Todos os metais se deformam (esticam ou comprimem) quando são tensionados, em maior ou menor grau. Esta deformação é o sinal visível da tensão do metal chamada deformação do metal e é possível devido a uma característica desses metais chamada ductilidade- sua capacidade de ser alongada ou reduzida em comprimento sem quebrar.
Calculando o estresse
Estresse é definido como a força por unidade de área conforme mostrado na equação σ = F / A.
A tensão é freqüentemente representada pela letra grega sigma (σ) e expressa em newtons por metro quadrado, ou pascal (Pa). Para maiores tensões, é expresso em megapascais (106 ou 1 milhão de Pa) ou gigapascals (109 ou 1 bilhão de Pa).
Força (F) é massa x aceleração e, portanto, 1 newton é a massa necessária para acelerar um objeto de 1 quilograma a uma taxa de 1 metro por segundo ao quadrado. E a área (A) na equação é especificamente a área da seção transversal do metal que sofre tensão.
Digamos que uma força de 6 newtons seja aplicada a uma barra com um diâmetro de 6 centímetros. A área da seção transversal da barra é calculada usando a fórmula A = π r
2. O raio é a metade do diâmetro, então o raio é 3 cm ou 0,03 me a área é 2,2826 x 10-3 m2.A = 3,14 x (0,03 m)2 = 3,14 x 0,0009 m2 = 0,002826 m2 ou 2,2826 x 10-3 m2
Agora usamos a área e a força conhecida na equação para calcular a tensão:
σ = 6 newtons / 2,2826 x 10-3 m2 = 2.123 newtons / m2 ou 2.123 Pa.
Calculando a tensão
Tensão é a quantidade de deformação (seja estiramento ou compressão) causada pela tensão dividida pelo comprimento inicial do metal, como mostrado na equação ε = dl / l0. Se houver um aumento no comprimento de uma peça de metal devido à tensão, isso é denominado deformação por tração. Se houver uma redução no comprimento, é chamada de deformação compressiva.
A deformação é frequentemente representada pela letra grega épsilon (ε), e na equação, dl é a mudança no comprimento e l0 é o comprimento inicial.
A deformação não tem unidade de medida porque é um comprimento dividido por um comprimento e, portanto, é expresso apenas como um número. Por exemplo, um fio que inicialmente tem 10 centímetros de comprimento é esticado até 11,5 centímetros; sua deformação é 0,15.
ε = 1,5 cm (a mudança no comprimento ou quantidade de alongamento) / 10 cm (comprimento inicial) = 0,15.
Materiais dúcteis
Alguns metais, como aço inoxidável e muitas outras ligas, são dúcteis e cedem sob tensão. Outros metais, como ferro fundido, quebram e quebram rapidamente sob tensão. Claro, mesmo o aço inoxidável enfraquece e quebra se for submetido a tensão suficiente.
Metais como aço de baixo carbono dobram em vez de quebrar sob tensão. Em um certo nível de estresse, entretanto, eles alcançam um ponto de elasticidade bem conhecido. Depois de atingir esse ponto de elasticidade, o metal se torna endurecido por deformação. O metal se torna menos dúctil e, em certo sentido, fica mais duro. Mas enquanto o endurecimento por tensão torna menos fácil a deformação do metal, ele também torna o metal mais frágil. O metal quebradiço pode quebrar ou falhar com bastante facilidade.
Materiais Frágeis
Alguns metais são intrinsecamente frágeis, o que significa que são particularmente suscetíveis a fraturas. Metais frágeis incluem aços de alto carbono. Ao contrário dos materiais dúcteis, esses metais não têm um ponto de escoamento bem definido. Em vez disso, quando atingem um certo nível de estresse, eles quebram.
Os metais frágeis se comportam de maneira muito semelhante a outros materiais frágeis, como vidro e concreto. Como esses materiais, eles são fortes em certos aspectos - mas, como não podem dobrar ou esticar, não são apropriados para certos usos.
Fadiga do metal
Quando os metais dúcteis são tensionados, eles se deformam. Se a tensão for removida antes de o metal atingir seu ponto de elasticidade, o metal retorna à sua forma anterior. Embora o metal pareça ter retornado ao seu estado original, no entanto, pequenas falhas apareceram no nível molecular.
Cada vez que o metal se deforma e depois retorna à sua forma original, ocorrem mais falhas moleculares. Depois de tantas deformações, existem tantas falhas moleculares que o metal se quebra. Quando rachaduras suficientes se formam para que eles se fundam, ocorre fadiga irreversível do metal.