Estresse versus. Variedade: Conceitos -chave para ciência do material

1. Introdução

Estresse e tensão são conceitos fundamentais em ciência material e engenharia mecânica, desempenhando um papel crucial na determinação do desempenho e falha dos materiais sob carga.

Essas propriedades são essenciais no projeto estrutural, fabricação, e análise de falhas.

O estresse refere -se à resistência interna que um material se desenvolve por unidade de área quando submetido a forças externas, Enquanto a tensão mede a deformação do material em resposta a esse estresse.

Compreender seu relacionamento ajuda os engenheiros a selecionar materiais apropriados, prever pontos de falha, e otimizar projetos para várias aplicações, De pontes e aeronaves a microeletrônicos.

Este artigo fornece uma análise aprofundada de estresse e tensão, explorando suas definições, Formulações matemáticas, Métodos de teste, Fatores de influência, e aplicações industriais.

2. Fundamentos de estresse e tensão

O que é estresse?

Estresse (um) é a força aplicada por unidade de área dentro de um material. Quantifica como as forças internas resistem a cargas externas e é expressa matematicamente como:

σ = f ÷ a

onde:

• F é a força aplicada (N),
• UM é a área de seção transversal (m²).

Tipos de estresse

• Estresse de tração: Separa o material, aumentando seu comprimento (por exemplo, esticar um fio de aço).
• Estresse compressivo: Pressiona o material juntos, reduzindo seu comprimento (por exemplo, comprimindo uma coluna de concreto).
• Tensão de cisalhamento: Causa camadas adjacentes do material para deslizar uma pela outra (por exemplo, forças agindo em articulações aparafusadas).
• Estresse torcional: Resultados de forças de torção (por exemplo, Torque aplicado a um eixo rotativo).

  

O que é tensão?

Variedade (e) é uma medida da deformação de um material devido ao estresse aplicado. É uma quantidade adimensional que representa a proporção de mudança de comprimento e o comprimento original:

E = ΔL ÷ L0

onde:

• ΔL é a mudança de comprimento (eu),
• L0 é o comprimento original (eu).

Tipos de tensão

• Tensão normal: Causado por tensão de tração ou compressão.
• Tensão de cisalhamento: Resultados da distorção angular.

3. Relação entre estresse vs. Variedade

Compreender a relação entre estresse e variedade é fundamental em ciência e engenharia de materiais.

Este relacionamento ajuda a prever como os materiais responderão às forças externas, Garantir a integridade estrutural e a confiabilidade em várias aplicações, De pontes e aeronaves a implantes médicos e produtos de consumo.

Lei de Hooke: O relacionamento elástico

No região elástica, A maioria dos materiais exibe um relacionamento linear entre estresse (Sigmaas) e tensão (e varepsilona), governado por Lei de Hooke:

σ = e ⋅ e

onde:

• σ = estresse (PA ou N/M²)
• E = Módulo de Young (Módulo de elasticidade, em PA)
• e = tensão (sem dimensão)

Esta equação significa que dentro de um material de um material Limite elástico, estresse e tensão são diretamente proporcionais.

Quando a carga é removida, o material retorna à sua forma original. O valor de Módulo de Young determina a rigidez de um material:

• Alto e (por exemplo, aço, titânio) → Rígido e menos flexível
• Baixo e (por exemplo, borracha, polímeros) → Flexível e facilmente deformado

Por exemplo, o aço tem um módulo de jovem de ~ 200 GPa, tornando -o muito mais rígido que o alumínio (~ 70 GPa) ou borracha (~ 0,01 GPa).

Elástico vs.. Deformação Plástica

Enquanto a lei de Hooke se aplica ao região elástica, Os materiais acabaram chegando a um ponto de rendimento onde se torna a deformação permanente.

• Deformação elástica: O material retorna à sua forma original após a remoção do estresse.
• Deformação Plástica: O material sofre mudanças irreversíveis e não retorna à sua forma original.

Curva de tensão-deformação e pontos-chave

UM Curva de tensão-deformação representa graficamente como um material se comporta sob carga.

1. Região elástica: Relacionamento linear após a lei de Hooke.
2. Ponto de rendimento: O nível de estresse onde a deformação plástica começa.
3. Região plástica: A deformação continua sem aumento adicional do estresse.
4. Resistência à tração final (UTS): O estresse máximo que o material pode suportar.
5. Ponto de fratura: O material quebra sob estresse excessivo.

Para Materiais dúcteis (por exemplo, alumínio, aço macio), deformação plástica ocorre antes da falha, permitindo a absorção de energia antes de quebrar.

Materiais quebradiços (por exemplo, vidro, cerâmica) fratura repentinamente com pouca ou nenhuma deformação plástica.

Tabela Resumo: Relacionamento de tensão-deformação

Recurso	Região elástica	Região plástica
Definição	Estresse e tensão são proporcionais	Deformação permanente ocorre
Lei Governando	Lei de Hooke	Comportamento plástico não linear
Reversibilidade	Totalmente reversível	Irreversível
Ponto de rendimento?	Não	Sim
Exemplo de materiais	Aço (dentro da faixa elástica), borracha (baixa tensão)	Cobre, alumínio (sob alto estresse)

4. Fatores que afetam o estresse e o comportamento de tensão

Compreendendo os fatores que influenciam estresse e variedade O comportamento é crucial para a seleção de material, projeto, e análise de desempenho.

Vários fatores intrínsecos e extrínsecos afetam como os materiais respondem às forças aplicadas, afetando sua força, ductilidade, elasticidade, e comportamento geral sob estresse.

Vamos explorar esses fatores em profundidade.

Composição do material e microestrutura

Estrutura atômica e molecular

O arranjo de átomos ou moléculas em um material determina suas propriedades mecânicas e, consequentemente, seu comportamento sob estresse.

Materiais com diferentes tipos de ligação (covalente, metálico, iônico, etc.) exibir respostas distintas à deformação.

• Metais: Normalmente exibem alta ductilidade e são capazes de suportar deformação plástica substancial antes da falha.
  Sua estrutura atômica (LATTICES CRISTAL) permite que deslocamentos se movam, permitindo que eles absorvam o estresse e a tensão efetivamente.
• Polímeros: Suas cadeias moleculares respondem de maneira diferente, dependendo do tipo de polímero (Termoplásticos, Thermossets, Elastômeros).
  Por exemplo, Os ostômeros são altamente deformáveis ​​sob baixo estresse, Enquanto os termofônicos podem ficar quebradiços após serem submetidos a altas temperaturas ou estresse.
• Cerâmica: Estes normalmente têm ligações iônicas ou covalentes, que fornecem força, mas limitam o movimento de luxação.
  Como resultado, cerâmica tendem a fraturar facilmente sob estresse, com pouca deformação plástica.

Estrutura de grãos

O tamanho e a orientação de grãos (estruturas cristalinas em metais) impacto significativamente o estresse vs. comportamento de tensão:

• Materiais de grão fino: Normalmente mostram maior resistência à tração e maior resistência à fratura, porque os limites dos grãos impedem o movimento.
• Materiais de grão grosso: Pode mostrar maior ductilidade, mas menor resistência à tração devido às maiores distâncias entre luxações, tornando -os mais propensos ao fracasso sob estresse.

Fases e ligas

Em ligas, a presença de diferentes fases ou a distribuição dessas fases (por exemplo, ferrita e pérola em aço) influencia o comportamento do estresse e tensão. Por exemplo:

• Ligas de aço: Variando a composição da liga, Os engenheiros podem ajustar a força de escoamento do material, resistência, e dureza para atender aos requisitos de desempenho específicos.

Temperatura

A temperatura desempenha um papel significativo na determinação do propriedades mecânicas de materiais, afetando seus elástico e plástico comportamentos.

• A altas temperaturas, metais geralmente se tornam mais dúcteis, e sua força de escoamento diminui.
  Por exemplo, alumínio torna -se muito mais maleável a temperaturas elevadas, enquanto aço Pode experimentar uma redução na dureza.
• A baixas temperaturas, Os materiais tendem a se tornar mais quebradiços. Por exemplo, aço carbono torna -se quebradiço a temperaturas abaixo de -40 ° C, tornando -o mais propenso a quebrar sob estresse.

Expansão Térmica

Os materiais se expandem quando aquecidos e contraem quando resfriados, causando tensões internas que podem afetar o desempenho dos materiais sob carga.

Em grandes estruturas como pontes ou pipelines, Expansão e contração induzidas por temperatura podem levar a tensões térmicas.

Taxa de deformação (Taxa de deformação)

O taxa de deformação é a velocidade com que um material é deformado sob estresse. Os materiais podem se comportar de maneira diferente, dependendo da rapidez com que o estresse é aplicado:

• Deformação lenta (baixa taxa de deformação): Os materiais têm mais tempo para se deformar plasticamente, E a curva de tensão-deformação do material tende a exibir maior ductilidade.
• Deformação rápida (alta taxa de deformação): Os materiais tendem a ser mais rígidos e mais fortes, Mas a ductilidade deles diminui.
  Isso é particularmente importante para materiais usados ​​em testes de falha (por exemplo, Análise de colisão automotiva) ou impactos balísticos.

Exemplo:

• Na formação de metal de alta velocidade (como forjamento ou rolando), A taxa de deformação é alta, e metais podem exibir maior força devido a endurecimento por tensão efeitos.
  Por outro lado, a baixas taxas de deformação, como durante o teste de tensão lenta, Os metais têm mais tempo para se deformar, resultando em maior ductilidade.

Tipo de carga e magnitude

O caminho estresse é aplicado influencia a resposta do material:

• Estresse de tração: O material está esticado, e sua resistência ao alongamento é testada.
  Isso geralmente resulta em deformação plástica significativa em materiais dúcteis, enquanto materiais quebradiços podem fraturar mais cedo.
• Estresse compressivo: A compressão normalmente leva a uma deformação de material mais curta e pode resultar em diferentes mecanismos de falha.
  Por exemplo, O concreto tem alta resistência à compressão, mas é fraca em tensão.
• Tensão de cisalhamento: O estresse de cisalhamento envolve forças agindo paralelas à superfície do material.
  Materiais com boa força de cisalhamento, Como certos aços, terá um bom desempenho sob estresse de cisalhamento, enquanto outros podem se deformar ou falhar prematuramente.

A magnitude da carga Também desempenha um papel:

• Cargas altas pode empurrar os materiais em seus deformação plástica região, levando a mudanças significativas na forma.
• Cargas baixas manter materiais dentro do região elástica, onde eles podem retornar à sua forma original após a remoção do estresse.

Fatores Ambientais

As condições ambientais podem influenciar significativamente o comportamento de tensão-deformação dos materiais. Fatores ambientais comuns incluem:

• Corrosão: A presença de umidade, sais, ou outros agentes corrosivos podem enfraquecer materiais, reduzindo sua força e ductilidade de tração.
  Por exemplo, ferrugem em aço reduz sua capacidade de suportar a tensão e pode levar a uma falha prematura.
• Fadiga: Ciclos repetidos de estresse vs. a tensão pode causar degradação do material ao longo do tempo, Mesmo que a tensão máxima aplicada esteja abaixo da força de escoamento.
  Isso é fundamental em aplicações como aeroespacial e componentes automotivos, onde os materiais sofrem carga cíclica.
• Radiação: Em ambientes nucleares, A radiação pode causar fragilização em metais e polímeros, reduzindo sua capacidade de se deformar antes da fratura.

Impurezas e defeitos

A presença de impurezas (como carbono em aço ou enxofre em metais) ou defeitos (como rachaduras ou vazios) pode mudar drasticamente como um material responde ao estresse:

• Impurezas pode atuar como pontos fracos dentro do material, concentração de estresse e levando a uma falha prematura.
• Defeitos, especialmente os internos, pode criar Concentradores de estresse que tornam os materiais mais propensos a fraturas sob carga.

Por exemplo, Uma pequena rachadura em uma amostra metálica pode atuar como um riser de estresse,

reduzindo a força geral do material e levando à fratura em níveis de estresse muito mais baixos do que seriam previstos a partir de materiais uniformes.

Histórico de carregamento

O História de estresse e tensão ao qual um material foi submetido que desempenha um papel crucial em seu comportamento:

• Materiais que foram submetidos a Carga cíclica (Carregamento e descarregamento repetidos) pode experimentar fadiga e desenvolver rachaduras que se propagam ao longo do tempo.
• Materiais que sofrem pré-estadio ou Trabalho endurecendo pode exibir características alteradas de tensão-deformação, como aumento da força de escoamento e diminuição da ductilidade.

Exemplo: Aço endurecido pelo trabalho torna -se mais forte à medida que as deslocamentos acumulam, tornando -o mais resistente a mais deformação, mas menos dúctil.

5. Medição e técnicas experimentais

A medição precisa e compreensão de estresse contra. variedade Os comportamentos são vitais tanto em ciência material quanto em aplicações de engenharia.

Essas propriedades determinam como os materiais funcionarão sob diferentes cargas e em diversas condições ambientais.

Várias técnicas e métodos experimentais foram desenvolvidos para quantificar estresse contra. variedade, permitindo aos engenheiros projetar estruturas e produtos mais seguros e eficientes.

Esta seção se aprofundará nas técnicas mais usadas, como eles funcionam, e o significado de cada um na avaliação das propriedades mecânicas dos materiais.

5.1 Técnicas de medição de deformação

Gosses de tensão

Gosses de tensão são um dos instrumentos mais amplamente utilizados para medir a tensão. Um medidor de tensão é fino, dispositivo eletricamente resistivo que se deforma quando submetido ao estresse.

Esta deformação causa uma mudança em sua resistência elétrica, que pode ser medido e correlacionado com a quantidade de tensão experimentada pelo material.

• Princípio de funcionamento: Os deformação consistem em uma grade de metal fino ou papel alumínio conectado a um backing flexível.
  Quando o material ao qual o medidor de deformação é anexado deforma, a grade também se deforma, mudando sua resistência. Esta mudança é proporcional à tensão no material.
• Tipos de medidores: Existem vários tipos, incluindo frustrar, arame, e Presos de cepa semicondutores.
  O tipo de folha é o mais comum e é amplamente utilizado para medir a tensão em aplicações de engenharia.
• Aplicativos: Os medidores de tensão são usados ​​no teste de estresse de materiais, Monitoramento de Saúde Estrutural, e até indústrias aeroespacial e automotiva para avaliar o desempenho de componentes críticos.

Correlação de imagem digital (Dic)

Correlação de imagem digital (Dic) é um método óptico para medir a tensão. Ele usa um par de câmeras de alta resolução para capturar imagens da superfície de um material em diferentes estágios de deformação.

O software especializado rastreia mudanças no padrão de superfície para medir a tensão.

• Princípio de funcionamento: Dic funciona aplicando um padrão de manchas aleatórias (Muitas vezes preto e branco) na superfície do material.
  Como o material se deforma, O padrão de manchas se move e o software correlaciona as posições das manchas em diferentes imagens para calcular o deslocamento e a tensão.
• Vantagens: DIC fornece medições de deformação de campo completo, tornando -o ideal para analisar materiais e deformações complexas.
  Também pode ser usado para medir cepas em 3D e não requer contato direto com a amostra.
• Aplicativos: Esta técnica é usada em pesquisa e desenvolvimento, incluindo o estudo do comportamento do material sob cargas de tração ou compressão, Teste de fadiga, e mecânica de fratura.

Extensômetros

Um extensômetro é um dispositivo usado para medir o alongamento ou contração de uma amostra sob carga.

Consiste em um conjunto de sensores de deslocamento que se ligam à amostra de teste e monitoram sua alteração no comprimento durante o teste.

• Princípio de funcionamento: O extensômetro mede o deslocamento entre dois pontos em uma amostra, normalmente no centro do comprimento do medidor.
  O deslocamento relativo entre esses pontos fornece o valor de deformação.
• Tipos de extensômetros: Estes incluem Entre em contato com extensômetros (que tocam fisicamente a amostra),
  sem contato (óptico) extensômetros, e Extensômetros a laser (que usam vigas a laser para medir a distância sem entrar em contato com a amostra).
• Aplicativos: Os extensômetros são amplamente utilizados em Teste de tração e Testes de compressão, fornecendo medições precisas de deformação.

5.2 Técnicas de medição de estresse

Células de carga

Células de carga são sensores usados ​​para medir a força (ou carregar) aplicado a um espécime, fornecendo uma medida direta de estresse.

Esses dispositivos convertem a força mecânica em um sinal elétrico que pode ser medido e registrado.

• Princípio de funcionamento: As células de carga normalmente usam Gosses de tensão como o elemento de detecção.
  Quando uma carga é aplicada, a tensão deform, E essa deformação é traduzida em uma mudança de resistência elétrica, que corresponde à força aplicada.
• Tipos de células de carga: Os principais tipos de células de carga incluem células de carga de ponto único, células de carga do tipo S., Células de carga de caixa, e células de carga do feixe.
  Cada tipo tem aplicativos específicos, dependendo dos requisitos de medição e configuração de carga.
• Aplicativos: As células de carga são usadas em máquinas de teste de tração, teste de pressão, e Sistemas de pesagem industrial, fornecendo uma medição direta da força, que pode ser usado para calcular o estresse.

Medição da concentração de estresse

As concentrações de estresse ocorrem em descontinuidades geométricas (por exemplo, entalhes, buracos, e cantos afiados) e geralmente são áreas de falha nos materiais.

Estes podem ser medidos usando Fotoelasticidade ou Análise de elementos finitos (FEA).

• Fotoelasticidade: Esta técnica envolve a aplicação de luz polarizada a materiais transparentes sob estresse.
  O material mostra franjas que indicam a distribuição do estresse, que podem ser analisados ​​para detectar regiões de concentração de estresse.
• Análise de elementos finitos (FEA): FEA é um método computacional usado para simular a distribuição de tensão dentro de um material ou estrutura sob carga.
  Modelando o material e aplicando cargas, Os engenheiros podem analisar o comportamento e identificar áreas com concentrações de alto estresse.
• Aplicativos: As medições de concentração de estresse são cruciais no aeroespacial, automotivo, e Engenharia Civil indústrias para garantir a segurança e a durabilidade dos componentes críticos.

Círculo de Mohr para análise de estresse

O círculo de Mohr é um método gráfico para determinar o estado de estresse em um ponto dentro de um material, especialmente para situações de estresse bidimensional.

Ele permite que os engenheiros calculem tensões normais e de cisalhamento em diferentes orientações, Fornecendo informações valiosas sobre a resposta do material às forças aplicadas.

• Princípio de funcionamento: O círculo de Mohr usa as principais tensões (tensões máximas e mínimas) e tensões de cisalhamento em um determinado ponto para gerar um círculo.
  Os pontos no círculo correspondem às tensões em diferentes planos dentro do material.
• Aplicativos: O círculo de Mohr é usado na análise estrutural, teste de material, e análise de falhas, particularmente quando o material é submetido a condições complexas de carregamento.

5.3 Teste de tensão e tensão combinados

Máquinas de teste universais (Utms)

UM Máquina de teste universal é um dispositivo essencial usado para testar as propriedades mecânicas dos materiais, incluindo tração, compressão, e testes de flexão.
Essas máquinas medem ambos estresse contra. variedade Durante a aplicação da força.

• Princípio de funcionamento: UTMs aplicam uma força controlada a uma amostra e medem o deslocamento ou alongamento correspondente.
  Os dados de força e deslocamento são então usados ​​para calcular o estresse vs. variedade, produzindo uma curva de tensão-deformação.
• Aplicativos: UTMS são amplamente utilizados para testar metais, polímeros, compósitos, e outros materiais. Eles são críticos em laboratórios de teste de material, controle de qualidade, e R&D Em várias indústrias.

Medições combinadas de tensão e tensão no teste de fadiga

Em Teste de fadiga, Os materiais são submetidos a carregamento cíclico, e ambos o estresse vs. A tensão precisa ser medida simultaneamente para entender como o material se comporta sob estresse repetitivo.

Máquinas de fadiga de flexão rotativa ou Máquinas de teste servo-hidraulic são frequentemente usados ​​para esse fim.

• Princípio de funcionamento: As máquinas aplicam carga cíclica enquanto o material é monitorado para ambos (via células de carga) e tensão (via extensômetros ou medidores).
  Os dados resultantes são cruciais para prever os modos de vida e falha da fadiga do material.
• Aplicativos: O teste de fadiga é vital em indústrias como automotivo, aeroespacial, e energia Para garantir a confiabilidade e a durabilidade dos componentes sujeitos a carregamento repetido.

6. Comparação de estresse vs. Variedade

Compreendendo as distinções e relações entre o estresse vs. A tensão é fundamental para os engenheiros projetarem seguros, eficiente, e materiais e estruturas duráveis.

Resumo das diferenças -chave

Aspecto	Estresse	Variedade
Definição	Força interna por unidade de área	Deformação ou deslocamento material
Unidades	Pascal (PA), Megapapascals (MPa)	Sem dimensão (razão)
Tipo de quantidade	Tensor (magnitude e direção)	Escalar (apenas magnitude)
Natureza	Causado por forças externas	Causado por deformação induzida por estresse
Comportamento Material	Determina a resistência do material	Mede deformação do material
Elástico/plástico	Pode ser elástico ou plástico	Pode ser elástico ou plástico
Exemplo	Força por área em uma haste de metal	Alongamento de uma haste de metal sob tensão

7. Conclusão

Estresse e tensão são conceitos fundamentais em engenharia e ciência do material.

Compreender seu relacionamento ajuda os engenheiros a otimizar o desempenho do material, melhorar a segurança, e estruturas de design que resistem à falha.

Com avanços em testes e simulações computacionais, As indústrias podem melhorar a durabilidade e eficiência dos produtos em diversos setores.

Dominando a análise de tensão-deformação, Os profissionais podem tomar decisões informadas na seleção de materiais, integridade estrutural, e design inovador, Garantir confiabilidade a longo prazo em aplicações de engenharia.