Como ler a curva de um ensaio de tração

O ensaio, em uma frase

Um corpo de prova usinado em formato padronizado é preso pelas duas pontas e puxado devagar até romper. Durante todo o caminho, a máquina registra duas coisas: a força que está aplicando e o quanto a amostra esticou.

É o ensaio mecânico mais antigo e mais usado da engenharia, e continua sendo o primeiro a ser pedido quando alguém precisa saber do que um material é capaz. No Brasil ele é regido pela ABNT NBR ISO 6892-1, idêntica à ISO 6892-1; o equivalente americano, muito citado em desenho e em especificação de cliente, é a ASTM E8/E8M.

O resultado bruto é um gráfico de força por alongamento — e esse gráfico ainda não serve para comparar nada.

De força para tensão: por que o gráfico precisa ser convertido

Uma barra grossa aguenta mais força que uma barra fina do mesmo material. Isso não diz nada sobre o material: diz sobre a barra. Para falar do material, os dois eixos são divididos pelas dimensões iniciais do corpo de prova:

Tensão	força dividida pela área inicial da seção (So)
Deformação	alongamento dividido pelo comprimento inicial de medida (Lo)
Unidades usuais	MPa para tensão; % para deformação

Feita essa conta, a curva deixa de descrever aquela barra e passa a descrever o material. É por isso que o corpo de prova tem um formato definido por norma: para que o resultado de um laboratório possa ser comparado com o de outro.

Uma consequência dessa convenção aparece no fim da curva. A tensão é sempre calculada com a área inicial, mesmo depois de a amostra ter afinado. Por isso o gráfico desce no trecho final, ainda que o material naquele ponto esteja mais resistente do que nunca — ele é chamado de tensão de engenharia justamente porque é uma convenção de engenharia, não a tensão real que o material está sentindo.

A anatomia da curva

O percurso é sempre o mesmo, e cada trecho responde a uma pergunta diferente:

1. Trecho reto — a parte que volta

   Tensão e deformação crescem juntas, em linha reta. Se a carga for retirada aqui, o corpo de prova volta ao tamanho que tinha. É o regime em que quase toda peça de engenharia trabalha a vida inteira.

2. Escoamento — a parte que não volta

   A reta termina. A partir daqui a deformação é permanente: a peça ficou torta e vai continuar torta. É este o número que o dimensionamento usa, porque na maioria das aplicações uma peça permanentemente deformada já falhou, mesmo sem ter quebrado.

3. Encruamento — o material resiste mais

   A curva continua subindo. Deformar o metal o endurece: a cada passo é preciso mais tensão para continuar deformando. É o mesmo efeito que se usa de propósito em trefilação e em laminação a frio.

4. Estricção — a deformação se concentra

   No ponto mais alto da curva, a deformação deixa de ser uniforme e passa a se concentrar em uma região, que começa a afinar. Daí em diante a carga necessária cai, porque sobrou menos seção para segurá-la.

5. Ruptura

   O corpo de prova parte. O alongamento total e a redução de área medidos no corpo de prova rompido são as duas medidas diretas de ductilidade.

A propriedade que o tratamento térmico não muda

Esta costuma ser a maior surpresa de quem está começando: o módulo de elasticidade do aço é praticamente o mesmo em qualquer aço.

Um aço recozido, mole, e um aço temperado, com três vezes mais dureza, têm o mesmo E — em torno de 200 a 210 GPa. Tratamento térmico, elementos de liga e encruamento mudam o limite de escoamento, o limite de resistência, a ductilidade e a tenacidade. O módulo, não.

O alumínio tem módulo de cerca de 70 GPa: cerca de um terço do aço. Uma peça de alumínio com a mesma geometria de uma de aço vai fletir aproximadamente três vezes mais, independentemente da liga escolhida.

Onde exatamente começa o escoamento

O limite de escoamento é o número mais importante da curva, e também o mais sutil de obter — porque em boa parte dos materiais a reta não termina em um ponto óbvio.

Nos aços de baixo carbono existe um fenômeno visível: a tensão cai um pouco e o material escoa por um trecho sem que a carga aumente. Nesse caso registram-se os limites superior (ReH) e inferior (ReL) de escoamento, e não há ambiguidade.

A maioria dos materiais não faz isso. Alumínio, cobre, aço temperado e aço inoxidável austenítico passam do elástico para o plástico de forma gradual, sem nenhum ponto que se possa apontar. A solução é uma convenção: traça-se uma reta paralela ao trecho elástico, deslocada de 0,2% de deformação, e o escoamento é onde essa reta cruza a curva. O resultado se chama Rp0,2 — o 0,2 no nome é literalmente o deslocamento usado.

Não há nada de fundamental no valor 0,2%. É um acordo: deformação permanente pequena o suficiente para ser desprezível na maioria das peças, e grande o suficiente para ser medida com segurança.

Resistência não é tenacidade

Dois materiais com o mesmo limite de resistência podem se comportar de formas opostas na hora de quebrar.

A altura da curva é quanta tensão o material aguenta. A largura é quanto ele deforma antes de romper. A área embaixo dela é a energia absorvida até a ruptura — e é essa área que decide se a peça vai se deformar visivelmente antes de falhar ou partir sem aviso.

Um material frágil pode ter resistência alta e ainda assim ser a pior escolha para um componente sujeito a impacto ou a sobrecarga eventual, porque não tem para onde escoar: a primeira trinca atravessa a peça. Especificar material olhando só a coluna de resistência da tabela é o erro mais comum que esse gráfico ajuda a evitar.

Esse raciocínio é o mesmo que aparece em por que o mesmo aço pode ser mole ou duro: aumentar a dureza quase sempre custa tenacidade, e o projeto precisa escolher conscientemente onde ficar.

Por que dois corpos de prova do mesmo lote dão números diferentes

Nenhum ensaio devolve o mesmo número duas vezes, e isso não é defeito. O que muda, e quanto muda, é parte do resultado:

• O comprimento que foi medido. O alongamento depende do comprimento de medida inicial (Lo). Em um corpo de prova proporcional, Lo é derivado da área da seção. Alongamentos obtidos com Lo diferentes não são comparáveis, e é por isso que a norma e o Lo precisam estar no relatório.
• Como a deformação foi medida. Se for tomada pelo deslocamento da travessa da máquina, o número inclui a deformação da própria máquina e das garras, e o módulo sai errado. Para medir E com alguma seriedade é preciso extensômetro preso ao corpo de prova.
• O começo da curva. Os primeiros instantes do ensaio costumam mostrar um trecho encurvado que não é o material: é o acomodamento da garra e o alinhamento da amostra. A norma prevê a correção desse trecho, e quem lê a curva precisa saber reconhecê-lo.
• A velocidade do ensaio. Puxar mais rápido eleva os valores de escoamento e de resistência da maioria dos metais. A norma define as taxas aceitáveis exatamente para que isso não vire variável solta.
• A preparação do corpo de prova. Risco de usinagem, raio de concordância mal feito ou aquecimento durante a usinagem mudam o resultado — e tendem a mudá-lo para baixo.

Por isso ensaio de tração se faz em mais de um corpo de prova. Um único valor, sem dispersão, não permite separar o material do ensaio.

O que um relatório precisa trazer

Um relatório que só entrega uma tabela com três números não permite conferir nada. O mínimo útil é:

Norma aplicada	e a versão dela
Geometria do corpo de prova	com So e Lo declarados
Como a deformação foi medida	extensômetro ou travessa
Velocidade de ensaio	conforme o método escolhido na norma
Número de corpos de prova	com o resultado individual de cada um
A curva	não só os valores extraídos dela

A curva anexada é o item que mais se perde e o que mais vale. É nela que aparecem o trecho de acomodamento, um escorregamento de garra, uma ruptura fora da região útil — tudo que um número isolado esconde. Quando a peça falhou em serviço, é essa curva que vai ser comparada com a do material que deveria ter sido entregue.

E quando a pergunta não é "quanto ele aguenta uma vez", mas "quantas vezes ele aguenta", o ensaio é outro: é o de fadiga, que é o assunto de a fadiga metálica que derrubou o Comet.