Para um engenheiro, estudar minuciosamente as propriedades de um material é uma necessidade absoluta antes de se aventurar em qualquer novo projeto. Imagine as terríveis conseqüências se os engenheiros que construíram a ponte do Brooklyn fossem descaradamente ignorantes e usassem plástico ou tijolos em vez de aço. Por outro lado, se a maioria dos brinquedos de hoje fossem feitos de aço e não algo tão flexível quanto plástico, eles seriam impossíveis de se moldar nas formas mais excêntricas que adoramos.
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Se um material é flexível ou teimoso pode ser discernido por algo chamado sua força de rendimento.
O gráfico Stress-Strain
A resistência de um material é determinada por um teste de tração, um teste que requer que o material seja impiedosamente puxado de suas duas extremidades. A relação entre o estresse ao qual é submetido e a tensão que consequentemente sofre pode ser delimitada por um gráfico chamado de curva tensão-deformação.
No entanto, este será um curso rápido.
A curva de tensão.
Inicialmente, um material, mesmo aço, se comporta como um elástico quando esticado. Quando dentro do limite elástico, a tensão causada pelo estresse é reversível; sim, o material se alonga, mas uma vez liberado o estresse, ele retém seu comprimento original. Essa elasticidade, no entanto, não é permanente. O excesso de tensão deformará um material permanentemente.
De fato, aplicar maior estresse causa a formação do que é chamado de ‘pescoço’ ao longo da deformação. O pescoço é análogo às cordas de queijo que mal seguram a fatia e o resto da pizza. Um estresse ainda maior quebrará o pescoço também – o material acaba sucumbindo ao estresse e sofre uma quebra ou fratura trágica.
Verificação e Fratura.
Força de rendimento
Todo e qualquer material desenha sua própria curva de tensão-deformação característica, que nos permite determinar quais aplicações são adequadas para o seu uso. A curva de cada material exibe diferentes pontos de transição, da elasticidade à plasticidade e finalmente à quebra.
O ponto em que um material deixa de ser elástico e se torna permanentemente plástico, o ponto em que ele produz, é chamado de ponto de retorno. A magnitude da tensão na qual essa transição ocorre é conhecida como tensão ou resistência ao rendimento do material. O limite de elasticidade é uma constante de material que representa o limite de seu comportamento elástico. Materiais dúcteis, como o ferro, apresentam valores mais altos de resistência do que os plásticos, como o polietileno.
Estresses tão graves podem causar deformações permanentes.
Um material dúctil como o ferro não é permanentemente deformado porque seus átomos “se quebram”, mas porque o estresse exercido é persuasivo o suficiente para superar sua energia de rede e perturbar a estrutura rígida do material; basta deslocar literalmente os átomos de seus cristais. Este fenômeno é chamado deslocamento cristalino.
Plásticos se deformam mais facilmente porque sucumbem a deslocamentos mais facilmente do que os materiais dúcteis. Há também materiais frágeis, que não têm absolutamente nenhum conceito de tensão de escoamento. Esses materiais, quando submetidos a um estresse maior que o estresse de escoamento, como o nome sugere, não sofrem nenhuma transição da elasticidade para a plasticidade, mas se quebram diretamente.
Curvas de tensão-deformação de diferentes tipos de materiais.
Por fim, como a força de rendimento de um material determina essencialmente sua tolerância à tensão, os engenheiros perceberam que tinham que planejar maneiras inteligentes de aumentá-lo. Uma maneira de fazer isso é adicionar impurezas no material. A densidade aumentada faz com que o material cresça mais tolerante às deformações, pois as impurezas podem preencher os vazios deixados para trás após as luxações cristalinas. Ligas como o aço, que são criadas alimentando várias espécies de impurezas, são os melhores exemplos dessa manipulação.
Outra maneira de obter uma maior tensão de escoamento é manipular o material a temperaturas mais baixas. Temperaturas mais altas aumentam o estresse, pois a energia térmica faz com que os átomos sacolejem e desloquem vigorosamente. Com metade do trabalho já realizado, uma tensão externa requer, portanto, ainda menos energia do que a tensão de escoamento original do material teria exigido para causar deslocamentos e deformações permanentes. Por que mais você acha que devemos atacar enquanto o ferro está quente?
