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

O que um ensaio de tração do aço mede efetivamente

Um ensaio de tração do aço é uma experiência controlada na qual um provete metálico é tracionado ao longo de um eixo definido até entrar em cedência, deformar-se, sofrer estricção e, normalmente, fraturar. A máquina regista a força e o deslocamento; a curva tensão–deformação apresentada é calculada a partir dessas medições e das dimensões obtidas antes e depois do ensaio. Não constitui uma ordenação direta dos tipos de aço independentemente da configuração do ensaio.

O provete, o eixo de carregamento e o ensaio à temperatura ambiente

Secção de referênciaSecção de referência Porção reduzida de um provete de tração entre as extremidades de aperto, onde se pretende que ocorram a deformação e a fratura.

O provete possui uma secção reduzida, designada por zona útil, entre extremidades mais largas que encaixam nas garras da máquina de ensaio. A sua área inicial da secção transversal, $A_0$, e o comprimento inicial de referência, $L_0$, devem ser medidos antes do carregamento. Os provetes podem ser redondos ou planos, e as suas dimensões, a forma das transições, a disposição das garras e o comprimento de referência são definidos pela norma aplicável. Um provete plano cortado paralelamente à direção de laminagem não produz necessariamente o mesmo alongamento que um provete cortado transversalmente a essa direção, porque a laminagem pode criar diferenças direcionais na microestrutura e na resposta mecânica.

O eixo de carregamento deve passar pela linha central prevista do provete. Um desalinhamento introduz flexão, pelo que um dos lados da zona útil pode ficar sujeito a uma tensão superior à do outro. A máquina mede então uma resposta que reflete tanto a tração como a flexão não intencional. O deslizamento nas garras, uma transição mal maquinada, danos superficiais ou uma marcação incorreta do comprimento de referência também podem alterar o resultado.

A ASTM E8/E8M-21 abrange os ensaios de tração de materiais metálicos à temperatura ambiente. Inclui procedimentos para determinar a tensão de cedência, o alongamento no ponto de cedência, a resistência à tração, o alongamento e a redução de área. A ISO 6892-1:2019 especifica igualmente um método de ensaio de tração à temperatura ambiente para materiais metálicos e define as propriedades mecânicas que podem ser obtidas nesse ensaio. “Temperatura ambiente” faz, portanto, parte da descrição do ensaio e não é uma suposição que possa ser omitida. Um resultado obtido com um provete aquecido ou num ensaio em forno a alta temperatura corresponde a uma condição de ensaio diferente.

Taxa média de deformação (s^-1)

O provete é carregado monotonamente, mas a velocidade é importante. A máquina de ensaio pode controlar a velocidade do travessão, a taxa de deformação ou outro parâmetro relacionado com a velocidade, consoante a norma e o procedimento. Os dados do NIST para o aço ASTM A1008 incluem taxas médias de deformação de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ e ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$. Estes valores estão separados por quatro ordens de grandeza. A taxas mais elevadas, a tensão de escoamento medida pode alterar-se, e as resistências aparentes à cedência e à tração podem variar.

Propriedades mecânicas apresentadas no ensaio

A tensão de engenharia é calculada dividindo a força pela área inicial da secção transversal do provete:

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

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

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

A Michigan Technological University e a Georgia Tech descrevem estas convenções utilizando a mesma base de área inicial e comprimento inicial de referência. Consequentemente, a tensão de engenharia não atualiza continuamente a área à medida que o provete se estreita.

Alongamento no ponto de cedênciaAlongamento no ponto de cedência Extensão plástica que ocorre ao longo de um intervalo de deformação mensurável durante o qual a tensão nominal permanece quase constante ou segue um padrão característico do ponto de cedência.

A parte inicial retilínea da curva indica um comportamento elástico proporcional. O DOE Fundamentals Handbook identifica o limite de proporcionalidade, a tensão de cedência, a resistência última e o ponto de fratura numa curva de engenharia típica para aço estrutural. A tensão de cedência pode ser identificada por um ponto de cedência distinto ou através de um método de desvio especificado, normalmente uma extensão convencional ou de prova de 0,2% quando não se observa um ponto de cedência nítido. Alguns aços apresentam alongamento no ponto de cedência: o provete alonga-se plasticamente ao longo de um intervalo de deformação mensurável, enquanto a tensão permanece praticamente constante ou varia de uma forma característica. A ASTM E8/E8M-21 inclui explicitamente o alongamento no ponto de cedência entre as grandezas determinadas pelo ensaio.

A resistência à tração, também designada por resistência última à tração em muitos relatórios, é a tensão máxima de engenharia. Ocorre antes ou aproximadamente no início da estricção localizada. Depois de iniciada a estricção, a área real na zona estrangulada continua a diminuir, enquanto a tensão de engenharia continua a utilizar $A_0$; por isso, a curva representada pode descer mesmo quando a tensão verdadeira local aumenta. O material laboratorial do MIT de 2004 distingue a resistência à tração obtida a partir de uma curva tensão–deformação de engenharia da resistência verdadeira à tração, que tem em conta a redução da secção transversal.

O alongamento é o aumento permanente do comprimento de referência especificado após a fratura, expresso em percentagem. O seu valor depende fortemente do comprimento de referência: um comprimento curto pode incluir uma maior proporção de estricção localizada e produzir frequentemente uma percentagem diferente da de um comprimento mais longo. A redução de área é calculada a partir da área inicial e da menor área final na região da fratura. Descreve a contração localizada e não é intercambiável com o alongamento.

Uma experiência da Syracuse University com aço-carbono 1018 utilizou provetes planos de tração conformes com a ASTM para determinar a tensão de cedência, a tensão máxima e a tensão de rutura. Esse exemplo demonstra por que razão até uma designação familiar como 1018 deve ser acompanhada de pormenores relativos ao provete e ao procedimento.

Por que razão um resultado não pode ser separado do seu método de ensaio

Um valor apresentado como “tensão de cedência do aço: 350 MPa” é incompleto. O leitor precisa de conhecer o tipo de aço e a condição do produto, a geometria do provete, a direção de carregamento, a área inicial, o comprimento de referência, a temperatura, a taxa de deformação ou o requisito relativo à velocidade da máquina, o extensómetro ou método de medição do deslocamento, a definição utilizada para a tensão de cedência e a norma aplicável.

A técnica de medição pode alterar a curva. O trabalho do NIST sobre ASTM A1008 utilizou correlação digital de imagem para determinar o deslocamento e a deformação às taxas de deformação indicadas, em vez de depender apenas do deslocamento do travessão. O deslocamento do travessão inclui a deformabilidade da máquina e das garras; não é automaticamente igual à deformação na zona útil. O National Bureau of Standards também comunicou que as tensões convencionais de prova em aços inoxidáveis e metais não ferrosos podem ser afetadas por deformação plástica prévia, intervalos de repouso, tensão interna e endurecimento por deformação.

A taxas ainda mais elevadas, a distinção torna-se mais evidente. Um relatório do NIST sobre aço estrutural apresenta curvas a altas taxas de deformação para aço destinado a colunas perimetrais, com uma tensão de cedência especificada de 50 ksi. Essas curvas não podem ser comparadas diretamente com uma curva laboratorial lenta à temperatura ambiente, como se apenas o tipo de aço fosse relevante. O resultado do ensaio é uma medição do aço juntamente com um provete, um método e uma condição definidos. Se essas definições forem removidas, o número perde o seu significado de engenharia.

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

Uma máquina de ensaio à tração regista a força e o deslocamento, mas uma curva tensão–deformação exige que essas medições sejam reduzidas utilizando as dimensões definidas do provete. As grandezas de engenharia representadas habitualmente referem-se ao provete antes da aplicação da carga, e não à sua forma em mudança contínua. Esta opção torna os resultados fáceis de calcular e comparar, desde que sejam indicados a geometria do provete, o comprimento de referência, a norma de ensaio e o método de medição.

Tensão de engenharia: F dividida pela área inicial

A tensão de engenharia é calculada dividindo a força de tração aplicada pela área original da secção transversal do provete:

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

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

$$A_0=w_0{t}_0$$

em que $w_0$ é a largura original do provete e $t_0$ é a sua espessura original. Para um provete circular,

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

em que $d_0$ é o diâmetro inicial.

A força é normalmente registada em newtons (N), enquanto a área pode ser registada em milímetros quadrados (mm²). A tensão resultante é então expressa em N/mm², sendo numericamente igual a megapascais (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 deve ser convertida para newtons antes do cálculo em MPa. A tensão também pode ser apresentada em pascais ou libras por polegada quadrada (psi), mas a conversão de unidades deve ser aplicada de forma consistente.

A utilização de $A_0$ é deliberada. À medida que um provete de aço é tracionado, a sua área da secção transversal geralmente diminui devido à contração elástica e, posteriormente, à deformação plástica. Depois do início da estricção localizada, a redução concentra-se numa região mais pequena. A tensão de engenharia não recalcula o denominador a cada instante; continua a dividir a força medida pela área existente antes da aplicação da carga. Esta convenção mantém um estado de referência comum para todos os pontos da curva.

O resultado não é igual à tensão verdadeira. A tensão verdadeira utiliza a área instantânea, normalmente expressa como ${\sigma }_t=F/A$, em que $A$ é a área local atual. Consequentemente, a curva de engenharia pode descer depois da sua força máxima, mesmo quando a tensão local numa região com estricção continua a aumentar. O material laboratorial 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 tem em conta a redução da área da secção 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 ${\epsilon }_e=(l-l_0)/l_0$. Nestas 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 entre ambos, $L-L_0$, corresponde à extensão.

A deformação não tem unidade física, porque é uma extensão dividida por outra extensão. É habitualmente expressa sob a forma de um número decimal ou multiplicada por 100 e apresentada como percentagem. Uma extensão de 0,25 mm a partir de um comprimento de referência original de 50,00 mm dá

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

ou 0,5% de deformação de engenharia.

O comprimento de referência original permanece no denominador mesmo depois de o provete ter sofrido alongamento, porque a deformação de engenharia é uma variação normalizada relativamente à geometria inicial. Isto faz com que o valor apresentado dependa do comprimento de referência definido, e não apenas do movimento da travessa da máquina. Uma extensão de 2 mm corresponde a uma deformação de 4% num comprimento de referência de 50 mm, mas apenas a 2% num comprimento de referência de 100 mm. Por conseguinte, os resultados de alongamento não podem ser comparados de forma 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 a sua definição de tensão de engenharia utiliza a carga dividida pela área da secção transversal inicial. Estas definições são simples, mas só são reprodutíveis quando se conhecem $L_0$, $A_0$ e o modo como o deslocamento foi medido.

Unidades, dimensões do provete e redução dos dados

A redução dos dados começa antes da primeira leitura da força. O operador regista o tipo de provete, a largura, a espessura ou o diâmetro e o comprimento de referência, calculando depois $A_0$ a partir das dimensões especificadas. A máquina de ensaio à tração fornece a força em função do tempo ou do deslocamento. Um extensómetro, um extensómetro de resistência ou um sistema ótico fornece a variação do comprimento de referência. Cada par de valores registados é reduzido utilizando $F/A_0$ e $(L-L_0)/L_0$, produzindo a curva tensão–deformação de engenharia.

A medição do deslocamento é importante. O deslocamento da travessa inclui a deformação nas garras, na estrutura da máquina e noutros componentes, enquanto um extensómetro mede uma secção de referência definida. A correlação digital de imagens pode medir oticamente os deslocamentos e os campos de deformação locais. Os ensaios realizados pelo NIST em aço ASTM A1008 analisaram taxas médias de deformação de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ e ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$, utilizando a correlação digital de imagens para medir o deslocamento e a deformação. Por conseguinte, a curva obtida está associada tanto à taxa de aplicação da carga como 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 os ensaios de tração à temperatura ambiente de materiais metálicos e trata da tensão de cedência, do alongamento no ponto de cedência, da resistência à tração, do alongamento e da redução de área. A ISO 6892-1:2019 especifica igualmente os ensaios de tração à temperatura ambiente de materiais metálicos e as propriedades mecânicas deles obtidas. Estas normas definem mais do que equações: controlam a geometria do provete, o alinhamento, o comprimento de referência, a taxa de aplicação da carga e os procedimentos de apresentação dos resultados. A curva típica de aço estrutural do U.S. Department of Energy identifica o limite de proporcionalidade, a tensão de cedência, a resistência máxima e o ponto de fratura, mas cada designação depende deste processo prévio de medição e redução. Uma curva só é tão reprodutível quanto as dimensões e os métodos subjacentes aos seus eixos.

Leitura da Curva de Tensão–Deformação de Engenharia

Uma curva de tração é um registo da forma como um provete definido responde ao aumento da carga. Não constitui uma classificação universal dos tipos de aço. O resultado apresentado depende da forma do provete, da área inicial da secção transversal, do comprimento de referência, da velocidade de aplicação da carga, do extensómetro ou método de medição do deslocamento, da norma de ensaio e da convenção utilizada para calcular a tensão e a deformação.

Numa curva de tensão–deformação de engenharia, a tensão de engenharia é

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

em que $F$ é a carga aplicada e $A_0$ é a área inicial da secção transversal do provete. A deformação de engenharia é

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

em que $L_0$ é o comprimento de referência inicial e $L$ é o comprimento de referência medido durante a aplicação da carga. Estas 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 de o provete começar a contrair-se.

A ASTM E8/E8M-21 abrange os ensaios de tração à temperatura ambiente de materiais metálicos e a determinação da tensão de cedência, do alongamento no ponto de cedência, 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 a partir desse ensaio. Por conseguinte, a curva deve ser analisada em conjunto com o registo do ensaio, e não separadamente deste.

Resposta elástica e limite de proporcionalidade

Na origem, tanto a carga como a deformação são nulas. Durante a primeira parte da curva, a tensão aumenta aproximadamente na mesma proporção que a deformação. Se a carga for removida nesta região, o provete regressa às suas dimensões originais, salvo pequenos erros experimentais. Trata-se de deformação elástica: as ligações atómicas são deslocadas, mas o material não acumulou uma alteração permanente da forma.

O declive desta parte inicial retilínea é o módulo de Young, $E$:

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

Para um aço ensaiado em condições correntes, este declive situa-se normalmente próximo de 200 GPa, embora o valor medido possa variar em função do alinhamento, da exatidão do extensómetro, da temperatura e da parte dos dados selecionada. Não deve ser confundido com a tensão de cedência. O módulo descreve a rigidez; a tensão de cedência descreve a tensão associada ao início ou a uma quantidade especificada de deformação plástica.

O DOE Fundamentals Handbook designa o fim da parte estritamente linear como o limite de proporcionalidade. Para além deste ponto, a curva pode permanecer parcialmente elástica, mas deixa de ser exatamente proporcional. Um provete descarregado imediatamente acima do limite de proporcionalidade pode recuperar a maior parte da sua deformação, mantendo, contudo, um pequeno alongamento permanente. Quando se inicia a deformação plástica, a deformação total pode ser considerada como a soma da deformação elástica e da deformação plástica:

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

Esta distinção é importante na interpretação do alongamento. A deformação visível na máquina de ensaio é a deformação total; apenas a componente elástica desaparece durante a descarga.

Tensão de cedência e alongamento no ponto de cedência

A cedência marca a transição para um escoamento plástico substancial. Num aço com um ponto de cedência bem definido, a curva pode subir até um ponto de cedência superior, descer até um ponto de cedência inferior e prosseguir depois através de uma região relativamente plana. O alongamento associado é designado alongamento no ponto de cedência. O provete continua a aumentar de comprimento enquanto a tensão de engenharia varia pouco, e as bandas de Lüders podem propagar-se ao longo do comprimento de referência.

Este comportamento está habitualmente associado a alguns aços de baixo teor de carbono, incluindo determinados produtos planos e estruturais, mas não deve ser presumido para todos os tipos de aço ou para todos os registos de ensaio. Um aço com cedência contínua pode não apresentar um ponto de cedência superior ou inferior nítido. A deformação a frio, o historial de recozimento, o carbono e o azoto intersticiais, o envelhecimento, a geometria do provete e a velocidade de deformação podem alterar ou eliminar a característica do ponto de cedência.

Quando não é possível medir um ponto de cedência distinto, uma norma pode especificar um método de deslocamento. A familiar tensão de prova de 0,2% é obtida traçando uma linha paralela ao declive elástico inicial, deslocada de uma deformação de 0,002; a sua intersecção com a curva define o valor apresentado. “Tensão de cedência” e “tensão de prova de 0,2%” não devem ser tratadas como designações permutáveis, 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 anterior, dos intervalos de repouso, da tensão interna e do encruamento nestas medições.

Após a cedência, a deformação plástica acumula-se. A descarga em qualquer ponto produz uma recuperação elástica, mas o provete permanece mais comprido e, após uma carga suficiente, mais estreito do que inicialmente. A recarga pode seguir uma trajetória deslocada devido ao encruamento.

Resistência máxima à tração, estricção e rotura

Após o alongamento no ponto de cedência, ou no caso de cedência contínua quando não existe um patamar, a curva geralmente volta a subir à medida que o encruamento aumenta a tensão necessária para prosseguir a deformação plástica. A tensão de engenharia mais elevada é a resistência máxima à tração (UTS), designada resistência última no DOE Fundamentals Handbook. É calculada utilizando a área original $A_0$, apesar de o provete já ter sofrido um alongamento e de a sua secção transversal ter mudado.

Na UTS, inicia-se normalmente uma deformação localizada. Forma-se uma estricção na zona útil, concentrando a deformação numa região mais pequena. A área real na estricção diminui rapidamente, pelo que a tensão verdadeira local pode continuar a aumentar, mesmo quando a curva de engenharia desce. O ramo descendente não significa, portanto, que a tensão local de resistência do material tenha simplesmente desaparecido; reflete a utilização da área inicial no cálculo da tensão de engenharia.

Os apontamentos de 2004 do MIT Civil Engineering Materials Laboratory distinguem a resistência à tração obtida a partir de uma curva de engenharia da resistência à tração verdadeira, que tem em conta a redução da secção transversal. Esta 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 rotura, identificada pelo DOE Fundamentals Handbook após a região de estricção. O alongamento e a redução de área apresentados são fortemente influenciados pelo comprimento de referência, pela geometria do provete, pela localização da rotura e pela forma como as partes fraturadas são ajustadas novamente. A experiência da Syracuse University com aço-carbono 1018, por exemplo, utilizou provetes planos de tração segundo a ASTM para determinar a tensão de cedência, a tensão máxima e a tensão de rotura; esses valores descrevem essa configuração de ensaio definida, e não uma propriedade abstrata exclusiva do tipo de aço.

A velocidade de deformação e o método de medição também alteram a curva. A NIST comunicou ensaios de aço ASTM A1008 a velocidades médias de deformação de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ e ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$, utilizando correlação digital de imagem para medir o deslocamento e a deformação. A NIST publicou também curvas a altas velocidades de deformação para aço de pilares periféricos com uma tensão de cedência especificada de 50 ksi. As curvas obtidas nessas condições não devem ser comparadas diretamente com um ensaio lento à temperatura ambiente baseado num extensómetro sem verificar primeiro a norma e as definições aplicáveis.

Resistência à cedência, tensão de prova e o significado de «cedência»

«Cedência» não designa uma característica universal presente em todas as curvas tensão–extensão de aços. Descreve a transição entre uma deformação predominantemente recuperável e uma deformação que permanece após a descarga, mas o valor declarado depende da forma como essa transição se manifesta e do critério exigido pela norma de ensaio aplicável. A ASTM E8/E8M-21 abrange os ensaios de tração de metais à temperatura ambiente e a determinação da resistência à cedência, da extensão no ponto de cedência, da resistência à tração, da extensão 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 apresentação dos resultados devem continuar a ser consultados na norma aplicável, em vez de serem inferidos a partir de um gráfico familiar.

As grandezas de engenharia habituais já impõem uma convenção. A tensão de engenharia é $F/A_0$, em que $F$ é a força e $A_0$ é a área inicial da secção transversal do provete; a extensão de engenharia é $(l-l_0)/l_0$, baseada no comprimento de referência inicial $l_0$. A Michigan Technological University e a Georgia Tech descrevem estas definições. Assim, uma resistência à cedência declarada diz respeito a um provete, a uma geometria, a uma definição do comprimento de referência, a uma velocidade de aplicação da carga, a um sistema de medição e a uma interpretação especificada — não a uma curva abstrata desligada do ensaio.

Comportamento no ponto de cedência versus uma resistência à cedência definida

Alguns aços de baixo teor de carbono apresentam um fenómeno de ponto de cedência visível. A curva atinge um ponto de cedência superior, sofre uma queda e prossegue depois através de uma região inferior, relativamente plana, de extensão plástica. Durante esta extensão, as bandas de Lüders podem deslocar-se ao longo do comprimento de referência. Neste tipo de resposta, o material parece «ceder» através de um acontecimento reconhecível, pelo que a resistência à cedência superior ou inferior, a extensão no ponto de cedência e grandezas relacionadas podem ser declaradas de acordo com o método aplicável.

Outros aços não apresentam uma queda brusca da carga. Os aços inoxidáveis, muitos aços de maior resistência e os aços ensaiados em condições diferentes podem passar gradualmente da deformação elástica para a deformação plástica. Não existe um único ponto defensável que possa ser selecionado apenas procurando uma inflexão. O limite de proporcionalidade, que marca o fim da proporcionalidade estrita entre tensão e extensão, também não corresponde automaticamente à resistência à cedência. O Fundamentals Handbook do U.S. Department of Energy coloca o limite de proporcionalidade, a resistência à cedência, a resistência última e o ponto de fratura numa curva típica de engenharia de um aço estrutural, mas essas designações representam propriedades distintas.

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

Tensão de prova e construções por deslocamento

A tensão de prova fornece uma alternativa reprodutível quando não existe um ponto de cedência claro. O ensaio regista a curva de carga e, em seguida, identifica a tensão que produz uma extensão permanente especificada após a descarga. Uma construção comum é o método do deslocamento de 0,2%: traça-se, a partir de uma extensão de 0,002, uma linha paralela ao declive elástico inicial, e a sua interseção com a curva fornece a tensão de prova a 0,2%, frequentemente escrita $R_{p0.2}$ na notação usada pelas normas ISO. O símbolo exato, o deslocamento, a determinação do declive e o procedimento de aceitação dependem da norma e da especificação do material.

Trata-se de uma construção, não de um acontecimento físico súbito que ocorra exatamente a 0,2% de extensão. Uma tensão de prova a 0,2% e um ponto de cedência inferior respondem a perguntas diferentes. A primeira pergunta que tensão corresponde a um critério definido de extensão residual; a segunda identifica uma característica da resposta observada da carga do material. Designar ambas simplesmente por «resistência à cedência» 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 razão os resultados de tensão de prova exigem uma interpretação cuidadosa. Uma deformação plástica prévia pode alterar a curva de carga subsequente, e um provete deixado em repouso antes de ser novamente carregado pode apresentar uma tensão de prova diferente da de um provete ensaiado continuamente. A tensão interna também afeta o início aparente da deformação permanente: as tensões residuais de tração e de compressão podem fazer com que uma das direções comece a ceder mais cedo do que a outra. Consequentemente, a tensão de prova declarada é sensível ao historial do provete, e não apenas à composição da liga.

As opções de medição acrescentam outra camada de complexidade. As investigações da NIST segundo a ASTM A1008 utilizaram velocidades médias de deformação de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ e ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$, com correlação digital de imagens para medir o deslocamento e a extensão. Trata-se de ensaios materialmente diferentes, mesmo quando o grau nominal permanece inalterado. Uma leitura do deslocamento do travessão pode incluir a deformabilidade da máquina e das garras, enquanto um extensómetro montado no comprimento de referência ou um sistema de correlação digital de imagens mede uma grandeza diferente.

Endurecimento por deformação, intervalos de repouso e tensão interna

Após o escoamento plástico inicial, o aço sofre habitualmente endurecimento por deformação: uma extensão plástica adicional exige uma tensão crescente, porque as interações entre deslocações aumentam a resistência à deformação. Por conseguinte, a curva sobe após um patamar de cedência ou após a interseção correspondente à tensão de prova. Essa subida não constitui outro ponto de cedência. É a tensão de escoamento variável de um material cuja microestrutura e estado de tensão interna já foram alterados.

Se um provete endurecido por deformação for descarregado, parte da sua extensão recupera-se, enquanto a extensão 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, pelo que a resposta subsequente pode não coincidir com a de um recarregamento imediato. O relatório do National Bureau of Standards sobre tensão de prova trata estes efeitos como variáveis experimentais centrais, e não como perturbações menores.

É por isso que a afirmação «o aço A tem uma resistência à cedência superior à do aço B» só é significativa quando os dois valores partilham a mesma norma de ensaio, temperatura, velocidade de deformação, geometria do provete, definição do comprimento de referência e critério de cedência. O relatório da NIST sobre aços estruturais, por exemplo, apresenta curvas a velocidades elevadas de deformação para um aço destinado a colunas periféricas, especificado para uma resistência à cedência de 50 ksi; essa designação não torna o valor permutável com uma tensão de prova a 0,2% obtida num ensaio lento. A cedência é uma definição declarada aplicada a uma resposta medida. Sem ambas as componentes, o número fica incompleto.

Curvas de Engenharia versus Curvas Verdadeiras de Tensão–Deformação

Um gráfico de um ensaio de tração não apresenta uma única propriedade material autoevidente. A sua forma depende, em parte, da forma como a força, o alongamento e as dimensões do provete são convertidos em tensão e deformação. A ASTM E8/E8M-21 abrange os ensaios de tração à temperatura ambiente de materiais metálicos e a determinação da tensão de cedência, do alongamento no ponto de cedência, 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 dele obtidas. Nenhuma das normas elimina a necessidade de indicar qual a convenção de tensão–deformação utilizada.

A tensão de engenharia é calculada dividindo a força aplicada pela área original da secção transversal do provete:

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

A deformação de engenharia utiliza o comprimento de referência original:

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

Estas definições são apresentadas em referências didáticas da Michigan Technological University e da Georgia Tech, onde a Georgia Tech escreve a tensão de engenharia como $F/A_0$ e a deformação de engenharia como $(l-l_0)/l_0$. O provete pode tornar-se substancialmente mais fino e mais comprido durante o ensaio, mas o cálculo de engenharia continua a utilizar $A_0$ e $L_0$. Esta opção facilita a comparação dos resultados, desde que também sejam comunicados a geometria do provete, o comprimento de referência, a norma e o procedimento de ensaio.

Por que razão a tensão de engenharia pode diminuir depois do início da estricção

Antes da estricção, a deformação é aproximadamente uniforme ao longo do comprimento de referência. Toda a secção reduzida suporta a carga, e o encruamento plástico pode aumentar a força necessária para um alongamento adicional. Numa curva de engenharia, isto produz um aumento da tensão após a cedência, até que a carga atinja o seu valor máximo. A divisão dessa carga máxima por $A_0$ dá a resistência à tração última de engenharia, frequentemente designada por resistência à tração ou resistência última.

A estricção altera o padrão de deformação. Uma região localizada começa a contrair-se mais rapidamente do que o restante comprimento de referência, criando uma área de secção transversal menor na estricção. A partir desse momento, o provete deixa de se deformar uniformemente. O encruamento continua a aumentar 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 regista a carga, e a tensão de engenharia é simplesmente a carga dividida pela $A_0$, que permanece inalterada, a tensão de engenharia representada no gráfico diminui.

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

A distinção é importante na comparação entre diferentes qualidades de material ou ensaios. Um aço com uma resistência à tração última de engenharia mais elevada não suporta automaticamente uma tensão local mais elevada em todas as fases da deformação após a estricção. O resultado também depende da área original, da forma do provete, do comprimento de referência, da velocidade de aplicação da carga, do alinhamento e do local onde 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 secção transversal. A deformação verdadeira é habitualmente definida através da 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 grandezas verdadeiras podem ser relacionadas por:

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

e

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

Estas conversões só são úteis enquanto a deformação for suficientemente uniforme e as hipóteses necessárias forem válidas. Não constituem uma correção geral para todos os pontos após o início da 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 a partir de uma curva de tensão–deformação de engenharia da resistência à tração verdadeira, que tem em conta a redução da secção transversal. A diferença pode ser significativa perto da fratura, uma vez que a área local da estricção pode ser muito menor do 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 nesse instante for de $50{\text{mm}}^2$, a tensão verdadeira local nominal baseada nessa área será de 400 MPa. Os dois valores descrevem a mesma força, mas diferentes definições de área.

A medição de $A_i$ não é trivial. Um extensómetro pode medir o alongamento médio ao longo de um comprimento de referência, enquanto a correlação digital de imagens pode determinar campos locais de deslocamento e deformação. No seu trabalho sobre aço ASTM A1008, o NIST comunicou ensaios realizados a taxas de deformação médias de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ e ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$, utilizando correlação digital de imagens para medir o deslocamento e a deformação. Assim, a curva aparente reflete tanto a resposta do material como o método de medição e a taxa de deformação selecionados.

Deformação uniforme, estricção e interpretação após a estricção

A conversão convencional de dados de engenharia em dados verdadeiros de tensão–deformação é mais defensável durante a deformação uniforme e até ao início da estricção. A carga máxima de engenharia assinala o início habitual da estricção difusa sob carga de tração, embora o comportamento local e a estrutura do material possam complicar essa interpretação. Antes desse ponto, uma única área e uma única medição do comprimento de referência podem representar razoavelmente uma parte significativa do provete ativo.

Depois de iniciada a estricção, o campo de deformação torna-se fortemente localizado. A secção transversal varia ao longo da estricção, a superfície desenvolve curvatura e o estado de tensão deixa de ser puramente uniaxial. O material próximo da estricção pode ficar sujeito a tensões transversais, além da tensão axial. Consequentemente, multiplicar a tensão de engenharia por $1+{\epsilon }_{\mathrm{eng}}$ após a carga máxima não permite recuperar uma curva local fiável de tensão verdadeira.

A conversão após a estricção requer dados adequados sobre a geometria e a deformação locais: por exemplo, o diâmetro ou a área mínima da estricção em evolução, medições locais da 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 apoiar os cálculos da redução de área, mas não reconstrói toda a evolução após a estricção. A utilização cega de equações para a deformação uniforme pode, portanto, atribuir valores fisicamente enganadores ao ramo descendente.

Os relatórios devem indicar se as curvas são de engenharia ou verdadeiras, como foram medidas a área e a deformação e em que ponto a estricção invalida as hipóteses de uniformidade. Esta precisão é especialmente importante ao comparar resultados convencionais à temperatura ambiente com dados obtidos a elevadas taxas de deformação; por exemplo, um relatório do NIST sobre aço estrutural apresenta curvas a elevadas taxas de deformação para aço de pilares periféricos, com uma tensão de cedência especificada de 50 ksi. O rótulo da curva é apenas o início. As suas definições e condições de ensaio determinam o significado dos valores representados.

Como a Taxa de Deformação Altera a Resposta Reportada do Aço

A taxa de deformação é a velocidade a que um provete de tração é deformado, normalmente expressa em segundos recíprocos (s⁻¹). Deve ser indicada juntamente com o grau do aço, a geometria do provete, 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 curva medida a ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$, mesmo quando ambos os provetes provêm da mesma corrida de aço.

A razão é simultaneamente física e processual. A deformação plástica requer o movimento de deslocações, e esse movimento interage com o tempo disponível para superar obstáculos, desenvolver concentrações locais de tensão e disseminar a deformação ao longo do comprimento de referência. A curva reportada pode, por isso, alterar-se na região de cedência, no declive após a cedência, na resistência máxima à tração e na ductilidade aparente. A magnitude de cada alteração deve ser estabelecida para o material e para as condições de ensaio; não deve ser tratada como uma percentagem universal aplicável a todos os aços.

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

O 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 a taxas médias de deformação de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ e ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$. Estas taxas abrangem quatro ordens de grandeza, embora os identificadores dos ensaios contenham três condições discretas, e não uma lei material contínua. Os dados resultantes mostram por que razão uma legenda de curva que omita 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 alteração não consiste apenas numa translação horizontal no gráfico. O início da cedência e a resposta subsequente ao escoamento podem deslocar-se, e a forma da curva pode alterar-se à medida que a deformação plástica se torna mais localizada. Consequentemente, um valor reportado de tensão de cedência a uma determinada taxa pode diferir de um valor obtido a outra taxa, mesmo que seja utilizado o mesmo cálculo da tensão de engenharia.

O NIST utilizou também correlação digital de imagem (DIC) para medir o deslocamento e a deformação. Esse pormenor é importante. Um sinal de deslocamento da travessa móvel inclui a deformabilidade da máquina e pode incluir deformação fora da secção de referência 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 aspeto diferente por terem medido grandezas físicas diferentes, e não porque o aço se tenha comportado de forma diferente.

As definições de engenharia habituais continuam a ser importantes. A tensão de engenharia é a carga dividida pela área inicial da secção transversal do provete, $F/A_0$, e a deformação de engenharia é a variação do comprimento de referência dividida pelo comprimento de referência inicial, $(l-l_0)/l_0$, conforme descrito pela Georgia Tech e pela Michigan Technological University. Essas definições não eliminam a dependência da taxa. Apenas estabelecem a forma como a carga e o deslocamento medidos são convertidos nas coordenadas representadas no gráfico.

Sensibilidade à taxa no comportamento de cedência e escoamento

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

Após a cedência, a taxa de deformação pode afetar a tensão necessária para manter o escoamento plástico. Num ensaio mais rápido, o provete pode exigir uma tensão mais elevada a uma determinada deformação plástica do que num ensaio mais lento. Esta afirmação descreve o tipo de resposta analisado na série do NIST sobre o aço ASTM A1008, e não uma regra fixa para todos os graus de aço, temperaturas ou intervalos de taxas. O efeito pode também variar ao longo da curva: uma alteração moderada junto à cedência não permite prever a alteração no escoamento uniforme, na estricção ou na deformação de fratura.

O local de medição acrescenta outra fonte de sensibilidade aparente à taxa. Se a deformação for calculada como média ao longo de um comprimento de referência grande, uma estricção local pode ficar diluída na deformação reportada. Se a DIC acompanhar uma região menor, a localização surge mais cedo e de forma mais acentuada. A tensão de engenharia utiliza também a área original, pelo que não mostra a perda instantânea de área durante a estricção. O MIT distingue esta resistência à tração de engenharia da resistência verdadeira à tração, que tem em conta a redução da secção transversal. Por conseguinte, a taxa, a definição de deformação e a convenção relativa à área devem ser analisadas em conjunto.

Ensaios quase-estáticos versus dados a altas taxas 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 normalizado não torna todos os resultados independentes da taxa. A velocidade de ensaio, o método de controlo da taxa de deformação, o comprimento de referência, o sistema de extensometria ou de DIC e a definição da propriedade selecionada continuam a afetar a resposta reportada.

Os ensaios estruturais a altas taxas de deformação constituem uma comparação diferente. Um relatório do NIST sobre aço estrutural apresenta curvas de tensão–deformação à tração a altas taxas de deformação para aço de uma coluna periférica com uma tensão de cedência especificada de 50 ksi. Essas curvas dizem respeito a condições de carregamento muito afastadas de um ensaio de tração laboratorial de rotina. O 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 provetes, 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 ensaios equivalentes.

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

Medição da Deformação: Deslocamento da Travessa, Extensometria e Correlação Digital de Imagem

Uma máquina de ensaio de tração não mede diretamente a deformação, a menos que esteja instalado um dispositivo de medição de deformação ou seja utilizado um método ótico. A sua medição principal é a força, enquanto a travessa regista a distância percorrida pelo elemento móvel da máquina. Essa distância pode ser convertida numa deformação aparente, mas não corresponde automaticamente à extensão da zona de referência do provete de aço.

Deformação ao longo do comprimento de referência e deslocamento da máquina

A deformação nominal 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 nominal utiliza a área inicial da secção transversal:

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

Estas definições são apresentadas em materiais didáticos da Michigan Technological University e da Georgia Tech, nos quais a tensão nominal é expressa como $F/A_0$ e a deformação nominal como $(L-L_0)/L_0$. O comprimento de referência especificado é importante. Um comprimento de referência maior calcula a média da deformação ao longo de uma quantidade maior de material e, normalmente, produz um alongamento declarado diferente do obtido com um comprimento mais curto, sobretudo depois do início da estricção.

O deslocamento da travessa inclui mais do que a extensão do provete. Parte do movimento resulta da deformação elástica da estrutura de carga, das garras, dos dispositivos roscados, da célula de carga e de outros componentes da máquina. Esta complacência do sistema pode fazer com que a deformação calculada seja demasiado elevada se a leitura da travessa for diretamente dividida pelo comprimento de referência do provete. O assentamento e o escorregamento nas garras constituem outra fonte de extensão aparente. Mesmo um pequeno movimento nas mandíbulas pode afetar de forma percetível um provete 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 dos lados do provete se estenda mais do que o outro, enquanto o atrito ou uma fixação desigual podem redistribuir a tensão junto das zonas de transição. Assim, uma máquina pode produzir um registo força–deslocamento suave mesmo quando a zona de referência não está a deformar-se uniformemente. Os extensómetros reduzem estes problemas ao medirem a separação entre dois pontos do próprio provete. Ainda assim, é necessário controlar o seu comprimento de referência, o método de fixação, a classe de exatidão e o momento da sua remoção.

A ASTM E8/E8M-21 abrange os ensaios de tração à temperatura ambiente de materiais metálicos e aborda a tensão de cedência, o alongamento no ponto de cedência, a resistência à tração, o alongamento e a redução de área. A ISO 6892-1:2019 especifica um método de tração à temperatura ambiente para materiais metálicos e define as propriedades que podem ser obtidas através desse método. Nenhuma das normas transforma o deslocamento da travessa num valor universal de deformação: a propriedade declarada continua dependente da geometria do provete, da definição do comprimento de referência, da configuração do ensaio e do procedimento de medição.

A distinção torna-se crítica depois da resistência máxima à tração. A tensão nominal continua a utilizar $A_0$, embora a secção do provete tenha sofrido uma contração. As notas de 2004 do laboratório de materiais do MIT distinguem esta resistência à tração nominal da resistência à tração verdadeira, que tem em conta a alteração da área da secção transversal. O deslocamento da travessa também passa a descrever mal a deformação local depois da formação de uma estricção, uma vez que a extensão se concentra numa pequena região em vez de se distribuir uniformemente ao longo do comprimento de referência.

Correlação digital de imagem no estudo do NIST

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

Este método difere de uma leitura efetuada por um único extensómetro. Um extensómetro fornece a variação da distância entre pontos definidos, enquanto a DIC pode calcular o deslocamento em muitos pontos ao longo da superfície visível do provete. O trabalho do NIST analisou taxas médias de deformação de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ e ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$. Uma vez que tanto a taxa de deformação como a técnica de medição afetam a resposta registada, as curvas resultantes não devem ser interpretadas como uma classificação dos materiais independente das condições de ensaio.

A DIC não substitui a medição da força efetuada pela máquina de tração. A força continua a ser obtida através da célula de carga, e o cálculo da tensão continua a exigir uma definição da área. Em vez disso, a DIC fornece uma medição espacialmente resolvida da deformação, que pode ser associada à força para identificar onde o provete está a sofrer extensão, a ceder ou a concentrar deformação. Trata-se de um método utilizado em investigações específicas, incluindo o estudo do NIST sobre ASTM A1008, e não de um requisito que obrigue todos os ensaios de tração ASTM a utilizar imagiologia ótica.

Campos de deformação locais junto da estricção e da fratura

Antes da cedência, a deformação pode ser quase uniforme ao longo de uma zona de referência devidamente alinhada. A deformação plástica pode permanecer amplamente distribuída durante algum tempo, especialmente num provete com geometria estável e condições superficiais adequadas. Mais tarde, a deformação torna-se não uniforme. Forma-se uma estricção, a área local da secção transversal diminui e a deformação local aumenta mais rapidamente do que a deformação média ao longo do comprimento de referência.

Um extensómetro convencional fornece uma média ao longo do seu comprimento de referência. Essa média pode ocultar uma banda estreita na qual ocorre a maior parte da extensão plástica. A DIC revela diretamente essa alteração: os mapas de deformação axial mostram o início da localização, o seu movimento ou crescimento e a forte concentração em torno da estricção. Perto da fratura, o campo pode variar acentuadamente ao longo de distâncias muito inferiores ao comprimento de referência original. Por conseguinte, o alongamento final medido depois de unir novamente as duas metades fraturadas não é equivalente à deformação local na superfície de fratura.

Esta distinção também explica por que razão uma curva pode descer depois da sua resistência máxima à tração nominal, enquanto o material junto da estricção continua a sofrer endurecimento. A carga diminui porque a redução da área ultrapassa o aumento da tensão de escoamento local. Uma interpretação baseada na tensão verdadeira requer que se tenha em conta a área variável, enquanto uma medição ótica de campo completo ajuda a mostrar onde ocorrem essa redução de área e a concentração de deformação. A curva típica de um aço estrutural do U.S. Department of Energy assinala o limite de proporcionalidade, a tensão de cedência, a resistência máxima e o ponto de fratura, mas esses marcos só adquirem significado quando as medições subjacentes do deslocamento e da área estão definidas.

Geometria dos Provetes, Normas e Fontes de Dispersão dos Resultados

Uma curva de tração é, em parte, um registo do provete e da configuração do ensaio, e não apenas do tipo de aço. Dois laboratórios podem ensaiar aço-carbono 1018 nominalmente idêntico e apresentar tensões de cedência, máximas ou de rotura diferentes se utilizarem medições distintas da secção transversal, comprimentos de referência, taxas de deformação ou métodos diferentes para detetar a deformação. A experiência com aço-carbono 1018 da Syracuse University demonstra este ponto ao utilizar provetes planos de tração ASTM para determinar a tensão de cedência, a tensão máxima e a tensão de rotura. Esses valores só são significativos quando acompanhados das dimensões do provete e das convenções de cálculo utilizadas.

A ASTM E8/E8M-21 abrange os ensaios de tração à temperatura ambiente de materiais metálicos e a determinação da resistência à cedência, do alongamento no ponto de cedência, 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 através desse ensaio. As normas estão relacionadas, mas um resultado identificado apenas como “resistência à tração ASTM” ou “alongamento ISO” é incompleto, salvo se forem também indicados o tipo de provete, as dimensões, a velocidade de ensaio e o método de apresentação dos resultados.

Provetes planos ASTM e dimensões de referência

Um provete plano ASTM tem um corpo mais largo, uma secção útil reduzida e extremidades alargadas para fixação. A secção reduzida destina-se a conter a fratura, enquanto os raios de transição limitam a concentração de tensões entre o comprimento de referência e os ombros. As configurações normalizadas e subdimensionadas têm diferentes larguras, espessuras, comprimentos de referência e dimensões das extremidades. Uma geometria plana ASTM frequentemente utilizada apresenta um comprimento de referência de 50 mm e uma largura da secção útil de 12,5 mm, mas essa dimensão não deve ser presumida para todos os provetes. A geometria plana ASTM indicada na experiência da Syracuse deve ser mantida juntamente com os respetivos resultados, em vez de ser substituída por uma descrição genérica como “provete em forma de haltere”.

O comprimento de referência não é o mesmo que o comprimento total da tira metálica. É o comprimento inicial marcado ou definido pelo extensómetro, ao longo do qual se calcula a deformação nominal. A deformação nominal é

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

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

A espessura e a largura do provete também afetam o resultado. Um pequeno erro em qualquer uma destas dimensões altera a área inicial calculada e, consequentemente, todos os valores da tensão nominal. Marcas de maquinagem, rebarbas, entalhes nas arestas, sobreaquecimento, trabalho a frio residual e corrosão podem iniciar prematuramente a fratura. Um provete cortado transversalmente à direção de laminagem pode não corresponder a um provete cortado longitudinalmente, porque a laminagem altera a textura e a distribuição de inclusões e defeitos.

Medição da área, alinhamento e fixação

A tensão nominal utiliza a área original da secção transversal:

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

Esta 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 secção útil, utilizando instrumentos calibrados e valores registados de espessura e largura, em vez das dimensões nominais do desenho. Se o provete for cónico, deformado ou localmente subdimensionado, uma medição efetuada apenas numa posição pode ocultar a secção determinante. Várias medições ao longo do comprimento de referência permitem efetuar uma verificação.

O alinhamento é igualmente importante. A linha central do provete deve coincidir com o eixo de aplicação da carga. Um desalinhamento angular ou uma fixação desigual introduz flexão, fazendo com que uma das arestas suporte uma tensão superior à da outra. A curva resultante pode mostrar cedência ou fratura prematuras, mesmo que a carga média indicada pela máquina pareça razoável. As garras devem fixar as extremidades alargadas sem deslizamento, esmagamento ou marcação da secção reduzida. Garras estriadas podem danificar um provete plano fino; uma fixação insuficiente pode produzir um deslocamento que o extensómetro interpreta como deformação.

O registo do ensaio deve identificar o extensómetro ou o método de medição do deslocamento, o seu comprimento de referência e o momento da sua remoção, quando aplicável. Os ensaios realizados pelo NIST em aço ASTM A1008 utilizaram correlação digital de imagem e analisaram taxas de deformação médias 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 ensaio apresentado, não sendo meros pormenores do contexto laboratorial. Um aço estrutural com tensão de cedência especificada de 50 ksi, ensaiado a uma taxa de deformação elevada, conforme documentado num relatório do NIST sobre aço estrutural, não pode ser comparado diretamente com uma curva obtida num ensaio laboratorial lento sem indicar essa diferença.

Alongamento e redução de área após a fratura

O alongamento é habitualmente calculado após a fratura, juntando as peças fraturadas e medindo a distância final entre as marcas de referência:

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

Trata-se do alongamento total ao longo do comprimento de referência especificado. Inclui a extensão uniforme anterior à estricção e a extensão localizada na estricção. A região local próxima da fratura pode apresentar uma extensão muito elevada, enquanto partes do comprimento de referência apresentam pouca extensão. Por conseguinte, um comprimento de referência curto capta uma maior parte da deformação de estricção e pode indicar uma percentagem superior à de um comprimento de referência mais longo no mesmo provete fraturado.

A redução de área mede a contração da secção transversal na estricção:

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

onde $A_f$ é a área mínima na fratura. Não é outro nome para o alongamento. Um provete dúctil de aço 1018 pode apresentar uma redução de área substancial, mesmo quando o seu alongamento medido ao longo do comprimento de referência difere do indicado noutro relatório.

A tensão de rotura da experiência da Syracuse deve igualmente ser identificada pela respetiva base de cálculo, normalmente a carga de fratura dividida pela área original, caso se trate de um valor nominal. A tensão verdadeira de fratura utiliza, pelo contrário, a área reduzida na estricção. O MIT distingue a resistência à tração obtida a partir de uma curva nominal da resistência à tração verdadeira, que tem em conta a redução da secção transversal. Cada registo de ensaio deve, portanto, indicar 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 nominais ou verdadeiras.

Como Comunicar e Comparar Resultados de Ensaios de Tração de Aços

Uma curva de tração só é comparável na medida em que o sejam as informações que a acompanham. Um gráfico que apresente a tensão em função da deformação pode ocultar diferenças na forma do provete, no comprimento de referência, na velocidade de ensaio, na colocação do extensómetro e na convenção de tensão utilizada. Essas diferenças podem alterar o ponto de cedência aparente, a altura do pico de resistência à tração e o alongamento comunicado, sem que o aço propriamente dito tenha sofrido qualquer alteração.

Informação mínima que deve acompanhar uma curva

Cada curva deve identificar exatamente a designação do aço, tal como fornecida ou especificada, por exemplo ASTM A1008, ASTM A36, SAE J403 1018 ou EN 1.4301. A forma do produto também é importante: uma chapa fina, uma chapa grossa, uma barra, um fio, um tubo ou um provete maquinado retirado de um produto soldado não apresentarão necessariamente a mesma resposta. Registe a identificação da corrida ou do lote, quando disponível, juntamente com a espessura ou o diâmetro, o estado da superfície e qualquer tratamento térmico.

Indique a orientação do provete relativamente à direção de laminagem, forjamento, extrusão ou soldadura. “Longitudinal” e “transversal” não são designações intercambiáveis. Inclua a geometria do provete: secção plana ou circular, largura, espessura ou diâmetro, dimensões da secção reduzida, detalhes dos ressaltos e dos raios, e o comprimento de referência inicial $L_0$. O valor do alongamento é incompleto sem o respetivo comprimento de referência. Um alongamento comunicado de 25% num comprimento de referência de 50 mm não pode ser comparado diretamente com 25% medidos ao longo de um comprimento diferente.

Indique a norma de ensaio aplicável e a respetiva edição. A ASTM E8/E8M-21 abrange os ensaios de tração à temperatura ambiente de materiais metálicos e a determinação da tensão de cedência, do alongamento no ponto de cedência, 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 através desse ensaio. Estas normas abrangem medições semelhantes, mas os requisitos relativos aos provetes, os métodos de controlo, as regras de cálculo e as convenções de comunicação dos resultados devem ainda ser verificados, não devendo ser considerados idênticos.

A temperatura deve aparecer junto à curva, e não numa nota de rodapé separada. Comunique a temperatura de ensaio e indique se esta foi controlada ou apenas medida. Indique a taxa de deformação, a velocidade da travessa, a taxa de aplicação da tensão ou o modo de controlo, incluindo o ponto em que a máquina passou do controlo de força para o controlo de deformação. Os ensaios do NIST realizados em aço ASTM A1008 analisaram taxas médias de deformação de ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ e ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$, utilizando também correlação digital de imagens para medir o deslocamento e a deformação. A taxa e o método de medição foram variáveis experimentais.

Descreva como foi obtida a deformação: através de extensómetro, deslocamento da travessa, correlação digital de imagens ou de um valor calculado. O deslocamento da travessa inclui a deformação da máquina e das garras; não corresponde automaticamente à deformação no comprimento de referência. Indique o comprimento de referência do extensómetro, a resolução, o ponto de remoção e se a estricção local foi captada.

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 alterações incrementais de comprimento. O MIT distingue a resistência à tração obtida a partir de uma curva de engenharia da resistência à tração verdadeira, que tem em conta a redução da secção transversal.

O relatório deve definir a convenção utilizada para a cedência ou para a tensão de prova: tensão de cedência superior ou inferior, tensão de prova a 0,2%, outro desvio, limite de proporcionalidade ou um valor obtido através de um algoritmo especificado. Indique a resistência à tração, o alongamento uniforme, se medido, o alongamento total e o respetivo comprimento de referência, a redução de área e as observações relativas à fratura. Registe a localização da estricção, as abas de corte, o aspeto taça-e-cone, a ocorrência de fissuração ou delaminação e se a fratura ocorreu no interior do comprimento de referência.

Comparar classes sem misturar definições

Não classifique as classes colocando num único gráfico curvas obtidas através de procedimentos diferentes e considerando o traçado mais elevado como representativo do aço mais resistente. Uma curva de uma barra de secção circular e outra de uma chapa podem refletir orientações e condições de restrição diferentes. Um comprimento de referência curto pode produzir um alongamento total diferente do de um comprimento longo. Uma taxa de deformação elevada pode aumentar a tensão de escoamento medida; os resultados do NIST para o aço ASTM A1008, a ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ e ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$, demonstram por que razão a taxa deve acompanhar o resultado. As curvas a alta taxa do NIST para um aço destinado a pilares periféricos, com uma tensão de cedência especificada de 50 ksi, respondem a uma questão de engenharia diferente da de um ensaio à temperatura ambiente e quase-estático.

As convenções relativas à área podem inverter as conclusões aparentes após a estricção. A tensão de engenharia continua a dividir a carga por $A_0$, pelo que normalmente diminui após a carga máxima. A tensão verdadeira utiliza a secção em redução e pode continuar a aumentar durante parte da estricção. Designar o pico da curva de engenharia por “resistência à tração verdadeira” confunde duas grandezas diferentes.

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

Um procedimento disciplinado de interpretação

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

Em seguida, verifique os dados dimensionais. Meça novamente ou inspecione a largura, a espessura ou o diâmetro registados, 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 originais, utilizando as definições de engenharia ou verdadeiras indicadas. Marque o limite de proporcionalidade, a tensão de cedência ou de prova, a carga máxima, o alongamento uniforme, o ponto de fratura e a redução de área, utilizando o método declarado. Compare esses pontos com o relatório, e não apenas com a linha traçada.

Por fim, examine a incerteza e a localização da falha. Inclua a dispersão entre ensaios repetidos, a incerteza dimensional, a exatidão do extensómetro, a variação da temperatura e a variação da taxa. Não aceite uma explicação metalúrgica antes de verificar os artefactos do ensaio, a orientação do provete e as observações relativas à estricção ou à fratura. Só então devem as diferenças 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