Rendimento (engenharia)

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Curva tensão-deformação mostrando comportamento típico de escoamento para ligas não ferrosas . ( Estresse, mostrado como uma função da deformação.)

Na ciência e engenharia de materiais , o ponto de escoamento é o ponto em uma curva tensão-deformação que indica o limite do comportamento elástico e o início do comportamento plástico . Abaixo do limite de escoamento, um material se deformará elasticamente e retornará à sua forma original quando a tensão aplicada for removida. Uma vez ultrapassado o limite de escoamento, alguma fração da deformação será permanente e irreversível e é conhecida como deformação plástica .

A tensão de escoamento ou tensão de escoamento é uma propriedade do material e é a tensão correspondente ao ponto de escoamento no qual o material começa a se deformar plasticamente. O limite de escoamento é frequentemente usado para determinar a carga máxima admissível em um componente mecânico, pois representa o limite superior das forças que podem ser aplicadas sem produzir deformação permanente. Em alguns materiais, como o alumínio , há um início gradual de comportamento não linear, dificultando a determinação do ponto de escoamento preciso. Nesse caso, o ponto de escoamento de compensação (ou tensão de prova ) é considerado como a tensão na qual ocorre deformação plástica de 0,2%. O rendimento é um modo de falha gradualque normalmente não é catastrófico , ao contrário da falha final .

Na mecânica dos sólidos , o ponto de escoamento pode ser especificado em termos das tensões principais tridimensionais () com uma superfície de cedência ou um critério de cedência . Uma variedade de critérios de rendimento foram desenvolvidos para diferentes materiais.

Definição

Material Força de
escoamento (MPa)
Força final
(MPa)
Aço ASTM A36 250 400
Aço, API 5L X65 [1] 448 531
Aço, liga de alta resistência ASTM A514 690 760
Aço, cordões de protensão 1650 1860
Cordas de piano   1740–3300 [2]
Fibra de carbono (CF, CFK) 5650 [3]
Polietileno de alta densidade (HDPE) 26–33 37
Polipropileno 12–43 19,7-80
Aço inoxidável AISI 302 – laminado a frio 520 860
Ferro fundido 4,5% C, ASTM A-48 [4] 172
Liga de titânio (6% Al, 4% V) 830 900
Liga de alumínio 2014-T6 400 455
Cobre 99,9% Cu 70 220
Cuproníquel 10% Ni, 1,6% Fe, 1% Mn, equilíbrio Cu 130 350
Latão 200+ ~ 550
seda de aranha 1150 (?) 1400
seda do bicho-da- seda 500  
Aramida ( Kevlar ou Twaron ) 3620 3757
UHMWPE [5] [6] 20 35 [7]
Osso (membro) 104–121 130
Nylon, tipo 6/6 45 75
Alumínio (recozido) 15–20 40–50 [8]
Cobre (recozido) 33 210
Ferro (recozido) 80–100 350
Níquel (recozido) 14–35 140–195
Silício (recozido) 5000–9000  
Tântalo (recozido) 180 200
Estanho (recozido) 9–14 15–200
Titânio (recozido) 100–225 240–370
Tungstênio (recozido) 550 550–620

Muitas vezes é difícil definir com precisão o escoamento devido à grande variedade de curvas tensão-deformação exibidas por materiais reais. Além disso, existem várias maneiras possíveis de definir o rendimento: [9]

Limite elástico verdadeiro
A menor tensão na qual as discordâncias se movem. Essa definição raramente é usada, pois as discordâncias se movem com tensões muito baixas e a detecção de tal movimento é muito difícil.
Limite de proporcionalidade
Até essa quantidade de tensão, a tensão é proporcional à deformação ( lei de Hooke ), de modo que o gráfico tensão-deformação é uma linha reta, e o gradiente será igual ao módulo de elasticidade do material.
Limite elástico (força de escoamento)
Além do limite elástico, ocorrerá deformação permanente. O limite elástico é, portanto, o ponto de tensão mais baixo no qual a deformação permanente pode ser medida. Isso requer um procedimento manual de carga e descarga, e a precisão depende criticamente do equipamento usado e da habilidade do operador. Para elastômeros , como borracha, o limite elástico é muito maior que o limite de proporcionalidade. Além disso, medições precisas de deformação mostraram que a deformação plástica começa em tensões muito baixas. [10] [11]
Ponto de rendimento
O ponto na curva tensão-deformação no qual a curva se nivela e a deformação plástica começa a ocorrer. [12]
Ponto de rendimento compensado (prova de estresse )
Quando um limite de escoamento não é facilmente definido com base na forma da curva tensão-deformação, um ponto de escoamento compensado é definido arbitrariamente. O valor para isso é comumente definido em 0,1% ou 0,2% de deformação plástica. [13] O valor de deslocamento é dado como um subscrito, por exemplo,MPa ouMPa. [14] Para a maioria dos usos práticos de engenharia,é multiplicado por um fator de segurança para obter um valor menor do ponto de escoamento de compensação. Aço de alta resistência e ligas de alumínio não apresentam um ponto de escoamento, então este ponto de escoamento compensado é usado nestes materiais. [13]
Pontos de rendimento superior e inferior
Alguns metais, como o aço macio , atingem um limite de escoamento superior antes de cair rapidamente para um limite de escoamento inferior. A resposta do material é linear até o limite de escoamento superior, mas o limite de escoamento inferior é usado na engenharia estrutural como um valor conservador. Se um metal for tensionado apenas até o limite de escoamento superior e além, as bandas de Lüders podem se desenvolver. [15]

Uso em engenharia estrutural

As estruturas cedidas têm uma rigidez menor, levando ao aumento das deflexões e à diminuição da resistência à flambagem. A estrutura ficará permanentemente deformada quando a carga for removida, podendo apresentar tensões residuais. Os metais de engenharia apresentam encruamento, o que implica que a tensão de escoamento é aumentada após o descarregamento de um estado de escoamento.

Testando

O teste de resistência ao escoamento envolve pegar uma pequena amostra com uma área de seção transversal fixa e puxá-la com uma força controlada e gradualmente crescente até que a amostra mude de forma ou quebre. Isso é chamado de teste de tração. A deformação longitudinal e/ou transversal é registrada usando extensômetros mecânicos ou ópticos.

A dureza de indentação se correlaciona aproximadamente linearmente com a resistência à tração para a maioria dos aços, mas as medições em um material não podem ser usadas como uma escala para medir a resistência em outro. [16] O teste de dureza pode, portanto, ser um substituto econômico para o teste de tração, além de fornecer variações locais no limite de escoamento devido, por exemplo, a operações de soldagem ou conformação. No entanto, para situações críticas, o teste de tensão é feito para eliminar a ambiguidade.

Mecanismos de fortalecimento

Existem várias maneiras pelas quais os materiais cristalinos podem ser projetados para aumentar sua resistência ao escoamento. Ao alterar a densidade de deslocamento, os níveis de impureza, o tamanho do grão (em materiais cristalinos), a resistência ao escoamento do material pode ser ajustada. Isso ocorre tipicamente pela introdução de defeitos como deslocamentos de impurezas no material. Para mover este defeito (deformando plasticamente ou cedendo o material), uma tensão maior deve ser aplicada. Isso, portanto, causa uma tensão de escoamento mais alta no material. Embora muitas propriedades do material dependam apenas da composição do material a granel, a resistência ao escoamento também é extremamente sensível ao processamento dos materiais.

Esses mecanismos para materiais cristalinos incluem

Endurecimento de trabalho

Onde deformar o material irá introduzir discordâncias , o que aumenta sua densidade no material. Isso aumenta a resistência ao escoamento do material, pois agora mais tensão deve ser aplicada para mover essas discordâncias através de uma rede cristalina. As luxações também podem interagir umas com as outras, tornando-se emaranhadas.

A fórmula que rege este mecanismo é:

Ondeé a tensão de escoamento, G é o módulo de elasticidade de cisalhamento, b é a magnitude do vetor de Burgers , eé a densidade de discordância.

Fortalecimento de soluções sólidas

Ao ligar o material, os átomos de impureza em baixas concentrações ocuparão uma posição de rede diretamente abaixo de uma discordância, como diretamente abaixo de um defeito de meio plano extra. Isso alivia uma tensão de tração diretamente abaixo da discordância, preenchendo o espaço vazio da rede com o átomo de impureza.

A relação deste mecanismo é a seguinte:

Ondeé a tensão de cisalhamento , relacionada à tensão de escoamento,esão os mesmos do exemplo acima,é a concentração de soluto eé a tensão induzida na rede devido à adição da impureza.

Fortalecimento de partículas/precipitados

Onde a presença de uma fase secundária aumentará a resistência ao escoamento bloqueando o movimento das discordâncias dentro do cristal. Um defeito de linha que, ao se mover pela matriz, será forçado contra uma pequena partícula ou precipitado do material. As discordâncias podem se mover através desta partícula tanto por cisalhamento da partícula quanto por um processo conhecido como arqueamento ou anelamento, no qual um novo anel de discordâncias é criado ao redor da partícula.

A fórmula de cisalhamento é assim:

e a fórmula de reverência/toque:

Nessas fórmulas,é o raio da partícula,é a tensão superficial entre a matriz e a partícula,é a distância entre as partículas.

Reforço do limite de grão

Onde um acúmulo de discordâncias em um contorno de grão causa uma força repulsiva entre discordâncias. À medida que o tamanho do grão diminui, a razão entre a área da superfície e o volume do grão aumenta, permitindo mais acúmulo de discordâncias na borda do grão. Uma vez que requer muita energia para mover discordâncias para outro grão, essas discordâncias se acumulam ao longo do limite e aumentam a tensão de escoamento do material. Também conhecido como reforço Hall-Petch, este tipo de reforço é regido pela fórmula:

Onde

é a tensão necessária para mover discordâncias,
é uma constante material, e
é o tamanho do grão.

Limite de escoamento teórico

Material Resistência ao cisalhamento teórica (GPa) Resistência ao cisalhamento experimental (GPa)
Ag 1,0 0,37
Al 0,9 0,78
Cu 1,4 0,49
Ni 2.6 3.2
α-Fe 2.6 27,5

O limite de escoamento teórico de um cristal perfeito é muito maior do que a tensão observada no início do escoamento plástico. [17]

Que o limite de escoamento medido experimentalmente é significativamente menor do que o valor teórico esperado pode ser explicado pela presença de deslocamentos e defeitos nos materiais. De fato, whiskers com estrutura monocristalina perfeita e superfícies livres de defeitos demonstraram demonstrar tensão de escoamento próxima do valor teórico. Por exemplo, nanohiskers de cobre mostraram sofrer fratura frágil a 1 GPa, [18] um valor muito maior que a resistência do cobre em massa e se aproximando do valor teórico.

O limite de escoamento teórico pode ser estimado considerando o processo de escoamento no nível atômico. Em um cristal perfeito, o cisalhamento resulta no deslocamento de um plano inteiro de átomos por uma distância de separação interatômica, b, em relação ao plano abaixo. Para que os átomos se movam, uma força considerável deve ser aplicada para superar a energia da rede e mover os átomos do plano superior sobre os átomos inferiores e para um novo local da rede. A tensão aplicada para superar a resistência de uma rede perfeita ao cisalhamento é o limite de escoamento teórico, τ max .

A curva de deslocamento de tensão de um plano de átomos varia senoidalmente à medida que a tensão atinge o pico quando um átomo é forçado sobre o átomo abaixo e depois cai quando o átomo desliza para o próximo ponto da rede. [17]

Ondeé a distância de separação interatômica. Como τ = G γ e dτ/dγ = G em pequenas deformações (ou seja, deslocamentos de distância atômica única), esta equação se torna:

Para pequenos deslocamentos de γ=x/a, onde a é o espaçamento dos átomos no plano de escorregamento, isso pode ser reescrito como:

Dando um valor deτ max igual a:

O limite de escoamento teórico pode ser aproximado como.

Veja também

Referências

  1. ^ "ussteel.com" . Arquivado a partir do original em 22 de junho de 2012 . Recuperado em 15 de junho de 2011 .
  2. ^ ASTM A228-A228M-14
  3. ^ "complore.com" . Arquivado a partir do original em 11 de junho de 2017 . Recuperado em 10 de setembro de 2010 .
  4. ^ Cerveja, Johnston & Dewolf 2001 , p. 746.
  5. ^ "Folhas de dados técnicos do produto UHMWPE" . Arquivado a partir do original em 14 de outubro de 2011 . Recuperado em 18 de agosto de 2010 .
  6. ^ "unitex-deutschland.eu" (PDF) . Arquivado a partir do original (PDF) em 25 de março de 2012 . Recuperado em 15 de junho de 2011 .
  7. ^ matweb. com
  8. ^ AM Howatson, PG Lund e JD Todd, "Tabelas e Dados de Engenharia", p. 41.
  9. ^ G. Dieter, Metalurgia Mecânica , McGraw-Hill, 1986
  10. ^ Flinn, Richard A.; Trojan, Paul K. (1975). Materiais de Engenharia e suas Aplicações . Boston: Houghton Mifflin Company. pág. 61 . ISBN 978-0-395-18916-0.
  11. ^ Barnes, Howard (1999). "A tensão de rendimento - uma revisão ou 'παντα ρει' - tudo flui?". Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics . 81 (1–2): 133–178. doi : 10.1016/S0377-0257(98)00094-9 .
  12. ^ Ross 1999 , p. 56.
  13. ^ a b Ross 1999 , p. 59.
  14. ^ ISO 6892-1:2009
  15. ^ Degarmo, pág. 377.
  16. ^ Correlação de resistência ao escoamento e resistência à tração com dureza para aços, EJ Pavlina e CJ Van Tyne, Journal of Materials Engineering and Performance, Volume 17, Number 6 / December, 2008
  17. ^ a b H., Courtney, Thomas (2005). Comportamento mecânico dos materiais . Imprensa Waveland. ISBN 978-1577664253. OCLC  894800884 .
  18. ^ Richter, Gunther (2009). "Nanowhiskers monocristalinos de ultra-alta resistência cultivados por deposição de vapor físico". Nano Letras . 9 (8): 3048-3052. Bibcode : 2009NanoL...9.3048R . CiteSeerX 10.1.1.702.1801 . doi : 10.1021/nl9015107 . PMID 19637912 .  

Bibliografia