O que é limite de elasticidade?
A resistência ao escoamento é a maior tensão que um material pode suportar sem deformação permanenten. Representa o momento em que um material muda permanentemente de forma (ou seja, já não regressa à sua forma anterior após a remoção da tensão). Até ao ponto de cedência, um material é elástico e regressa à sua forma original se a força for removida. Para além deste limite, o material entra na região de deformação plástica e não regressa ao seu estado anterior após a remoção da força.
Este facto é crucial na engenharia de materiais e na conceção de estruturas. A tensão de cedência dos materiais é crucial para evitar a deformação e a falha sob carga. As aplicações de engenharia, como a construção de edifícios, a conceção aeronáutica e a engenharia automóvel, utilizam o limite de elasticidade para garantir que os componentes podem suportar cargas e tensões com segurança ao longo do tempo.
A fórmula do limite de elasticidade
A força aplicada a um material e a sua área de secção transversal determinam o seu limite de elasticidade através de uma fórmula simples. É expressa como.
Onde:
- –σ_Y = Resistência ao escoamento (medida em Pascal, Pa, ou Megapascal, MPa)
- –F = Força aplicada (medida em Newtons, N)
- –A = Área da secção transversal do material (medida em metros quadrados, m²)
A tensão de cedência é normalmente indicada em Pascals (Pa) ou Megapascals (MPa), em que 1 MPa equivale a 1 milhão de Pascals. Esta fórmula simples mostra-nos a quantidade de tensão que um material pode suportar antes de se deformar plasticamente.
Por exemplo, se uma barra de aço com uma área de secção transversal de 10 mm² for sujeita a uma força de 1000 N, a tensão de cedência pode ser calculada como:
Isto indica uma tensão de cedência do aço de 100 MPa. Se a tensão ultrapassar este limite, o aço deforma-se permanentemente.
Quais são os factores que afectam o limite de elasticidade?
O limite de elasticidade de um material é determinado por uma série de factores.
Composição do material
O limite de elasticidade de um material é fortemente influenciado pela sua composição química. O aço, por exemplo, tem um limite de elasticidade superior ao do alumínio devido à presença de carbono e de outros componentes de liga que aumentam a sua resistência.
Temperatura
Com o aumento da temperatura, o limite de elasticidade diminui frequentemente. Os metais em aplicações de alta temperatura, como motores ou centrais eléctricas, podem deteriorar-se a altas temperaturas, embora tenham um desempenho adequado à temperatura ambiente.
Processamento e tratamento
Trabalho a frio, tratamento térmico e liga são processos que podem aumentar o limite de elasticidade do material. O aço, por exemplo, pode ser reforçado por meio de operações como terminação e revenimento.
Estrutura dos grãos
O tamanho e a orientação dos grãos cristalinos de um material também podem influenciar o limite de elasticidade. Os grãos mais finos têm maior limite de elasticidade devido ao reforço dos limites dos grãos.
A curva tensão-deformação e o limite de elasticidade
Para compreender melhor como funciona o limite de elasticidade em circunstâncias reais, considere a curva tensão-deformação. A curva de tensão-deformação descreve a resposta de um material à tensão aplicada. Ela oferece informações críticas sobre o comportamento do material sob tensão, como sua elasticidade, plasticidade e ponto de falha.
A curva tensão-deformação pode ser dividida em várias regiões-chave.
Região elástica
Nesta região, o material comporta-se elasticamente, o que implica que a deformação é proporcional à tensão aplicada. Se o material for descarregado durante este período, ele retomará a sua forma anterior. A ligação tensão-deformação nesta fase é linear, e o declive desta linha é conhecido como o módulo de elasticidade (módulo de Young).
Ponto de rendimento
Este é o momento chave em que o material passa da deformação elástica para a deformação plástica. Quando o ponto de cedência é atingido, o material começa a deformar-se irreversivelmente. Este é o momento em que a **resistência ao escoamento** do material é determinada. Alguns materiais, como o aço macio, podem apresentar um **plano de elasticidade**, no qual o material permanece num nível de tensão estável durante um período de tempo prolongado antes de começar a deformação adicional.
Região plástica
Após atingir o ponto de cedência, o material entra na região plástica e deforma-se irreversivelmente. A tensão e a deformação deixam de estar linearmente ligadas e o material apresenta uma **deformação plástica** que não recupera quando a carga é removida.
Resistência total à tração (UTS)
Esta é a tensão mais elevada que o material pode suportar antes de falhar. A seguir a esta fase, o material começa normalmente a colar e, eventualmente, a fissurar.
Ponto de fratura
O local em que o material se parte ou fratura. Este é o fim da curva tensão-deformação.
| Região | Descrição |
|---|---|
| Região elástica | Relação linear; regressa à forma original |
| Ponto de rendimento | Transição do comportamento elástico para o comportamento plástico |
| Região Plástica | Ocorre uma deformação permanente |
| Resistência à tração final | Tensão máxima antes da falha |
| Ponto de fratura | Ponto de rutura do material |
Como testar e medir o limite de elasticidade?
O ensaio de tração é o método mais frequente para determinar a tensão de cedência de um material. Neste teste, uma quantidade crescente de força é aplicada a uma amostra do material até que ele se deforme. Os dados são utilizados para produzir a curva tensão-deformação, e o limite de elasticidade é calculado quando o material passa de um comportamento elástico para um comportamento plástico.
Outras técnicas para determinar o limite de elasticidade incluem **testes de dureza** (como a dureza Brinell ou Rockwell), que podem fornecer estimativas aproximadas do limite de elasticidade com base na resistência à indentação do material. Os ensaios de tração, por outro lado, continuam a ser a abordagem mais precisa e popular.
Qual é a importância do limite de elasticidade na engenharia?
O limite de elasticidade é importante na engenharia por várias razões.
- –Seleção de materiais: Os engenheiros devem selecionar materiais com limites de elasticidade aceitáveis para aplicações específicas, de modo a garantir a segurança e a funcionalidade.
- –Integridade estrutural: O conhecimento da tensão de cedência permite aos engenheiros projetar estruturas que possam suportar as cargas previstas sem deformação permanente.
- –Conformidade com a regulamentação: Muitas empresas têm requisitos que exigem que os materiais tenham determinados limites de elasticidade para garantir a segurança e a fiabilidade.
Resistência ao escoamento em diferentes materiais
O limite de elasticidade varia muito entre os materiais, e a seleção do material adequado para uma aplicação é largamente influenciada pelo limite de elasticidade e pelo desempenho em determinadas condições.
- Metais: Os metais com elevado limite de elasticidade, como o aço, o titânio e o alumínio, são amplamente utilizados. Por exemplo:
- –O aço pode variar entre 250 MPa para o aço macio e mais de 2000 MPa para as ligas de aço de alta resistência.
- –O titânio é conhecido pela sua elevada relação resistência/peso, tendo uma resistência ao escoamento de cerca de 900 MPa
- -As ligas de alumínio têm um limite de elasticidade muito inferior (cerca de 150 MPa), mas são preferidas para situações em que o peso é um fator importante.
- Polímeros: Materiais como plásticos e borrachas têm uma resistência ao escoamento muito inferior à dos metais. No entanto, para uma variedade de utilizações, a sua adaptabilidade e tolerância às variáveis ambientais tornam-nos perfeitos. Por exemplo, o **policarbonato** tem um limite de elasticidade de cerca de 60 MPa, enquanto o **PVC** pode ter apenas 50 MPa.
- Compósitos: Apesar de leves, os compósitos de fibra de carbono e fibra de vidro têm elevadas resistências ao escoamento. Os compósitos de fibra de carbono, em particular, podem atingir rendimentos superiores a 1000 MPa, o que os torna perfeitos para veículos de alto desempenho e aeroespaciais.
Quais são as aplicações do limite de elasticidade
Em muitas disciplinas de engenharia diferentes, o limite de elasticidade dos materiais é vital para garantir que estes funcionem como previsto, sem falhas.
Engenharia de estruturas
A escolha de materiais para componentes de construção como vigas, colunas e armaduras depende muito da tensão de cedência. O aço estrutural e o concreto armado são concebidos para resistir a grandes cargas e tensões sem deformação permanente.
Indústrias automóvel e aeroespacial
A conceção de componentes de aviões, peças de motores e estruturas de automóveis necessita de resistência ao escoamento, uma vez que as cargas severas e os possíveis impactos são típicos. Frequentemente selecionados para estas utilizações são o aço de alta resistência, o titânio e a fibra de carbono.
Fabrico e eletrónica
Os materiais com o limite de elasticidade adequado são utilizados no fabrico de ferramentas, equipamento e microeletrónica. Enquanto as **ferramentas cirúrgicas*** ou **peças de aeronaves** necessitam de materiais com uma resistência significativamente maior, os componentes dos **smartphones** ou **computadores portáteis** podem ser criados a partir de metais com um limite de elasticidade reduzido.
Conclusão
Os engenheiros e projectistas que trabalham com materiais variados devem compreender o limite de elasticidade. Este determina a quantidade de tensão que um material pode suportar antes de sofrer uma deformação irreversível, proporcionando segurança técnica e funcionamento. As fórmulas e as curvas tensão-deformação ajudam os especialistas a escolher os materiais e a garantir a integridade estrutural.
