O que é resistência à tração? Definição, unidades, fórmula e métodos de teste

O que é resistência à tração? Definição e significado central

A resistência à tração é a tensão máxima de tração (tração) que um material pode suportar enquanto é esticado antes de fraturar. É uma das propriedades mecânicas mais citadas em engenharia porque responde a uma questão simples, mas crítica: quanta força de tração axial uma peça pode sobreviver antes que o material se separe? A resistência à tração é expressa em megapascais (MPa) ou libras por polegada quadrada (psi) e é medida puxando uma amostra padronizada até que ela quebre.

Para um processador de plásticos, a resistência à tração não é um número abstrato de laboratório. Se você estiver moldando um suporte PA66 reforçado com fibra de vidro que fixa um cinto de segurança à estrutura de um veículo, a resistência à tração informa a carga de tração axial máxima que o suporte pode suportar antes que o material ceda e eventualmente se rompa. Os engenheiros de projeto e as equipes de compras usam esse valor para comparar polímeros candidatos, calcular a espessura mínima da parede e decidir se um grau padrão ou um grau melhorado é necessário para uma determinada aplicação.

A resistência à tração também tem um lugar claro na curva tensão-deformação. Quando uma carga de tração é aplicada, o material primeiro se deforma elasticamente, depois plasticamente em polímeros dúcteis como o náilon e, finalmente, fratura. A tensão na qual ocorre a ruptura é a resistência à tração, muitas vezes chamada de resistência à tração final. É distinto da resistência ao escoamento, que é a tensão na qual a deformação permanente começa, e também é distinto da resistência à fratura, que é a tensão registrada no exato momento em que a amostra rompe. Compreender esses três valores juntos evita erros dispendiosos na seleção de materiais.

Como é medida a resistência à tração?

A resistência à tração é determinada com uma máquina de testes universal. Um espécime em forma de haltere, comumente chamado de espécime de osso de cachorro, é preso entre duas alças. A máquina puxa a amostra a uma velocidade constante enquanto uma célula de carga registra a força e um extensômetro registra o alongamento. O teste continua até que a amostra frature. A força máxima registrada durante o teste é dividida pela área da seção transversal original da seção do medidor para obter a resistência à tração no sistema de unidades selecionado.

O resultado depende muito do padrão de teste, da geometria da amostra, da velocidade da cruzeta, da temperatura e da umidade. Plásticos e metais utilizam padrões diferentes e os valores não podem ser comparados diretamente se as condições de teste forem diferentes. A tabela abaixo lista os principais métodos de teste de tração usados ​​para materiais de engenharia.

Ao comparar dados de resistência à tração em uma folha de dados de náilon, sempre verifique qual padrão foi usado. Os valores gerados com ASTM D638 e ISO 527 não são automaticamente intercambiáveis ​​porque as dimensões da amostra e as velocidades de teste diferem, e o modo de falha pode ser afetado pelo estado de umidade da amostra.

Principais tipos de resistência à tração: rendimento, limite e fratura

O termo resistência à tração é frequentemente usado como se se referisse a um único número. Na prática, um ensaio de tração produz pelo menos três valores distintos, e cada um deles tem um significado de engenharia diferente.

Força de rendimento

A resistência ao escoamento é a tensão na qual um material começa a se deformar permanentemente. Para polímeros que não apresentam um ponto de escoamento claro, os engenheiros usam o método de deslocamento de 0,2%: uma linha paralela à região elástica é deslocada em 0,2% de deformação e sua interseção com a curva tensão-deformação define o limite de escoamento do deslocamento. Este valor é a base para a maioria dos projetos estruturais porque marca o limite da deformação recuperável.

Resistência à tração final

A resistência à tração final é a tensão mais alta alcançada na curva tensão-deformação de engenharia. Para o náilon dúctil, este é o ponto em que o estrangulamento começa a concentrar a deformação em uma região localizada. Além deste ponto, a amostra continua a se alongar, mas a capacidade de suporte de carga da seção transversal com pescoço diminui até ocorrer a fratura. Este valor é o mais comumente relatado como resistência à tração nas fichas técnicas de materiais.

Resistência à fratura

A resistência à fratura é a tensão registrada no momento da ruptura. Em uma amostra de náilon dúctil, a tensão de fratura é frequentemente menor que a resistência à tração porque a seção transversal ficou mais fina durante o estrangulamento. Em um material frágil, como um PPA altamente preenchido com vidro, as resistências máxima e à fratura são geralmente próximas uma da outra. Reconhecer esta diferença ajuda a explicar por que um material apresenta uma longa zona de ruptura plana e outro se rompe abruptamente.

Resistência à tração vs. Resistência ao escoamento vs. Alongamento na ruptura

Para um clipe de náilon moldado que deve se encaixar no lugar, o alongamento na ruptura informa até que ponto o clipe pode flexionar sem rachar. A resistência ao escoamento informa se o clipe perderá permanentemente sua força de fixação após inserções repetidas. A resistência à tração indica a força com que o clipe finalmente se separa. Todos os três valores vêm do mesmo teste de tração, mas respondem a diferentes questões de engenharia.

Um exemplo prático: um gancho de encaixe feito de PA6 não reforçado pode apresentar resistência à tração de 70 MPa e alongamento de 40% na ruptura, o que permite que um trabalhador da montagem dobre o gancho sem rachar. Substitua-o por um PPA com 45% de vidro com resistência à tração de 250 MPa e apenas 1,5% de alongamento, e o gancho se soltará durante a montagem, apesar de ser muito mais forte em uma tração reta. É por isso que os valores de resistência são sempre interpretados em conjunto com a ductilidade.

Unidades de resistência à tração e valores típicos de materiais

A resistência à tração é relatada em pascal (Pa) no sistema SI, mas na prática de engenharia aparece como megapascal (MPa), onde 1 MPa = 1 N/mm². O mercado norte-americano utiliza frequentemente libras por polegada quadrada (psi). Uma conversão simples é 1 MPa = 145,038 psi e 1 ksi (1.000 psi) = 6,895 MPa. Quando um fornecedor cotar um valor em uma unidade diferente, converta-o antes de comparar as notas.

O estado seco como moldado (DAM) refere-se a uma amostra recém-moldada armazenada sob condições secas. O estado condicionado é alcançado após o material ter absorvido a umidade até o equilíbrio com 50% de umidade relativa. As peças de nylon em serviço geralmente estão mais próximas do estado condicionado, portanto, confiar apenas nos dados do DAM pode superestimar a resistência real de um componente moldado.

Fatores que afetam a resistência à tração em materiais de nylon

Para polímeros à base de náilon, a resistência à tração não é um número fixo. O mesmo grau PA6 pode apresentar valores de tração muito diferentes dependendo da umidade, reforço, temperatura e condições de processamento. Compreender essas variáveis ​​é essencial ao comparar planilhas de dados ou planejar uma peça moldada.

Absorção de umidade

O nylon é higroscópico e a água absorvida atua como plastificante. Ele reduz a temperatura de transição vítrea, aumenta a resistência ao impacto e reduz a resistência à tração e a rigidez. Uma resina PA6 não reforçada típica cai de aproximadamente 75 MPa seca como moldada para cerca de 50 MPa após atingir o equilíbrio de umidade a 50% de umidade relativa. É por isso que as folhas de dados do náilon listam valores secos e condicionados, e é por isso que as peças usadas em ambientes úmidos devem ser projetadas com base em valores condicionados, em vez de valores recém-moldados.

Reforço de fibra de vidro

A adição de 30% de fibra de vidro em peso aumenta a resistência à tração do PA66 de aproximadamente 85 MPa para aproximadamente 190 MPa, dependendo do agente de acoplamento e da distribuição final do comprimento da fibra. Uma boa adesão fibra-matriz é crítica: com mau acoplamento, as fibras se soltam com baixa tensão e o ganho de resistência é pequeno. Por esta razão, classes melhoradas produzidas com composição controlada geralmente apresentam resultados de tração mais consistentes do que misturas genéricas produzidas internamente.

Temperatura

A resistência à tração diminui à medida que a temperatura aumenta. A 80–100°C, um PA6 padrão não reforçado retém apenas uma fração de sua resistência à tração à temperatura ambiente. Em compartimentos de motor quentes, os engenheiros escolhem classes estabilizadas termicamente ou baseadas em PPA. O vantagens de estabilidade térmica da série de chips PA6 em ambientes de alta temperatura são abordados em uma análise separada, mas a regra geral é simples: qualquer comparação de tração deve ser realizada na temperatura de aplicação, e não apenas em 23°C.

Peso molecular, cristalinidade e processamento

Um peso molecular mais elevado melhora o emaranhamento da cadeia e, portanto, aumenta o alongamento e a tenacidade, mas as condições de processamento determinam a cristalinidade final. O resfriamento rápido no molde produz um material menos cristalino e mais macio; a temperatura adequada do molde desenvolve maior cristalinidade, o que aumenta a resistência à tração e a rigidez. Cada histórico de calor também degrada o polímero até certo ponto, e é por isso que o material reciclado reciclado com vários ciclos térmicos pode apresentar uma queda mensurável na resistência à tração em comparação com o material virgem.

Por que a resistência à tração é importante ao selecionar PA6, PA66 e PPA

Quando um processador ou engenheiro de materiais compara PA6, PA66 e PPA, a resistência à tração geralmente é a primeira linha de propriedade na folha de dados. É também a propriedade que separa mais claramente os três materiais. Se você precisar de uma introdução mais ampla às famílias de polímeros, nosso guia o que é material de náilon explica detalhadamente a estrutura molecular de PA6, PA66 e PPA.

PA6: Resistência, Fluxo e Qualidade de Superfície Equilibrados

PA6 oferece excelente aparência superficial, boa tenacidade e processamento mais fácil. Na forma não reforçada, sua resistência à tração é de aproximadamente 70–80 MPa a seco como moldado. Para conectores elétricos, eletrodomésticos e equipamentos esportivos, os fabricantes geralmente escolhem chips PA6 de grau aprimorado , que combinam reforço de fibra de vidro com uma janela de viscosidade estreita para moldagem estável e valores de tração típicos na faixa de 160–185 MPa.

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PA66: Maior resistência e rigidez para peças estruturais

O PA66 tem um ponto de fusão mais alto e uma resistência mecânica mais alta que o PA6. O PA66 não reforçado normalmente atinge cerca de 85 MPa seco como moldado, e um grau reforçado com 30% de fibra de vidro atinge 185–210 MPa. Quando o projeto exige a maior resistência à tração entre os nylons padrão, chips PA66 de grau aprimorado fornecem a resistência e a estabilidade dimensional necessárias para suportes, engrenagens e carcaças estruturais automotivas.

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PPA: Retenção de resistência à tração sob calor e umidade

PPA, ou poliftalamida, é uma poliamida semi-aromática. Com 30–45% de fibra de vidro, os graus de PPA atingem resistência à tração de 200–280 MPa e, mais importante, retêm uma porcentagem maior dessa resistência sob condições quentes e úmidas do que PA6 ou PA66. É por isso chips PPA aprimorados são especificados para dutos de ar de turboalimentadores, peças de sistemas de refrigeração e conectores próximos a fontes de calor. O mecanismo por trás desse comportamento é explicado em nosso artigo sobre por que o PPA aprimorado mantém a estabilidade a longo prazo em ambientes agressivos .

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Equívocos comuns sobre resistência à tração

Maior resistência à tração sempre significa uma peça melhor

A resistência geralmente vem às custas da ductilidade. Uma classe altamente preenchida com resistência à tração de 280 MPa pode alongar apenas 1–2% antes de quebrar, enquanto um náilon temperado com resistência à tração de 50 MPa pode esticar 40–60%. Para montagens de encaixe rápido e peças sujeitas a impactos, a ductilidade pode ser mais importante do que a resistência à tração bruta. A classe mais forte não é automaticamente a melhor classe para uma geometria específica.

A resistência à tração por si só prevê a vida útil

Peças reais falham por fadiga, fluência, fissuras por tensão e impacto, e não apenas por uma tração estática. A resistência à tração descreve um único teste de baixa velocidade à temperatura ambiente. Uma peça pode permanecer bem abaixo do seu limite de tração e ainda falhar sob carga cíclica após milhares de ciclos, ou falhar dentro de semanas sob uma carga sustentada constante. Projete para o modo de carregamento, não apenas para o máximo da folha de dados.

Os valores da folha de dados corresponderão à sua peça moldada

A resistência à tração é medida em uma amostra padronizada de haltere. Em uma peça moldada por injeção real, as fibras de vidro se orientam ao longo da direção do fluxo, as linhas de solda criam pontos fracos e a tensão residual reduz a resistência local. A força local real em zonas críticas pode ser 20–40% menor que o valor da folha de dados. O teste de protótipo ainda é necessário para peças críticas de segurança.

Apenas a resistência à tração é importante para a seleção de materiais

Rigidez (módulo de tração), resistência ao impacto, resistência ao calor e alongamento são igualmente importantes. Uma engrenagem que resiste a um teste de tração pode falhar na raiz do dente devido à fadiga por flexão, e uma carcaça com excelente resistência à tração pode rachar quando cair. Leia sempre o conjunto completo de propriedades juntamente com o valor da resistência à tração.

Perguntas frequentes sobre resistência à tração

Qual é a diferença entre resistência à tração e resistência ao escoamento?

A resistência ao escoamento é a tensão na qual um material começa a se deformar permanentemente. A resistência à tração é a tensão máxima que o material pode suportar antes da fratura. Para um polímero dúctil como o náilon, a resistência ao escoamento é geralmente inferior à resistência à tração final; para materiais frágeis os dois valores podem ser quase idênticos. Os projetistas usam o limite de escoamento para definir o limite de carga de trabalho e a resistência à tração para avaliar o limite de falha.

Em quais unidades a resistência à tração é medida?

Megapascais (MPa) são a unidade padrão na maioria das fichas técnicas, com 1 MPa = 1 N/mm². O mercado norte-americano geralmente usa libras por polegada quadrada (psi) ou quilopounds por polegada quadrada (ksi). Para converter, multiplique MPa por 145,038 para obter psi ou divida psi por 145,038 para obter MPa.

Como você calcula a resistência à tração a partir de um teste de tração?

Registre a força máxima aplicada durante o teste e divida-a pela área da seção transversal original da seção do medidor. A fórmula é resistência à tração = força máxima / área da seção transversal original. Como a área utilizada é a área original, o resultado é um valor de tensão de engenharia em vez de um valor de tensão real.

A umidade reduz a resistência à tração do náilon?

Sim. O nylon absorve água e a umidade absorvida atua como plastificante. Uma amostra típica de PA6 moldada a seco pode apresentar cerca de 75 MPa, enquanto o mesmo tipo condicionado ao equilíbrio de umidade relativa de 50% pode cair para aproximadamente 45-55 MPa. É por isso que as fichas técnicas do náilon sempre informam valores secos e condicionados.

Qual é a resistência à tração do PA66 reforçado com fibra de vidro?

Um grau PA66 com 30% de fibra de vidro normalmente apresenta 185–210 MPa medido a seco conforme moldado, dependendo do sistema de acoplamento e das condições de processamento. O valor condicionado é inferior, muitas vezes na faixa de 120-150 MPa, mas ainda muito superior ao PA66 não reforçado. Esta combinação torna o GF30 PA66 uma escolha comum para peças estruturais automotivas e industriais.

A resistência à tração pode ser melhorada sem adição de fibra de vidro?

Sim, até certo ponto. Aumentar a cristalinidade através do controle da temperatura do molde, aumentar o peso molecular ou misturar com uma poliamida semi-aromática como o PPA pode melhorar a resistência. No entanto, o reforço de fibra de vidro continua a ser a forma mais eficaz e económica de alcançar um aumento grande e fiável na resistência à tracção.

Dicas práticas para avaliar dados de resistência à tração

Quando um fornecedor lhe enviar uma planilha de dados ou um relatório de material, use a lista de verificação a seguir para evitar comparar valores que não são comparáveis.

1. Confirme o padrão de teste. Os valores da ASTM D638 e ISO 527 não são automaticamente comparáveis ​​porque a geometria da amostra e as velocidades de teste diferem.
2. Leia os valores secos e condicionados juntos. Para peças de náilon em ar normal, o valor condicionado está mais próximo do desempenho em serviço.
3. Verifique a velocidade do teste. Uma tração mais rápida produz uma maior resistência à tração medida em polímeros dúcteis.
4. Observe o alongamento na ruptura e o módulo de tração no mesmo relatório. Esses dois números indicam se o material é dúctil e rígido, e não apenas forte.
5. Compare os valores na temperatura da sua aplicação. A resistência à tração a 23°C não representa desempenho a 80°C no compartimento do motor.
6. Solicite um relatório de teste em lote antes da produção em massa. A resistência à tração pode mudar entre lotes quando o peso molecular ou os níveis de aditivos variam.

A resistência à tração é um ponto de partida, não toda a história. Quando você combina isso com resistência ao escoamento, alongamento na ruptura, módulo de tração, dados de testes condicionados e a classe correta do material, você obtém uma imagem realista de como uma peça se comportará sob carga. Essa combinação, e não qualquer número único, é o que separa uma peça de náilon confiável daquela que falha no início do serviço.