O QUE É ESFORÇO DE RENDIMENTO E COMO OBTÊ-LO? - FISICA - 2025

A tensão de escoamento é definida como o esforço necessário para que um objeto comece a se deformar permanentemente, ou seja, sofrer deformação plástica sem quebrar ou fraturar.

Como este limite pode ser um pouco impreciso para alguns materiais e a precisão do equipamento utilizado é um fator de peso, em engenharia determinou-se que a tensão de escoamento em metais como o aço estrutural é aquele que produz 0,2% de deformação permanente em o objeto.

Figura 1. Os materiais usados ​​na construção são testados para determinar quanta tensão eles são capazes de suportar. Fonte: Pixabay.

Saber o valor da tensão de escoamento é importante para saber se o material é adequado para o uso que se deseja dar às peças fabricadas com ele. Quando uma peça foi deformada além do limite elástico, ela pode não ser capaz de realizar sua função pretendida corretamente e deve ser substituída.

Para obter este valor, geralmente são realizados testes em amostras confeccionadas com o material (tubos de ensaio ou corpos de prova), as quais são submetidas a diversas tensões ou cargas, enquanto medem o alongamento ou alongamento que experimentam com cada uma. Esses testes são conhecidos como testes de tração.

Para realizar um teste de tração, comece aplicando uma força de zero e aumente gradualmente o valor até que a amostra se quebre.

Curvas de tensão de deformação

Os pares de dados obtidos pelo ensaio de tração são plotados colocando a carga no eixo vertical e a deformação no eixo horizontal. O resultado é um gráfico como o mostrado abaixo (figura 2), denominado curva tensão-deformação para o material.

A partir dele, muitas propriedades mecânicas importantes são determinadas. Cada material tem sua própria curva de tensão-deformação. Por exemplo, um dos mais estudados é o do aço estrutural, também chamado de aço carbono ou de baixo carbono. É um material amplamente utilizado na construção.

A curva tensão-deformação possui áreas distintas nas quais o material apresenta um determinado comportamento de acordo com a carga aplicada. Sua forma exata pode variar consideravelmente, mas eles têm algumas características em comum que são descritas a seguir.

Veja o que se segue na figura 2, que corresponde em termos muito gerais ao aço estrutural.

Figura 2. Curva tensão-deformação para aço. Fonte: modificado de Hans Topo1993

Zona elástica

A área de O a A é a área elástica, onde é válida a Lei de Hooke, na qual a tensão e a deformação são proporcionais. Nesta zona o material é totalmente recuperado após a aplicação do estresse. O ponto A é conhecido como o limite da proporcionalidade.

Em alguns materiais, a curva que vai de O a A não é uma linha reta, mas mesmo assim eles são elásticos. O importante é que eles voltem à sua forma original quando o carregamento for interrompido.

Zona elástica-plástica

A seguir temos a região de A a B, na qual a deformação aumenta mais rapidamente com o esforço, deixando ambas não proporcionais. A inclinação da curva diminui e em B ela se torna horizontal.

A partir do ponto B, o material não recupera mais sua forma original e o valor da tensão naquele ponto é considerado o da tensão de escoamento.

A área de B a C é chamada de zona de escoamento ou fluência do material. Lá, a deformação continua, embora a carga não esteja aumentando. Pode até diminuir, por isso se diz que o material nessa condição é perfeitamente plástico.

Zona de plástico e fratura

Na região de C a D ocorre um endurecimento por deformação, no qual o material apresenta alterações em sua estrutura a nível molecular e atômico, o que requer maiores esforços para se obter deformações.

Por este motivo, a curva experimenta um crescimento que termina ao atingir a tensão máxima σ _max.

De D a E ainda é possível deformar, mas com menos carga. Um tipo de adelgaçamento é formado na amostra (espécime), denominado estenose, que eventualmente leva à observação da fratura no ponto E. Porém, já no ponto D, o material pode ser considerado quebrado.

Como obter o esforço de rendimento?

O limite elástico L _e de um material é a tensão máxima que ele pode suportar sem perder elasticidade. É calculado pelo quociente entre a magnitude da força máxima F _m e a área da seção transversal da amostra A.

L _e = F _m / A

As unidades do limite elástico no Sistema Internacional são N / m ² ou Pa (Pascais) por se tratar de uma tensão. O limite elástico e o limite de proporcionalidade no ponto A são valores muito próximos.

Mas, como dito no início, pode não ser fácil determiná-los. A tensão de escoamento obtida através da curva tensão-deformação é a aproximação prática do limite elástico usado em engenharia.

Tensão de escoamento da curva tensão-deformação

Para obtê-lo, traça-se uma linha paralela à linha que corresponde à zona elástica (aquela que obedece à lei de Hooke), mas deslocada aproximadamente 0,2% na escala horizontal ou 0,002 polegada por polegada de deformação.

Essa linha se estende até cruzar a curva em um ponto cuja coordenada vertical é o valor de tensão de escoamento desejado, denotado como σ _y, conforme mostrado na figura 3. Essa curva pertence a outro material dúctil: o alumínio.

Figura 3. Curva tensão-deformação para o alumínio, a partir da qual a tensão de escoamento é determinada na prática. Fonte: self made.

Dois materiais dúcteis, como aço e alumínio, possuem curvas tensão-deformação diferentes. O alumínio, por exemplo, não tem a seção aproximadamente horizontal de aço vista na seção anterior.

Outros materiais considerados frágeis, como o vidro, não passam pelas etapas descritas acima. A ruptura ocorre muito antes de ocorrerem deformações apreciáveis.

Detalhes importantes para manter em mente

- As forças consideradas em princípio não levam em consideração a modificação que sem dúvida ocorre na área da seção transversal do corpo de prova. Isso induz um pequeno erro que é corrigido pelo gráfico das tensões reais, aquelas que levam em consideração a redução da área à medida que a deformação do corpo de prova aumenta.

- As temperaturas consideradas são normais. Alguns materiais são dúcteis em baixas temperaturas e não são mais dúcteis, enquanto outros frágeis se comportam como dúcteis em temperaturas mais altas.

Referências

1. Beer, F. 2010. Mecânica dos materiais. McGraw Hill. 5 ª. Edição. 47-57.
2. Edge dos engenheiros. Força de rendimento. Recuperado de: engineeredge.com.
3. Estresse de fluência. Recuperado de: instron.com.ar
4. Valera Negrete, J. 2005. Notes on General Physics. UNAM. 101-103.
5. Wikipedia. Creep. Recuperado de: Wikipedia.com