Fonte: Roberto Leon, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

A importância dos materiais para o desenvolvimento humano é claramente capturada pelas primeiras classificações da história mundial em períodos como a Idade da Pedra, a Idade do Ferro e a Idade do Bronze. A introdução dos processos da Siemens e bessemer para produzir aços em meados de 1800 é, sem dúvida, o desenvolvimento mais importante no lançamento da Revolução Industrial que transformou grande parte da Europa e dos EUA na segunda metade do século^XIX de sociedades agrárias para as sociedades urbanas e mecanizadas de hoje. O aço, em suas variações quase infinitas, está ao nosso redor, desde nossos eletrodomésticos até carros, até linhas de vida como redes de transmissão elétrica e sistemas de distribuição de água. Neste experimento, analisaremos o comportamento de tensão de dois tipos de aço que ligam a gama normalmente vista em aplicações de engenharia civil - de um aço laminado muito leve e a quente a um enrolado duro e frio.

O termo aço é comumente usado para denotar um material que é principalmente ferro (Fe), muitas vezes na faixa de 95% a 98%. O ferro puro é alotrópico, com uma estrutura cúbica centrada no corpo (BCC) à temperatura ambiente que se transforma em uma estrutura cúbica centrada no rosto (FCC) acima de 912°C. Os espaços vazios na estrutura da FCC e imperfeições na estrutura cristalina permitem que outros átomos, como átomos de carbono (C), sejam adicionados ou removidos através da difusão dos espaços intersticiais (ou vazios). Essas adições, e o desenvolvimento subsequente de diferentes estruturas cristais, são o resultado do aquecimento e resfriamento em diferentes taxas e faixas de temperatura, um processo conhecido como tratamento térmico. Essa tecnologia é conhecida há mais de 2000 anos, mas manteve segredo por muitos anos em aplicações como o aço Damasco, que utilizava aço Wootz da Índia (≈300AD).

Se expandirmos os círculos abertos na estrutura da FCC até que as esferas comecem a tocar, e então cortarmos um cubo básico para esta estrutura atômica, o resultado é a célula unitária. Esferas com 41,4% do diâmetro do átomo de ferro podem ser adicionadas antes que essas novas esferas comecem a tocar as de ferro. Átomos de carbono têm 56% do diâmetro dos ferros, então a nova estrutura se torna distorcida à medida que os átomos de carbono são introduzidos. As propriedades do aço podem ser manipuladas alterando o tamanho, a frequência e a distribuição dessas distorções.

O ferro forjado, um dos antecessores mais úteis do aço, tem um teor de carbono de mais de 2%. Acontece que o teor de carbono ideal para aços de aplicações civis é a faixa de 0,2% a 0,5%. Muitos dos primeiros processos de tratamento metalúrgico visavam levar conteúdo de carbono a esses níveis em volumes econômicos de produção. O processo de Bessemer nos EUA e o processo da Siemens no Reino Unido são dois dos exemplos mais bem sucedidos dessas técnicas iniciais. Os processos mais utilizados hoje são o forno de arco elétrico e o forno básico de oxigênio. Além do carbono, a maioria dos aços modernos contém manganês (Mn), cromo (Cr), molbênio (Mo), cobre (Cu), níquel (Ni) e outros metais em pequenas quantidades para melhorar a força, a deformabilidade e a dureza. Um exemplo simples do efeito dessas ligas nas propriedades de engenharia é o chamado equivalente de carbono (CE):

O CE é um índice útil na determinação da soldabilidade de um determinado aço; tipicamente, um CE < 0,4% é representativo de um aço que é soldável. Como muitas conexões em estruturas metálicas são feitas por soldagem, este é um índice útil para lembrar ao especificar materiais para construção.

Como observado no vídeo do JoVE sobre "Constants Materiais", para fins de modelagem, precisamos estabelecer alguma relação entre estresse e tensões. A melhor descrição simples do comportamento de muitos materiais é dada por uma curva de trem de estresse (Fig.1). Como resultado de problemas com a fivela ao carregar em compressão e dificuldades em carregar um material uniformemente em mais de uma direção, um teste de tração uniaxial é geralmente executado para determinar uma curva de tensão de estresse. Este teste fornece informações básicas sobre as principais características de engenharia principalmente de materiais metálicos homogêneos.

O teste de tensão típico é descrito pelo ASTM E8. O ASTM E8 define o tipo e o tamanho da amostra de teste a ser usada, equipamentos típicos a serem usados e dados a serem relatados para um teste de tensão metálica.

Figura 1: Curva de tensão para aço de baixo carbono.

Uma vez que precisamos medir através de cepas plásticas muito grandes, a medição da tensão nem sempre pode ser feita com mordaças de tensão sobre toda a faixa de deformação (até 40%); a cola quase sempre falhará antes das fraturas da amostra. Um extensômetro, que consiste em um pequeno quadro C com braços cantilevered instrumentados com mordaças de tensão e apropriadamente calibrados, é normalmente usado até cerca de 20%. Uma vez que o extensômetro é um instrumento caro e delicado, ele precisa ser removido antes das fraturas da amostra; o teste será interrompido, e o extensor removido logo após a amostra atingir seu estresse máximo e a deformação máxima estimada a partir de marcas na amostra.

As principais propriedades de interesse são (Fig. 2):

Limite proporcional: O limite proporcional é o estresse máximo para o qual o estresse permanece linearmente proporcional à tensão, ou seja, para o qual a lei de Hooke é estritamente aplicável (vídeo JoVE - "Constantes Materiais"). Esse valor é geralmente determinado olhando para mudanças na taxa de estresse quando o teste é executado sob condições constantes de velocidade transversal. Na faixa elástica linear, a taxa de estresse é proporcional à taxa de tensão e é, idealmente, constante. À medida que o material começa a plastificar, como evidenciado por um aumento na taxa de tensão, a taxa de estresse começa a diminuir. O limite proporcional é tomado como o estresse quando a taxa inicial de estresse começa a diminuir.

Ponto de rendimento: Muitos metais apresentam um ponto de rendimento acentuado ou estresse no qual as cepas continuam a aumentar rapidamente sem qualquer aumento no estresse. Isso é evidenciado por uma linha horizontal, ou planalto de rendimento,na curva de tensão de tensão. O ponto de rendimento corresponde aproximadamente à carga em que o deslizamento começa a ocorrer nas treliças atômicas. Este deslizamento é desencadeado por atingir alguma força crítica de corte e é muito menor do que pode ser calculado a partir dos primeiros princípios devido às inúmeras imperfeições na estrutura cristalina. Em alguns materiais, como o aço leve testado neste experimento, há uma pequena, mas perceptível diminuição do estresse antes que o material atinja o patamar de rendimento, dando origem a pontos de rendimento superior e inferior. Para materiais que não apresentam um ponto de rendimento claro, é utilizada uma força de rendimento equivalente. Vamos analisar essa definição em detalhes no vídeo do JoVE sobre "Características da Tensão do Alumínio",que trata dessas propriedades em alumínio.

Figura 2: Definições de variáveis em cepas baixas.

Módulo elástico: O módulo de elasticidade de um material é definido como a inclinação da porção em linha reta do diagrama de tensão de estresse, como mostrado em Fig.2. Esta propriedade foi discutida no vídeo da JoVE sobre "Material Constants". E é um número relativamente grande: 30 x 10⁶ psi (210Gpa) para aço; 10 x 10⁶  psi (70 GPa) para alumínio; 1,5 X 10⁶  psi (10,5 GPa) para carvalho; e 0,5 x 10⁶  psi (3,5 GPa) para plexiglass.

Módulo de resiliência: O módulo de resiliência é a área sob a porção elástica do diagrama de tensão de estresse e possui unidades de energia por unidade de volume. O módulo de resiliência mede a capacidade de um material de absorver energia sem passar por deformações permanentes.

Módulo de endurecimento da tensão: À medida que o deslizamento, ou movimentos de deslocamento, que desencadearam o planalto de rendimento começam a atingir os limites de grãos (ou áreas onde as treliças são orientadas em diferentes ângulos), as luxações começam a "se acumular", e energia adicional é necessária para propagar seu movimento em outros grãos. Isso leva a um endurecimento no comportamento de tensão, embora o módulo de endurecimento da tensão seja geralmente pelo menos uma ordem de magnitude abaixo do módulo de Young.

Força final: Este é o valor máximo do estresse de engenharia alcançado durante o teste e ocorre pouco antes da amostra começar a pescoço (ou mudar de área) consideravelmente (Fig. 3).

Tensão máxima: Este valor é tomado como o valor da tensão quando a amostra fratura. Uma vez que o extensômetro geralmente foi removido quando chegamos a este ponto no teste e a deformação localizou (pescoço) em uma distância muito curta ao longo do comprimento do espécime, este valor é muito difícil de medir experimentalmente. Por essa razão, tanto um alongamento uniforme quanto um por cento de alongamento são frequentemente usados ao especificar materiais em vez de um valor máximo de tensão.

Figura 3: Definições em grandes cepas.

Alongamento uniforme: O alongamento percentual é definido como o alongamento percentual (alteração no comprimento/comprimento original) da amostra pouco antes da pescoço ocorrer.

Alongamento percentual: Geralmente duas marcas, nominalmente 2 em separado, são feitas na amostra antes do teste. Após o teste, os dois pedaços da amostra fraturada são colocados juntos da melhor forma possível, e a deformação final entre as marcas é remedida. Esta é uma maneira bruta, mas útil de especificar o alongamento mínimo para materiais em um contexto de engenharia.

Área percentual: Da mesma forma que o alongamento percentual, é possível tentar fazer uma medição da área final da amostra fraturada. Dividindo a força pouco antes da fratura por esta área, é possível obter uma ideia da verdadeira força do material.

Dureza: A dureza é definida como a área total sob o diagrama de tensão. É uma medida da capacidade de um material para sofrer grandes deformações permanentes antes da fratura. Suas unidades são as mesmas para o módulo de resiliência.

As propriedades descritas acima podem ser usadas para avaliar o quão bem um determinado material estará em conformidade com os critérios de desempenho discutidos no vídeo do JoVE sobre "Constantes materiais". Na medida em que se trata de segurança, as características da capacidade de força e deformação são fundamentais; essas características são geralmente agrupadas sob o termo de comportamento dúctil. O comportamento dúctil implica que um material irá produzir e ser capaz de manter sua força sobre um grande regime de deformação plástica. Uma grande dureza é desejável, o que na prática significa que uma estrutura dará sinais de falha iminente, por exemplo, uma deformação visível muito grande antes que ocorra um colapso catastrófico, permitindo aos seus ocupantes tempo para evacuar a estrutura.

Em contraste, materiais que exibem comportamento frágil. É o caso de materiais cimentados e cerâmicos, que apresentam baixa capacidade de tração. Um feixe de concreto vai falhar desta forma porque é muito fraco na tensão. Para remediar essa armadilha, coloca-se o reforço de barras de aço na região de tração de vigas de concreto, transformando-as em vigas de concreto armado.

É importante perceber que o comportamento frágil e dúctil não é um comportamento material inerente. Como veremos no vídeo do JoVE sobre o "Rockwell Hardness Test",submeter um aço carbono que é dúctil à temperatura ambiente e sob uma baixa taxa de carga de tensão condições para condição de carregamento de tensão muito rápida (impacto) a baixas temperaturas pode resultar em comportamento frágil. Além disso, é importante reconhecer que alguns materiais, por exemplo, ferro fundido, podem ser muito frágeis na tensão, mas dúcteis na compressão.

Duas outras características materiais importantes que precisam ser definidas neste momento, pois influenciam nossa escolha de modelagem material, são isotropia e homogeneidade. Diz-se que um material é isotrópico se suas propriedades elásticas são as mesmas em todas as direções. A maioria dos materiais de engenharia são feitos de cristais pequenos em comparação com as dimensões de todo o corpo. Esses cristais são orientados aleatoriamente, por isso estatisticamente o comportamento do material pode ser considerado isotrótrópico. Outros materiais, como madeira e outros materiais fibrosos, podem ter propriedades elásticas semelhantes em duas direções apenas(ortotrópico) ou em todas as três direções(anisotrópicos).

Por outro lado, diz-se que um material é homogêneo se suas propriedades elásticas são as mesmas em todo o corpo. Para fins de projeto, a maioria dos materiais de construção são considerados homogêneos. Isso é válido até mesmo para materiais como concreto que possuem diferentes fases (argamassa e pedras), como geralmente estamos falando de caracterizar volumes muito maiores, que podem ser considerados estatisticamente homogêneos.

Teste de tensão de espécimes de aço

O objetivo deste experimento é:

• Para familiarizar os alunos com o teste laboratorial padrão para determinar as propriedades de tração de materiais metálicos de qualquer forma (ASTM E8),
• Para comparar as propriedades de materiais metálicos de engenharia comumente utilizados (aço estrutural e alumínio), e
• Comparar as propriedades testadas dos metais com os valores publicados.

Presume-se que uma máquina de teste universal (UTM) com controle de deformação e recursos associados de teste e aquisição de dados esteja disponível. Siga os procedimentos passo a passo recomendados para realizar testes de tração fornecidos pelo fabricante da UTM, prestando especial atenção às diretrizes de segurança. Não prossiga se você estiver incerto sobre qualquer passo, e esclareça quaisquer dúvidas com seu instrutor de laboratório, pois você pode ferir seriamente a si mesmo ou aqueles ao seu redor se você não seguir as precauções adequadas. Além disso, certifique-se de conhecer todos os procedimentos de parada de emergência e que você está familiarizado com o software que executa a máquina.

O procedimento abaixo é genérico e destina-se a cobrir etapas mais importantes; pode haver desvios significativos dele dependendo do equipamento disponível.

1. Prepare os espécimes:

1. Obtenha amostras de teste cilíndrico para dois aços, um leve e a quente laminado (como A36) e um enrolado duro e frio (como um C1018).
2. Meça o diâmetro da amostra de teste até o mais próximo de 0,002 em. em vários locais próximos ao meio usando uma pinça.
3. Segure o espécime firmemente e marque, usando um arquivo, um comprimento aproximado de 2 em. gage. Nota: Marque o comprimento da gálagem cuidadosamente para que ele seja claramente gravado, mas não tão profundo a ponto de se tornar uma concentração de estresse que pode levar à fratura.
4. Meça o comprimento real da gálagem marcada para o 0,002 in mais próximo.
5. Se possível, instale uma gagem de tensão como descrito no vídeo do JoVE em "Material Constants".
6. Colete todas as informações disponíveis sobre os dados de calibração e resolução de todos os instrumentos que estão sendo usados para ajudar a avaliar possíveis erros experimentais e limites de confiança. Essas duas questões são fundamentais para obter resultados significativos, mas estão além do escopo do que é discutido aqui.

2. Teste os espécimes:

1. Ligue a máquina de teste e inicialize o software. Certifique-se de que você configurou quaisquer recursos apropriados de grafagem e aquisição de dados dentro do software. No mínimo, exiba a curva de tensão e tenha displays para a carga e a tensão.
2. Selecione um procedimento de teste apropriado dentro do software compatível com o protocolo de teste ASTM E8. Observe a taxa de tensão que está sendo usada e se duas taxas, uma para o elástico e outra para a faixa inelástica, estão sendo utilizadas. Além disso, defina as ações apropriadas no software (por exemplo, para que a máquina pare a 15% de tensão, de modo a remover com segurança o extensômetro e registrar o valor máximo da carga atingida.).
3. Levante manualmente a cabeça cruzada de modo que o comprimento total do espécime se encaixe facilmente entre as garras. Insira cuidadosamente a amostra nas garras superiores em cerca de 80% da profundidade de aderência; alinhar o espécime dentro das garras e apertar ligeiramente, de modo a evitar que o espécime caia. Nota: NÃO aperte a aderência à sua pressão total nesta fase.
4. Abaixe lentamente a cabeça de cima. Uma vez que a amostra esteja dentro de cerca de 80% da profundidade de aderência inferior, certifique-se de que a amostra esteja adequadamente alinhada dentro das garras inferiores (ou seja, com as aderências inferiores em sua posição totalmente aberta, o espécime deve "flutuar" no meio da abertura da aderência inferior). O desalinhamento da amostra, que resultará em estresse flexural e torcional adicional durante os testes, é um dos erros mais comuns encontrados na realização de testes de tensão. Se o alinhamento for ruim, trabalhe com um técnico para alinhar adequadamente as aderências.
5. Aplique pressão lateral adequada na amostra através das garras para garantir que não ocorra nenhum deslizamento durante o teste. Observe que haverá uma pequena carga axial neste momento, pois o processo de aperto introduz uma pré-carga no espécime; as máquinas de teste podem ter ajustes de software para minimizar essa pré-carga. Registo o valor da pré-carga.
6. Conecte o extensometro eletrônico com segurança à amostra conforme especificação do fabricante. Nota: As lâminas extensômetros não precisam ser posicionadas exatamente sobre as marcas de gálagem na amostra, mas devem ser aproximadamente centradas no espécime.
7. Verifique cuidadosamente se você executou corretamente todos os procedimentos até agora; se possível, verifique se a amostra está pronta para testes.
8. Inicie o carregamento para começar a aplicar a carga de tração na amostra e observe a leitura ao vivo da carga aplicada no visor do computador. Nota: Se a carga medida não aumentar, a amostra está escorregando através das garras e precisa ser recolocado. Se isso ocorrer, pare o teste e reinicie novamente a partir da Etapa 2.3.
9. Algum tempo antes da falha da amostra, o teste será automaticamente pausado sem descarregar a amostra. Neste ponto, remova o extensor. Se o espécime quebrar com o extensor no lugar, você destruirá o extensor, um equipamento muito caro.
10. Retome a aplicação da carga de tração até o fracasso. Ao atingir a carga máxima, as cargas medidas começarão a diminuir. Neste ponto, a amostra começará a pescoço e a fratura final deve ocorrer dentro desta região pescoçoada através da ruptura dútil.
11. Depois que o teste é concluído, levante a cabeça cruzada, solte as garras superiores e retire o pedaço quebrado da pegada superior. Uma vez que a metade superior da amostra seja removida, solte a aderência inferior e remova a outra metade do espécime.
12. Registo o valor na carga máxima de tração e imprima uma cópia da curva de tensão. Salve os dados registrados digitalmente.
13. Encaixe cuidadosamente as extremidades da amostra fraturada e meça a distância entre as marcas de gálagem até os 0,002 mais próximos. Registo o comprimento final da gálagem.
14. Meça o diâmetro da amostra na menor seção transversal até o 0,002 mais próximo.
15. Documente a amostra fraturada com imagens e diagramas.

3. Análise de dados

1. Calcule o " alongamento e redução de área para cada tipo de material metálico.
   alongamento =
   redução da área =
2. Descreva, categorize e regise o modo de fratura predominante para cada amostra.
3. Determine as propriedades do material conforme descrito na Fig. 2 e 3. Organize os dados em uma planilha de tal forma que a cepa até 0,004 seja dada pela gagem de cepa e entre 0,004 e 0,15 pelo extensômetro (o limite superior para o extensômetro é o valor da tensão em que foi removido do teste; este valor muda dependendo da capacidade de deformação da amostra).
4. Use o deslocamento de cabeça cruzada e %alongamento para estimar a tensão final. Se uma gagem de tensão não for usada, certifique-se de corrigir qualquer deslize inicial do extensor. Pode-se contar quadrados no gráfico para obter a dureza (área sob curva de tensão de estresse).
5. Usando um livro didático ou outra referência adequada, determine o módulo elástico, a força de rendimento e a força final dos materiais utilizados. Compare os valores publicados com os resultados dos testes.

A partir das medidas (Fig. 5 e Tabela 1.), um aço leve pode ter alongamentos na faixa de 25%-40%, enquanto o aço mais duro pode ser metade disso. É importante notar que quase toda a deformação é localizada em um volume pequeno e, portanto, o %alongamento é apenas uma média; localmente a tensão poderia ser muito maior. Note-se também que a %redução da área também é uma medida muito difícil de fazer, pois as superfícies são irregulares; portanto, esse valor vai variar consideravelmente.

Espécime	A36	C1018	em.
% Alongamento	33.3	17.3	%
% Redução de Área	54.3	50.1	%
Estresse de rendimento de tração	58.6	73.0	Ksi
Resistência à tração	86.6	99.9	Ksi
Estresse na Fratura	58.6	86.7	Ksi
Módulo de Elasticidade	29393	29362	Ksi

Mesa 1. Resumo do teste de aço.

Figura 4: Superfície de falha dúctil típica (imagem esquerda) e quebradiça (imagem direita).

Em geral, estes vão variar de uma fratura de tesoura dútil (copo-cone), como seria de esperar de uma falha como a mostrada na Fig. 4, até uma fratura de decote frágil. Os resultados gráficos típicos para as curvas completas de tensão de estresse são mostrados em Fig. 5. Note que as diferenças muito grandes na característica de tensão do estresse, variam de um aço A36 muito leve, mas dúctil, até um C1018 muito forte, mas não dúctil. Note que ambos são convencionalmente chamados de aço, mas seu desempenho é marcadamente diferente.

Figura 5: Curva final de tensão de estresse.

Este experimento descreveu como obter uma curva de tensão para aço típico. As diferenças nas curvas de tensão podem ser traçadas para qualquer diferença no processamento (por exemplo, trabalho frio vs. rolamento quente) e composição química (por exemplo, por cento de carbono e outras ligações). Os testes mostraram que o aço de baixo carbono é um material muito dúctil quando carregado em tensão uniaxial.

É sempre relevante comparar resultados experimentais com valores publicados. Estes últimos geralmente representam um valor mínimo da especificação com base no limite de confiança de 95%, por isso é provável que qualquer valor de força tabulado será excedido no teste, geralmente por uma margem de 5%-15%. No entanto, valores muito mais elevados são possíveis, pois os materiais tendem a ser classificados para baixo se não atenderem a algum requisito de especificação. Os valores de tensão geralmente serão próximos aos publicados. O módulo de elasticidade, por outro lado, não deve variar significativamente. Se o valor de E não estiver próximo do publicado, um reexame de fontes de erro deve ser realizado. Por exemplo, o erro pode ser devido ao deslizamento do extensor, calibração inadequada da célula de carga ou extensômetro, tensões de entrada erradas nos sensores, parâmetros errados sendo inseridos no software, para citar apenas alguns.

O aço é um material amplamente utilizado na indústria da construção. Suas aplicações incluem:

• Seções estruturais em forma de aço laminado comumente usadas em edifícios convencionais de vários andares porque é fácil pré-fabricar e conectar os componentes, economizando tempo no processo de construção.
• Placas profundas soldadas I-girders usadas em pontes, onde as seções são construídas por soldagem de teias profundas e finas endurecidas e flanges grossas. Isso coloca a maior parte do material em sua posição mais útil (as flanges), otimizando o design para força e rigidez e reduzindo o custo global do projeto.
• Parafusos e fixadores usados em conexões, onde geralmente alta resistência e ductilidade moderada são necessárias. Estes fixadores são usados em inúmeras de produtos que vão de carros a eletrodomésticos.

A aplicação mais importante do teste de tensão aqui descrito está no processo de controle de qualidade durante a fabricação de aço, alumínio e metais similares utilizados na indústria da construção. As normas ASTM exigem que tal teste seja executado em amostras representativas de cada calor de aço, e tais resultados devem ser rastreáveis a benchmarks estabelecidos. A segurança do público está intimamente ligada para garantir que esse tipo de procedimento de controle de qualidade seja padronizado e seguido. A má qualidade em materiais de construção, e a falta de ductilidade no nível material e estrutural, são a causa mais comum de colapsos durante e após terremotos e desastres naturais semelhantes. A falta de força nos componentes críticos levou ao fracasso da ponte I-35W em Minneapolis em 2007 e ao uso de materiais abaixo do padrão estão na raiz de muitos dos colapsos que ocorrem nos países em desenvolvimento, como o que tirou mais de mil vidas em 2013, quando o edifício Savar desabou em Dhaka (Bangladash).

No dia a dia, pode-se citar o exemplo da indústria automobilística, que se beneficia muito de conhecer o comportamento de tensão do aço e outros materiais ao projetar carros para atuar com segurança e eficácia em uma situação de acidente. Ao projetar carros que tenham força em certas peças, ao mesmo tempo em que permitem tensão e ductilidade em outras partes, os fabricantes podem criar um melhor gerenciamento de acidentes, mas apenas se puderem supor com precisão as características de tensão de cada peça.