O limite de escoamento, uma propriedade crucial, mas muitas vezes negligenciada, desempenha um papel fundamental na seleção de materiais. Neste artigo, vamos nos aprofundar nos fundamentos do limite de escoamento e explorar sua importância na engenharia mecânica. Descubra como esse conceito essencial molda o mundo ao nosso redor e obtenha percepções valiosas de especialistas do setor.
Resistência ao rendimento: É o limite de rendimento de um material metálico quando ele cede, ou seja, a tensão que resiste a uma leve deformação plástica.
Para materiais metálicos sem deformação óbvia, o valor de tensão que produz 0,2% de deformação residual é especificado como seu limite de escoamento, chamado de limite de escoamento condicional ou resistência ao escoamento.
Forças externas superiores a esse limite causarão a falha permanente do componente e não poderão ser restauradas. Por exemplo, o limite de escoamento do aço com baixo teor de carbono é de 207 MPa.
Quando forças externas maiores que esse limite são aplicadas, o componente sofrerá deformação permanente. Se for menor que esse limite, o componente retornará à sua forma original.
O limite de escoamento desempenha uma função fundamental na ciência e na engenharia de materiais, servindo como um parâmetro crítico nas metodologias de projeto e nos processos de seleção de materiais. Nas abordagens tradicionais de projeto de resistência, a resistência ao escoamento é a referência para materiais dúcteis, com a tensão permitida definida como [σ] = σys/n, em que σys é a resistência ao escoamento e n é o fator de segurança. Esse fator de segurança normalmente varia de 1,1 a 2 ou mais, dependendo dos requisitos específicos da aplicação e das condições operacionais.
Para materiais frágeis, que não têm um ponto de escoamento distinto, a resistência à tração final (σb) é usada como referência, com a tensão permitida calculada como [σ] = σb/n. Nesses casos, um fator de segurança mais conservador (n) de aproximadamente 6 é geralmente empregado para levar em conta a capacidade limitada de deformação plástica do material e o modo de falha súbita.
É fundamental reconhecer que, embora a metodologia tradicional de projeto baseada na resistência muitas vezes leve a um foco na maximização da resistência ao escoamento, essa abordagem pode ter consequências não intencionais. À medida que o limite de escoamento aumenta, geralmente há uma diminuição correspondente na resistência à fratura, o que pode aumentar o risco de falha catastrófica. Essa relação inversa ressalta a importância da otimização equilibrada da propriedade do material em vez do foco exclusivo na resistência ao escoamento.
A importância do limite de escoamento vai além de sua aplicação direta nos cálculos de tensão. Ele serve como um indicador valioso para prever vários comportamentos mecânicos e características de processamento de materiais em aplicações de engenharia. Por exemplo:
Estresse
Quando um objeto se deforma devido a fatores externos (forças, umidade, mudanças de temperatura, etc.), há forças internas que interagem entre as várias partes do objeto. A força interna por unidade de área é chamada de estresse.
As perpendiculares à seção transversal são chamadas de tensão normal ou tensão axial, e as tangentes à seção transversal são chamadas de tensão de cisalhamento ou tensão de corte.
Estirpe
A tensão refere-se à deformação relativa de um objeto sob a ação de forças externas e campos de temperatura não uniformes, entre outros fatores.
De acordo com a lei de Hooke, dentro de uma determinada faixa de limite proporcional, a tensão e a deformação têm uma relação linear proporcional.
A tensão máxima correspondente é chamada de limite proporcional.
A razão entre a tensão e a deformação, indicada por E, é chamada de módulo de elasticidade ou módulo de Young, e diferentes materiais têm um módulo de Young fixo.
Embora a tensão não possa ser medida diretamente, ela pode ser calculada medindo-se a deformação causada por forças externas.
Informações adicionais
A lei de Hooke é uma lei básica na teoria da elasticidade mecânica, que afirma que os materiais sólidos têm uma relação linear entre a tensão e a deformação (deformação unitária) quando submetidos à tensão.
Os materiais que satisfazem a lei de Hooke são chamados de materiais elásticos lineares ou Hookeanos.
A expressão da lei de Hooke é F=k-x ou ΔF=k-Δx, em que k é uma constante, o coeficiente de rigidez do objeto.
No Sistema Internacional de Unidades, a unidade de F é Newton, a unidade de x é metro, e é uma variável de deformação (deformação elástica), e a unidade de k é Newton/metro.
O coeficiente de rigidez é numericamente igual à força da mola quando a mola é esticada (ou encurtada) em um comprimento unitário.
Quais são os tipos de estresse?
Tensão normal: O componente de tensão perpendicular à seção transversal é chamado de tensão normal (ou tensão axial) e é denotado por σ.
A tensão normal representa o alongamento e a compressão entre as seções transversais adjacentes dentro da peça.
Deformação normal: A deformação normal em um ponto é o alongamento ao longo da direção da força normal devido à tensão normal distribuída na seção transversal nessa direção.
Tensão de cisalhamento: O componente de tensão tangencial à seção transversal é chamado de tensão de cisalhamento ou força de cisalhamento, denotado por τ. A tensão de cisalhamento representa a ação de deslizamento entre duas partes.
Tensão de cisalhamento: A deformação por cisalhamento em um ponto é a mudança no ângulo entre duas direções perpendiculares devido à tensão de cisalhamento distribuída na seção transversal. Também é conhecida como deformação por cisalhamento.
Quais são os tipos de tensão?
Há principalmente dois tipos de deformação: deformação linear e deformação angular. A deformação linear, também conhecida como deformação normal, é a proporção do aumento do comprimento (positivo quando alongado) de um pequeno segmento de linha em uma determinada direção em relação ao seu comprimento original.
A tensão angular, também conhecida como tensão de cisalhamento ou deformação de cisalhamento, é a alteração no ângulo (positiva quando diminuída) entre dois segmentos de linha perpendiculares devido à tensão de cisalhamento. Ela é expressa em radianos.
O diagrama da curva de tensão-deformação (σ-ε) é mostrado na Figura 3.
Em vez da carga axial F, é considerada a tensão nominal σ = F / A0 e, em vez da extensão Δl, é considerada a deformação de engenharia ε = Δl / l0.
A curva de tensão-deformação ainda tem quatro estágios. Os significados de cada ponto característico são:
Estágio o a:
No estágio inicial de alongamento (ou compressão), a tensão σ e a deformação ε estão linearmente relacionadas até o ponto a.
Nesse ponto, o valor da tensão correspondente ao ponto a é chamado de limite proporcional, representado por σp.
É o limite máximo em que a tensão e a deformação são proporcionais.
Quando σ≤σp, há σ =Eε, também conhecida como lei de Hooke, que indica que a tensão e a deformação são proporcionais.
Portanto, E =σ / ε = tanα, em que E é conhecido como módulo de elasticidade ou módulo de Young, com unidades iguais a σ. Quando a tensão excede o limite proporcional para atingir o ponto b, a relação σ-ε se desvia de uma linha reta.
Se a tensão for descarregada para zero nesse ponto, a deformação também desaparecerá (quando a tensão exceder o ponto b, uma parte da deformação não poderá ser eliminada após a descarga).
A tensão definida no ponto b é chamada de limite elástico σe. σe é o valor limite final apenas para a deformação elástica do material.
Estágio b a c:
Depois que a tensão ultrapassa o limite elástico, ocorre um fenômeno em que a tensão aumenta muito pouco ou nada, e a deformação aumenta rapidamente.
Esse fenômeno é chamado de escoamento. O ponto em que o escoamento começa corresponde ao limite de escoamento σs, também conhecido como resistência ao escoamento.
No estágio de escoamento, a tensão não muda enquanto a deformação continua a aumentar, o material parece ter perdido sua capacidade de resistir à deformação, resultando em deformação plástica significativa (se descarregado nesse ponto, a deformação não desaparecerá completamente e haverá deformação residual).
Portanto, σs é um índice importante para medir a resistência do material.
Quando uma amostra de aço com baixo teor de carbono cede com o polimento da superfície, esta apresentará estrias em um ângulo de 45° em relação ao eixo, devido ao deslizamento relativo da estrutura interna do cristal, conhecido como linhas de deslizamento.
Estágio c a e:
Depois de passar pelo estágio de escoamento, se o corpo de prova continuar a se deformar, ele deverá ser carregado mais, o material parece ter se fortalecido, e o estágio c-e é o estágio de fortalecimento.
O ponto mais alto (ponto e) no estágio de fortalecimento da deformação corresponde ao limite de resistência σb. Ele representa a tensão máxima que o material pode suportar.
Estágio e a f:
Depois de passar pelo ponto e, ou seja, depois que a tensão atinge o limite de resistência, o corpo de prova sofre uma contração severa localmente, conhecida como necking.
Em seguida, ocorrem rachaduras no interior do corpo de prova, a tensão nominal σ diminui e o corpo de prova se rompe no ponto f.
A resistência ao escoamento (σs) e a resistência à tração (σb) são indicadores importantes da resistência dos materiais com boa plasticidade (como o aço com baixo teor de carbono).
Deve-se observar que a tensão nominal é usada e a redução na área da seção transversal que acompanha a deformação por alongamento não é considerada.
A resistência à tração (σb) é apenas a tensão máxima nominal que o material pode suportar, não a tensão máxima real dentro do material.
Se a área real do corpo de prova no momento da fratura for usada para medir, a tensão máxima real será o valor de tensão correspondente ao ponto i no segmento de linha d-i na figura.
Na prática da engenharia, por uma questão de simplicidade, praticidade e segurança, a resistência à tração (σb) ainda é usada para representar a tensão máxima que o material pode suportar.
Entretanto, ao simular o comportamento mecânico não linear dos materiais com um computador, a curva real de tensão-deformação deve ser usada.
Para metais sem fenômeno de escoamento significativo, sua resistência à tração sob extensão não proporcional prescrita ou tensão de tração residual pode ser medida.
Para metais com fenômeno de escoamento significativo, é possível medir a resistência ao escoamento, a resistência ao escoamento superior e a resistência ao escoamento inferior.
Há dois métodos para medir a força de rendimento superior e inferior: o método gráfico e o método do ponteiro.
Método gráfico
Durante o experimento, um gráfico de força e deslocamento da mandíbula é desenhado usando um dispositivo de registro automático.
A proporção do eixo de força para a tensão representada por cada milímetro deve ser inferior a 10 N/mm2e a curva deve ser desenhada pelo menos até o final do estágio de produção.
Na curva, são determinadas a força constante Fe durante a cedência, a força máxima Feh antes da primeira diminuição da força durante o estágio de cedência ou a força mínima FeL antes do efeito instantâneo inicial.
A resistência ao escoamento, a resistência ao escoamento superior e a resistência ao escoamento inferior podem ser calculadas usando as seguintes fórmulas:
Fórmula para o cálculo da força de escoamento: Re = Fe/So; Fe é a força constante durante o escoamento.
Fórmula para o cálculo da resistência ao escoamento superior: Reh = Feh/So; Feh é a força máxima antes da primeira diminuição da força durante o estágio de escoamento.
Fórmula para o cálculo da força de escoamento inferior: ReL = FeL/So; FeL é a força mínima antes do efeito instantâneo inicial.
Método do ponteiro
Durante o experimento, quando o ponteiro do medidor de força para de girar na força constante ou na força máxima antes do primeiro retorno ou na força mínima antes do efeito instantâneo inicial, eles correspondem à força de escoamento, à força de escoamento superior e à força de escoamento inferior, respectivamente.
Os fatores internos que afetam a resistência ao escoamento são: ligação, microestrutura, estrutura e natureza atômica.
Uma comparação do rendimento resistência dos metais com cerâmicas e polímeros mostra que o efeito da ligação é fundamental.
Em termos do impacto da microestrutura, há quatro mecanismos de fortalecimento que afetam a resistência ao escoamento dos materiais metálicos, que são:
(1) fortalecimento da solução sólida;
(2) endurecimento por tensão;
(3) fortalecimento da precipitação e fortalecimento da dispersão;
(4) Reforço do limite de grão e do subgrão. O reforço por precipitação e o reforço de grãos finos são os meios mais comumente usados para melhorar a resistência ao escoamento de ligas industriais.
Desses mecanismos de reforço, os três primeiros mecanismos aumentam a resistência do material e, ao mesmo tempo, reduzem a plasticidade.
Somente o refinamento do tamanho do grão e do subgrão pode aumentar a resistência e a plasticidade do material.
Os fatores externos que afetam o limite de elasticidade são: temperatura, taxa de deformação e estado de tensão.
À medida que a temperatura diminui e a taxa de deformação aumenta, a força de escoamento do material aumenta, especialmente os metais cúbicos centrados no corpo são particularmente sensíveis à temperatura e à taxa de deformação, o que leva à fratura frágil do aço em baixa temperatura.
A influência do estado de estresse também é importante. Embora a resistência ao escoamento reflita o desempenho inerente de um material, o valor da resistência ao escoamento também é diferente dependendo do estado de tensão.
A resistência ao escoamento de um material comumente referida é, em geral, a resistência ao escoamento sob tensão uniaxial.
| Grau de aço | Propriedade mecânica | Composição química | ||||||||
| resistência ao escoamento | resistência à tração | alongamento | C | Si | Mn | S | P | |||
| MPa | kg/mm2 | MPa | Kg/mm2 | mm | Menor ou igual a. | Menor ou igual a. | Menor ou igual a. | |||
| Q215A Q215B | 215 | 22 | 335-410 | 3442 | 31 | 0.09-0.15 | 0.03 | 0.25-0.55 | 0.050 0.045 | 0.045 |
| Q235A Q235B Q235C Q235D | 235 | 24 | 375-460 | 38-47 | 26 | 0.14-0.22 0.12-0.20 ≤0.18 ≤0.17 | 0.30 | 0.30-0.65 0.30-0.70 0.35-0.80 0.35-0.80 | 0.5 0.45 0.40 0.035 | 0.045 0.045 0.040 0.035 |
| Mn (Q345B) | 345 | 35 | 510-600. | 51.60 | 22 | 0.12-0.200 | .20-0.55 | 1.2-1.6 | 0.045 | 0.045 |
O teste de resistência ao escoamento é um indicador importante das características de resistência do material e um indicador crítico do desempenho do material.
É comumente usado para avaliar a resistência da superfície do material e o desempenho plástico.
Os métodos de teste de resistência ao escoamento são geralmente divididos em dois tipos: mecânicos e não mecânicos.
Teste de resistência mecânica ao escoamento:
Esse método geralmente envolve flexão de três pontos, método de máquina de teste de tração e método de compressão. A amostra é colocada entre dois suportes e uma força constante é aplicada por meio de um dispositivo mecânico para determinar a resistência ao escoamento.
Teste não mecânico de resistência ao escoamento:
Esse método geralmente envolve métodos de tração, compressão e torção. A amostra é montada no instrumento de teste e uma força constante é aplicada por meio de uma alavanca ou de um controle computadorizado para determinar a resistência ao escoamento.
Para melhorar a exatidão e a precisão do teste de resistência ao escoamento, geralmente é necessário realizar vários testes nas condições necessárias e obter o valor médio.
Em todos os experimentos, o tratamento da amostra deve ser padronizado e completo, e a amostra deve ser mantida constante sob a força aplicada. O limite de elasticidade final obtido é a resistência máxima na qual o material pode se dobrar sob a carga aplicada.
Com o estudo deste artigo, aprendemos o que é limite de escoamento, os conceitos básicos de tensão e deformação, métodos para determinar o limite de escoamento, fatores que afetam o limite de escoamento e aplicações do limite de escoamento.
Esperamos que essas informações sejam úteis para todos.
Se tiver alguma dúvida, sinta-se à vontade para nos informar na seção de comentários.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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