Já alguma vez se perguntou porque é que alguns materiais se dobram enquanto outros se partem? Este comportamento crucial é determinado pelo limite de elasticidade, uma propriedade fundamental que define a tensão à qual um material começa a deformar-se permanentemente. Neste artigo, vamos explorar o conceito de limite de elasticidade, o seu significado na engenharia e os factores que o influenciam. No final, compreenderá o impacto do limite de elasticidade na seleção e conceção de materiais, garantindo que as estruturas são seguras e eficientes.
A tensão de cedência é o limite de cedência de materiais metálicos quando ocorre a cedência, que é também a tensão que resiste à microdeformação plástica.
Para materiais metálicos sem cedência óbvia, o valor de tensão que produz 0,2% de deformação residual é especificado como o seu limite de cedência, que é designado por limite de cedência condicional ou tensão de cedência.
Uma força externa que exceda o limite de elasticidade resultará numa falha permanente do componente e não poderá ser reparada.
Por exemplo, o limite de elasticidade do aço com baixo teor de carbono é de 207 MPa. Quando sujeito a uma força externa que ultrapasse este limite, o componente sofrerá uma deformação permanente.
No entanto, se a força externa for inferior a este limite, o componente voltará à sua forma original.
O limite de elasticidade é um índice de avaliação comummente utilizado das propriedades mecânicas de materiais sólidos e representa o limite de serviço efetivo do material. Quando a tensão num material excede o seu limite de elasticidade, ocorre um estrangulamento e o material sofre uma rápida deformação, provocando danos e tornando-o inutilizável.
Quando a tensão num material excede o seu limite elástico e entra na fase de cedência, a taxa de deformação aumenta. Durante esta fase, o material experimenta tanto a deformação elástica como a plástica. No ponto em que a deformação plástica aumenta acentuadamente, a tensão e a deformação flutuam ligeiramente, resultando na cedência. As tensões máxima e mínima nesta fase são designadas por ponto de cedência superior e ponto de cedência inferior, respetivamente.
Uma vez que o valor do ponto de escoamento inferior é relativamente estável, é considerado um indicador fiável da resistência do material e é normalmente referido como ponto de escoamento ou tensão de cedência (ReL ou Rp0.2).
Alguns aços, tais como aço de alto carbononão apresentam um fenómeno claro de cedência. Nestes casos, a tensão de cedência é definida como a tensão à qual ocorre uma ligeira deformação plástica (0,2%) e é conhecida como tensão de cedência condicional.
Quando uma força é aplicada a um material, este sofre uma deformação. Esta deformação pode ser dividida em dois tipos: deformação elástica, em que o material volta à sua forma original quando a força externa é removida, e deformação plástica, em que a forma do material muda permanentemente, resultando em alongamento ou encurtamento.
O limite de elasticidade do aço de construção é utilizado como base para determinar a tensão de projeto. O limite de elasticidade, normalmente simbolizado por σs, é o valor crítico de tensão no qual o material cede.
O limite de elasticidade é normalmente utilizado como um índice de avaliação das propriedades mecânicas de materiais sólidos e representa o limite de serviço efetivo do material. Quando a tensão num material excede o seu limite de elasticidade, ocorre uma deformação plástica e a tensão aumenta, tornando o material inválido e inutilizável.
1. Craze yield: fenómeno de craze e stress whitening.
2. Cessação por cisalhamento.
Determinação do limite de elasticidade
Para materiais metálicos sem um fenómeno claro de cedência, mede-se a resistência ao alongamento não proporcional especificada ou a tensão de alongamento residual especificada. No caso de materiais metálicos que apresentem um fenómeno claro de cedência, podem ser medidas a tensão de cedência, a tensão de cedência superior e a tensão de cedência inferior.
Normalmente, apenas é medido o limite de elasticidade inferior. Existem dois métodos comuns para determinar a tensão de cedência superior e a tensão de cedência inferior: o método gráfico e o método do ponteiro.
Método gráfico
Durante o ensaio, é utilizado um dispositivo de registo automático para traçar o diagrama força-deslocamento. A tensão, representada pela relação do eixo da força por milímetro, deve ser geralmente inferior a 10 N/mm^2 e a curva deve estender-se, no mínimo, até ao fim da fase de cedência.
Para determinar a tensão de cedência, a tensão de cedência superior e a tensão de cedência inferior, calcula-se a força constante (Fe) na plataforma de cedência da curva, a força máxima (Feh) antes da primeira queda de força durante a fase de cedência e a força mínima (FeL) sem o efeito instantâneo inicial.
A tensão de cedência pode ser calculada utilizando a seguinte fórmula: Re = Fe/So, em que Fe é a força constante de cedência.
A tensão de cedência superior é calculada da seguinte forma: Reh = Feh/So, onde Feh é a força máxima antes da primeira queda de força durante o estágio de escoamento.
A tensão de cedência inferior é calculada da seguinte forma: ReL = FeL/So, onde FeL é a força mínima sem o efeito instantâneo inicial.
Método do ponteiro
Durante o ensaio, o limite de elasticidade, o limite de elasticidade superior e o limite de elasticidade inferior são determinados medindo a força constante quando o ponteiro do disco de medição de força pára de rodar pela primeira vez, a força máxima antes de o ponteiro rodar pela primeira vez e a força mínima que não atinge o efeito instantâneo inicial, respetivamente.
Existem três normas de cedência habitualmente utilizadas na engenharia de construção:
Factores internos que afectam o rendimento resistência dos materiais incluem a ligação, a estrutura, a natureza atómica e muito mais. Ao comparar o rendimento resistência dos metais com a da cerâmica e dos polímeros, é evidente que a influência da ligação é fundamental.
Do ponto de vista estrutural, existem quatro mecanismos de reforço que podem afetar o limite de elasticidade dos materiais metálicos:
O reforço por precipitação e a refinação do grão são métodos comummente utilizados para aumentar o limite de elasticidade das ligas industriais. Destes mecanismos de reforço, os três primeiros podem melhorar a resistência do material, mas também diminuir a sua plasticidade. O refinamento do grão é a única forma de melhorar tanto a resistência como a plasticidade.
Os factores externos que influenciam o limite de elasticidade incluem a temperatura, a taxa de deformação e o estado de tensão. À medida que a temperatura diminui e a taxa de deformação aumenta, o limite de elasticidade dos materiais aumenta, particularmente para os metais cúbicos centrados no corpo. Estes metais são altamente sensíveis à temperatura e à taxa de deformação, o que leva à falha frágil a baixa temperatura nos aços.
A influência do estado de tensão também é significativa, uma vez que o limite de elasticidade é um índice importante que reflecte as propriedades internas dos materiais. No entanto, os valores do limite de elasticidade podem variar consoante os diferentes estados de tensão. O limite de elasticidade é normalmente referido ao limite de elasticidade em tensão uniaxial.
De acordo com os métodos tradicionais de dimensionamento da resistência, a tensão admissível [σ] para materiais plásticos é especificada com base na tensão de cedência (σys) e é calculada como [σ]=σys/n, em que n é um fator de segurança que pode variar entre 1,1 e 2 ou mais, dependendo da situação. Para materiais frágeis, a tensão admissível [σ] é especificada com base na resistência à tração (σb) e é calculada como [σ]=σb/n, em que n é geralmente 6.
É importante notar que o método tradicional de conceção da resistência dá muitas vezes prioridade a um elevado limite de elasticidade dos materiais, o que pode resultar numa menor resistência à fratura frágil. À medida que o limite de elasticidade dos materiais aumenta, estes tornam-se mais susceptíveis à corrosão sob tensão e fragilização por hidrogénio. Por outro lado, os materiais com baixo limite de elasticidade tendem a ter uma boa conformabilidade a frio e soldabilidade.
Em conclusão, o limite de elasticidade é um índice crucial para propriedades dos materiais e fornece uma medida aproximada de vários comportamentos mecânicos e propriedades tecnológicas dos materiais em engenharia.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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