miniatura|Ensaio de tração de uma liga de Al-Mg-Si. A estricção localizada e as superfícies de fratura em taça e cone são características de metais dúcteis. miniatura|Este ensaio de tração de um ferro fundido nodular demonstra baixa ductilidade.
Ductilidade é a capacidade de um material de sofrer deformação plástica significativa antes de se romper quando submetido à tração. A capacidade correspondente de se deformar plasticamente sob compressão é denominada maleabilidade. Essas propriedades não se confundem com os módulos elásticos que caracterizam a resposta reversível do material, como o módulo de Young e o módulo volumétrico. Historicamente, eram considerados maleáveis os materiais que podiam ser conformados por martelamento ou laminação. O chumbo é um exemplo de material cuja maleabilidade é substancialmente maior que a ductilidade. A deformação plástica é a alteração permanente da forma de um material sob a ação de uma tensão, ao contrário da deformação elástica, que é reversível com a retirada dessa tensão. A ductilidade é um importante indicador de desempenho mecânico, sobretudo em aplicações nas quais os materiais precisam se dobrar, se alongar ou se deformar de outras maneiras sem se romper. Seu grau pode ser avaliado quantitativamente pelo alongamento percentual após a ruptura, dado pela equação:
em que é o comprimento de referência após a fratura, medido com as partes rompidas reunidas, e é o comprimento de referência original, antes do ensaio. Essa fórmula quantifica quanto um material pode se alongar sob tensão de tração antes de falhar e fornece informações sobre seu comportamento dúctil. A ductilidade é uma consideração importante na engenharia e na fabricação: determina a adequação de um material a certas operações, como o trabalho a frio, e sua capacidade de acomodar sobrecargas mecânicas, por exemplo, em um motor. Entre os metais descritos como dúcteis estão o ouro, o cobre e a platina, esta última destacada pela elevada ductilidade em sua forma pura. O urânio puro também é dúctil. No caso do plutônio, o comportamento depende da fase cristalina: a fase alfa, estável à temperatura ambiente no metal puro, é dura e frágil, enquanto a fase delta pode ser macia e dúctil. Nem todos os metais, porém, apresentam fratura dúctil. Alguns, como certos ferros fundidos, podem sofrer fratura frágil. Muitos polímeros também apresentam comportamento dúctil, pois permitem deformação plástica antes da ruptura.
Diversos materiais inorgânicos, incluindo muitas cerâmicas e muitos semicondutores, caracterizam-se pela fragilidade. Esse comportamento está associado às fortes ligações iônicas ou covalentes, que podem dificultar os rearranjos atômicos e o movimento das discordâncias necessários à deformação plástica. As diferenças de ductilidade entre os metais e os semicondutores ou isolantes inorgânicos decorrem das características de cada material, incluindo a natureza de seus defeitos, como as discordâncias, e suas ligações químicas. O alongamento até a ruptura varia conforme o material, seu processamento e as condições do ensaio. Os semicondutores inorgânicos frágeis e os isolantes cerâmicos geralmente apresentam ductilidade muito menor à temperatura ambiente que os metais dúcteis.
Ciência dos materiais miniatura|O ouro é extremamente dúctil. Pode ser estirado até formar um fio monoatômico e, em seguida, ser alongado ainda mais antes de se romper.
A ductilidade é especialmente importante na metalurgia de transformação, pois materiais que trincam, se rompem ou se fragmentam sob tensão não podem ser trabalhados, nessas condições, por processos de conformação de metais, como martelamento, laminação, trefilagem e extrusão. Materiais maleáveis podem ser conformados a frio por estampagem ou prensagem. A fundição permite dar forma a materiais que podem ser fundidos e solidificados em um molde. A termoformagem utiliza chapas termoplásticas aquecidas até amolecerem, não a deformação do polímero enquanto ele permanece frágil.
A ligação metálica favorece a deformação plástica de muitos metais. Nesse tipo de ligação, os elétrons da camada de valência estão deslocalizados e são compartilhados por muitos átomos. A deslocalização dos elétrons e o caráter pouco direcional dessa ligação permitem rearranjos atômicos sem a perda imediata da coesão do metal. Nos metais cristalinos, a deformação plástica ocorre principalmente pelo movimento de discordâncias. A ductilidade depende da mobilidade desses defeitos e dos obstáculos que encontram, não apenas do tipo de ligação química.
A ductilidade do aço varia conforme os elementos que compõem a liga. Em geral, o aumento do teor de carbono reduz a ductilidade. Muitos plásticos também são maleáveis, assim como massas de modelar como Play-Doh. O ouro se destaca entre os metais mais dúcteis e maleáveis. Em nanofios de ouro, prata e cobre, grandes alongamentos podem envolver a formação e o movimento de discordâncias, bem como a formação e a reorientação de maclas, sem encruamento perceptível nas condições estudadas.
A composição química, por si só, não determina a ductilidade. A microestrutura e o processamento também alteram a resposta do metal. O trabalho a frio costuma elevar a resistência e reduzir a ductilidade por encruamento. Os tratamentos térmicos modificam a estrutura do material e podem produzir combinações diferentes de resistência, dureza e ductilidade, mesmo sem alteração de sua composição química.
Em condições adequadas de temperatura e velocidade de deformação, algumas ligas apresentam superplasticidade, com alongamentos muito superiores aos obtidos em ensaios de tração usuais. Uma liga de zinco com 22% de alumínio, processada até atingir grãos de aproximadamente 0,8 µm, alcançou um alongamento de cerca de 2.230% a 473 K e uma taxa de deformação de . Nessas condições, o deslizamento dos contornos de grão foi o mecanismo predominante da deformação.
Na indústria brasileira e internacional, a ductilidade é uma propriedade relevante dos aços empregados na fabricação de parafusos e de outros fixadores. A capacidade de alongamento pode permitir que esses componentes apresentem deformações indicativas de sobrecarga antes de se romperem. O comportamento varia conforme a composição, a microestrutura e os tratamentos térmicos aplicados ao aço.
Quantificação Definições básicas As grandezas geralmente utilizadas para caracterizar a ductilidade em um ensaio de tração são o alongamento relativo na ruptura, expresso em porcentagem e por vezes representado por , e a redução de área na ruptura, por vezes representada por . A deformação de engenharia na ruptura expressa a variação relativa do comprimento do corpo de prova em um ensaio de tração uniaxial. Para o alongamento percentual medido após a ruptura, utiliza-se:
A redução percentual de área pode ser escrita como:
em que é a área original da seção transversal do corpo de prova e é a área da seção na região da fratura.
O alongamento após a ruptura não é idêntico ao alongamento total no instante da fratura. Na medição feita com as partes rompidas reunidas, a deformação elástica já foi recuperada, e mede-se a extensão permanente. A norma ISO 6892-1 distingue esse alongamento, designado por , do alongamento total na fratura, , que inclui a parcela elástica e pode ser obtido com um extensômetro. O método de medição e o comprimento de referência precisam acompanhar o resultado.
Em uma classificação prática de metais para o projeto mecânico, Shigley's Mechanical Engineering Design usa um alongamento de cerca de 5,0% como referência para distinguir materiais dúcteis de frágeis. Esse valor é uma convenção de classificação, não um limite universal independente das condições do ensaio.
Relação com outras propriedades A ductilidade mede a capacidade de deformação plástica antes da ruptura, não a facilidade de produzir essa deformação. Um material pode exigir tensões elevadas para começar a se deformar plasticamente e ainda apresentar grande alongamento antes de romper. A dureza avalia a resistência à penetração ou à deformação plástica localizada. A tenacidade envolve a energia absorvida até a fratura e depende da resistência do material e da deformação que ele suporta. Essas grandezas não são intercambiáveis.
Efeito das dimensões do corpo de prova O alongamento após a ruptura em um ensaio de tração depende das dimensões do corpo de prova, sobretudo do comprimento de referência. Essa dependência não impede seu uso na comparação de materiais e no controle de qualidade, desde que o ensaio e a apresentação do resultado sejam padronizados. O deslocamento medido inclui a deformação uniforme anterior à estricção e a deformação localizada que ocorre depois de seu início, quando o restante do corpo de prova sofre pouca deformação plástica adicional. Em corpos de prova cilíndricos comparáveis, a parcela do alongamento causada pela estricção tem maior peso quando é menor a razão entre o comprimento de referência e o diâmetro. Por isso, a mudança dessa razão pode alterar o alongamento percentual medido mesmo sem uma mudança correspondente no módulo de elasticidade, no limite de escoamento ou na resistência à tração. Simulações pelo método dos elementos finitos permitem acompanhar o início e a evolução da estricção.
O alongamento uniforme, medido até o início da estricção, fornece uma informação complementar ao alongamento após a ruptura. Em um ensaio quase estático usual, a estricção difusa começa próximo da força máxima, correspondente ao pico da curva de tensão-deformação nominal. Um pico pouco acentuado pode dificultar sua determinação. Materiais que se rompem antes da estricção não apresentam essa etapa de deformação localizada. Ensaios de tenacidade e de tenacidade à fratura avaliam outros aspectos da resposta do material, como a absorção de energia e a resistência à propagação de uma trinca. Podem complementar a avaliação da ductilidade, mas não medem a mesma propriedade nem substituem diretamente o alongamento e a redução de área.
Após o início da estricção, a deformação local na região estreitada pode superar bastante a deformação nominal calculada para todo o comprimento de referência. A tensão também precisa ser interpretada com cuidado. A razão entre a força e a área instantânea mínima fornece a tensão axial média nessa seção, que pode continuar aumentando enquanto a força diminui. A estricção, porém, produz um estado triaxial de tensões. Por isso, essa média não corresponde diretamente à tensão de escoamento uniaxial do material, cuja determinação exige informações adicionais e uma correção adequada à geometria do corpo de prova.
A deformação verdadeira na ruptura pode ser estimada a partir da redução de área. Para um corpo de prova cilíndrico, admitindo aproximadamente a conservação do volume durante a deformação plástica, utiliza-se:
Essa estimativa não equivale ao alongamento nominal medido entre as marcas de referência nem fornece toda a distribuição de deformação na região estrita.
A redução de área, ou RA, mede a diminuição da seção transversal na região da fratura em relação à área original. Em corpos de prova cilíndricos, a área final pode ser determinada pela medição dos diâmetros nas extremidades rompidas. Essa medida depende menos do comprimento de referência que o alongamento após a ruptura, mas exige uma medição cuidadosa da seção final, especialmente quando ela não é circular. A RA reúne os efeitos da deformação uniforme e da deformação localizada na estricção. Por isso, fornece informação diferente daquela obtida apenas pelo alongamento uniforme e não deve ser confundida com uma medida de resistência ou de tenacidade.