2.2 CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA
2.2.1 Tração versus Deformação
O comportamento mecânico dos materiais é estudado pela aplicação de tensões, compressões, ou forças multiaxiais e observação concomitante de sua deformação até a falha. Para a obtenção de valores indicativos das características mecânicas de um material é comum o uso de ensaios de tração uniaxial, que utilizam equipamentos especialmente desenhados para esta função. O teste de tração ocorre por meio de um dispositivo que possui uma parte fixa e outra parte móvel, a qual sujeita o corpo de prova a uma carga uniaxial crescente até a sua ruptura. Durante a aplicação de força as medidas geométricas do corpo de prova são registradas de forma que é possível, com estes dois dados, traçar uma curva comumente chamada de curva tensão deformação. A Figura 12 ilustra um equipamento de ensaio de tração. Esta curva, que se assemelha a chamada curva de engenharia, dispõe de forma gráfica os dados da força e do alongamento ao qual o corpo de prova foi sujeitado. A geometria do corpo de prova influencia o resultado destes dados, já que quanto maior sua secção transversal maior será a carga necessária para deformá lo a uma dada porcentagem de alongamento. Para eliminar este problema a força e o alongamento foram normalizados. As Equações 1 e 2 representam a tensão de engenharia (s) e a deformação de engenharia ( ) que compõe a curva de engenharia acima mencionada (ASM METALS HANDBOOK VOLUME 8, 2000).
Figura 12 – Equipamento para ensaio de tração uniaxial. Fonte: Callister (2006).
=
(1) Onde:s = tensão de engenharia (MPa) P = força (N)
A0= área original da secção transversal do corpo de prova (mm2)
e = = =
(2)Onde:
= deformação de engenharia (mm/mm) δ = alongamento linear do extensômetro (mm)
L0= comprimento linear original da secção útil do corpo de prova (mm)
L = comprimento linear final (mm)
Vários fatores influenciam o formato e a magnitude da curva de engenharia. Tipos de materiais diferentes terão respostas distintas às tensões impostas ao corpo de prova. Para os metais a composição da liga, a têmpera ou o tratamento térmico, o histórico de deformação, a taxa de deformação, a temperatura, e os tipos de tensões aplicadas influenciarão a forma da curva. A nomenclatura utilizada na descrição da curva de engenharia tensão deformação faz alusão a propriedades mecânicas como o limite de resistência à tração e limite de escoamento, ambos medidas da rigidez do material, alongamento percentual e porcentagem de redução da área da secção transversal, estes dois últimos medidas de ductilidade (ASM METALS HANDBOOK VOLUME 8, 2000).
Cabe aqui fazer uma explanação sobre alguns termos utilizados na caracterização mecânica dos materiais. As medidas de rigidez de um material se relacionam a sua capacidade de evitar deformações e estão intrinsecamente ligadas a forças atômicas. O módulo de elasticidade E, também chamado de módulo de Young, representa esta rigidez e é o componente angular da parcela retilínea da curva tensão deformação. Para os metais o módulo de elasticidade varia de 45 GPa para o magnésio até 407 GPa para o tungstênio (CALLISTER, 2006). A temperatura afeta o módulo de elasticidade e por consequência os valores do limite de resistência à tração e o limite de escoamento. A Tabela 19 apresenta o efeito da temperatura no módulo de elasticidade de alguns metais.
Tabela 19 – Módulo de Elasticidade para alguns metais e o efeito da temperatura.
Material
Módulo de elasticidade (GPa) nas temperaturas: Temperatura 250o C 425o C 540o C 650o C Ambiente Aço Carbono 207 186 155 134 124 Aço Inox Austenítico 193 176 159 155 145 Ligas de Titânio 114 96.5 74 70 Ligas de Alumínio 72 65.5 54
Fonte: ASM Metals Handbook Volume 8 (2000).
O limite de escoamento é ponto no qual ocorre a transição do regime de deformação elástico para o plástico, e como este fenômeno ocorre gradualmente para a maioria dos materiais é difícil precisar com exatidão este ponto(ASM METALS HANDBOOK VOLUME 8, 2000). A deformação elástica é homogênea e reversível, o que significa que quando as tensões aplicadas são retiradas o objeto volta ao seu formato original. A deformação elástica possui proporcionalidade definida entre a tensão e a deformação, e na curva de engenharia é a parte retilínea. A lei de Hooke é utilizada para representar a deformação elástica e pode ser vista na Equação 3.
s = E (3)
Onde:
s = tensão (MPa)
E = Módulo de elasticidade (GPa) = deformação (mm/mm)
De uma perspectiva atômica a deformação elástica pode ser entendida como a mudança entre o espaçamento dos átomos sem que haja rompimento de suas ligações originais (CALLISTER, 2006). O limite de escoamento proporcional ( ), as vezes chamado de limite de proporcionalidade, é convencionado como a tensão equivalente ao ponto de intersecção de uma linha paralela à porção elástica da curva iniciada no ponto 0,2% de deformação e representa a tensão máxima suportada pelo material antes da deformação plástica. Uma vez ultrapassado o limite de escoamento já não há mais proporcionalidade entre a tensão e a deformação e a lei de Hooke deixa de ser aplicável. Para o limite de
proporcionalidade a Equação 4 pode ser seguida (ASM METALS HANDBOOK VOLUME 8, 2000).
=
,(4) Onde:
s0= Limite de proporcionalidade (MPa)
Pproporcionalidade = 0,002 = Tensão de engenharia correspondente à intersecção da reta paralela
iniciada no ponto de 0,2% de deformação (N)
A0= área original da secção transversal do corpo de prova (mm2)
Para os materiais que não possuem uma parcela linear bem definida na curva tensão deformação o limite de escoamento proporcional, convencionado em 0,2% de deformação, não deve ser utilizado e nestes casos a prática comum é utilizar uma técnica similar iniciada a 0,5% de deformação(ASM METALS HANDBOOK VOLUME 8, 2000).
O limite de resistência à tração é a maior tensão aplicada antes da ruptura do corpo de prova. Depois de sair do regime elástico o material começa a deformar plasticamente. A deformação plástica é irreversível, o que quer dizer que quando a tensão aplicada é retirada o objeto já não volta mais ao seu formato original. A deformação plástica é heterogênea, tanto macroscopicamente quanto microscopicamente. A curva de engenharia tensão deformação não leva em consideração a diminuição da área da secção transversal do corpo de prova durante a deformação plástica e por este motivo ascende até o limite de resistência à tração e depois começa a cair até o ponto da falha. O limite de resistência à tração pode ser expresso pela Equação 5(ASM METALS HANDBOOK VOLUME 8, 2000).
=
! (5)Onde:
Su= Limite de resistência à tração (MPa)
Pmax= Carga Máxima (N)
A0= área original da secção transversal do corpo de prova (mm2)
De uma perspectiva atômica a deformação plástica pode ser entendida como o rompimento das ligações originais que havia entre átomos vizinhos e após a movimentação o
reatamento de ligações com novos vizinhos (CALLISTER, 2006). Por este motivo, mesmo que a tensão causadora da deformação seja eliminada o formato do objeto ficará permanentemente alterado. A deformação plástica nos metais ocorre por meio de sistemas de escorregamento, compostos por planos e direções de escorregamentos onde há maior compactação atômica. Inúmeros estudos foram dedicados a este fenômeno de deformação plástica já que as tensões observadas empiricamente para que ocorresse o escorregamento eram às vezes várias ordens de grandeza menores do que as tensões teóricas. Esta grande diferença foi explicada pela teoria das discordâncias proposta originalmente em 1934 por Orowan, Polyani e Taylor (REED HILL, 1982).
Junto às medidas de rigidez já explanadas, figuram também a tenacidade e a resiliência. A tenacidade é a capacidade do material de absorver energia até que ocorra a falha e no gráfico tensão deformação pode ser representada pela área total abaixo da curva. A resiliência é a capacidade do material de absorver energia dentro do regime elástico de deformação e na curva de engenharia é representado pela área abaixo da porção da curva até o ponto do limite de proporcionalidade.
Em adição às medidas de rigidez há também as medidas de ductilidade. A ductilidade é considerada como uma propriedade subjetiva, ou qualitativa, dos materiais (ASM METALS HANDBOOK VOLUME 8, 2000). As medidas de ductilidade são o alongamento percentual e a redução de área percentual. Estas medidas são obtidas durante o ensaio de tração por medições do corpo de prova fraturado. As Equações 6 e 7 representam o alongamento percentual e a redução de área respectivamente.
"
#=
$ (6)Onde:
ef= Alongamento percentual
Lo= Comprimento original do corpo de prova (mm)
Lf= Comprimento final do corpo de prova (mm)
% =
$(7) Onde:
q = redução percentual da área da secção transversal do corpo de prova Ao= Área original da secção transversal do corpo de prova (mm2)
Af= Área final da secção transversal do corpo de prova (mm2)
As medidas de ductilidade são importantes porque indicam quanto um material irá deformar antes que ocorra a falha. Para muitas aplicações isto é importante, pois há algum tipo de aviso antes que ocorra a ruptura. Os materiais são geralmente classificados como dúcteis ou frágeis, os primeiros deformam plasticamente antes da falha, os últimos falham catastroficamente, sem deformação plástica apreciável. Consideram se materiais que fraturam de forma frágil aqueles cuja deformação não chega a 5% antes da falha (CALLISTER, 2006).
É possível observar na Figura 13, que representa a curva de engenharia tensão deformação típica para materiais metálicos, a porção linear que demonstra a deformação elástica, o limite de proporcionalidade indicado pela linha pontilhada, que aponta a transição da deformação elástica para a plástica, o limite de resistência à tração, no ponto mais alto da curva, e a tensão de ruptura, na qual o corpo de prova falha. É possível observar pelo gráfico que para a deformação plástica iniciada após o limite de escoamento continuar é necessário que haja um aumento da tensão aplicada. Isso ocorre pelo endurecimento por trabalho a frio, também chamado de encruamento. Até o ponto de maior tensão na curva, denominado limite de resistência à tração, encontra se a porção de deformação plástica “uniforme” do corpo de prova, isto é, o espécime alonga em sua área útil como um todo, e por consequência deste alongamento ocorre um afinamento de sua seção transversal para que o volume seja mantido. Este afinamento que até certo ponto é uniforme, em função de alguma falha ou ponto fraco pré existente no material, concentra se em uma área de estricção após o limite de resistência a tração comumente chamada de pescoço. Uma vez iniciado o pescoço toda a deformação plástica irá se concentrar neste ponto, por este motivo o endurecimento por encruamento, que gerava a necessidade de aumento de tensão aplicada não mais compensará pela diminuição na área da seção transversal, e a curva começa a cair. O desenho do corpo de prova na Figura 13, entre o limite de resistência a tração e a tensão de ruptura ilustra o aparecimento do pescoço no corpo de prova. (CALLISTER, 2006).
Figura 13 – Curva de engenharia tensão deformação. Fonte: ASM Metals Handbook Volume 8 (2000).
Por isso, após o limite de resistência à tração ser atingindo a tensão necessária para continuar a deformação, agora localizada no pescoço, até a falha do corpo de prova diminui. Esta diminuição da tensão até a falha ocorre porque a área da secção transversal instantânea não é considerada, e sim a área original. Conforme o “empescoçamento” progride até a ruptura a área da secção transversal diminui, e o que ocorre na realidade é que o material continua a endurecer por trabalho a frio até a falha, dificultando e não facilitando a deformação. Por este motivo muitas vezes a curva real tensão deformação é utilizada em lugar da curva de engenharia. A Figura 14 exibe a curva real tensão deformação.
Figura 14 – Curva real tensão deformação. Fonte: ASM Metals Handbook Volume 8 (2000)
A tensão real pode ser calculada, de acordo a G.E.Dieter, pelo uso da equação 8 até o ponto onde se inicia o “empescoçamento”. Depois deste ponto medidas empíricas devem ser coletadas levando em consideração a área instantânea da secção transversal do pescoço e a carga aplicada naquele instante.
& = '" + 1* = '" + 1*
(8)Onde:
σ = Tensão verdadeira (MPa)
e = Deformação de engenharia (mm/mm) s = Tensão de engenharia (MPa)
Da mesma forma, a deformação verdadeira pode ser calculada pelo uso da Equação 9, também até o ponto de “empescoçamento”. Depois do inicio a estricção a Equação 10, que leva em consideração os diâmetros instantâneos deve ser utilizada (ASM METALS HANDBOOK VOLUME 8, 2000).
+ = ln'" + 1* = ./
(9) Onde: ε = Deformação verdadeira e = Deformação de engenharia+ = ./ = ./ 0
12345 123456 = 2./
5 5 (10) Onde: ε = Deformação verdadeira A = Área final (mm2) Ao= Área original (mm2) D = Diâmetro final (mm) Do= Diâmetro original (mm)Pela quantidade significativa de informações disponibilizadas sobre um material o teste de tração é um dos mais utilizados, e mais importantes, na caracterização de metais. Em adição, com os dados coletados da curva de engenharia é possível traçar a curva real tensão deformação, da qual mais informações importantes podem ser adquiridas. Dentre as medidas de interesse que podem ser calculadas pelo uso da curva real estão o expoente de encruamento, n, e o coeficiente de resistência K. A seção abaixo discorrerá sobre estes tópicos.