Compreendendo a resistência ao rendimento: um guia abrangente

Definição de limite de escoamento

Força de rendimento: É o limite de escoamento de um material metálico quando ele cede, ou seja, a tensão que resiste a uma leve deformação plástica.

Para materiais metálicos sem escoamento óbvio, o valor da tensão que produz 0,2% de deformação residual é especificado como seu limite de escoamento, denominado limite de escoamento condicional ou limite de escoamento.

Forças externas superiores a este limite causarão a falha permanente do componente e não poderão ser restauradas. Por exemplo, o limite de escoamento do aço de baixo carbono é 207 MPa.

Quando forças externas superiores a este limite são aplicadas, o componente sofrerá deformação permanente. Se for menor que isso, o componente retornará à sua forma original.

Importância do limite de escoamento na ciência e engenharia de materiais

O método tradicional de dimensionamento de resistência considera o limite de escoamento como padrão para materiais plásticos, com tensão admissível (σ)=σys/n, onde o fator de segurança n pode variar de 1,1 a 2 ou mais, dependendo da situação.

Para materiais frágeis, a resistência à tração é considerada padrão, com tensão admissível (σ) = σb/n, e o fator de segurança n é geralmente considerado 6.

Deve-se notar que o método tradicional de projeto de resistência levará inevitavelmente a uma busca unilateral de alto limite de escoamento para o material, mas à medida que o limite de escoamento do material aumenta, a resistência à fratura diminui e o risco de fratura aumenta.

O limite de escoamento não só tem significado prático direto, mas também serve como uma medida aproximada de algum comportamento mecânico e desempenho do processo do material em engenharia.

Por exemplo, à medida que o limite de escoamento do material aumenta, ele se torna mais sensível à corrosão sob tensão e à fratura frágil por hidrogênio; à medida que o limite de escoamento diminui, o desempenho da conformação a frio e o desempenho da soldagem melhoram, e assim por diante.

Portanto, o limite de escoamento é um índice importante e indispensável no desempenho do material.

Noções básicas de tensão e deformação de materiais

Conceitos de estresse e tensão

Estresse

Quando um objeto se deforma devido a fatores externos (forças, umidade, mudanças de temperatura, etc.), existem forças internas que interagem entre as diversas partes do objeto. A força interna por unidade de área é chamada de tensão.

Aquelas perpendiculares à seção transversal são chamadas de tensão normal ou tensão axial, e aquelas tangentes à seção transversal são chamadas de tensão de cisalhamento ou tensão de corte.

Variedade

Deformação refere-se à deformação relativa de um objeto sob a ação de forças externas e campos de temperatura não uniformes, entre outros fatores.

Relação entre estresse e tensão

De acordo com a lei de Hooke, dentro de uma certa faixa de limite proporcional, tensão e deformação têm uma relação linear proporcional.

A tensão máxima correspondente é chamada de limite proporcional.

A relação entre tensão e deformação, denotada 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 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 tensão e deformação (deformação unitária) quando submetidos a tensão.

Os materiais que satisfazem a lei de Hooke são chamados de elásticos lineares ou materiais de Hooke.

A expressão da lei de Hooke é F=k·x ou ΔF=k·Δx, onde k é uma constante, o coeficiente de rigidez (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) por uma unidade de comprimento.

Tipos de estresse e tensão

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 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 naquela 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 peças.

Deformação de cisalhamento: A deformação de 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?

Existem basicamente dois tipos de deformação: deformação linear e deformação angular. A deformação linear, também conhecida como deformação normal, é a razão entre o aumento no comprimento (positivo quando alongado) de um pequeno segmento de linha em uma determinada direção e seu comprimento original.

A deformação angular, também conhecida como deformação de cisalhamento ou deformação de cisalhamento, é a mudança no ângulo (positivo quando diminuído) entre dois segmentos de linha perpendiculares devido à tensão de cisalhamento. É expresso em radianos.

Determinando a resistência ao rendimento

Curva tensão-deformação

O diagrama da curva 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 tensão-deformação ainda possui quatro estágios. Os significados de cada ponto característico são:

Estágio o para a:

No estágio inicial de estiramento (ou compressão), a tensão σ e a deformação ε estão linearmente relacionadas até o ponto a.

Neste ponto, o valor da tensão correspondente ao ponto a é denominado limite proporcional, representado por σp.

É o limite máximo onde a tensão e a deformação são proporcionais.

Quando σ≤σp, existe σ =Eε, também conhecida como lei de Hooke, que indica que tensão e deformação são proporcionais.

Portanto, E =σ / ε = tanα, onde E é conhecido como módulo de elasticidade ou módulo de Young, com unidades iguais a σ. Quando a tensão ultrapassa o limite proporcional para atingir o ponto b, a relação σ-ε se desvia de uma linha reta.

Se a tensão for descarregada até zero neste ponto, a deformação também desaparecerá (uma vez que a tensão exceda o ponto b, uma parte da deformação não pode ser eliminada após a descarga).

A tensão definida no ponto b é chamada de limite elástico σe. σe é o valor limite último apenas para a deformação elástica do material.

Estágio b a c:

Depois que a tensão excede o limite elástico, ocorre um fenômeno em que a tensão aumenta muito pouco ou nada, e a deformação aumenta rapidamente.

Este fenômeno é chamado de cedência. O ponto onde o escoamento começa corresponde ao limite de escoamento σs, também conhecido como limite de escoamento.

Na fase de escoamento, a tensão não muda enquanto a deformação continua a aumentar, o material parece ter perdido a sua capacidade de resistir à deformação, resultando numa deformação plástica significativa (se descarregado neste ponto, a deformação não desaparecerá completamente, e não haverá será deformação residual).

Portanto, σs é um índice importante para medir a resistência do material.

Quando uma amostra de aço de baixo carbono cede com polimento superficial, a superfície apresentará listras em um ângulo de 45° em relação ao eixo, devido ao deslizamento relativo da rede cristalina interna, conhecido como linhas de deslizamento.

Estágio c a e:

Depois de passar pelo estágio de escoamento, se a amostra continuar a se deformar, ela deverá ser carregada ainda mais, o material parece ter fortalecido e o estágio ce é o estágio de reforço.

O ponto mais alto (ponto e) na etapa de reforço de deformação corresponde ao limite de resistência σb. Representa a tensão máxima que o material pode suportar.

Estágio e a f:

Após passar pelo ponto e, ou seja, após a tensão atingir o limite de resistência, o corpo de prova sofre uma forte contração local, conhecida como estreitamento.

Então, ocorrem trincas no interior da amostra, a tensão nominal σ diminui e a amostra fratura no ponto f.

A resistência ao escoamento (σs) e a resistência à tração (σb) são indicadores importantes da resistência de materiais com boa plasticidade (como aço de baixo carbono).

Deve-se notar que a tensão nominal é utilizada e a redução da 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, e não a tensão máxima real dentro do material.

Se a área real da amostra no momento da fratura for usada para medir, a tensão máxima real é o valor da tensão correspondente ao ponto i no segmento de linha di na figura.

Na prática da engenharia, por questão de simplicidade, praticidade e segurança, a resistência à tração (σb) ainda é utilizada para representar a tensão máxima que o material pode suportar.

Porém, ao simular o comportamento mecânico não linear dos materiais com um computador, a curva tensão-deformação real deve ser utilizada.

Métodos para determinar o limite de escoamento

Para metais sem fenômeno de escoamento significativo, sua resistência à tração sob extensão não proporcional prescrita ou deformação à tração residual pode ser medida.

Para metais com fenômeno de escoamento significativo, seu limite de escoamento, limite de escoamento superior e limite de escoamento inferior podem ser medidos.

Existem dois métodos para medir a resistência ao escoamento superior e inferior: método gráfico e método de ponteiro.

Método Gráfico

Durante o experimento, um gráfico de deslocamento da força da mandíbula é desenhado usando um dispositivo de registro automático.

A proporção do eixo da força com 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 cedência.

Na curva, são determinadas a força constante Fe durante o escoamento, a força máxima Feh antes da primeira diminuição da força durante o estágio de escoamento ou a força mínima FeL antes do efeito instantâneo inicial.

O limite de escoamento, o limite de escoamento superior e o limite de escoamento inferior podem ser calculados usando as seguintes fórmulas:

Fórmula para cálculo do limite de escoamento: Re = Fe/So; Fe é a força constante durante o escoamento.

Fórmula para cálculo do limite de escoamento superior: Reh = Feh/So; Feh é a força máxima antes da primeira diminuição da força durante a fase de escoamento.

Fórmula para cálculo do limite de escoamento inferior: ReL = FeL/So; FeL é a força mínima antes do efeito instantâneo inicial.

Método de 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 ao limite de escoamento, limite de escoamento superior e limite de escoamento inferior , respectivamente.

Fatores que afetam o limite de escoamento

Os fatores internos que afetam o limite de escoamento são: ligação, microestrutura, estrutura e natureza atômica.

Uma comparação do limite de escoamento de metais com cerâmicas e polímeros mostra que o efeito da ligação é fundamental.

Em termos do impacto da microestrutura, existem quatro mecanismos de reforço que afetam a resistência ao escoamento dos materiais metálicos, que são:

(1) fortalecimento de soluções sólidas;

(2) endurecimento por deformação;

(3) fortalecimento da precipitação e fortalecimento da dispersão;

(4) contorno de grão e fortalecimento de subgrãos. O reforço por precipitação e o reforço de granulação fina são os meios mais comumente usados ​​para melhorar o limite de escoamento de ligas industriais.

Destes mecanismos de reforço, os três primeiros mecanismos aumentam a resistência do material ao mesmo tempo que 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 a resistência ao escoamento são: temperatura, taxa de deformação e estado de tensão.

À medida que a temperatura diminui e a taxa de deformação aumenta, a resistência ao escoamento do material aumenta, especialmente os metais cúbicos de corpo centrado 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 o limite de escoamento reflita o desempenho inerente de um material, o valor do limite de escoamento também é diferente dependendo do estado de tensão.

A resistência ao escoamento de um material comumente referido é geralmente a resistência ao escoamento sob tensão uniaxial.

Materiais comuns e seus limites de rendimento

Grau de aço	Propriedade mecânica						Composição química
	força de rendimento		resistência à tracção		alongamento	C	Si	Mn	S	P
	MPa	kg/mm2	MPa	Kg/mm2	milímetros		Menos que ou igual a.		Menos que ou igual a.	Menos que 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	0h30	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	0,20-0,55	1,2-1,6	0,045	0,045

Métodos de teste para resistência ao escoamento

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 superficial do material e o desempenho do plástico.

Os métodos de teste de resistência ao escoamento são geralmente divididos em dois tipos: mecânicos e não mecânicos.

Teste de resistência ao escoamento mecânico:

Este 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 usando um dispositivo mecânico para determinar o limite de escoamento.

Teste de resistência ao escoamento não mecânico:

Este método geralmente envolve métodos de tração, compressão e torção. A amostra é montada no instrumento de teste e uma força constante é aplicada usando uma alavanca ou controle de computador para determinar o limite de escoamento.

Para melhorar a exatidão e precisão dos testes de resistência ao escoamento, geralmente é necessário realizar vários testes sob as 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 escoamento final obtido é a resistência máxima na qual o material pode dobrar sob a carga aplicada.

Conclusão

Através do estudo deste artigo, aprendemos o que é o limite de escoamento, os princípios 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 esta informação seja útil para todos.

Se houver alguma dúvida, sinta-se à vontade para nos informar na seção de comentários.