Resistência vs. Rigidez vs. Dureza: Quais são as diferenças na fabricação?

A crescente pesquisa de materiais é um fator importante na ascensão da manufatura moderna. A variedade de materiais que podem ser usinados também está aumentando na usinagem CNC, e é benéfico ter um conhecimento básico das principais propriedades e diferenças para aproveitar ao máximo os desenvolvimentos mais recentes.

Neste artigo vamos nos concentrar nas principais propriedades do material: resistência, rigidez e dureza. Explicaremos detalhadamente cada um desses valores e daremos algumas dicas profissionais para processos de fabricação.

Força, rigidez, dureza: por que são importantes?

As propriedades do material são as características de um material que determinam sua resposta (como ele muda de forma e formato) às forças externas. Com base nas propriedades do material, os materiais são classificados como macios, duros, elásticos, condutores, etc.

Resistência, rigidez e dureza são as três propriedades de material mais importantes associadas aos materiais para usinagem CNC. Eles definem como os materiais se comportam sob a influência das ferramentas de corte. Na verdade, é possível classificar um material como “difícil de cortar” apenas com base nestas três propriedades.

O que é resistência material?

A resistência é provavelmente a propriedade mecânica mais importante para aplicações técnicas. É a primeira especificação que os engenheiros verificam ao selecionar materiais para seu projeto. No sentido mais simples, determina o quanto um material se deforma quando uma força externa atua sobre ele. Quanto mais resistente for um material, menos ele se deformará.

Para explicar isso com mais detalhes, usamos a clássica curva tensão-deformação. Como você pode notar, ele contém muitas informações em apenas um gráfico. Pode ser um pouco difícil de entender no início, mas vamos dividi-lo em partes administráveis.

Primeiramente, vamos apresentar brevemente os conceitos de tensão e deformação, propriedades representadas pelos eixos do diagrama.

O estresse é a força por unidade de área. Quanto maior for a força que atua sobre o material, maior será a tensão. O alongamento, por outro lado, é a deformação do material por unidade de comprimento. É, portanto, uma medida da reação do material sob tensão. Claro que estão diretamente relacionados: se um dos valores aumenta, o outro também aumenta e vice-versa.

Deve-se notar que existem vários tipos de tensão dependendo do tipo de força aplicada a um objeto. No nosso caso, consideramos apenas a tensão de tração, uma vez que é o tipo de condição de carregamento mais comum na maioria das aplicações.

Como pode ser visto na figura, existem pontos e regiões da curva tensão-deformação. Eles representam diferentes tipos de pontos fortes, que são o nosso próximo tópico de discussão.

Limite de estiramento

A resistência ao escoamento é a resistência de um material antes de atingir seu ponto de escoamento. O ponto de escoamento é um ponto na curva tensão-deformação antes do qual o material se deforma elasticamente. Ou seja, ele retorna à sua forma original quando a tensão é removida. Quando carregado além deste ponto, o material sofre deformação plástica permanente que não desaparece mesmo quando a carga é removida.

Compreensivelmente, o limite de escoamento é a propriedade mais importante para os projetistas, já que a deformação plástica tem um efeito adverso na maioria dos produtos.

Resistência máxima à tração

A resistência à tração é outro ponto na curva tensão-deformação que define a tensão máxima de tração que um material pode atingir. Ocorre na zona de deformação plástica e representa o ponto em que o material começa a tender à falha.

Do ponto de vista do projeto, esta é uma medida importante de tensão se for esperado que a peça se deforme plasticamente. Em geral, a tensão deve permanecer bem abaixo do UTS para evitar deformações e fraturas excessivas.

Força de ruptura

O nome força de ruptura é autoexplicativo. É o valor de tensão no qual um material falha completamente e começa a quebrar. Isso significa que quebra. Este é um ponto de estresse extremo e deve ser evitado a todo custo durante a fase de projeto.
Um bom exemplo em usinagem é a quebra de ferramentas. Se uma ferramenta de corte for usada em demasia, a aresta de corte quebra e a ferramenta fica inutilizável.

Força compressiva

Conforme explicado acima, existem diferentes maneiras de aplicar tensão a uma peça. A discussão anterior foi baseada apenas em tensões de tração. No entanto, a maioria dos materiais se comporta de forma semelhante sob outros tipos de tensão.

A resistência à compressão é a resistência do material sob forças compressivas. O comportamento é o mesmo, o material deforma-se (inicialmente elástico, depois plástico) sob pressão. Eventualmente, ele começa a se quebrar em um determinado nível de tensão.

Em geral, a resistência à compressão é superior à resistência à tração porque é mais difícil comprimir os materiais do que esticá-los. Na construção civil, é uma característica importante quando a peça é submetida a forças de compressão. Alguns exemplos incluem prensas hidráulicas, colunas e sistemas de suspensão de veículos.

O que é rigidez do material?

A rigidez é outra propriedade do material com grande relevância para projeto e fabricação. Basicamente, é uma medida da taxa de deformação do material sob a influência da força. Portanto, um material com alta rigidez deforma-se menos que um material menos rígido.

Em relação à curva tensão-deformação, a rigidez é a relação entre a mudança na tensão (força) e a deformação (deformação). Em outras palavras, é o valor da inclinação da curva tensão-deformação. Portanto, a fórmula para calcular a rigidez é:

Se apenas a rigidez da região elástica for levada em consideração, ela também é chamada de “módulo de elasticidade”. Este é um valor constante que se aplica a todos os pontos da zona de deformação elástica.

Para tornar o conceito de rigidez mais compreensível para nossos leitores, podemos consultar a Lei de Hooke. Define rigidez como a razão entre a força exercida sobre uma mola e sua extensão em resposta a essa força. Portanto, k na figura a seguir é a rigidez.

Como você pode ver, quanto maior o alongamento, menor será a rigidez da mola. Isto também corresponde ao entendimento geral do termo “rigidez”.

Rigidez durante a usinagem – deflexão da ferramenta de corte

Vamos estender nossa discussão sobre rigidez para um exemplo real do mundo da usinagem. A ferramenta de corte absorve as forças de corte geradas pelo processo de corte e deve ser rígida o suficiente para não se deformar. Pequenos desvios são normais, mas deformações excessivas podem afetar a tolerância da peça e até quebrar a ferramenta.

Portanto, os engenheiros aplicam seus conhecimentos antes da seleção da ferramenta para verificar se sua ferramenta dobrará dentro de limites aceitáveis ​​ou não. Uma versão altamente simplificada deste processo de cálculo pode ser encontrada abaixo.

Em uma instalação de usinagem, a ferramenta atua como uma viga cantilever. Para simplificar, assumimos que a força de corte é uma carga pontual na ponta da ferramenta (como mostrado na figura). Neste caso, a rigidez da ferramenta (viga cantilever com carga pontual) resulta de:

E é o módulo de elasticidade do material do qual a ferramenta é feita, I é o momento de inércia e L é o comprimento que a ferramenta se projeta do fuso.

Agora que conhecemos a relação entre rigidez, força e deformação, podemos calcular a deflexão esperada da ferramenta utilizando a força de corte P:

O que é dureza material?

A dureza é uma medida da resistência de um material à deformação permanente local. Simplificando, é a resistência de um material às deformações superficiais, como reentrâncias, arranhões e abrasão.

Quanto mais duro for o material, mais difícil será riscar. Um material popular com alta dureza é o diamante, frequentemente usado como ferramenta de corte.

A dureza é uma propriedade importante do material que deve ser levada em consideração na tomada de decisões técnicas. Por exemplo, na usinagem, apenas materiais de ferramentas de corte duros, como metal duro ou PCN, são compatíveis com materiais difíceis de cortar, como titânio. Materiais mais macios, como aço rápido, falhariam imediatamente contra metais duros.

Como a dureza é medida?

A dureza é uma das propriedades de material mais bem documentadas. Os profissionais costumam usar a dureza como uma medida única da qualidade do material. Existem vários testes e escalas para medir e quantificar a dureza. Discutiremos brevemente os testes e escalas de resistência mais importantes.

A maioria dos testes de dureza segue um procedimento padronizado semelhante. Um penetrador de formato específico e feito de um material específico é pressionado na superfície do material de teste com uma força conhecida. As dimensões da impressão são então anotadas. Finalmente, todos esses valores são usados ​​para calcular a dureza.

Dentre os testes, os mais comuns são os testes Vickers, Brinell e Rockwell.

• Teste de dureza Vickers: Um penetrador de diamante em forma de pirâmide é usado neste teste. As aplicações primárias incluem seções finas e peças menores. Portanto, são utilizadas forças de penetração de luz.
• Teste de dureza Brinell: O penetrador é uma esfera de aço com diâmetro de 10 mm. A força padrão é 29,42 kN.
• Teste de Dureza Rockwell: O teste Rockwell é muito versátil e utiliza diferentes penetradores, cargas e escalas. A aplicação de carga também é um pouco diferente, pois aplica uma carga em dois estágios. Primeiro uma carga pequena, depois uma carga grande.

Como você pode imaginar, também existem inúmeras escalas de dureza devido aos diferentes testes de dureza. Cada teste tem aplicações específicas. Por exemplo, os três testes da seção anterior são principalmente aplicáveis ​​a metais. A escala de dureza Shore, por outro lado, é mais popular para elastômeros e outros polímeros.

Às vezes, os engenheiros precisam converter medidas de uma escala para outra. As tabelas de conversão são um método eficaz para isso. Um exemplo disso pode ser encontrado abaixo. Portanto, faz sentido ter essas tabelas de conversão em mãos.

Propriedades de resistência, rigidez e dureza de materiais comuns

As propriedades do material podem variar significativamente de material para material. Portanto, cada material tem suas aplicações específicas para as quais nenhum outro material é adequado. Agora que temos uma compreensão básica de resistência, rigidez e dureza, é bom ver seus diferentes valores em todo o espectro de materiais.

Força vs. Rigidez vs. Dureza: Quais são as diferenças?

Na maioria dos casos, a resistência, a rigidez e a dureza são suficientes para determinar a adequação de um material para uma aplicação técnica. Isto não significa que outras propriedades materiais sejam de alguma forma desnecessárias, mas só se tornam relevantes em certos casos.

Essas três propriedades também têm certas relações entre si. Por exemplo, é frequentemente comprovado que a resistência à tração e a dureza estão diretamente relacionadas. Alta dureza geralmente significa alta resistência.

Um argumento semelhante se aplica à relação entre resistência e rigidez. Os materiais sólidos são geralmente mais rígidos. É por isso que escolhemos materiais sólidos quando queremos pequenas deformações, como foi o caso no exemplo de deflexão da ferramenta de corte acima.

No entanto, esta também não é uma regra rígida e rápida. Materiais frágeis como o vidro, por exemplo, são rígidos, mas não sólidos. Isto significa que eles não se deformam tanto sob carga, mas entram rapidamente na zona de deformação plástica e quebram.

É melhor avaliar essas propriedades do material separadamente. Normalmente, as relações subjacentes, como as discutidas, podem ser derivadas diretamente, mas, ao fazê-lo, os engenheiros devem ser cuidadosos e sempre verificar novamente a precisão de suas suposições para a seleção específica do material.

Melhores práticas de design técnico

O design técnico não é brincadeira de criança. Requer habilidade e experiência, bem como criatividade, para projetar componentes técnicos. Considerar as propriedades dos materiais é uma parte importante deste processo.

Nesta seção, listamos algumas das práticas padrão de engenharia relevantes para propriedades de materiais que os profissionais adaptam para otimizar o valor de seus projetos.

Entenda as propriedades dos materiais

Sabemos que isso é óbvio, mas é bom revisitar os princípios e teorias da engenharia nos livros didáticos de vez em quando, pois isso pode ajudar a solidificar os fundamentos do que fazer quando há gargalos no projeto, o que pode ser de grande benefício.

Identifique componentes críticos e recursos geométricos

Cada projeto possui certas partes ou áreas que são mais propensas a erros do que outras. Estes podem ser os principais componentes estruturais, como as dobradiças de uma porta, ou podem ser características especiais, como cantos vivos com altas concentrações de tensão. Se os designers os identificarem com antecedência, poderão prestar-lhes especial atenção.

Factor de segurança

É prática comum considerar um fator de segurança ao projetar peças. Ou seja, a peça foi projetada para suportar cargas superiores à sua carga nominal. Por exemplo, uma polia pode ser projetada para suportar uma carga de 1 tonelada, mas é projetada para falhar em 1,5 tonelada. O fator de segurança neste caso é 1,5. Esta é uma medida de precaução para compensar sobrecargas inesperadas.

Evite cantos afiados

Cantos agudos costumam ser concentrações de tensão. Portanto, é aconselhável dotar os cantos de curvas ou chanfros. Neste caso, a escolha do material é importante. Materiais duros e sólidos podem suportar tensões mais elevadas e podem não exigir grandes curvas. Já materiais mais macios exigem um esquema de arredondamento adequado para evitar problemas.

Leve a temperatura em consideração

A temperatura faz com que as propriedades do material mudem e ocorra expansão/contração térmica. Os plásticos, por exemplo, tornam-se extremamente macios a altas temperaturas. Portanto, as aplicações em altas temperaturas são quase inteiramente dominadas por metais e compósitos.

Considere cargas dinâmicas

Cargas dinâmicas são forças que mudam com o tempo. Diferentes materiais têm diferentes resistências a tais condições de carga. Alguns falham muito rapidamente, enquanto outros podem suportar milhões de ciclos de flutuações dinâmicas de tensão.

Concluindo

Na engenharia mecânica e estrutural, os princípios fundamentais das propriedades dos materiais desempenham um papel crítico na definição do desempenho, confiabilidade e segurança de vários produtos e estruturas. Resistência, rigidez e dureza são as propriedades mais importantes que devem ser consideradas ao projetar componentes de suporte de carga e selecionar materiais.

Perguntas frequentes

O que é mais importante: resistência, rigidez ou dureza?

Embora cada uma dessas características seja importante, o aplicativo determina em qual delas o designer deve se concentrar mais. Por exemplo, a resistência é indiscutivelmente mais importante no chassis de um veículo, uma vez que a sua função principal é suportar cargas.

Como você encontra as propriedades materiais de um material?

Organizações como a ASTM possuem padrões de propriedade de materiais para diferentes tipos e qualidades de materiais. As propriedades dos materiais podem ser encontradas em suas publicações. Além disso, a maioria dos fornecedores de materiais também fornece uma folha de dados para sua marca/lote específico de materiais.

A temperatura altera as propriedades do material?

As propriedades do material dependem da temperatura. Em geral, a resistência, a rigidez e a dureza diminuem à medida que a temperatura aumenta e vice-versa.