A curva de tensão -lenço é um dos gráficos mais comuns que você encontrará na ciência introdutória de materiais ou na mecânica dos materiais. Embora seus muitos pontos e regiões rotulados possam parecer assustadores a princípio, a plotagem e o domínio do estresse versus a tensão é realmente bastante direta. Neste artigo, exploraremos a curva de tensão -tensão em detalhes para que você possa entendê -lo melhor.
Mas antes de começarmos, vamos primeiro revisar as respostas para estas perguntas:
1. Por que definir as propriedades de um material com o estresse -tensão e não a força -deslocamento?
As curvas de força -deslocamento dependem do tamanho e da forma de uma amostra - uma amostra mais espessa ou mais longa requer mais força (e passa por um deslocamento diferente), mesmo que seja o mesmo material. Em outras palavras, força e deslocamento são propriedades extrínsecas ligadas à geometria.
2. O que é o estresse?
Quando uma carga externa f é aplicada a um componente contínuo e deformável no equilíbrio estático, o componente se deforma e desenvolve forças internas F 'que se opõem exatamente à carga aplicada para manter o equilíbrio. Supondo que F seja distribuído uniformemente sobre uma área de seção transversal A, a força de resistência interna por unidade de área é conhecida como estresse e pode ser expressa como:
O estresse tem unidades de pressão (PA ou N/m²) e representa a força interna média por unidade de área resistindo à deformação. Esseestresse de engenhariaA fórmula assume uma distribuição de tensão uniforme; Para grandes deformações ou carga altamente não uniforme, useEstresse verdadeiro(com base na área instantânea) ou no tensor de estresse completo para análise precisa.
3. O que é a tensão？
Sob uma carga aplicada, o material se deforma. Para comparar a deformação entre espécimes de diferentes tamanhos e formas, os cientistas introduzem uma medida não dimensional chamada tensão, que quantifica o alongamento relativo.
Para um elemento com comprimento original L0e mudança no comprimento ΔL, otensão de engenhariaé definido como:
A tensão de engenharia é simples e precisa para pequenas deformações (normalmente até ~ 5%). Para grandes deformações, como na formação de metal ou na FEA não linear, você usaTrue (logarítmica), que explica o comprimento de mudança continuamente:
Qual é a curva de tensão-deformação?
Uma curva de tensão-deformação mostra como um material se comporta sob carga, o que fornece informações sobre a força, a rigidez, a ductilidade e os limites de falha do material.
Como o estresse - a curva de tensão é medida?
Normalmente, é medido por um teste de tração uniaxial destrutivo: uma amostra padronizada de “osso de cachorro” ou reta é agarrada em uma máquina de teste universal (UTM). A máquina aplica a carga a uma taxa constante controlada até que o espécime falhe. Durante esse processo, a célula de carga do UTM mede a força de tração F, enquanto um extensômetro (ou sistema de vídeo/DIC) registra a deformação axial sobre o comprimento do medidor definido. Força versus deslocamento - e, portanto, a tensão de engenharia vs. a tensão de engenharia - é registrada continuamente. Finalmente, você converte força em estresse (σ = f/a0) e deslocamento para tensão (ε = ΔL/L0), Então plote σ no eixo vertical versus ε no eixo horizontal para gerar a curva tensão -ftrain.
Estágios de uma curva de tensão-deformação
As curvas de tensão -deformação para materiais dúcteis consistem em várias seções que refletem como o material responde à medida que o estresse aumenta. As curvas para materiais quebradiços, por outro lado, são muito mais simples - geralmente uma linha reta para fraturar. A seguir, focaremos no comportamento de tensão -deformação dos materiais dúcteis.
Existem três estágios principais e cinco pontos -chave na curva:
Três estágios
Deformação elástica: Na parte inicial da curva, o estresse e a tensão são perfeitamente proporcionais, seguindo a lei de Hooke. Aqui, o material se comporta como uma mola - remova a carga e retorna à sua forma original. A inclinação desta região linear é o módulo de Young, que quantifica a rigidez do material.
Endurecimento da tensão: Após o ponto de rendimento-e qualquer breve queda de estresse ou platô em alguns aços-o material entra no estágio de endurecimento por tensão. A deformação plástica continua uniformemente ao longo do comprimento do medidor, e o metal fica mais forte à medida que as luxações se acumulam e interagem, dificultando ainda mais o deslize. Consequentemente, o estresse necessário para continuar deformando a amostra aumenta até que atinja oforça de tração final.
NECKING: Uma vez que o material atinge sua resistência à tração final, a deformação uniforme termina e um "pescoço" se forma em uma região. A partir desse ponto, é preciso menos força para empurrar mais fluxo de plástico no pescoço, de modo que a tensão de engenharia (ainda usando a área de seção transversal original) cai até que a amostra finalmente fraturas.
Cinco pontos -chave
Limite proporcional: O final da parte linear na curva de tensão-deformação da qual o módulo de Young pode ser puxado calculando a inclinação.
Limite elástico: O estresse mais alto no qual a deformação ainda é totalmente recuperável. Nos metais, quase coincide com o limite proporcional.
Ponto de rendimento (força de escoamento): O estresse no qual a deformação permanente começa. É encontrado desenhando uma linha paralela à porção inicial (elástica) da curva, mas compensada por uma tensão de 0,2%; A interseção dessa linha com a curva tensão -deformação define a força de escoamento.
Força de tração final:A tensão de engenharia de pico na curva. Além disso, começa o NECKING. (Nota: o verdadeiro estresse continua a aumentar até a fratura.)
Ponto de fratura (quebra):O fim da curva, onde o material finalmente quebra.
Outras propriedades materiais da curva estresse -fértil
Módulo de resiliência:A área sob a porção elástica da curva de tensão -tensão, representando a energia por unidade de volume, um material pode absorver e liberar sem deformação permanente. É um parâmetro-chave para projetar molas, estruturas dignas de falha e qualquer componente que deve armazenar e retornar a energia elasticamente.
Resistência:A área total sob a curva tensão -deformação, que quantifica a energia por unidade de volume que um material pode absorver antes de fraturar. A resistência orienta a seleção de materiais para aplicações resistentes a impactos e choques, como estruturas automotivas de colisão e armadura balística.
Ductilidade:Medido pelo alongamento no intervalo (o aumento percentual no comprimento do medidor na fratura) e a redução da área (a diminuição percentual na área da seção transversal na fratura), a ductilidade mede o quanto um material pode se deformar plasticamente antes de falhar. A alta ductilidade é vantajosa para a formação de operações, enquanto a baixa ductilidade indica um risco maior de fratura quebradiça.
Endurecimento do trabalho (endurecimento da tensão):Após o rendimento, a tensão de fluxo verdadeira continua subindo com tensão plástica na região plástica uniforme; Esse fortalecimento se espalha mais uniformemente, atrasa o necking (maior alongamento uniforme) e melhora a formação de metais (estampagem, rolamento, desenho profundo) e precisão da FEA para Springback e desbaste.
Curvas de tensão versus deformação para diferentes materiais
Estresse vs tensãoAs curvas variam amplamente entre famílias materiais. Eles podem ser amplamente divididos em duas categorias --dóteis e quebradiças - como ilustrado na figura abaixo.
Materiais dúcteis, como aço de baixo carbono, ligas de alumínio, cobre e muitos termoplásticos, têm uma curva de tensão-deformação em vários estágios: uma região linear inicial (elástica), um ponto de rendimento claro, uma região de endurecimento por tensão (plástico uniforme), elaboração e finalmente fraturas após o alongamento substancial. Eles podem absorver grandes quantidades de energia antes da falha.
Materiais quebradiços, como ferro fundido, a maioria da cerâmica, vidro e concreto, mostram comportamento elástico quase puramente linear até fraturas, praticamente sem região plástica, portanto, seu limite proporcional, resistência à tração final e resistência à fratura coincidem.
Observe que as curvas mostradas acima representam apenas essas condições específicas do material. O comportamento real de tensão -deformação pode variar significativamente com a composição, tratamento térmico, microestrutura, temperatura, taxa de deformação e outros parâmetros de teste ou processamento.
Engenharia vs estresse e tensão verdadeiros
As curvas de engenharia e tensão-tensão verdadeira são as duas maneiras mais comuns de apresentar dados de teste de tração.
Engenharia estresse - fixo
Em um teste de tração padrão, assumimos que a seção transversal da amostra permanece em sua área original a0. O estresse de engenharia é, portanto, definido como:
e tensão de engenharia como:
Ao aplicar a carga, a curva sobe linearmente através da região elástica e continua além do ponto de rendimento na deformação plástica uniforme, atingindo seu pico na resistência à tração final - marque o fim do alongamento uniforme. Além desse pico, o necking concentra a deformação em uma seção estreito. Porque o estresse de engenharia ainda se divide pela área original a0, o valor do estresse plotado cai mesmo quando o verdadeiro estresse (com base na área de encolhimento) continua subindo. Consequentemente, a curva de engenharia （mostrada em vermelho na figura) cai após UTS e tende a tendências para baixo até a fratura.
True estresse - fixo
Se você explicar a área instantânea AeuEm cada etapa de carga, você recebe o verdadeiro estresse:
e verdadeira cepa (logarítmica):
Durante o NECKING, a área de seção transversal diminui mais rapidamente do que a carga aplicada cai então σtcontinua a subir além da engenharia suprema resistência à tração. A verdadeira curva de tensão -tensão, portanto, aumenta constantemente até a fratura sem cair após seu pico.
O estresse e a tensão da engenharia são os dados padrão relatados nas folhas de dados de materiais e usados nos códigos de design. Eles fornecem acesso rápido a propriedades familiares, como força de escoamento, resistência à tração final e alongamento no intervalo, facilitando a comparação de materiais, definir fatores de segurança e garantir controle de qualidade consistente nos lotes de produção.
O estresse e a tensão verdadeiros são insumos críticos para análises de elementos finitos não lineares e modelos constitutivos. Ao refletir a resposta real do material através de grandes cepas plásticas e em NECKing, elas permitem a simulação precisa dos processos de formação (por exemplo, estampagem, forjamento, extrusão), previsões precisas de Springback e previsões confiáveis de onde e como uma peça localizarão e, finalmente, falharão.
Conclusão
A curva de tensão -tensão é uma ferramenta indispensável que vincula o comportamento do material ao desempenho estrutural. Ele informa o design fornecendo módulo de elasticidade, força de escoamento, resistência e dados de ductilidade usados para dimensionar e qualificar componentes. Ele também orienta a fabricação, definindo o caminho de tensão -deformação necessário para calcular forças de formação, geometria de ferramentas e springback esperado.
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