Resultados do Ensaio de Tração do Aço e Curvas de Tensão–Deformação

O que um Ensaio de Tração do Aço Realmente Mede

Um ensaio de tração do aço é um experimento controlado no qual um corpo de prova metálico é tracionado ao longo de um eixo definido até que entre em escoamento, sofra deformação, apresente estricção e, geralmente, frature. A máquina registra força e deslocamento; a curva tensão–deformação apresentada é calculada a partir dessas medições e das dimensões obtidas antes e depois do ensaio. Ela não constitui uma classificação direta dos tipos de aço independentemente da configuração do ensaio.

O corpo de prova, o eixo de carregamento e o ensaio à temperatura ambiente

Seção útilSeção útil A porção reduzida de um corpo de prova de tração entre as extremidades presas pelas garras, onde se pretende que ocorram a deformação e a fratura.

O corpo de prova possui uma seção reduzida, denominada seção útil, entre extremidades mais largas que se encaixam nas garras da máquina de ensaio. Sua área inicial da seção transversal, $A_0$, e seu comprimento útil inicial, $L_0$, devem ser medidos antes do carregamento. Os corpos de prova podem ser redondos ou planos, e suas dimensões, o formato dos ressaltos, a disposição das garras e o comprimento útil são controlados pela norma aplicável. Um corpo de prova plano cortado paralelamente à direção de laminação não produz necessariamente o mesmo alongamento que um corpo de prova cortado transversalmente a essa direção, pois a laminação pode criar diferenças direcionais na microestrutura e na resposta mecânica.

O eixo de carregamento deve passar pela linha central prevista do corpo de prova. O desalinhamento introduz flexão, de modo que um lado da seção útil pode sofrer uma tensão maior que o outro. A máquina então mede uma resposta que reflete tanto a tração quanto a flexão não intencional. O deslizamento nas garras, um ressalto usinado inadequadamente, danos superficiais ou uma marcação incorreta do comprimento útil também podem alterar o resultado.

A ASTM E8/E8M-21 abrange o ensaio de tração de materiais metálicos à temperatura ambiente. Ela inclui procedimentos para determinar o limite de escoamento, o alongamento no ponto de escoamento, a resistência à tração, o alongamento e a redução de área. A ISO 6892-1:2019 também especifica um método de ensaio de tração à temperatura ambiente para materiais metálicos e define as propriedades mecânicas que podem ser obtidas nesse ensaio. Portanto, “temperatura ambiente” faz parte da descrição do ensaio, não sendo uma suposição que possa ser omitida. Um resultado obtido com um corpo de prova aquecido ou em um ensaio em forno de alta temperatura corresponde a uma condição de ensaio diferente.

Taxa média de deformação (s^-1)

O corpo de prova é carregado monotonicamente, mas a taxa é importante. A máquina de ensaio pode controlar a velocidade do travessão, a taxa de deformação ou outro parâmetro relacionado à taxa, dependendo da norma e do procedimento. Os dados do NIST para o aço ASTM A1008 incluem taxas médias de deformação de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ e ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$. Esses valores estão separados por quatro ordens de grandeza. Em taxas mais elevadas, a tensão de escoamento medida pode mudar, e os limites de escoamento e de resistência à tração aparentes podem se deslocar.

Propriedades mecânicas obtidas no ensaio

A tensão de engenharia é calculada dividindo-se a força pela área inicial da seção transversal do corpo de prova:

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}.$$

A deformação de engenharia é a variação do comprimento útil dividida pelo seu valor inicial:

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0}.$$

A Michigan Technological University e a Georgia Tech descrevem essas convenções usando a mesma base de área inicial e comprimento útil inicial. Consequentemente, a tensão de engenharia não atualiza continuamente a área à medida que o corpo de prova se estreita.

Alongamento no ponto de escoamentoAlongamento no ponto de escoamento Extensão plástica que ocorre ao longo de um intervalo mensurável de deformação, durante o qual a tensão de engenharia permanece quase constante ou segue um padrão característico de ponto de escoamento.

A primeira porção retilínea da curva indica um comportamento elástico proporcional. O DOE Fundamentals Handbook identifica o limite de proporcionalidade, o limite de escoamento, o limite de resistência e o ponto de fratura em uma curva de engenharia típica para aço estrutural. O limite de escoamento pode ser identificado por um ponto de escoamento distinto ou por um método de deslocamento especificado, comumente uma deformação de prova ou de deslocamento de 0,2% quando não há um ponto de escoamento nítido. Alguns aços apresentam alongamento no ponto de escoamento: o corpo de prova se estende plasticamente ao longo de um intervalo mensurável de deformação, enquanto a tensão permanece quase constante ou varia de maneira característica. A ASTM E8/E8M-21 inclui explicitamente o alongamento no ponto de escoamento entre as grandezas determinadas pelo ensaio.

A resistência à tração, também denominada resistência à tração última em muitos relatórios, é a tensão de engenharia máxima. Ela ocorre antes ou aproximadamente no início da estricção localizada. Depois que a estricção começa, a área real na região estrita continua a diminuir, enquanto a tensão de engenharia ainda utiliza $A_0$; portanto, a curva plotada pode cair mesmo quando a tensão verdadeira local aumenta. O material de laboratório do MIT de 2004 distingue a resistência à tração obtida de uma curva tensão–deformação de engenharia da resistência à tração verdadeira, que considera a redução da seção transversal.

O alongamento é o aumento permanente do comprimento útil especificado após a fratura, expresso como porcentagem. Seu valor depende fortemente do comprimento útil: um comprimento útil curto pode abranger uma parcela maior da estricção localizada e frequentemente produz uma porcentagem diferente da obtida com um comprimento maior. A redução de área é calculada a partir da área inicial e da menor área final na região da fratura. Ela descreve a contração localizada e não é intercambiável com o alongamento.

Um experimento da Syracuse University com aço-carbono 1018 utilizou corpos de prova planos de tração conforme a ASTM para determinar a tensão de escoamento, a tensão máxima e a tensão de ruptura. Esse exemplo mostra por que até mesmo uma designação conhecida, como 1018, deve ser acompanhada por detalhes sobre o corpo de prova e o procedimento.

Por que um resultado é indissociável do seu método de ensaio

Um valor relatado como “limite de escoamento do aço: 350 MPa” é incompleto. O leitor precisa conhecer o grau e a condição do produto, a geometria do corpo de prova, a direção de carregamento, a área inicial, o comprimento útil, a temperatura, a taxa de deformação ou o requisito de velocidade da máquina, o extensômetro ou método de medição do deslocamento, a definição do limite de escoamento e a norma aplicável.

A técnica de medição pode alterar a curva. O trabalho do NIST sobre o ASTM A1008 utilizou correlação digital de imagens para determinar o deslocamento e a deformação nas taxas de deformação especificadas, em vez de depender apenas do deslocamento do travessão. O deslocamento do travessão inclui a complacência da máquina e das garras; ele não é automaticamente igual à deformação dentro da seção útil. O National Bureau of Standards também relatou que as tensões de prova em aços inoxidáveis e metais não ferrosos podem ser afetadas por deformação plástica prévia, intervalos de repouso, tensão interna e encruamento.

Em taxas ainda mais elevadas, a distinção se torna mais nítida. Um relatório do NIST sobre aço estrutural apresenta curvas em altas taxas de deformação para um aço de coluna perimetral com limite de escoamento especificado de 50 ksi. Essas curvas não podem ser comparadas diretamente com uma curva de laboratório lenta, à temperatura ambiente, como se apenas o grau do aço importasse. O resultado do ensaio é uma medição do aço em conjunto com um corpo de prova, método e condição definidos. Remova essas definições, e o número perde seu significado de engenharia.

Como a tensão de engenharia e a deformação de engenharia são calculadas

Uma máquina de ensaio de tração registra força e deslocamento, mas uma curva tensão–deformação exige que essas medições sejam reduzidas usando as dimensões definidas do corpo de prova. As grandezas de engenharia comumente representadas graficamente referem-se ao corpo de prova antes do carregamento, e não à sua forma continuamente variável. Essa escolha torna os resultados simples de calcular e comparar, desde que a geometria do corpo de prova, o comprimento de referência, a norma de ensaio e o método de medição sejam informados.

Tensão de engenharia: F dividida pela área inicial

A tensão de engenharia é calculada dividindo-se a força de tração aplicada pela área original da seção transversal do corpo de prova:

$${\sigma }_e=\frac{F}{A_0}$$

Aqui, ${\sigma }_e$ é a tensão de engenharia, $F$ é a força de tração e $A_0$ é a área da seção transversal medida antes do início do ensaio. Para um corpo de prova plano retangular,

$$A_0=w_0{t}_0$$

em que $w_0$ é a largura original do corpo de prova e $t_0$ é sua espessura original. Para um corpo de prova cilíndrico,

$$A_0=\frac{\pi d_0^2}{4}$$

em que $d_0$ é o diâmetro inicial.

A força normalmente é registrada em newtons (N), enquanto a área pode ser registrada em milímetros quadrados (mm²). A tensão resultante será, então, expressa em N/mm², numericamente equivalente a megapascals (MPa), pois $1{\text{N/mm}}^2=1\text{MPa}$. Se a força for expressa em quilonewtons e a área em milímetros quadrados, a força deverá ser convertida para newtons antes do cálculo em MPa. A tensão também pode ser expressa em pascals ou libras por polegada quadrada (psi), mas a conversão de unidades deve ser aplicada de maneira consistente.

O uso de $A_0$ é deliberado. À medida que um corpo de prova de aço é tracionado, sua área da seção transversal normalmente diminui devido à contração elástica e, posteriormente, à deformação plástica. Após o início da estricção localizada, a redução concentra-se em uma região menor. A tensão de engenharia não recalcula o denominador a cada instante; ela continua dividindo a força medida pela área existente antes do carregamento. Essa convenção preserva um estado de referência comum para cada ponto da curva.

O resultado não é o mesmo que a tensão verdadeira. A tensão verdadeira utiliza a área instantânea, geralmente escrita como ${\sigma }_t=F/A$, em que $A$ é a área local atual. Consequentemente, a curva de engenharia pode cair após sua força máxima, mesmo enquanto a tensão local em uma região com estricção continua aumentando. O material de laboratório de 2004 do Massachusetts Institute of Technology distingue a resistência à tração obtida a partir de uma curva tensão–deformação de engenharia da resistência à tração verdadeira, que leva em conta a redução da seção transversal.

Deformação de engenharia: extensão dividida pelo comprimento de referência inicial

A deformação de engenharia é a variação do comprimento de referência dividida pelo comprimento de referência original:

$${\epsilon }_e=\frac{L-L_0}{L_0}$$

O Georgia Institute of Technology apresenta a notação equivalente ${\epsilon }_e=(l-l_0)/l_0$. Nessas expressões, $L_0$ ou $l_0$ é o comprimento de referência original, e $L$ ou $l$ é o comprimento de referência medido durante o ensaio. A diferença $L-L_0$ é a extensão.

A deformação não possui unidade física, pois é uma grandeza de comprimento dividida por outra grandeza de comprimento. Ela é comumente escrita como um número decimal ou multiplicada por 100 e expressa em porcentagem. Uma extensão de 0,25 mm a partir de um comprimento de referência original de 50,00 mm resulta em

$${\epsilon }_e=\frac{0.25}{50.00}=0.005$$

ou 0,5% de deformação de engenharia.

O comprimento de referência original permanece no denominador mesmo depois que o corpo de prova se alonga, porque a deformação de engenharia é uma variação normalizada em relação à geometria inicial. Isso faz com que o valor informado dependa do comprimento de referência definido, e não apenas do deslocamento do travessão da máquina. Uma extensão de 2 mm corresponde a 4% de deformação em um comprimento de referência de 50 mm, mas a apenas 2% em um comprimento de referência de 100 mm. Portanto, os resultados de alongamento não podem ser comparados de maneira responsável quando as definições do comprimento de referência são diferentes.

A Michigan Technological University define a deformação de engenharia como o deslocamento dividido pelo comprimento de referência inicial, enquanto sua definição de tensão de engenharia utiliza a carga dividida pela área da seção transversal inicial. Essas definições são simples, mas só podem ser reproduzidas quando $L_0$, $A_0$ e a forma como o deslocamento foi medido são conhecidos.

Unidades, dimensões do corpo de prova e redução de dados

A redução de dados começa antes da primeira leitura de força. O operador registra o tipo de corpo de prova, a largura, a espessura ou o diâmetro e o comprimento de referência; em seguida, calcula $A_0$ a partir das dimensões especificadas. A máquina de ensaio de tração fornece a força em função do tempo ou do deslocamento. Um extensômetro, um extensômetro de resistência elétrica ou um sistema óptico fornece a variação do comprimento de referência. Cada par registrado é reduzido usando-se $F/A_0$ e $(L-L_0)/L_0$, produzindo a curva de tensão–deformação de engenharia.

A medição do deslocamento é importante. O deslocamento do travessão inclui a deformação nas garras, na estrutura da máquina e em outros componentes, enquanto um extensômetro mede uma seção de referência definida. A correlação digital de imagens pode medir opticamente os deslocamentos e os campos locais de deformação. Os ensaios do NIST em aço ASTM A1008 examinaram taxas médias de deformação de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ e ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$, utilizando correlação digital de imagens para a medição de deslocamento e deformação. Portanto, a curva resultante está vinculada tanto à taxa de carregamento quanto ao método de medição.[1][1] Standard Specification for Tension Testing of Metallic Materials. ASTM International. ASTM International standard, 2021.[2][2] Metallic materials — Tensile testing — Part 1: Method of test at room temperature. International Organization for Standardization. ISO standard, 2019.[3][3] Properties of Metals. U.S. Department of Energy. DOE Fundamentals Handbook reference.

A ASTM E8/E8M-21 abrange ensaios de tração à temperatura ambiente de materiais metálicos e trata da resistência ao escoamento, do alongamento no ponto de escoamento, da resistência à tração, do alongamento e da redução de área. A ISO 6892-1:2019 também especifica ensaios de tração à temperatura ambiente de materiais metálicos e as propriedades mecânicas obtidas por meio deles. Essas normas definem mais do que equações: elas controlam a geometria do corpo de prova, o alinhamento, o comprimento de referência, a taxa de carregamento e os procedimentos de apresentação dos resultados. A curva típica do aço estrutural do U.S. Department of Energy identifica o limite de proporcionalidade, a resistência ao escoamento, a resistência máxima e o ponto de fratura, mas cada identificação depende desse processo prévio de medição e redução. Uma curva só é tão reproduzível quanto as dimensões e os métodos que fundamentam seus eixos.

Leitura da Curva de Tensão–Deformação de Engenharia

Uma curva de tração é um registro de como um corpo de prova definido responde ao aumento da carga. Ela não é uma classificação universal dos graus de aço. O resultado relatado depende da forma do corpo de prova, da área inicial da seção transversal, do comprimento de referência, da taxa de aplicação da carga, do extensômetro ou método de deslocamento, da norma de ensaio e da convenção usada para calcular a tensão e a deformação.

Para uma curva de tensão–deformação de engenharia, a tensão de engenharia é

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}$$

onde $F$ é a carga aplicada e $A_0$ é a área inicial da seção transversal do corpo de prova. A deformação de engenharia é

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0}$$

onde $L_0$ é o comprimento de referência inicial e $L$ é o comprimento de referência medido durante o carregamento. Essas definições são apresentadas em materiais didáticos da Michigan Technological University e do Georgia Institute of Technology. Como a área e o comprimento originais permanecem nos denominadores, a curva não mostra diretamente a tensão e a deformação locais variáveis depois que o corpo de prova começa a sofrer contração.

A ASTM E8/E8M-21 abrange o ensaio de tração à temperatura ambiente de materiais metálicos e a determinação da resistência ao escoamento, do alongamento no ponto de escoamento, da resistência à tração, do alongamento e da redução de área. A ISO 6892-1:2019 especifica um método de ensaio de tração à temperatura ambiente e define as propriedades mecânicas que podem ser obtidas por meio dele. Portanto, a curva deve ser interpretada em conjunto com o registro do ensaio, e não de forma isolada.

Resposta elástica e limite de proporcionalidade

Na origem, tanto a carga quanto a deformação são nulas. Durante a primeira parte da curva, a tensão aumenta aproximadamente em proporção à deformação. Se a carga for removida nessa região, o corpo de prova retornará às suas dimensões originais, excetuando-se pequenos erros experimentais. Essa é a deformação elástica: as ligações atômicas são deslocadas, mas o material não acumulou uma alteração permanente de forma.

A inclinação dessa porção retilínea inicial é o módulo de Young, $E$:

$$E=\frac{\Delta \sigma }{\Delta \epsilon }$$

Para um aço ensaiado em condições usuais, essa inclinação geralmente se aproxima de 200 GPa, embora o valor medido possa variar com o alinhamento, a precisão do extensômetro, a temperatura e a porção dos dados selecionada. Ela não deve ser confundida com a resistência ao escoamento. O módulo descreve a rigidez; a resistência ao escoamento descreve a tensão associada ao início ou a uma quantidade especificada de deformação plástica.

O DOE Fundamentals Handbook denomina o final da porção estritamente linear de limite de proporcionalidade. Além desse ponto, a curva pode permanecer parcialmente elástica, mas já não é exatamente proporcional. Um corpo de prova descarregado logo acima do limite de proporcionalidade pode recuperar a maior parte de sua deformação, mantendo, contudo, um pequeno alongamento permanente. Quando a deformação plástica começa, a deformação total pode ser considerada a soma da deformação elástica e da deformação plástica:

$${\epsilon }_{\mathrm{total}}={\epsilon }_{\mathrm{elastic}}+{\epsilon }_{\mathrm{plastic}}$$

Essa distinção é importante na interpretação do alongamento. A deformação visível na máquina de ensaio é a deformação total; somente o componente elástico desaparece durante o descarregamento.

Resistência ao escoamento e alongamento no ponto de escoamento

O escoamento marca a transição para um fluxo plástico substancial. Em um aço com um ponto de escoamento distinto, a curva pode subir até um ponto de escoamento superior, cair até um ponto de escoamento inferior e, então, prosseguir por uma região relativamente plana. O alongamento associado é denominado alongamento no ponto de escoamento. O corpo de prova continua se alongando enquanto a tensão de engenharia sofre pouca alteração, e bandas de Lüders podem se espalhar ao longo do comprimento de referência.

Esse comportamento é comumente associado a alguns aços de baixo carbono, incluindo determinados produtos de chapas e estruturais, mas não deve ser presumido para todo grau de aço ou todo registro de ensaio. Um aço com escoamento contínuo pode não apresentar um ponto de escoamento superior ou inferior bem definido. O trabalho a frio, o histórico de recozimento, o carbono e o nitrogênio intersticiais, o envelhecimento, a geometria do corpo de prova e a taxa de deformação podem alterar ou eliminar a característica do ponto de escoamento.

Quando não é possível medir um ponto de escoamento distinto, uma norma pode especificar um método de deslocamento. A conhecida tensão de prova de 0,2% é obtida traçando-se uma linha paralela à inclinação elástica inicial, deslocada por uma deformação de 0,002; sua interseção com a curva define o valor relatado. “Resistência ao escoamento” e “tensão de prova de 0,2%” não devem ser tratados como rótulos intercambiáveis, a menos que a norma aplicável e o relatório deixem clara essa correspondência. Um relatório do National Bureau of Standards sobre tensões de prova em aços inoxidáveis e metais não ferrosos documenta os efeitos da deformação plástica prévia, dos intervalos de repouso, da tensão interna e do encruamento nessas medições.

Após o escoamento, a deformação plástica se acumula. O descarregamento em qualquer ponto produz uma recuperação elástica, mas o corpo de prova permanece mais comprido e, após um carregamento suficiente, mais estreito do que era inicialmente. O recarregamento pode seguir uma trajetória deslocada devido ao encruamento.

Resistência à tração, estricção e fratura

Após o alongamento no ponto de escoamento, ou o escoamento contínuo quando não há platô, a curva geralmente volta a subir à medida que o encruamento aumenta a tensão necessária para uma deformação plástica adicional. A maior tensão de engenharia é a resistência à tração (UTS), denominada resistência última no DOE Fundamentals Handbook. Ela é calculada usando a área original $A_0$, embora o corpo de prova já tenha se alongado e sua seção transversal tenha se alterado.

Na UTS, geralmente começa a deformação localizada. Forma-se uma estricção na seção útil, concentrando a deformação em uma região menor. A área real na estricção diminui rapidamente; assim, a tensão verdadeira local pode continuar aumentando mesmo enquanto a curva de engenharia cai. Portanto, o ramo descendente não significa que a tensão resistente local do material simplesmente tenha desaparecido; ele reflete o uso da área inicial no cálculo da tensão de engenharia.

As notas de 2004 do Laboratório de Materiais de Engenharia Civil do MIT distinguem a resistência à tração obtida de uma curva de engenharia da resistência à tração verdadeira, que considera a redução da seção transversal. Essa distinção é especialmente importante ao comparar aços dúcteis com diferentes dimensões de comprimento de referência ou diferentes medições de redução de área.

O ponto final é a fratura, identificada pelo manual do DOE após a região de estricção. O alongamento e a redução de área relatados são fortemente afetados pelo comprimento de referência, pela geometria do corpo de prova, pelo local da fratura e pela forma como as partes rompidas são reposicionadas. O experimento da Syracuse University com aço-carbono 1018, por exemplo, utilizou corpos de prova planos de tração conforme a ASTM para determinar a tensão de escoamento, a tensão última e a tensão de ruptura; esses valores descrevem aquela configuração de ensaio definida, e não uma propriedade abstrata atribuível apenas ao grau do aço.

A taxa de deformação e o método de medição também alteram a curva. A NIST relatou ensaios de aço ASTM A1008 com taxas médias de deformação de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ e ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$, utilizando correlação digital de imagens para a medição do deslocamento e da deformação. A NIST também publicou curvas em altas taxas de deformação para aço de coluna perimetral com resistência ao escoamento especificada de 50 ksi. As curvas obtidas nessas condições não devem ser comparadas diretamente com um ensaio lento à temperatura ambiente baseado em extensômetro sem antes verificar a norma e as definições.

Resistência ao Escoamento, Tensão de Prova e o Significado de “Escoamento”

“Escoamento” não denomina uma característica universal presente em toda curva tensão–deformação de um aço. O termo descreve a transição entre uma deformação predominantemente recuperável e uma deformação que permanece após o descarregamento, mas o valor relatado depende de como essa transição se manifesta e de qual regra é exigida pela norma de ensaio. A ASTM E8/E8M-21 abrange ensaios de tração de metais à temperatura ambiente e a determinação da resistência ao escoamento, do alongamento no ponto de escoamento, da resistência à tração, do alongamento e da redução de área. A ISO 6892-1:2019 especifica um método comparável de ensaio de tração à temperatura ambiente, mas as definições e os requisitos de relato ainda devem ser consultados na norma aplicável, em vez de serem inferidos a partir de um gráfico conhecido.

As grandezas usuais de engenharia já impõem uma convenção. A tensão de engenharia é $F/A_0$, em que $F$ é a carga e $A_0$ é a área da seção transversal inicial do corpo de prova; a deformação de engenharia é $(l-l_0)/l_0$, baseada no comprimento inicial de referência $l_0$. A Michigan Technological University e a Georgia Tech descrevem essas definições. Portanto, uma resistência ao escoamento relatada está associada a um corpo de prova, à geometria, à definição do comprimento de referência, à taxa de carregamento, ao sistema de medição e à interpretação especificada — não a uma curva abstrata desvinculada do ensaio.

Comportamento no ponto de escoamento versus resistência ao escoamento definida

Alguns aços de baixo carbono apresentam um fenômeno visível de ponto de escoamento. A curva atinge um ponto de escoamento superior, cai e, em seguida, prossegue por uma região relativamente plana de deformação plástica. Durante esse alongamento, as bandas de Lüders podem se deslocar ao longo do comprimento de referência. Nesse tipo de resposta, o material parece “escoar” por meio de um evento reconhecível; assim, a resistência ao escoamento superior ou inferior, o alongamento no ponto de escoamento e grandezas relacionadas podem ser relatados de acordo com o método aplicável.

Outros aços não apresentam uma queda brusca da carga. Aços inoxidáveis, muitas classes de maior resistência e aços ensaiados sob condições diferentes podem passar gradualmente da deformação elástica para a plástica. Não há um ponto único defensável a ser selecionado simplesmente procurando uma mudança de inclinação. O limite de proporcionalidade, que marca o fim da proporcionalidade estrita entre tensão e deformação, também não é automaticamente a resistência ao escoamento. O U.S. Department of Energy’s Fundamentals Handbook posiciona o limite de proporcionalidade, a resistência ao escoamento, a resistência última e o ponto de fratura em uma curva típica de engenharia de um aço estrutural, mas essas denominações representam propriedades distintas.

A distinção é importante porque uma curva pode parecer suave e ainda assim produzir um valor de escoamento formalmente definido. A ASTM E8/E8M-21 permite o relato com base no comportamento no ponto de escoamento quando esse comportamento está presente e utiliza procedimentos especificados quando ele está ausente. A ISO 6892-1:2019 também define propriedades mecânicas que podem ser obtidas pelo ensaio, mas seu método e o parâmetro selecionado controlam o resultado. Um gráfico, por si só, não pode estabelecer qual definição foi utilizada.

Tensão de prova e construções por deslocamento

A tensão de prova fornece um substituto reprodutível quando não existe um ponto de escoamento claro. O ensaio registra a curva de carregamento e, em seguida, identifica a tensão que produz uma deformação permanente especificada após o descarregamento. Uma construção comum é o método do deslocamento de 0,2%: traça-se, a partir de uma deformação de 0,002, uma linha paralela à inclinação elástica inicial; sua interseção com a curva fornece a tensão de prova de 0,2%, frequentemente representada por $R_{p0.2}$ na notação no estilo ISO. O símbolo exato, o deslocamento, a determinação da inclinação e o procedimento de aceitação dependem da norma e da especificação do material.

Trata-se de uma construção, não de um evento físico súbito que ocorre exatamente a 0,2% de deformação. Uma tensão de prova de 0,2% e um ponto de escoamento inferior respondem a perguntas diferentes. A primeira pergunta qual tensão corresponde a um critério definido de deformação residual; o segundo identifica uma característica da resposta de carga observada do material. Chamar ambos simplesmente de “resistência ao escoamento” pode ocultar essa diferença.

O relatório do National Bureau of Standards sobre tensões de prova em aços inoxidáveis e metais não ferrosos mostra por que os resultados de tensão de prova exigem uma interpretação cuidadosa. Uma deformação plástica anterior pode alterar a curva de carregamento subsequente, e um corpo de prova deixado em repouso antes do recarregamento pode apresentar uma tensão de prova diferente daquela observada em um corpo de prova ensaiado continuamente. A tensão interna também afeta o início aparente da deformação permanente: tensões residuais de tração e de compressão podem fazer com que uma direção comece a escoar antes da outra. Consequentemente, a tensão de prova relatada é sensível ao histórico do corpo de prova, e não apenas à composição da liga.

As escolhas de medição acrescentam outra camada. As investigações da NIST segundo a ASTM A1008 utilizaram taxas médias de deformação de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ e ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$, com correlação digital de imagens para medir deslocamento e deformação. Esses são ensaios materialmente diferentes, mesmo quando a classe nominal permanece inalterada. Uma leitura do deslocamento do travessão pode incluir a complacência da máquina e das garras, enquanto um extensômetro montado no comprimento de referência ou um sistema de correlação digital de imagens mede uma grandeza diferente.

Encruamento, intervalos de repouso e tensão interna

Após o escoamento plástico inicial, o aço geralmente sofre encruamento: uma deformação plástica adicional exige uma tensão crescente, porque as interações entre discordâncias aumentam a resistência à deformação. Portanto, a curva sobe após um patamar de escoamento ou após a interseção correspondente à tensão de prova. Essa elevação não constitui outro ponto de escoamento. Ela representa a tensão de fluxo variável de um material cuja microestrutura e estado de tensões internas já foram alterados.

Ao descarregar um corpo de prova encruado, parte de sua deformação se recupera, enquanto a deformação plástica permanece. O recarregamento pode seguir uma trajetória elástica deslocada e produzir uma tensão de prova aparente mais elevada. Um intervalo de repouso pode permitir processos de recuperação ou alterações associadas ao envelhecimento por deformação; portanto, a resposta subsequente não precisa coincidir com a do recarregamento imediato. O relatório do National Bureau of Standards sobre tensões de prova trata esses efeitos como variáveis experimentais centrais, e não como perturbações menores.

Por isso, a afirmação de que “o aço A tem uma resistência ao escoamento maior que a do aço B” só é significativa quando os dois valores compartilham a mesma norma de ensaio, temperatura, taxa de deformação, geometria do corpo de prova, definição do comprimento de referência e critério de escoamento. O relatório da NIST sobre aços estruturais, por exemplo, apresenta curvas em altas taxas de deformação para um aço de coluna perimetral especificado com resistência ao escoamento de 50 ksi; essa designação não torna o valor intercambiável com uma tensão de prova de 0,2% obtida em um ensaio lento. O escoamento é uma definição relatada aplicada a uma resposta medida. Sem essas duas partes, o número é incompleto.

Curvas de Engenharia versus Curvas Verdadeiras de Tensão–Deformação

Um gráfico de ensaio de tração não mostra uma única propriedade material autoevidente. Sua forma depende, em parte, de como a força, o alongamento e as dimensões do corpo de prova são convertidos em tensão e deformação. A ASTM E8/E8M-21 abrange ensaios de tração à temperatura ambiente de materiais metálicos e a determinação do limite de escoamento, do alongamento no ponto de escoamento, da resistência à tração, do alongamento e da redução de área. A ISO 6892-1:2019 especifica um método comparável de ensaio de tração à temperatura ambiente para materiais metálicos e define as propriedades mecânicas obtidas por meio dele. Nenhuma das duas normas elimina a necessidade de declarar qual convenção de tensão–deformação foi utilizada.

A tensão de engenharia é calculada dividindo-se a força aplicada pela área original da seção transversal do corpo de prova:

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}$$

A deformação de engenharia utiliza o comprimento original de referência:

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0}$$

Essas definições são apresentadas em materiais didáticos da Michigan Technological University e da Georgia Tech, onde a Georgia Tech expressa a tensão de engenharia como $F/A_0$ e a deformação de engenharia como $(l-l_0)/l_0$. O corpo de prova pode se tornar consideravelmente mais fino e mais longo durante o ensaio, mas o cálculo de engenharia continua utilizando $A_0$ e $L_0$. Essa escolha facilita a comparação dos resultados, desde que a geometria do corpo de prova, o comprimento de referência, a norma e o procedimento de ensaio também sejam informados.

Por que a tensão de engenharia pode diminuir após o início da estricção

Antes da estricção, a deformação é aproximadamente uniforme ao longo do comprimento de referência. Toda a seção reduzida suporta a carga, e o encruamento plástico pode aumentar a força necessária para um alongamento adicional. Em uma curva de engenharia, isso produz uma tensão crescente após o escoamento, até que a carga atinja seu valor máximo. Dividir essa carga máxima por $A_0$ fornece a resistência à tração máxima de engenharia, frequentemente chamada de resistência à tração ou resistência máxima.

A estricção altera o padrão de deformação. Uma região local começa a se contrair mais rapidamente que o restante do comprimento de referência, criando uma área de seção transversal menor na estricção. A partir desse ponto, o corpo de prova deixa de se deformar uniformemente. O encruamento ainda aumenta a tensão de escoamento local, mas a redução da área pode diminuir a carga total mais rapidamente do que o encruamento aumenta a tensão necessária para deformar o material. Como a máquina de ensaio registra a carga, e a tensão de engenharia é simplesmente a carga dividida pelo $A_0$ inalterado, a tensão de engenharia representada no gráfico diminui.

Essa redução não significa que a deformação tenha cessado ou que o material tenha subitamente perdido toda a resistência ao escoamento plástico local. Significa que a carga global suportada pelo corpo de prova diminuiu. O material local no interior da estricção ainda pode estar submetido a tensões e deformações crescentes. O U.S. Department of Energy Fundamentals Handbook identifica o limite de proporcionalidade, o limite de escoamento, a resistência máxima e o ponto de fratura em uma curva típica de tensão–deformação de engenharia para aço estrutural; portanto, o ramo descendente entre a resistência máxima e a fratura é uma característica da representação escolhida, não um mapa direto do comportamento uniforme do material em todos os pontos do corpo de prova.

Essa distinção é importante ao comparar diferentes qualidades de material ou ensaios. Um aço com maior resistência à tração máxima de engenharia não está necessariamente suportando uma tensão local maior em todas as etapas da deformação após a estricção. O resultado também depende da área original, da forma do corpo de prova, do comprimento de referência, da taxa de carregamento, do alinhamento e do local em que a deformação é medida.

Área instantânea e tensão verdadeira

A tensão verdadeira utiliza a área que suporta a carga naquele instante:

$${\sigma }_{\mathrm{true}}=\frac{F}{A_i}$$

onde $A_i$ é a área instantânea da seção transversal. A deformação verdadeira é comumente definida pela integração do alongamento incremental ao longo do comprimento atual:

$${\epsilon }_{\mathrm{true}}=\ln \left(\frac{L}{L_0}\right)$$

Para uma deformação uniforme, as grandezas de engenharia e as verdadeiras podem ser relacionadas por:

$${\sigma }_{\mathrm{true}}={\sigma }_{\mathrm{eng}}(1+{\epsilon }_{\mathrm{eng}})$$

e

$${\epsilon }_{\mathrm{true}}=\ln (1+{\epsilon }_{\mathrm{eng}})$$

Essas conversões são úteis somente enquanto a deformação for suficientemente uniforme e as hipóteses necessárias forem válidas. Elas não constituem uma correção geral para todos os pontos após a estricção.[4][4] Civil Engineering Materials Laboratory: Laboratory 2. Massachusetts Institute of Technology. MIT OpenCourseWare laboratory material, 2004.

A referência de 2004 do MIT, Civil Engineering Materials Laboratory, distingue explicitamente a resistência à tração obtida de uma curva de tensão–deformação de engenharia da resistência à tração verdadeira, que considera a redução da seção transversal. A diferença pode ser grande próximo à fratura, pois a área local da estricção pode ser muito menor que $A_0$. Se uma força de 20 kN atuar sobre uma área original de $100{\text{mm}}^2$, a tensão de engenharia será de 200 MPa. Se a área real da estricção naquele instante for de $50{\text{mm}}^2$, a tensão verdadeira local nominal baseada nessa área será de 400 MPa. Os dois números descrevem a mesma força, mas diferentes definições de área.

Medir $A_i$ não é simples. Um extensômetro pode medir o alongamento médio ao longo de um comprimento de referência, enquanto a correlação digital de imagens pode resolver campos locais de deslocamento e deformação. Em seu trabalho com aço ASTM A1008, o NIST relatou ensaios com taxas médias de deformação de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ e ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$, utilizando correlação digital de imagens para medir deslocamento e deformação. Assim, a curva aparente reflete tanto a resposta do material quanto o método de medição e a taxa de deformação selecionados.

Deformação uniforme, estricção e interpretação após a estricção

Uma conversão convencional de dados de tensão–deformação de engenharia para dados verdadeiros é mais defensável durante a deformação uniforme e até o início da estricção. A carga máxima de engenharia marca o início usual da estricção difusa sob carregamento de tração, embora o comportamento local e a estrutura do material possam tornar essa interpretação mais complexa. Antes desse ponto, uma única medição de área e uma única medição do comprimento de referência podem representar razoavelmente grande parte do corpo de prova ativo.

Após o início da estricção, o campo de deformação se torna fortemente localizado. A seção transversal varia ao longo da estricção, a superfície desenvolve curvatura e o estado de tensão deixa de ser puramente uniaxial. O material próximo à estricção pode experimentar tensões transversais além da tensão axial. Consequentemente, multiplicar a tensão de engenharia por $1+{\epsilon }_{\mathrm{eng}}$ após a carga máxima não recupera uma curva local confiável de tensão verdadeira.

A conversão após a estricção exige dados apropriados de geometria e deformação local: por exemplo, o diâmetro ou a área mínima da estricção em variação, medições locais de deformação e, quando necessário, uma correção para a curvatura da estricção e o consequente estado triaxial de tensão. Uma medição da área de fratura pode contribuir para os cálculos de redução de área, mas não reconstrói todo o histórico após a estricção. Portanto, o uso indiscriminado de equações para deformação uniforme pode atribuir valores fisicamente enganosos ao ramo descendente.

Os relatórios devem declarar se as curvas são de engenharia ou verdadeiras, como a área e a deformação foram medidas e em que ponto a estricção invalida as hipóteses de uniformidade. Essa precisão é especialmente importante ao comparar resultados comuns à temperatura ambiente com dados obtidos em altas taxas; um relatório do NIST sobre aço estrutural, por exemplo, apresenta curvas em altas taxas de deformação para aço destinado a colunas perimetrais, com limite de escoamento especificado de 50 ksi. O rótulo da curva é apenas o começo. Suas definições e condições de ensaio determinam o significado dos números representados.

Como a Taxa de Deformação Altera a Resposta Reportada do Aço

A taxa de deformação é a velocidade com que um corpo de prova de tração é deformado, normalmente expressa em segundos recíprocos (s⁻¹). Ela deve ser apresentada juntamente com o grau do aço, a geometria do corpo de prova, a temperatura e a convenção tensão–deformação em qualquer descrição de ensaio. Uma curva medida a ${10}^{-5}{\text{s}}^{-1}$ não é automaticamente intercambiável com uma medida a ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$, mesmo quando ambos os corpos de prova provêm da mesma corrida de aço.

A razão é tanto física quanto procedimental. A deformação plástica requer o movimento de discordâncias, e esse movimento interage com o tempo disponível para superar obstáculos, desenvolver concentrações locais de tensão e espalhar a deformação ao longo do comprimento útil. Portanto, a curva reportada pode mudar em sua região de escoamento, em sua inclinação após o escoamento, em sua resistência última à tração e em sua ductilidade aparente. A magnitude de cada mudança deve ser estabelecida para o material e as condições de ensaio; ela não deve ser tratada como uma porcentagem universal para todos os aços.

A série de taxas de deformação do aço ASTM A1008 do NIST

A NIST ensaiou aço ASTM A1008 a taxas médias de deformação de 10^-5, 10^-3 e 10^-1 s^-1. Strong evidence

Um estudo do National Institute of Standards and Technology torna a comparação concreta utilizando aço ASTM A1008. Os ensaios foram realizados com taxas de deformação médias de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ e ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$. Essas taxas abrangem quatro ordens de grandeza, embora os rótulos dos ensaios contenham três condições discretas, e não uma lei material contínua. Os dados resultantes mostram por que uma legenda de curva que omite a taxa de deformação é incompleta.

A condição mais lenta representa uma deformação acumulada ao longo de um período comparativamente longo, enquanto ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$ impõe a deformação muito mais rapidamente. A mudança não é simplesmente um deslocamento horizontal no gráfico. O início do escoamento e a resposta subsequente ao fluxo plástico podem se deslocar, e o formato da curva pode mudar à medida que a deformação plástica se torna mais localizada. Consequentemente, um limite de escoamento reportado para uma taxa pode diferir de um valor obtido em outra taxa, mesmo que seja utilizado o mesmo cálculo de tensão de engenharia.

O NIST também utilizou correlação digital de imagens (DIC) para medir deslocamento e deformação. Esse detalhe é importante. Um sinal de deslocamento do travessão inclui a complacência da máquina e pode incluir deformação fora da seção útil pretendida; a DIC pode medir o deslocamento local da superfície e revelar a concentração de deformação. Assim, dois laboratórios podem reportar curvas de deformação com aparências diferentes porque mediram grandezas físicas diferentes, e não porque o aço tenha se comportado de maneira diferente.

As definições usuais de engenharia continuam sendo importantes. A tensão de engenharia é a carga dividida pela área inicial da seção transversal do corpo de prova, $F/A_0$, e a deformação de engenharia é a variação do comprimento útil dividida pelo comprimento útil inicial, $(l-l_0)/l_0$, conforme descrito pela Georgia Tech e pela Michigan Technological University. Essas definições não eliminam a dependência da taxa. Elas apenas estabelecem como a carga e o deslocamento medidos são convertidos nas coordenadas representadas no gráfico.

Sensibilidade à taxa no escoamento e no comportamento de fluxo plástico

O escoamento é especialmente sensível à forma como um ensaio é realizado e interpretado. A ASTM E8/E8M-21 abrange ensaios de tração à temperatura ambiente e a determinação do limite de escoamento, do alongamento no ponto de escoamento, da resistência à tração, do alongamento e da redução de área. Um valor de escoamento pode ser obtido a partir de um ponto de escoamento distinto, de um patamar de escoamento ou de um método de deslocamento, dependendo da resposta do material e do procedimento de reporte. Se a taxa de deformação alterar a transição da deformação elástica para a plástica, a métrica de escoamento selecionada poderá mudar antes mesmo de se considerar a curva de fluxo posterior.

Após o escoamento, a taxa de deformação pode afetar a tensão necessária para sustentar o fluxo plástico. Em um ensaio mais rápido, o corpo de prova pode exigir uma tensão maior para uma dada deformação plástica do que em um ensaio mais lento. Essa afirmação descreve o tipo de resposta examinado na série do aço ASTM A1008 do NIST, e não uma regra fixa para todo grau de aço, temperatura ou intervalo de taxas. O efeito também pode variar ao longo da curva: uma mudança moderada próxima ao escoamento não prevê a mudança no fluxo uniforme, na estricção ou na deformação de fratura.

O local da medição acrescenta outra fonte de sensibilidade aparente à taxa. Se a deformação for calculada como uma média ao longo de um comprimento útil longo, uma estricção local poderá ser atenuada na deformação reportada. Se a DIC acompanhar uma região menor, a localização aparecerá mais cedo e de forma mais intensa. A tensão de engenharia também utiliza a área original e, portanto, não mostra a perda instantânea de área durante a estricção. O MIT distingue essa resistência à tração de engenharia da resistência à tração verdadeira, que considera a redução da seção transversal. Portanto, a taxa, a definição de deformação e a convenção de área devem ser analisadas em conjunto.

Ensaios quase estáticos versus dados de alta taxa de deformação

A maioria dos ensaios de tração comuns à temperatura ambiente é quase estática. A ASTM E8/E8M-21 e a ISO 6892-1:2019 definem métodos à temperatura ambiente para materiais metálicos, mas um método padronizado não torna todo resultado independente da taxa. A velocidade do ensaio, o método de controle da taxa de deformação, o comprimento útil, o sistema de extensometria ou DIC e a definição da propriedade selecionada ainda afetam a resposta reportada.

O ensaio estrutural em alta taxa de deformação constitui uma comparação diferente. Um relatório do NIST sobre aço estrutural apresenta curvas de tensão–deformação em tração em alta taxa de deformação para o aço de uma coluna perimetral, com limite de escoamento especificado de 50 ksi. Essas curvas correspondem a condições de carregamento muito diferentes das de um ensaio de tração laboratorial de rotina. Seu objetivo é descrever a resposta do aço sob deformação rápida relevante para a análise de eventos estruturais, e não substituir uma curva de qualificação à temperatura ambiente.

Uma curva quase estática não deve ser sobreposta a esse conjunto de dados de alta taxa e interpretada como uma simples classificação de resistência. Os corpos de prova, as taxas de carregamento, a instrumentação e possivelmente os procedimentos de processamento das curvas podem ser diferentes. Mesmo quando ambos os gráficos utilizam tensão de engenharia e deformação de engenharia, a correspondência entre esses eixos não torna os experimentos equivalentes.

A regra prática é rigorosa: compare curvas somente quando as taxas de deformação forem correspondentes, ou informe claramente as taxas e discuta a diferença como parte do resultado. Um valor de tração sem sua taxa é uma medição parcial.

Medição da deformação: deslocamento do travessão, extensometria e correlação digital de imagens

Uma máquina de ensaio de tração não mede a deformação diretamente, a menos que seja instalado um dispositivo de medição de deformação ou utilizado um método óptico. Sua medição primária é a força, enquanto o travessão registra a distância percorrida pelo componente móvel da máquina. Essa distância pode ser convertida em uma deformação aparente, mas não corresponde automaticamente ao alongamento do trecho útil de aço.

Deformação no comprimento de referência e deslocamento da máquina

A deformação de engenharia é definida a partir de um comprimento de referência especificado:

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0}$$

em que $L_0$ é o comprimento de referência inicial e $L$ é a distância atual entre as marcas de referência. A tensão de engenharia utiliza a área inicial da seção transversal:

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}$$

Essas definições são apresentadas em materiais didáticos da Michigan Technological University e da Georgia Tech, nos quais a tensão de engenharia é expressa como $F/A_0$ e a deformação de engenharia como $(L-L_0)/L_0$. O comprimento de referência especificado é importante. Um comprimento de referência maior calcula a média da deformação em uma quantidade maior de material e geralmente produz um alongamento relatado diferente daquele obtido com um comprimento menor, especialmente após o início da formação da estricção.

O deslocamento do travessão inclui mais do que o alongamento do corpo de prova. Parte do movimento provém da deformação elástica da estrutura de carga, das garras, dos dispositivos roscados, da célula de carga e de outros componentes da máquina. Essa conformidade do sistema pode fazer com que a deformação calculada seja superestimada se a leitura do travessão for diretamente dividida pelo comprimento de referência do corpo de prova. O assentamento e o escorregamento nas garras acrescentam outra fonte de alongamento aparente. Mesmo um pequeno movimento nas mandíbulas pode afetar significativamente um corpo de prova curto ou a parte inicial, de baixa deformação, de uma curva.

O alinhamento também altera o resultado. A flexão causada por um carregamento excêntrico pode fazer com que um lado do corpo de prova se alongue mais do que o outro, enquanto o atrito ou a fixação desigual podem redistribuir a tensão perto dos ressaltos. Portanto, uma máquina pode produzir um registro força–deslocamento uniforme mesmo quando o trecho útil não está se deformando de maneira uniforme. Os extensômetros reduzem esses problemas ao medir a separação entre dois pontos no próprio corpo de prova. Ainda assim, o comprimento de referência, o método de fixação, a classe de exatidão e o momento de remoção do extensômetro devem ser controlados.

A ASTM E8/E8M-21 abrange ensaios de tração à temperatura ambiente de materiais metálicos e trata da resistência ao escoamento, do alongamento no ponto de escoamento, da resistência à tração, do alongamento e da redução de área. A ISO 6892-1:2019 especifica um método de ensaio de tração à temperatura ambiente para materiais metálicos e define as propriedades que podem ser obtidas por meio dele. Nenhuma das duas normas transforma o deslocamento do travessão em um valor universal de deformação: a propriedade relatada continua vinculada à geometria do corpo de prova, à definição do comprimento de referência, à configuração do ensaio e ao procedimento de medição.

A distinção se torna crítica após a resistência à tração máxima. A tensão de engenharia continua utilizando $A_0$, embora a seção do corpo de prova tenha se contraído. As notas do laboratório de materiais do MIT, de 2004, distinguem essa resistência à tração de engenharia da resistência à tração verdadeira, que considera a variação da área da seção transversal. O deslocamento do travessão também passa a ser uma descrição inadequada da deformação local quando se forma uma estricção, pois o alongamento se concentra em uma pequena região em vez de se distribuir uniformemente ao longo do comprimento de referência.

Correlação digital de imagens no estudo do NIST

Em sua investigação sobre o aço ASTM A1008, o National Institute of Standards and Technology utilizou a correlação digital de imagens (DIC) para medir deslocamento e deformação. A DIC acompanha o movimento de um padrão superficial registrado em imagens sucessivas. O software compara pequenas regiões das imagens, frequentemente chamadas de subconjuntos, e calcula seu deslocamento entre os quadros; as derivadas espaciais desses deslocamentos fornecem campos de deformação.

Esse método difere de uma leitura feita por um único extensômetro. Um extensômetro fornece a variação da distância entre pontos definidos, enquanto a DIC pode calcular o deslocamento em muitos pontos ao longo da superfície visível do corpo de prova. O trabalho do NIST examinou taxas médias de deformação de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ e ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$. Como tanto a taxa de deformação quanto a técnica de medição afetam a resposta registrada, as curvas resultantes não devem ser tratadas como uma classificação dos materiais independente das condições de ensaio.

A DIC não substitui a medição de força da máquina de ensaio de tração. A força continua sendo obtida pela célula de carga, e o cálculo da tensão ainda exige uma definição de área. Em vez disso, a DIC fornece uma medição espacialmente resolvida da deformação, que pode ser associada à força para identificar onde o corpo de prova está se alongando, escoando ou concentrando a deformação. Trata-se de um método utilizado em investigações específicas, incluindo o estudo do NIST sobre ASTM A1008, e não de uma exigência para que todo ensaio de tração ASTM utilize aquisição óptica de imagens.

Campos de deformação local próximos à estricção e à fratura

Antes do escoamento, a deformação pode ser quase uniforme ao longo de um trecho útil bem alinhado. A deformação plástica pode permanecer amplamente distribuída por algum tempo, especialmente em um corpo de prova com geometria estável e condição superficial adequada. Mais tarde, a deformação se torna não uniforme. Forma-se uma estricção, a área local da seção transversal diminui e a deformação local aumenta mais rapidamente do que a deformação média ao longo do comprimento de referência.

Um extensômetro convencional fornece uma média ao longo de seu comprimento de referência. Essa média pode ocultar uma faixa estreita na qual ocorre a maior parte do alongamento plástico. A DIC revela diretamente essa mudança: os mapas de deformação axial mostram o início da localização, seu deslocamento ou crescimento e a forte concentração ao redor da estricção. Próximo à fratura, o campo pode variar acentuadamente em distâncias muito menores do que o comprimento de referência original. Portanto, o alongamento final medido após o encaixe das duas metades fraturadas não é intercambiável com a deformação local na superfície de fratura.

Essa distinção também explica por que uma curva pode cair após sua resistência à tração máxima de engenharia enquanto o material próximo à estricção continua sofrendo encruamento. A carga diminui porque a redução de área supera o aumento da tensão de escoamento local. Uma interpretação em termos de tensão verdadeira requer considerar a área variável, enquanto uma medição óptica de campo completo ajuda a mostrar onde ocorrem essa redução de área e a concentração de deformação. A curva típica de aço estrutural do U.S. Department of Energy identifica o limite de proporcionalidade, a resistência ao escoamento, a resistência máxima e o ponto de fratura, mas esses marcos só adquirem significado quando as medições subjacentes de deslocamento e área são definidas.

Geometria dos Corpos de Prova, Normas e Fontes de Dispersão dos Resultados

Uma curva de tração é, em parte, um registro do corpo de prova e da configuração do ensaio, e não apenas do grau do aço. Dois laboratórios podem ensaiar aço carbono 1018 nominalmente idêntico e relatar tensões de escoamento, máximas ou de ruptura diferentes se utilizarem medições distintas da seção transversal, comprimentos de referência, taxas de deformação ou métodos de detecção da deformação. O experimento com aço carbono 1018 da Syracuse University demonstra esse ponto ao utilizar corpos de prova planos de tração conforme a ASTM para determinar a tensão de escoamento, a tensão máxima e a tensão de ruptura. Esses valores só são significativos quando acompanhados das dimensões do corpo de prova e das convenções de cálculo adotadas.

A ASTM E8/E8M-21 abrange o ensaio de tração à temperatura ambiente de materiais metálicos e a determinação da resistência ao escoamento, do alongamento no ponto de escoamento, da resistência à tração, do alongamento e da redução de área. A ISO 6892-1:2019 especifica um método de ensaio de tração à temperatura ambiente e define as propriedades mecânicas que podem ser obtidas por meio dele. As normas são relacionadas, mas um resultado identificado apenas como “resistência à tração ASTM” ou “alongamento ISO” é incompleto, a menos que também sejam informados o tipo e as dimensões do corpo de prova, a taxa de ensaio e o método de apresentação dos resultados.

Corpos de prova planos conforme a ASTM e dimensões do comprimento de referência

Um corpo de prova plano conforme a ASTM tem um corpo mais largo, uma seção reduzida de referência e extremidades ampliadas para a fixação. A seção reduzida deve conter a fratura, enquanto os raios de transição limitam a concentração de tensão entre o comprimento de referência e os ombros. As configurações padrão e subdimensionadas têm larguras, espessuras, comprimentos de referência e dimensões das extremidades diferentes. Uma geometria plana conforme a ASTM frequentemente encontrada utiliza um comprimento de referência de 50 mm e uma largura de referência de 12,5 mm, mas essa dimensão não deve ser presumida para todos os corpos de prova. A geometria plana conforme a ASTM declarada no experimento da Syracuse deve ser mantida junto com os resultados, em vez de ser substituída por uma descrição genérica como “corpo de prova em forma de gravata borboleta”.

O comprimento de referência não é igual ao comprimento total da tira metálica. Trata-se do comprimento inicial marcado ou definido pelo extensômetro sobre o qual a deformação de engenharia é calculada. A deformação de engenharia é

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0},$$

onde $L_0$ é o comprimento inicial de referência. Em geral, um comprimento de referência maior distribui a deformação medida por uma quantidade maior de material e pode produzir um percentual de alongamento relatado menor quando a mesma região estrangulada domina a deformação final. Consequentemente, “18% de alongamento” não tem significado claro sem a indicação do comprimento de referência utilizado.

A espessura e a largura do corpo de prova também afetam o resultado. Um pequeno erro em qualquer uma dessas dimensões altera a área inicial calculada e, portanto, modifica todos os valores de tensão de engenharia. Marcas de usinagem, rebarbas, entalhes nas bordas, superaquecimento, trabalho a frio residual e corrosão podem iniciar a fratura prematuramente. Um corpo de prova cortado transversalmente à direção de laminação pode não corresponder a outro cortado longitudinalmente, pois a laminação modifica a textura e a distribuição de inclusões e defeitos.

Medição da área, alinhamento e fixação

A tensão de engenharia utiliza a área original da seção transversal:

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}.$$

Essa é a convenção descrita pela Michigan Technological University e pela Georgia Tech, nas quais $A_0$ é medida antes do carregamento. A área inicial deve ser determinada na seção de referência, utilizando instrumentos calibrados e valores registrados de espessura e largura, em vez das dimensões nominais do desenho. Se o corpo de prova for cônico, empenado ou localmente subdimensionado, uma medição realizada em apenas uma posição pode ocultar a seção determinante. Múltiplas medições ao longo do comprimento de referência permitem fazer uma verificação.

O alinhamento é igualmente importante. A linha de centro do corpo de prova deve coincidir com o eixo de carregamento. Um desalinhamento angular ou uma fixação desigual introduz flexão, fazendo com que uma borda suporte mais tensão que a outra. A curva resultante pode apresentar escoamento ou fratura prematuros, embora a carga média indicada pela máquina pareça razoável. As garras devem prender as extremidades ampliadas sem escorregar, esmagar ou marcar a seção reduzida. Garras serrilhadas podem danificar um corpo de prova plano fino; uma fixação insuficiente pode produzir um deslocamento que o extensômetro interpreta como deformação.

O registro do ensaio deve identificar o extensômetro ou o método de medição do deslocamento, seu comprimento de referência e o ponto de remoção, quando aplicável. Os ensaios do NIST com aço ASTM A1008 utilizaram correlação digital de imagens e examinaram taxas médias de deformação de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ e ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$. A alteração da taxa e a alteração do método de medição fazem parte do experimento relatado, e não são meros detalhes de contexto do laboratório. Um aço estrutural com limite de escoamento especificado de 50 ksi ensaiado a uma alta taxa de deformação, conforme documentado em um relatório do NIST sobre aço estrutural, não pode ser comparado diretamente com uma curva obtida em laboratório a baixa velocidade sem que essa diferença seja informada.

Alongamento e redução de área após a fratura

O alongamento é geralmente calculado após a fratura, ajustando-se as partes rompidas e medindo-se a distância final entre as marcas de referência:

$$A=\frac{L_f-L_0}{L_0}\times 100\%.$$

Esse é o alongamento total ao longo do comprimento de referência especificado. Ele inclui a extensão uniforme antes da estricção e a extensão localizada dentro da região estrangulada. A região local próxima à fratura pode se estender de forma acentuada, enquanto partes do comprimento de referência se estendem muito pouco. Portanto, um comprimento de referência curto captura uma parcela maior da deformação de estricção e pode indicar um percentual mais alto do que um comprimento de referência maior no mesmo corpo de prova fraturado.

A redução de área mede a contração da seção transversal na região estrangulada:

$$\mathrm{RA}=\frac{A_0-A_f}{A_0}\times 100\%,$$

onde $A_f$ é a área mínima na fratura. Ela não é outro nome para alongamento. Um corpo de prova dúctil de aço 1018 pode apresentar redução de área substancial mesmo quando seu alongamento medido ao longo do comprimento de referência difere daquele apresentado em outro relatório.

A tensão de ruptura do experimento da Syracuse também deve ser identificada por sua base de cálculo, geralmente a carga de fratura dividida pela área original, caso se trate de um valor de engenharia. A tensão de fratura verdadeira, por outro lado, utiliza a área reduzida na região estrangulada. O MIT distingue a resistência à tração obtida de uma curva de engenharia da resistência à tração verdadeira, que considera a redução da seção transversal. Portanto, todo registro de ensaio deve informar o comprimento de referência, $A_0$, a área final, quando utilizada, a localização da fratura, o método de medição da deformação e se a tensão e a deformação são grandezas de engenharia ou verdadeiras.

Como Relatar e Comparar Resultados de Ensaios de Tração de Aços

Uma curva de tração só é comparável na medida em que as informações associadas a ela também sejam. Um gráfico que mostre a tensão em função da deformação pode ocultar diferenças na geometria do corpo de prova, no comprimento de referência, na velocidade de ensaio, no posicionamento do extensômetro e na convenção de tensão utilizada. Essas diferenças podem alterar o ponto de escoamento aparente, a altura do pico de resistência à tração e o alongamento relatado, sem que tenha ocorrido qualquer mudança no próprio aço.

Informações mínimas que devem acompanhar uma curva

Toda curva deve identificar exatamente a designação do aço conforme fornecida ou especificada, como ASTM A1008, ASTM A36, SAE J403 1018 ou EN 1.4301. A forma do produto também é importante: chapa fina, chapa grossa, barra, fio, tubo ou um corpo de prova usinado a partir de um produto soldado não necessariamente apresentarão a mesma resposta. Registre a identificação da corrida ou do lote, quando disponível, juntamente com a espessura ou o diâmetro, a condição superficial e qualquer tratamento térmico.

Informe a orientação do corpo de prova em relação à direção de laminação, forjamento, extrusão ou soldagem. “Longitudinal” e “transversal” não são designações intercambiáveis. Inclua a geometria do corpo de prova: seção plana ou circular, largura, espessura ou diâmetro, dimensões da seção reduzida, detalhes dos ombros e dos raios, e o comprimento de referência inicial $L_0$. O valor do alongamento é incompleto sem o comprimento de referência. Um alongamento relatado de 25% em um comprimento de referência de 50 mm não pode ser comparado diretamente com 25% medidos em um comprimento diferente.

Informe a norma de ensaio aplicável e sua edição. A ASTM E8/E8M-21 abrange o ensaio de tração à temperatura ambiente de materiais metálicos e a determinação da resistência ao escoamento, do alongamento no ponto de escoamento, da resistência à tração, do alongamento e da redução de área. A ISO 6892-1:2019 especifica um método de ensaio de tração à temperatura ambiente para materiais metálicos e define as propriedades mecânicas que podem ser obtidas nesse ensaio. Essas normas tratam de medições semelhantes, mas seus requisitos para os corpos de prova, métodos de controle, regras de cálculo e convenções de relatório ainda devem ser verificados, em vez de serem considerados idênticos.

A temperatura deve aparecer ao lado da curva, e não em uma nota de rodapé separada. Informe a temperatura do ensaio e se ela foi controlada ou apenas medida. Forneça a taxa de deformação, a velocidade da travessa móvel, a taxa de aplicação de tensão ou o modo de controle, incluindo o ponto em que a máquina passou do controle de força para o controle de deformação. Os ensaios do NIST em aço ASTM A1008 examinaram taxas médias de deformação de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ e ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$, utilizando também correlação digital de imagens para deslocamento e deformação. A taxa e o método de medição foram variáveis experimentais.

Descreva como a deformação foi obtida: extensômetro, deslocamento da travessa móvel, correlação digital de imagens ou um valor calculado. O deslocamento da travessa inclui a deformação da máquina e das garras; ele não corresponde automaticamente à deformação no comprimento de referência. Informe o comprimento de referência do extensômetro, a resolução, o ponto de remoção e se a estricção localizada foi capturada.

Identifique os eixos como grandezas de engenharia ou verdadeiras. A tensão de engenharia é $F/A_0$, em que $F$ é a carga e $A_0$ é a área inicial; a deformação de engenharia é $(L-L_0)/L_0$, conforme descrito pela Michigan Technological University e pela Georgia Tech. A tensão verdadeira utiliza a área instantânea, e a deformação verdadeira acumula as variações incrementais de comprimento. O MIT distingue a resistência à tração obtida de uma curva de engenharia da resistência à tração verdadeira, que considera a redução da seção transversal.

O relatório deve definir a convenção de escoamento ou de tensão de prova: resistência ao escoamento superior ou inferior, tensão de prova correspondente a 0,2% de deformação, outro deslocamento, limite de proporcionalidade ou um valor obtido por um algoritmo especificado. Informe a resistência à tração, o alongamento uniforme, se medido, o alongamento total e seu comprimento de referência, a redução de área e as observações sobre a fratura. Registre a localização da estricção, as abas de cisalhamento, o aspecto taça-e-cone, a ocorrência de separação, delaminação e se a fratura ocorreu dentro do comprimento de referência.

Comparação de graus sem misturar definições

Não classifique os graus colocando em um único gráfico curvas obtidas por procedimentos diferentes e considerando o aço correspondente à linha mais alta como o mais resistente. Uma curva de uma barra circular e outra de uma chapa podem refletir diferentes orientações e condições de restrição. Um comprimento de referência curto pode produzir um alongamento total diferente daquele obtido com um comprimento longo. Uma taxa de deformação elevada pode aumentar a tensão de escoamento medida; os resultados do NIST para ASTM A1008, a ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ e ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$, demonstram por que a taxa deve acompanhar o resultado. As curvas em alta taxa do NIST para aço de coluna perimetral com resistência ao escoamento especificada de 50 ksi respondem a uma questão de engenharia diferente daquela de um ensaio quase estático à temperatura ambiente.

As convenções de área podem inverter conclusões aparentes após a estricção. A tensão de engenharia continua dividindo a carga por $A_0$, portanto normalmente diminui após a carga máxima. A tensão verdadeira utiliza a seção que está diminuindo e pode continuar aumentando durante parte da estricção. Chamar o pico da curva de engenharia de “resistência à tração verdadeira” confunde duas grandezas diferentes.

As normas também definem como são medidas a resistência ao escoamento, a tensão de prova, o alongamento e a redução de área. O U.S. Department of Energy identifica o limite de proporcionalidade, a resistência ao escoamento, a resistência última e o ponto de fratura em uma curva de engenharia típica, mas esses pontos designados não especificam um único procedimento universal de cálculo. Uma comparação entre graus só é defensável quando a forma do corpo de prova, a direção, a temperatura, a taxa, as definições e a norma estão alinhadas, ou quando as diferenças são explicitamente corrigidas e devidamente qualificadas.

Um fluxo de trabalho para uma interpretação disciplinada

Comece pelo arquivo bruto de força-deslocamento, e não pela imagem publicada. Verifique a taxa de amostragem, as cargas de zero, o assentamento das garras, a remoção do extensômetro, a conformidade da máquina e quaisquer dados excluídos ou suavizados. Confirme que as unidades de força e deslocamento não foram convertidas duas vezes.

Em seguida, verifique as entradas dimensionais. Meça novamente ou inspecione a largura, a espessura ou o diâmetro registrados, a área inicial, o comprimento de referência e a área mínima final. Pequenos erros de área afetam todos os valores de tensão de engenharia; erros no comprimento de referência afetam a deformação e o alongamento.

Depois, reproduza a curva a partir dos dados brutos utilizando as definições de engenharia ou verdadeiras declaradas. Marque o limite de proporcionalidade, a resistência ao escoamento ou a tensão de prova, a carga máxima, o alongamento uniforme, o ponto de fratura e a redução de área usando o método informado. Compare esses pontos com o relatório, e não apenas com a linha plotada.

Por fim, examine a incerteza e o local da falha. Inclua a dispersão entre ensaios repetidos, a incerteza dimensional, a exatidão do extensômetro, a variação de temperatura e a variação da taxa. Não aceite uma explicação metalúrgica antes de verificar os artefatos do ensaio, a orientação do corpo de prova e as observações sobre a estricção ou a fratura. Somente então as diferenças devem ser atribuídas à composição, ao processamento, à microestrutura ou ao encruamento.

Referências

1. [1]ASTM International. Standard Specification for Tension Testing of Metallic Materials. ASTM International standard, 2021. https://store.astm.org/e0008_e0008m-21.html
2. [2]International Organization for Standardization. Metallic materials — Tensile testing — Part 1: Method of test at room temperature. ISO standard, 2019. https://www.iso.org/standard/78322.html
3. [3]U.S. Department of Energy. Properties of Metals. DOE Fundamentals Handbook reference. https://engineeringlibrary.org/reference/properties-of-metals-doe-handbook
4. [4]Massachusetts Institute of Technology. Civil Engineering Materials Laboratory: Laboratory 2. MIT OpenCourseWare laboratory material, 2004. https://ocw.mit.edu/courses/1-103-civil-engineering-materials-laboratory-spring-2004/e9253657127a6630f10b61b392b1d2d9_lab_2.pdf