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 que é estresse？
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:
Tensão de tração (σt) e tensão compressiva (σc):São tensões normais que atuam perpendicularmente à área de seção transversal.
Tensão de cisalhamento (τ):Causados por forças tangenciais que atuam paralelas à área de seção transversal.
Estresse torcional (τt):Uma forma específica de tensão de cisalhamento induzida por torque ou torção.
Entre eles, o estresse de tração é o tipo mais fundamental de estresse no projeto de engenharia. A fórmula de cálculo é:
Onde:
σ = estresse (pa ou n/m²; às vezes psi)
F = força aplicada (n)
A = a área de seção transversal original sobre a qual a força é aplicada (m²)
Como o estresse dos materiais é medido
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
Microeletrônica, filmes finos, nanoindentação, comportamento da interface composta
O que é a tensão？
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:
ϵ = tensão (sem dimensão ou expressa em %)
ΔL = mudança de comprimento
L0= comprimento original
Como a tensão dos materiais é medida
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
Diferença chave no estresse vs. tensão
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
Como o estresse e a tensão se relacionam
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:
1. Região elástica (ponto O -B)
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.
2. Região plástica (ponto B em diante)
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.
O que é o módulo de Young？
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.
Exemplos de estresse e tensão em diferentes materiais
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:
Aço em quadros de construção
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.
Alumínio em estruturas de aeronaves
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.
Borracha em pneus de carro
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.
Conclusão
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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Perguntas frequentes
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).
