A resistência do metal é uma das propriedades mecânicas mais essenciais para determinar a adequação de um metal para determinadas aplicações. Significa quão bem um metal pode resistir a cargas ou forças externas sem deformar ou quebrar. Metais com alta resistência são inestimáveis na construção, máquinas e aeroespacial, onde suportam estruturas e resistem a condições extremas.
Neste guia, distinguiremos os tipos de resistência, discutiremos os fatores que influenciam a resistência do metal e como eles podem ser manipulados para melhorar o desempenho de um metal. Além disso, forneceremos um gráfico de resistência do metal para ajudá-lo a escolher o material metálico desejado de forma mais intuitiva.
Tipos de resistências metálicas
Os materiais apresentam diferentes tipos de resistência dependendo de como a carga é aplicada. Aqui estão os tipos fundamentais de condições de carregamento para uma haste:
Carregamento de tração: Forças que puxam ou esticam o material.
Carregamento Compressivo: Forças que empurram ou comprimem o material.
Carga de cisalhamento: Forças que atuam paralelamente à superfície de um material, fazendo com que o material experimente camadas ou planos deslizando uns sobre os outros.
Carregamento de flexão (flexural): Forças que fazem com que o material se dobre.
Carregamento Torcional: Forças que torcem o material.
Carga de impacto: Impacto repentino e forte ou cargas de choque.
A seguir, discutiremos em detalhes vários dos tipos de força mais comuns.
1. Resistência à tração
A resistência à tração refere-se à quantidade máxima de tensão de tração (tração ou alongamento) que um material pode suportar antes de quebrar. Ele mede quanta carga um material pode suportar antes da falha.
Estresse: Representa a magnitude de uma força externa agindo sobre a área da seção transversal de um corpo. Deformação: Descreve a quantidade de deformação sofrida pelo corpo na direção dessa força.
Esta curva tensão-deformação representa um desempenho típico de tração. Os pontos A, B e C representam três nós principais de resistência à tração, que servem como pontos de referência indicando transformações significativas nas propriedades do produto sob tensão. Vamos verificar esses três pontos um por um.
Resistência ao escoamento (Ponto A): Significa a tensão máxima que um material pode suportar antes de sofrer deformação plástica permanente. Além deste ponto, o material não retornará à sua forma original quando a tensão for removida.
Os fabricantes usam o limite de escoamento para definir limites operacionais seguros para manter a integridade estrutural e a funcionalidade dos materiais. Também é usado como critério para definir falha em muitos códigos de engenharia.
Resistência final (ponto B): Ao discutir a resistência à tração em geral, geralmente se refere à resistência à tração final (UTS). Representa a carga máxima que um material pode suportar antes de começar a estrangular. Após este ponto, a área da seção transversal diminui, levando a uma diminuição da tensão que o material pode suportar até quebrar.
Você pode avaliar a resistência à tração de um metal usando uma máquina de teste de tração (também conhecida como Máquina de Teste Universal ou UTM). Possui duas alças que seguram a amostra em ambas as extremidades. Durante o teste, a máquina aplica uma força de tração controlada à peça até que ela quebre. A força de tração (ou tensão) aplicada e o alongamento são medidos ao longo do teste para determinar o rendimento do metal e a resistência à tração final.
Resistência à ruptura (Ponto C): A tensão na qual o material finalmente falha e se rompe. É utilizado para projetar componentes que possam suportar condições extremas, garantindo segurança ao evitar falhas catastróficas.
2. Resistência à compressão
Este tipo de resistência mede a capacidade de um material resistir a forças que o comprimem ou encurtam. É a carga compressiva máxima que um material pode suportar sem falhar.
Você pode avaliar a resistência à compressão usando uma máquina de teste de compressão. Normalmente utiliza placas que aplicam pressão na peça em ambas as extremidades, aplicando uma força de compressão controlada até que o metal se deforme ou quebre. O ponto onde a deformação começa a ocorrer indica a resistência à compressão desse metal.
3. Resistência ao impacto
A resistência ao impacto mede a capacidade de um material de resistir à fratura ou deformação quando sujeito a impactos ou choques repentinos e rápidos. Representa a capacidade do material de absorver e suportar a energia cinética do impacto de objetos.
Normalmente é medido usando uma máquina de teste de impacto, como testadores Charpy ou Izod. Essas máquinas atingem uma amostra entalhada com um martelo de pêndulo e registram a energia absorvida pela amostra durante a fratura.
Por que precisamos aprender sobre a resistência do metal?
Compreender a resistência do metal é um aspecto crucial para compreender o desempenho do material. Isso nos permite tomar decisões informadas sobre a seleção dos materiais certos para diversas aplicações.
Segurança e Durabilidade
A resistência dos metais é de suma importância para garantir a segurança e durabilidade de estruturas e componentes, especialmente em aplicações cruciais que abrangem máquinas, pontes e edifícios. Adquirir conhecimento sobre isso ajuda a prevenir falhas que podem levar a acidentes, lesões ou fatalidades e garante uma vida útil prolongada dos produtos, reduzindo, em última análise, a frequência de reparos e substituições.
Melhorando o desempenho
Aprender sobre a resistência do metal permite a otimização do desempenho em diversas aplicações. Por exemplo, nas indústrias automotiva e aeroespacial, o uso de metais com a resistência adequada pode aumentar a eficiência do combustível, reduzir o peso e melhorar o desempenho geral.
Eficiência de custos
Ao compreender a resistência de diferentes metais, os fabricantes podem tomar decisões econômicas. A escolha do metal certo para a aplicação certa pode minimizar o desperdício de material, reduzir os custos de produção e prolongar a vida útil dos produtos, levando a economias a longo prazo.
Design Inovador
Aprender sobre a resistência do metal abre possibilidades para soluções inovadoras de design e engenharia. Permite a criação de estruturas e produtos mais leves, mais fortes e mais eficientes, ultrapassando os limites do que é tecnicamente possível.
Metais mais fortes usados na fabricação de metais
Tungstênio
A seguir, apresentaremos alguns metais que são amplamente utilizados na prática devido à sua alta resistência.
Titânio
O titânio é um metal natural, conhecido pela sua elevada relação resistência/peso. Além de sua natureza leve e excepcional resistência à tração, o titânio também é altamente resistente à corrosão, tornando-o uma excelente escolha para aplicações aeroespaciais, implantes médicos e peças automotivas de alto desempenho.
É frequentemente usado em forma de liga para melhorar ainda mais suas propriedades. Um exemplo comum é a liga de titânio Ti-6Al-4V, que inclui alumínio e vanádio e é amplamente utilizada na indústria aeroespacial.
Tungstênio
Entre os metais naturais, o tungstênio é considerado o mais forte devido à sua maior resistência à tração, atingindo até 1.725 MPa. Juntamente com o seu ponto de fusão mais alto, o tungstênio é incrivelmente valioso em aplicações que exigem extrema durabilidade e resistência ao calor. No entanto, muitas vezes é frágil. Para compensar esta propriedade, o tungstênio é comumente ligado a outros elementos, como o carbono. O carboneto de tungstênio é amplamente utilizado em ferramentas de corte, equipamentos de mineração e superfícies resistentes ao desgaste devido à sua excepcional dureza e durabilidade.
Cromo
Com dureza de 8,5 na escala de Mohs, o cromo é considerado um dos metais mais duros da Terra e está incluído na lista dos metais mais fortes. No entanto, o cromo não é comumente usado em sua forma pura devido à sua fragilidade. É frequentemente usado em cromagem para fornecer uma superfície dura e resistente à corrosão em metais e plásticos. Além disso, o cromo também é usado em ligas de alto desempenho para melhorar a resistência, resistência ao desgaste e resistência à corrosão. O aço inoxidável é um exemplo típico de tal liga e é um dos materiais mais utilizados em diversas indústrias.
Aço
O aço, feito pela liga de ferro com carbono e alguns outros elementos, é o material mais importante de engenharia e construção. A resistência do aço varia dependendo dos seus componentes de liga. Aqui estão alguns tipos comuns de aço mais forte:
O aço inoxidável é uma liga de ferro, cromo e, muitas vezes, manganês. É conhecido por sua excelente resistência à corrosão, com limite de escoamento em torno de 1560 MPa e resistência à tração de até 1600 MPa. Isso o torna ideal para utensílios de cozinha, instrumentos médicos e materiais de construção porque é durável e resiste à ferrugem.
Aço de baixa liga de alta resistência (HSLA) é outro tipo. É uma liga de ferro com pequenas quantidades de cobre, níquel, vanádio, titânio e nióbio. O HSLA é leve, mas muito forte e resistente, graças às técnicas de microliga e tratamento térmico. É amplamente utilizado na fabricação automotiva, construção estrutural, construção de pontes e tubulações onde alta resistência e baixo peso são cruciais.
O aço Maraging é uma liga de ferro com níquel, cobalto, molibdênio e titânio e possui baixíssimo teor de carbono. Este aço é conhecido por sua altíssima resistência e tenacidade, obtidas por meio de tratamento térmico de envelhecimento. É usado em aplicações de alto desempenho como aeroespacial, ferramentas, trens de pouso de aeronaves, carcaças de motores de foguetes e engrenagens de alto desempenho.
O aço ferramenta é feito com elementos como tungstênio, molibdênio, cromo e vanádio. É incrivelmente duro e resistente à abrasão e pode manter uma ponta afiada em altas temperaturas. O aço para ferramentas é essencial para a fabricação de ferramentas de corte, matrizes e moldes, especialmente onde são necessárias alta resistência ao desgaste e tenacidade.
Inconel é uma família de superligas à base de níquel-cromo conhecida por sua alta resistência e excelente resistência à oxidação e corrosão, mesmo em altas temperaturas. O Inconel é particularmente útil nas indústrias aeroespacial, marítima e de processamento químico, onde os materiais devem suportar severos esforços mecânicos e térmicos sem se degradarem.
Como melhorar a resistência do metal?
Depois de compreender os metais mais fortes comumente usados na fabricação de metais, podemos perceber que a liga (especificamente a adição de novos elementos) é um método chave para aumentar a resistência. Além da liga, outros métodos práticos são frequentemente empregados para melhorar ainda mais a resistência dos metais para atender às demandas cada vez maiores das aplicações modernas.
Solução Endurecimento Fortalecimento
Embora esta seja tecnicamente uma forma de liga, ela se concentra em como os elementos adicionados são integrados à estrutura cristalina do metal para aumentar sua resistência. Este processo envolve a adição de átomos de um elemento de liga à estrutura cristalina do metal base para formar uma solução sólida. Os átomos incorporados criam distorções na rede que impedem o movimento de deslocamento, aumentando assim a resistência do metal.
Tratamento térmico
O tratamento térmico é um processo controlado usado para melhorar o desempenho de um metal, modificando sua estrutura. Aqui estão alguns métodos comuns de tratamento térmico para aumentar a resistência do metal:
Têmpera e Revenimento
A têmpera envolve aquecer o metal a uma alta temperatura e depois resfriá-lo rapidamente em um meio como água, óleo ou ar. Este resfriamento rápido retém átomos de carbono dentro da estrutura cristalina, formando uma fase martensítica dura. Este aumento na dureza é geralmente acompanhado por um aumento na resistência à tração. Mas este resfriamento extremo também pode introduzir tensões internas e fragilidade.
O revenimento é frequentemente aplicado após a têmpera para aliviar essas tensões e restaurar parte da ductilidade perdida durante a têmpera. Embora reduza ligeiramente a dureza, melhora a tenacidade e cria uma microestrutura mais estável, aumentando assim a capacidade do metal de resistir a impactos e tensões.
Normalizando
A normalização envolve aquecer o metal acima de sua temperatura crítica e depois resfriá-lo com ar. Este processo produz uma estrutura mais uniforme e de granulação fina, aumentando a resistência do metal.
Endurecimento por precipitação (envelhecimento)
Envolve aquecer o metal a uma temperatura moderada e manter essa temperatura por um período prolongado para permitir a formação de precipitados finos dentro da estrutura cristalina do metal. Esses precipitados aumentam a resistência ao escoamento e a dureza do material, impedindo o movimento das discordâncias.
Trabalho a frio
O trabalho a frio, também conhecido como endurecimento por deformação, envolve a deformação plástica do metal à temperatura ambiente por meio de processos como laminação, trefilação ou extrusão. Esta deformação aumenta a densidade das discordâncias dentro da estrutura cristalina, dificultando o seu movimento e fortalecendo assim o material.
Gráfico de resistência metálica
A tabela de resistência do metal fornece um critério confiável para a escolha de materiais adequados para aplicações específicas. Ele fornece uma avaliação abrangente do desempenho de um metal sob diversas condições de carregamento. Você pode usá-lo para comparar rapidamente as propriedades de diferentes metais.
Tipos de metais
Resistência à tracção (PSI)
Força de rendimento (PSI)
Dureza Rockwell (Escala B)
Densidade (Kg/m³)
Aço inoxidável 304
90.000
40.000
88
8.000
Alumínio 6061-T6
45.000
40.000
60
2720
Alumínio 5052-H32
33.000
28.000
-
2680
Alumínio 3003
22.000
21.000
20 a 25
2730
Aço A36
58-80.000
36.000
-
7800
Aço Grau 50
65.000
50.000
-
7800
Latão Amarelo
-
40.000
55
8470
Latão Vermelho
-
49.000
65
8746
Cobre
-
28.000
10
8940
Bronze Fósforo
-
55.000
78
8900
Alumínio Bronze
-
27.000
77
7700-8700
Titânio
63.000
37.000
80
4500
Tabela de resistência do metal
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Força vs Ductilidade vs Resistência
Resistência, ductilidade, tenacidade e resiliência representadas em uma curva tensão-deformação
Por fim, vamos dar uma olhada rápida em algumas propriedades de materiais importantes, mas facilmente confusas, por meio da curva tensão-deformação mostrada abaixo.
Força final:The maximum stress reached during the tensile test.
Força de rendimento: The stress at which a material begins to deform plastically.
Ductilidade: A measure of the ability of a material to deform plastically (strain) before fracturing.
Resistência: A measure of the ability of a material to absorb energy up until fracture. It can be thought of as the area under the stress-strain curve. For a material to have high toughness, it should have a good balance of both high strength and high ductility. Low strength and brittle materials tend to have low toughness.
Resiliência:A measure of the ability of a material to absorb energy while deforming elastically.
Dureza: The ability of a material to resistance to deformation, particularly permanent deformation, indentation, or scratching. Generally, materials with high hardness tend to also have high strength, especially in terms of compressive and tensile strength. However, this correlation is not absolute.
