Aprenda tudo sobre força de escoamento

Pense em uma colher de metal. Se você pressionar levemente a alça, ela se flexionará um pouco, mas as costas de volta assim que você soltar. Empurre mais, porém, e a colher assume uma curva permanente. Nesse ponto, você passou pela força de escoamento da colher. Neste artigo, exploraremos o que significa força de escoamento, como ele se compara a idéias relacionadas, como força de tração e limite elástico, e por que isso importa no mundo real. Também examinaremos os fatores que influenciam a força de escoamento e os valores típicos para materiais comuns.

O que é força de escoamento？

A força de escoamento é o nível de estresse no qual um material começa a se deformar permanentemente. Em termos simples, é o ponto em que um material para de voltar (comportamento elástico) e começa a dobrar ou se alongar de uma maneira que não reverte totalmente. Abaixo da força de escoamento, quando você remove a força, o material retorna à sua forma original (como uma mola que remonta ao seu comprimento).

Para entender melhor isso, vamos dividir dois termos -chave: estresse e tensão. O estresse é a força aplicada a um material dividido por sua área de seção transversal, ou simplesmente a intensidade da força dentro do material. Você pode pensar nisso como pressão, mas o estresse descreve a reação interna e não um impulso externo. A tensão é quanto o material muda de forma em resposta, calculado como a mudança no comprimento dividida pelo comprimento original. Quando planejamos o estresse contra a tensão, temos umCurva de estresse -tensãoIsso mostra como o material se comporta à medida que a carga aumenta.

Na parte inicial de uma curva de tensão -tensão, os materiais se comportam de maneira elasticamente: o estresse e a tensão são proporcionais (uma linha reta sob a lei de Hooke) e o material retorna à sua forma original quando a carga é removida. O final desta região é o limite elástico - além de ela, alguma deformação permanece permanente. A força de escoamento marca essa transição do comportamento elástico para o plástico e define o limite entre deformação reversível e irreversível.

Para muitos metais dúcteis, como aço suave, essa transição é gradual e não nítida. Para definir a força de escoamento de forma consistente, os engenheiros costumam usar o método de deslocamento de 0,2%: eles desenham uma linha paralela à porção elástica da curva, mas mudaram de tensão de 0,2%. O ponto em que essa linha cruza a curva é tomada como força de escoamento. Isso fornece uma maneira prática e padronizada de medir a força de escoamento, mesmo quando não existe um ponto de produção claro.

Resistência ao escoamento versus resistência à tração

Como definimos, a força de escoamento é o estresse no qual um material começa a se deformar permanentemente. A resistência à tração, geralmente chamada de resistência à tração final (UTS), é a tensão máxima que um material pode suportar antes de quebrar. Uma vez atingido esse ponto, o material não pode mais carregar carga adicional e a fratura se segue logo.

Ambos descrevem como um material responde ao estresse, mas representam limites diferentes: a força de escoamento marca o início da deformação permanente, enquanto a resistência à tração marca o ponto de ruptura. Por exemplo, ao puxar uma haste de aço, ele primeiro se estende elasticamente. Passe pela força de escoamento e assume o alongamento permanente. Continue até atingir a força de tração, e a haste acabará se encaixando.

No design prático, os engenheiros se concentram mais na força de escoamento, porque os componentes devem permanecer funcionais sem danos duradouros. A resistência à tração ainda é importante, mas geralmente sinaliza uma condição de falha que nunca deve ocorrer em serviço.

Além da resistência à tração, a força de escoamento também é frequentemente confundida com outros dois conceitos:

Limite elástico:O limite elástico é a tensão máxima que um material pode levar ao retornar totalmente à sua forma original assim que a carga é removida. Abaixo desse limite, toda a deformação é elástica e reversível. Em muitos casos, o limite elástico está muito próximo da força de escoamento, portanto os dois são frequentemente tratados como iguais. Enquanto o limite elástico marca o limite físico preciso, a força de escoamento fornece um valor de engenharia padronizado que pode ser medido de forma consistente e usado para um projeto seguro.

Limite proporcional:Este termo vem da parte linear da curva estresse -tensão. O limite proporcional é o ponto em que o estresse e a tensão aumentam na proporção direta, seguindo a lei de Hooke. Geralmente ocorre antes do limite elástico e da força de escoamento. Além desse ponto, a curva começa a dobrar - o relacionamento não é mais perfeitamente linear, embora o material ainda possa ser elástico.

Fatores que influenciam a força de escoamento

A força de escoamento não permanece fixa - pode mudar, dependendo de vários fatores materiais e ambientais. Aqui estão alguns dos mais comuns:

Composição do material (elementos de liga)

A composição de um metal tem um grande impacto em sua força de escoamento. Nos metais, a adição de elementos de liga pode torná -los mais fortes. Por exemplo, o aço ganha força quando elementos como carbono, manganês ou cromo são adicionados - embora o carbono mais alto também o torne mais quebradiço. As ligas de alumínio obtêm sua força de elementos como cobre, magnésio ou zinco. Essas adições criam pequenos obstáculos dentro do metal que bloqueia o movimento da luxação (os portadores de deformação plástica em nível atômico), que aumentam a força de escoamento. Simplificando, a "receita" de um metal pode tornar mais difícil ou mais fácil dobrar. É por isso que o alumínio em uma lata de refrigerante é macio e flexível, enquanto o alumínio em uma asa de aeronave, misturada com outros metais, tem uma resistência de escoamento muito maior.

Tamanho do grão (microestrutura)

Em geral, os grãos menores significam maior força, uma tendência descrita pelo relacionamento do Hall -Petch. A razão é que os limites dos grãos atuam como barreiras ao movimento da luxação, de modo que os grãos mais finos criam mais obstáculos e fortalecem o metal - até certo ponto. Os metalurgistas refinam o tamanho dos grãos através de solidificação controlada ou tratamentos termomecânicos. Por exemplo, muitos aços de alta resistência e super-calotas são projetados com grãos muito finos para maximizar a força de escoamento, enquanto metais com grãos muito grandes tendem a render mais facilmente.

Tratamento térmico

A maneira como um metal é aquecido e resfriado pode alterar sua estrutura e, portanto, sua força de escoamento.Recozimento(aquecimento lento e resfriamento) suaviza o metal, reduz sua força de escoamento e o torna mais dúctil, aliviando as tensões internas.Extinção(resfriamento rápido em água ou óleo) trava a estrutura em um estado duro e estressado, aumentando muito a força de escoamento, mas também tornando o metal quebradiço. Para restaurar o equilíbrio, a extinção é frequentemente seguida porTemperador,Uma etapa moderada de reaquecimento que melhora a resistência.

Ao escolher o tratamento térmico certo, os fabricantes podem tornar os metais mais difíceis ou mais suaves, dependendo da aplicação. Por exemplo, o aço da mola é tratado para obter alta resistência de escoamento, para que possa flexionar sem deformação, enquanto o fio de aço é recozido primeiro para facilitar a modelagem e depois fortalecido posteriormente.

Processo de fabricação (trabalho a frio)

Como um material é processado mecanicamente também pode alterar sua força de escoamento. Trabalho frio (deformando um metal à temperatura ambiente, como rolamento frio ou desenho frio) aumenta a força de escoamento através de um mecanismo chamado endurecimento do trabalho. Quando você se deforma plasticamente um metal, introduz deslocamentos e emaranhados em sua estrutura cristalina, o que dificulta ainda mais a deformação - com efeito, o metal fica mais forte à medida que é deformado. É por isso que o aço laminado a frio normalmente tem maior resistência ao escoamento do que o mesmo aço em uma condição de laminação a quente (não endurecida pelo trabalho).

Temperatura e meio ambiente

Como regra geral, a maioria dos metais perde força de escoamento em altas temperaturas. O calor suaviza o metal, para que possa ser deformado com menos força. A temperaturas muito baixas, alguns materiais se tornam mais quebradiços. Sua capacidade de deformar plasticamente é reduzida; portanto, embora a tensão de escoamento possa aumentar em um sentido técnico, é mais provável que fraturas do que o rendimento.

Fatores ambientais como corrosão ou radiação também podem degradar materiais. A corrosão cria poços ou reduz a área transversal, reduzindo efetivamente a carga que uma estrutura pode suportar antes de produzir. Por exemplo, um feixe de aço enferrujado pode render sob uma carga mais baixa do que uma não corrojada, porque sua espessura efetiva é reduzida e as micro-palhetas da ferrugem podem concentrar o estresse.

Força de escoamento de diferentes materiais

As curvas de tensão -deformação fornecem uma maneira simples de comparar como os diferentes materiais respondem ao carregamento. Na figura acima, podemos ver quatro comportamentos típicos. Cada um responde de maneira diferente à medida que o estresse aumenta e sua força de escoamento reflete essas diferenças.

• Materiais quebradiços:Materiais quebradiços, como vidro ou cerâmica, quase não têm deformação plástica. Eles seguem uma linha quase reta até fraturar de repente. Sua força de escoamento está muito próxima da força final, porque eles realmente não "cedem" - eles quebram.

• Materiais fortes, mas não dúcteis:Alguns materiais, como aços de alta resistência, podem suportar altos tensões, mas mostram ductilidade limitada. Eles têm uma força de alto escoamento, o que significa que resistem bem a deformação permanente, mas não se estendem muito antes de quebrar.

• Materiais dúcteis:Metais como ligas de aço macio e alumínio são dúcteis. Eles produzem em um certo nível de estresse e, em seguida, passam por deformação plástica significativa antes de quebrar. Sua força de escoamento é menor que a resistência à tração final, dando aos engenheiros uma “zona de buffer” segura para projetar.

• Materiais plásticos (polímeros macios):Plásticos e polímeros macios têm resistência de escoamento relativamente baixo. Eles se deformam facilmente sob pequenas tensões e podem não mostrar um ponto de escoamento claro. Em vez disso, eles se estendem constantemente sem nunca mostrar uma transição acentuada para a fratura.

Esses comportamentos gerais ficam mais claros quando analisamos os valores reais de força de escoamento. A tabela abaixo lista materiais de engenharia comuns e suas forças de escoamento típicas para comparação.

Por que a força de escoamento é importante no mundo real

A força de escoamento é importante sempre que precisamos de materiais para manter sua forma sob carga. Aqui estão algumas áreas em que desempenha um papel crítico:

Construção e infraestrutura

Em edifícios e pontes, vigas de aço e outras peças de metal são escolhidas para sua alta resistência de escoamento, para que possam transportar cargas pesadas de veículos, vento ou até terremotos sem dobrar ou cair. Se um feixe produziu durante o uso normal, a segurança da estrutura estaria em risco, e é por isso que os engenheiros sempre projetam com uma margem que mantém o estresse bem abaixo do ponto de escoamento.

Segurança automotiva

Os carros modernos usam zonas de amasso projetadas para ceder de maneira controlada durante um acidente. Quando as forças de impacto excedem a força de escoamento dos painéis dianteiros ou traseiros, essas áreas se esquivam e absorvem energia através da deformação permanente, em vez de transmitir toda a força para os passageiros. Ao mesmo tempo, a cabine é reforçada com materiais de alta resistência que resistem ao rendimento, mantendo os ocupantes protegidos.

Aeroespacial e transporte

O trem de pouso de uma aeronave deve suportar o choque do touchdown sem dobrar permanentemente. Fuselages e asas também enfrentam ciclos repetidos de pressurização e forças aerodinâmicas que causariam danos se seus materiais não tivessem força de escoamento suficiente. Para equilibrar a força com baixo peso, os engenheiros geralmente se voltam para ligas avançadas, como alumínio e titânio. O mesmo princípio se aplica aos trilhos de treinamento e cascos de navio, que devem permanecer rígidos sob uso pesado e resistir a curvas ou amassados ​​duradouros.

Produtos do dia a dia

Ferramentas de qualidade, como chaves ou chaves de fenda, são feitas de aço de alta resistência ao rendimento, para que não se dobrem sob uso normal, enquanto as ferramentas mais baratas geralmente torcem ou assumem uma curva permanente quando a tensão excede sua força de escoamento. A mesma idéia pode ser vista em um cabide simples: com cargas leves, ele aparece para trás, mas cargas mais pesadas ou dobras nítidas empurraram -a além do ponto de rendimento, deixando uma mudança permanente de forma. A resistência ao escoamento também orienta o design de itens maiores, como quadros de bicicleta, que devem carregar o peso do ciclista e absorver solavancos sem dobrar de forma, embora ainda seja leve o suficiente para lidar com facilidade.

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