O estresse e a tensão são dois dos conceitos mais importantes para descrever como os materiais respondem às forças. O estresse é a força interna por unidade de área dentro de um material sob carga, enquanto a tensão é a deformação ou mudança na forma do material resultante da força aplicada.
No entanto, a relação entre estresse e tensão vai muito além da teoria - é essencial para decisões de engenharia sonora. Ao compará -los lado a lado, podemos prever melhor o desempenho dos materiais, quanto podem se deformar com segurança e quando podem falhar. Este artigo explora suas definições, diferenças, relacionamento e aplicações práticas.
Antes de entrarmos nos detalhes, você pode encontrar este pequeno vídeo introdutório sobre estresse e tensão útil:
O estresse é a força interna por unidade de área que um material se desenvolve para resistir a uma carga externa. Microscopicamente, a carga aplicada induz forças interatômicas que se opõem à deformação e "seguram" a estrutura unida; Essa resistência interna é o que medimos como estresse.
Dependendo de como a carga é aplicada, o estresse é classificado como:
Entre eles, o estresse de tração é o tipo mais fundamental de estresse no projeto de engenharia. A fórmula de cálculo é:
Onde:
A medição do estresse diretamente não é possível; portanto, devemos medir as forças aplicadas ou as deformações resultantes. Abaixo está uma visão geral concisa das principais técnicas de medição:
Método / Tecnologia | Princípio | Dispositivo de medição / ferramenta | Precisão e precisão | Aplicações comuns |
Máquina de teste universal (UTM) | Medidas force (f), calcula o estresse = f/a | UTM com célula de carga integrada | ★★★★★ (alta precisão) | Teste de material fundamental: curvas de tensão-deformação, avaliação de propriedades mecânicas |
Medidor de deformação | Medidas A tensão (ε), calcula o estresse via σ = e · ε (assume elasticidade linear) | Medidor de deformação, sistema de aquisição de dados | ★★★★ ☆ (alto) | Análise de tensão de componentes; avaliação de fadiga; Monitoramento estrutural incorporado |
Extensômetro | Medidas Mudança de comprimento de medidor, calcula ε e σ | Contato ou extensômetros de não contato | ★★★★ ☆ (alto) | Teste de tração de espécimes; Verificação do módulo elástico e tensão de rendimento |
Correlação de imagem digital (DIC) | Método óptico, rastreia a deformação da superfície de campo completo | Sistema de câmera de alta velocidade, software DIC | ★★★★ ☆ (campo completo) | Análise de tensão de campo completo; rastreamento de crack; Estudos de Indomogeneidade Material |
Medição de estresse ultrassônico | Usa mudanças na velocidade de onda nos materiais sob estresse | Sonda ultrassônica e receptor | ★★★ ☆☆ (moderado) | Detecção de estresse residual; Monitoramento de estresse em juntas soldadas e grandes estruturas |
Difração de raios-X (DRX) | Mede a distorção da rede causada pelo estresse interno | Difracômetro de DRX, software especializado | ★★★★ ☆ (alta precisão; localizada em camadas de superfície) | Filmes finos, zonas de soldagem, estresse residual da superfície em metais e cerâmica |
Fotoelasticidade | Visualiza o estresse por meio de margens de interferência óptica em materiais transparentes de birrefringent | Configuração de luz polarizada e modelos de polímeros birrefringentes | ★★★ ☆☆ (qualitativo para semi-quantitativo) | Demos educacionais; Análise de estresse experimental em modelos transparentes |
Técnicas de caracterização de micro/nanoescala | Técnicas como EBSD, Micro-Raman, Nanoindentação fornecem mapeamento de tensão/tensão de micro ou nanoescala | Sistemas baseados em elétrons ou laser, software de análise de imagem | ★★★★ ☆ (alta precisão; Micro/Nano escala localizada) | Microeletrônica, filmes finos, nanoindentação, comportamento da interface composta |
A tensão é uma medida da deformação relativa que um material sofre quando submetido a uma força externa. É expresso como uma quantidade sem unidade ou como uma porcentagem, representando a mudança de comprimento (ou outras dimensões) para o comprimento (ou dimensão) original.
O tipo de tensão corresponde à tensão aplicada: tensão de tração, tensão compressiva ou tensão de cisalhamento.
A fórmula para a tensão normal é:
Onde:
Vários métodos podem ser usados para medir a tensão. As técnicas mais usadas são medidores e extensômetros. A tabela abaixo resume os métodos comuns para medir a tensão nos materiais:
Método | Princípio de detecção | Sensor / transdutor | Cenário de medição | Observações |
Medidor de deformação | Mudança de resistência | Medidor de deformação do tipo folha | Tensão estática ou de baixa frequência; comumente usado | Amplamente utilizado na indústria; baixo custo; requer conexões adesivas de ligação e fiação |
Extensômetro | Deslocamento | Extensômetro de clip-on / contato | Teste de material; Medição de seção total | Alta precisão; inadequado para testes dinâmicos ou tensão altamente localizada |
Correlação de imagem digital (DIC) | Rastreamento óptico | Câmera + padrão de manchas | Mapeamento de tensão de campo completo; propagação de crack; espécimes em forma de complexo | Não contato; Mapeamento de deformação 2D/3D; sistema caro |
Sensor piezoelétrico | Efeito piezoelétrico | Filme piezoelétrico ou cristal | Tensão dinâmica, pressão, impacto, vibração | Resposta de alta frequência; inadequado para medições de deformação estática |
Gratagem de fibra Bragg (FBG) | Óptico (reflexão de Bragg) | Sensor de fibra óptica do FBG | Medição distribuída ou multiplexada em longas distâncias | Imune ao EMI; Adequado para estruturas aeroespaciais, energia e inteligentes |
Vibrômetro Doppler a laser (LDV) | Efeito Doppler | Sonda de laser LDV | Medição dinâmica de tensão/velocidade e análise de vibração da superfície | Não contato; alta resolução; caro; sensível às condições de superfície |
Abaixo está uma tabela rápida, fornecendo uma visão geral direta:
Aspecto | Estresse | Variedade |
Fórmula | σ = f / a | ε = ΔL / L₀ |
Unidades | PA (n/m²) ou psi (lbf/in²) | Adimensional ou % |
Causa | Força externa | Deformação causada pelo estresse |
Efeito | Gera forças internas para combater as cargas externas; pode levar à deformação plástica, fratura, falha de fadiga ou rachaduras por corrosão por estresse se muito alto | Muda a geometria do material; recuperável no limite elástico, permanente além do ponto de rendimento |
Comportamento | A força interna por área que um material deve resistir. Dependendo da distribuição, pode causar compressão, tensão, flexão ou torção | Descreve quanto o material se deforma sob estresse aplicado; pode ser elástico ou plástico |
O estresse causa tensão. Uma curva de tensão-deformação gráfica como um material se deforma sob a carga gradualmente aumentando, plotando a tensão (deformação) contra a tensão aplicada. Vamos revisar seus pontos -chave:
Região linear (O-A):O estresse e a tensão são perfeitamente proporcionais, seguindo a lei de Hooke. Essa porção linear termina no limite proporcional, e sua inclinação é o módulo de elasticidade (módulo de Young), indicando a rigidez do material. Dentro desse intervalo, a deformação é totalmente elástica: depois que a carga é removida, o material retorna à sua forma original.
(Região não linear A-B):O material ainda se comporta elasticamente - ou seja, a deformação é totalmente recuperável, mas o relacionamento se torna não linear, o que significa que a lei de Hooke não se aplica mais. O ponto B é, portanto, conhecido como limite elástico: representa a força máxima que o material pode suportar elasticamente e a região OB é chamada de região elástica.
Rendimento (B-C):Após o ponto B, o material entra na região plástica e a deformação se torna permanente. O ponto B também é conhecido como ponto de rendimento superior, onde deslocamentos se libertam de repente de seus obstáculos, de modo que a carga necessária cai brevemente, mesmo quando o material continua a se esticar. O estresse cai para o ponto C - o ponto de rendimento mais baixo, no qual o nível de tensão permanece quase constante enquanto o material continua se alonga de maneira permanente (plástica).
Observe que o platô de rendimento claro “superior → inferior” (B → C) é mais óbvio em aços de baixo carbono. Outras ligas geralmente passam mais suavemente para a deformação plástica sem um mergulho pronunciado.
Endurecimento de tensão (c -d):Após o ponto C, o trabalho do material endurece: à medida que as deslocamentos se acumulam e interagem, a resistência do metal ao fluxo adicional aumenta. Embora a seção continue diminuindo e alongada, a crescente resistência à deformação gera o estresse de engenharia mais alto até atingir seu máximo no ponto d -a melhor força de tração(UTS). Essa é a carga mais alta que a seção de medidores original pode sustentar nas condições de teste.
Necking e fratura (D -E):Além do ponto D, começa o NECKing localizado, causando uma rápida redução na área de seção transversal em uma região. Em uma curva de tensão-tensão de engenharia, o estresse registrado cai quando a capacidade de carga de carga do material diminui. Eventualmente, a região do pescoço não pode mais sustentar a carga e as fraturas da amostra no ponto E. A tensão em E representa o alongamento total do material na falha.
Dentro da região elástica entre O e A, a relação proporcional entre estresse e tensão é definida pelo módulo de Young, também conhecido como módulo de elasticidade ou módulo de tração. Este valor quantifica a rigidez de um material através da lei de Hooke:
E = estresse / tensão
Matematicamente, isso é:
E = σ / ε
onde E é o módulo de Young com a unidade PA ou N/M2. Quanto maior o módulo, menos um material se deforma sob um determinado estresse.
Diferentes materiais respondem de maneira diferente sob carga devido ao seu comportamento de tensão -deformação exclusivo. Abaixo estão alguns exemplos que ilustram isso na prática:
Em edifícios altos, as vigas e colunas de aço estrutural carregam tensões compressivas devido a cargas mortas e vivas (as tensões de projeto geralmente são limitadas a cerca de 250 MPa). Com o módulo de um jovem de 200 GPa, a tensão elástica correspondente no rendimento é de apenas 0,125% (ε = σ/e). Além do ponto de rendimento, pontas de tensão de aço suave e podem sustentar cepas plásticas de 10 a 20% antes da fratura (resistência à tração final de 400 a 550 MPa). Na prática, os engenheiros usam um fator de segurança entre 1,5 e 2, mantendo as tensões de trabalho abaixo de 150 MPa para evitar flambagem ou deformação permanente.
As ligas de alumínio como 2024-T3 e 7075-T6 experimentam tensões de tração e compressão alternadas de até 300 MPa durante a decolagem, aterrissagem e turbulência. Seu módulo de 70 GPa produz cepas elásticas de 0,4 a 0,5%, aproximadamente três vezes a do aço na mesma tensão. Essas ligas oferecem altos pontos fortes de 500 a 600 MPa e alongamentos totais de 10 a 15%. A vida útil da fadiga (entre 10 e 10⁷ ciclos) é gerenciada pelo monitoramento de amplitudes de tensão e taxas de crescimento de rachaduras para garantir a durabilidade ao longo da vida útil do serviço.
Os pneus de carros de borracha sofrem repetidos ciclos de tensão e compressão enquanto giram e se deformam na superfície da estrada. Os compostos de borracha têm forças de tração de 15 a 25 MPa e módulos elásticos baixos (1 a 10 MPa), mas exibem cepas reversíveis de 300 a 600% (algumas formulações de alto desempenho excedem 1 000%). Essa grande deformação recuperável permite que o pneu esteja em conformidade com as irregularidades da estrada e absorva choques. Os designers também consideram a histerese viscoelástica (perda de energia) e o crescimento da trinca de fadiga sob milhões de ciclos de carga para garantir durabilidade e tração a longo prazo.
As curvas de tensão-deformação revelam propriedades mecânicas-chave-módulo elástico, resistência ao escoamento, resistência à tração final, ductilidade e resistência-que guiam a seleção de material. Ao analisar como o estresse distribui e induz a tensão, os engenheiros prevêem deformações e verificam que os componentes permanecem em segurança na região elástica, verificando os limites como rendimento ou flambagem.
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1. Qual é a diferença entre a tensão de engenharia e a tensão verdadeira?
A tensão de engenharia é calculada simplesmente como a mudança de comprimento dividida pelo comprimento do medidor original, assumindo que o comprimento do medidor permaneça quase constante. A tensão verdadeira, por outro lado, rastreia cada pequena mudança de comprimento em relação à mudança de comprimento contínua e integra essas cepas incrementais ao longo do processo de deformação. Para pequenas deformações, os dois são quase iguais. Mas à medida que a deformação aumenta, a tensão de engenharia subestima a mudança real, enquanto a tensão verdadeira fornece uma medida exata.
2. A resiliência é a mesma que a rigidez?
Não. A rigidez, quantificada pelo módulo de Young, é a resistência do material à deformação elástica (a inclinação da curva de tensão-deformação). A resiliência é a energia recuperável por unidade de volume que o material pode absorver nessa faixa elástica (a área sob a curva até o rendimento).
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