ensaio de flexão em 3 ou 4 pontos. A zircônia parcialmente estabilizada tem tenacidade à fratura mais alta que as demais, mas também não escoa.

Compósitos

Compósitos de matriz polimérica reforçada com fibra de carbono, de vidro ou de aramida têm, na direção das fibras, curva praticamente linear até a ruptura, sem escoamento. O comportamento é anisotrópico: a curva medida a 90° das fibras é outra, dominada pela matriz. A adesão entre fibra e matriz define o modo de falha, e o corpo de prova segue normas próprias, como a ASTM D3039.

Efeito da temperatura e da velocidade de deformação

A mesma liga dá curvas diferentes conforme a temperatura e a velocidade do ensaio. Temperatura mais alta costuma reduzir o módulo, o escoamento e o Rm e aumentar a ductilidade; temperatura mais baixa tende ao oposto e, nos aços de estrutura cúbica de corpo centrado, à fragilização. Velocidade maior eleva o escoamento de muitos metais e, sobretudo, dos polímeros. Por isso a ISO 6892-1 recomenda o método A, com controle pela taxa de deformação, que reduz a variação dos parâmetros sensíveis à velocidade, e o relatório de ensaio sempre informa a condição usada.

Valores típicos de materiais

Os valores a seguir servem como ordem de grandeza para conferir se uma curva medida faz sentido. Para especificar material ou aceitar lote, vale o certificado do fornecedor ou o ensaio do próprio lote. A primeira tabela traz o módulo de elasticidade à temperatura ambiente:

MaterialE (GPa)Fonte
Aço (geral)207Callister, Tabela 6.1
Aço de armadura, valor de projeto210ABNT NBR 6118:2023
Alumínio69Callister, Tabela 6.1
Cobre110Callister, Tabela 6.1
Titânio107Callister, Tabela 6.1
PEADcerca de 1,1Callister, Tabela 15.1
Náilon 6,61,6 a 3,8Callister, Tabela 15.1

A segunda tabela traz escoamento, resistência e alongamento de metais, com a condição de cada valor. As linhas do Callister são de material recozido, e a fonte vai entre parênteses:

Material e condiçãoEscoamento (MPa)Rm (MPa)Alongamento (%)
Aço 1020 laminado a quente (MatWeb)20538025
Aço 1020 recozido (Callister)18038025
Aço 1020 trefilado a frio (típico, ASM)35042015
Alumínio recozido (Callister)359040
Cobre recozido (Callister)6920045
Latão 70Cu-30Zn recozido (Callister)7530068
Titânio recozido (Callister)45052025
Vergalhão CA-50, mínimos (ABNT NBR 7480:2024)5001,10 × fy8

Exercícios resolvidos

Os cinco exercícios percorrem a curva na ordem do artigo: trecho elástico, escoamento, curva verdadeira, energia e aceitação de um vergalhão real.

Exercício 1: tensão, deformação e módulo de um aço

Corpo de prova cilíndrico de aço com d0 = 10,0 mm e extensômetro com L0 = 50 mm. Com F = 15,7 kN, ainda no trecho reto, o extensômetro indica ΔL = 0,048 mm. Calcule σ, ε e E.

  1. Área: S0 = π × 10,0² / 4 = 78,54 mm².
  2. Tensão: σ = 15.700 / 78,54 = 199,9 MPa, cerca de 200 MPa.
  3. Deformação: ε = 0,048 / 50 = 0,00096 (0,096 %).
  4. Módulo: E = 199,9 / 0,00096 = 208.230 MPa, cerca de 208 GPa, coerente com os 207 GPa do Callister.

Exercício 2: Rp0,2 pelo método do offset

Liga sem patamar, com E = 200 GPa. Dois pontos da curva: (ε = 0,0030; σ = 270 MPa) e (ε = 0,0035; σ = 285 MPa). A reta de offset é σ = 200.000·(ε − 0,002).

  1. Em ε = 0,0030, a reta dá 200 MPa, abaixo da curva; em 0,0035, dá 300 MPa, acima. O cruzamento está entre os dois pontos.
  2. Curva entre os pontos, por interpolação linear: σ = 270 + 30.000·(ε − 0,003).
  3. Igualando: 270 + 30.000ε − 90 = 200.000ε − 400, então 580 = 170.000ε e ε = 0,003412.
  4. Rp0,2 = 200.000 × (0,003412 − 0,002) = 282 MPa. Conferência pela curva: 270 + 30.000 × 0,000412 = 282,4 MPa.

Exercício 3: da curva de engenharia à verdadeira, e Hollomon por Considère

Aço com Rm = 420 MPa e alongamento uniforme de 20 % (ε = 0,20) no Rm.

  1. Tensão verdadeira no Rm: σv = 420 × (1 + 0,20) = 504 MPa.
  2. Deformação verdadeira: εv = ln 1,20 = 0,182.
  3. Considère: n = εv no Rm = 0,182.
  4. K = Rm·(e/n)n = 420 × (2,718 / 0,182)0,182 = 420 × 14,910,182 = 420 × 1,637 = 687 MPa.
  5. Conferência: K·εvn = 687 × 0,1820,182 = 687 × 0,733 = 504 MPa.

Depois do Rm essas conversões deixam de valer. O n oficial de uma chapa se mede por ajuste log-log, pela ASTM E646 ou pela ISO 10275; a estimativa por Considère serve para conferir a ordem de grandeza.

Exercício 4: resiliência e tenacidade do aço 1020 recozido

Dados do Callister: σe = 180 MPa, Rm = 380 MPa, E = 207 GPa e alongamento na fratura de 25 %.

  1. Resiliência: Ur = 180² / (2 × 207.000) = 32.400 / 414.000 = 0,078 MPa = 78 kJ/m³.
  2. Tenacidade aproximada, pela área de um trapézio: UT ≈ [(180 + 380) / 2] × 0,25 = 280 × 0,25 = 70 MJ/m³.

A energia elástica é quase mil vezes menor que a energia total até a fratura: quase toda a tenacidade de um metal dúctil vem da deformação plástica.

Exercício 5: aceitação de um vergalhão CA-50

Barra CA-50 de φ = 12,5 mm, área nominal de 122,7 mm². No ensaio: força de escoamento de 66,3 kN, força máxima de 79,8 kN, comprimento de referência 10φ = 125 mm e comprimento após a ruptura de 143,8 mm.

  1. Escoamento: fy = 66.300 / 122,7 = 540 MPa, acima de 500 MPa.
  2. Resistência: fst = 79.800 / 122,7 = 650 MPa; fst/fy = 650 / 540 = 1,20, acima de 1,10.
  3. Alongamento: A = (143,8 − 125) / 125 × 100 = 15 %, acima de 8 %.
  4. Para o projeto: fyd = 500 / 1,15 = 434,8 MPa e εyd = 434,8 / 210.000 = 2,07 ‰.

A barra atende aos três requisitos de tração da ABNT NBR 7480:2024. Com força máxima de 79,8 kN, o ensaio pede uma máquina na faixa de 100 a 200 kN.

Erros comuns na leitura e no levantamento da curva

Além das confusões de leitura já apontadas ao longo do artigo, quatro erros aparecem com frequência em laboratório e em relatório:

  1. Medir a deformação pelo deslocamento da travessa. A travessa soma a folga das garras e a deformação da máquina e da célula de carga ao alongamento do corpo de prova, e o módulo sai muito abaixo do real. Para E e Rp0,2, use extensômetro; a ASTM E646 exige classe C ou melhor pela ASTM E83.
  2. Comparar curvas feitas com velocidades ou temperaturas diferentes. Nos polímeros, a diferença pode ser maior que a diferença entre materiais.
  3. Misturar unidades no eixo da deformação. Curvas publicadas trazem ε ora em %, ora em mm/mm; um erro de fator 100 no módulo quase sempre vem daí.
  4. Tirar a "tensão admissível" da curva. Ela não é propriedade do material: vem da norma de projeto, a partir do escoamento e de um coeficiente de segurança, como o fyd = fyk / 1,15 da NBR 6118.

Normas do diagrama tensão-deformação

A curva é a mesma, mas o método de obtê-la e os valores exigidos vêm de normas diferentes conforme o material e o uso. A tabela reúne as citadas neste artigo, com a edição vigente:

NormaO que trataEdição
ABNT NBR ISO 6892-1tração de metais em temperatura ambiente2024
ISO 6892-1tração de metais em temperatura ambiente2019
ASTM E8/E8Mtração de metaisE8/E8M-25
ASTM E111módulo de Young, módulo tangente e módulo de cordaE111-17(2025)e1
ASTM E646expoente de encruamento n de chapas metálicasE646-16(2024)
ISO 10275expoente de encruamento n de chapas e tiras2020
ASTM D638tração de plásticosD638-22
ISO 527-1tração de plásticos, princípios gerais2019
ABNT NBR 7480aço para armaduras de concreto armado (CA-25, CA-50, CA-60)2024
ABNT NBR 6118projeto de estruturas de concreto (diagramas de cálculo)2023

Máquina para obter o diagrama tensão-deformação

Para levantar a curva é preciso aplicar a força com velocidade controlada, medir a força com uma célula de carga dimensionada para o ensaio e medir o alongamento com extensômetro no próprio corpo de prova, que é o que dá um módulo e um Rp0,2 confiáveis. A máquina universal Biopdi da linha M2 é eletromecânica e faz as três coisas: tem modelos de coluna simples, de 200 N a 10 kN, e de coluna dupla, de 5 kN a 1.000 kN, com extensômetros e o software BioLab, que traça a curva tensão-deformação e calcula módulo, escoamento, resistência e alongamento. O painel abaixo mostra a máquina, o papel de cada parte no levantamento da curva e as garras usadas.

A máquina universal no ensaio de tração

A linha M2 tem modelos de coluna simples, de 200 N a 10 kN, e de coluna dupla, de 5 kN a 1.000 kN. Cada parte da máquina tem uma função no levantamento do diagrama:

Máquinas universais de ensaios M2 da Biopdi de coluna simples (MBIOI-10-M2, 10 kN) e coluna dupla (MBIOII-50-M2, 50 kN)
  1. Travessa móvel traciona o corpo de prova na velocidade da norma
  2. Célula de carga mede a força F, classe 1
  3. Garras de cunha, pneumáticas, para roscados ou fios
  4. Extensômetro mede ΔL no trecho L0, para E e Rp0,2
  5. Software BioLab divide por S0 e L0, traça a curva e calcula E, escoamento, Rm e A
  6. Painel e emergência posiciona e para o ensaio

Dispositivos para o ensaio de tração

Os dispositivos abaixo são montados na mesma máquina, conforme o corpo de prova e a norma:

Garra cunha Biopdi para ensaio de traçãoGarra cunha5, 20 e 200 kN
Garra cunha pneumática BiopdiGarra cunha pneumática50 e 200 kN
Garra Biopdi para corpos de prova roscados e parafusosGarra para roscadosparafusos e corpos de prova roscados

Para vergalhões como o do exercício 5, o modelo indicado é a máquina universal de 100 a 200 kN (MBIOII-200-M2). No software BioLab, as fórmulas de cálculo personalizadas permitem criar grandezas próprias a partir de força, posição e extensômetro, como a tensão e a deformação verdadeiras até o Rm. As demais capacidades estão na página da máquina universal de ensaios.

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Perguntas frequentes

O que é o diagrama tensão-deformação?

É o gráfico da tensão (σ = F/S0) contra a deformação (ε = ΔL/L0) medido no ensaio de tração. Dele saem o módulo de elasticidade, o limite de escoamento, o limite de resistência, o alongamento e a tenacidade do material.

Qual é a fórmula para tensão e deformação?

Tensão σ = F/S0, a força dividida pela área inicial, em MPa; deformação ε = ΔL/L0, o alongamento dividido pelo comprimento inicial, adimensional. No trecho elástico elas se ligam pela lei de Hooke, σ = E·ε.

Qual é a fórmula para calcular a deformação verdadeira?

εv = ln(L/L0) = ln(1 + ε), em que ε é a deformação de engenharia. A tensão verdadeira é σv = σ(1 + ε). As duas conversões valem até o início da estricção, no limite de resistência (ASTM E646-16(2024)).

Quais são os tipos de deformação?

Elástica, que some ao retirar a carga, e plástica, que é permanente. Pelo tipo de esforço, há deformação de tração, compressão, cisalhamento e torção.

Qual a diferença entre curva de engenharia e curva verdadeira?

A de engenharia divide a força pela área inicial e o alongamento pelo comprimento inicial. A verdadeira usa a área e o comprimento instantâneos. Depois do limite de resistência a de engenharia cai, por causa da estricção, e a verdadeira continua subindo até a fratura.

Por que a curva de engenharia cai depois do limite de resistência?

Porque a seção do corpo de prova se estreita num pescoço e a força necessária diminui, enquanto a conta continua dividindo por S0. O material do pescoço, na verdade, continua encruando.

Limite de proporcionalidade e limite elástico são a mesma coisa?

Não. O de proporcionalidade é o fim do trecho reto; o elástico é a maior tensão sem deformação permanente. Nos metais eles quase coincidem e são difíceis de medir, por isso as normas usam o limite de escoamento, como o Rp0,2.

Como achar o limite de escoamento quando não há patamar?

Trace uma reta paralela ao trecho elástico partindo de 0,2 % de deformação. O ponto onde ela corta a curva é o limite de escoamento convencional Rp0,2.

Qual a tensão de ruptura do aço?

Depende do aço. O 1020 laminado a quente tem limite de resistência de cerca de 380 MPa (MatWeb). O CA-50 deve ter fyk de pelo menos 500 MPa e relação fst/fy de pelo menos 1,10 (ABNT NBR 7480:2024). Em aço dúctil, a ruptura acontece depois do limite de resistência, com tensão de engenharia menor.

Como é o diagrama tensão-deformação do concreto?

Para projeto, a ABNT NBR 6118:2023 usa o diagrama parábola-retângulo: parábola até 2 ‰ e patamar em 0,85·fcd até 3,5 ‰, para concretos do Grupo I (C20 a C50). O ensaio de referência do concreto é o de compressão.

Qual a diferença entre o diagrama de um material dúctil e o de um frágil?

O dúctil tem escoamento, encruamento, estricção e grande alongamento. O frágil, como o ferro fundido cinzento, o vidro e as cerâmicas, é quase linear até romper, e nele o limite de resistência coincide com a ruptura.

O que é o expoente de encruamento n?

É o expoente da lei de Hollomon, σv = K·εv^n, e mede quanto o metal endurece ao se deformar. Nos metais fica tipicamente entre 0,1 e 0,5 e é medido pela ASTM E646 ou pela ISO 10275.