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Materiais de Construção Mecânica Introdução

UFPA – ITEC – Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 1

1 INTRODUÇÃO

1.1 Importância do Estudo dos Materiais de Construção Mecânica

A vasta quantidade de materiais atualmente existente, estimada em cerca de

50.000/60.000 (FERRANTE, 2002), torna o conhecimento desses materiais cada vez mais

importante para o engenheiro mecânico, em qualquer que seja a sua área de atuação. O

conhecimento das propriedades mecânicas dos materiais, por exemplo, proporciona a

escolha de fatores de segurança adequados, que irão influir de maneira decisiva na parte

econômica de um projeto.

O conhecimento dos materiais é uma ciência que estuda as suas composições,

estruturas internas e propriedades, e também a regularidade de suas alterações sobre

influência térmica, química ou mecânica. Essa ciência não só revela a estrutura interna e as

propriedades dos materiais, como também estabelece a dependência regular entre elas,

determinando, ao mesmo tempo, a composição ideal e o processo de fabricação do material

para obter as propriedades físicas e mecânicas desejadas. O conhecimento dos materiais,

portanto, auxilia na sua correta seleção para os diversos usos e na determinação das suas

propriedades e qualidades tecnológicas.

1.2 A Atuação do Engenheiro de Materiais

A atuação do engenheiro de materiais (ou do engenheiro mecânico especializado em

materiais) abrange duas grandes áreas (FERRANTE, 2002). Uma dessas áreas trata de

atividades que podem se definidas como “correlacionamento de propriedades com o

desempenho final”, sempre implicando na realização ou melhoria de produtos e, por isso

mesmo, incluindo o processamento do material como tema relevante. Essa área

compreende, portanto, desde a adaptação de matérias-primas até a avaliação do

desempenho final do produto.

A outra grande área de atuação do engenheiro de materiais é a “seleção de

materiais”, a qual envolve uma gama de conhecimentos técnicos cuja dimensão

dificilmente pode ser exercida por uma única categoria profissional; assim, a seleção de

materiais é o ponto focal de uma série de especialidades tecnológicas, que vão desde a

criação do projeto até a análise de desempenho em campo. Dessa forma, a seleção de

materiais reúne engenheiros de projeto e, freqüentemente, profissionais de marketing,

culminando com a criação de um projeto preliminar. Para que o produto cumpra a sua

função é necessário definir bem as condições de trabalho, compondo o pacote completo de

requisitos de operação e fornecendo elementos para estudos de análise de tensões e

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dimensionamento preliminar. Essas condições de contorno, associadas ao conhecimento

das condições ambientais, fornecem uma lista de propriedades-requisitos cuja otimização

constitui a essência do processo de seleção de materiais.

A seleção de materiais também deve prever respostas a questões expressas pelo setor

de fabricação, que tem como tarefa a escolha de alternativas de produção/montagem. Dessa

descrição emergem dois aspectos importantes: a seleção deve ser feita visando não só

atender a requisitos de resistência mecânica, de tenacidade, de resistência à corrosão etc.,

mas também visando adequar o material aos processos de fabricação disponíveis ou já

existentes. Logo, a viabilização de um produto ou componente é tarefa de natureza

interativa tanto em nível de projeto como em nível de materiais e de procedimentos de

fabricação.

O conceito básico que permeia os procedimentos de seleção pode ser denominado

“filosofia do compromisso”, entendida como o eventual sacrifício de uma ou mais

propriedades em benefício de uma otimização geral, o que pode ser muito complexo

quando se lida com grandezas interrelacionadas. Por exemplo, o conflito da resistência

mecânica com a resistência à propagação de trincas (tenacidade), propriedades tipicamente

excludentes.

Outro fator que contribui para a complexidade dos procedimentos de seleção é a

interferência do processo de fabricação nas propriedades finais, nos custos e no

investimento. A seleção de materiais e a seleção de processo formam uma só problemática

a ser resolvida em conjunto e interativamente.

1.3 Critérios de Seleção de Material

Os procedimentos de seleção de materiais obedecem a múltiplos critérios, que

tomados individualmente proporcionam alternativas de escolha bastante simples e lineares,

mas que na prática concorrem quase sempre a situações em que um conjunto de critérios

conflitantes deve ser satisfeito simultaneamente. Portanto, surge a necessidade de

procedimentos de interação e otimização que, no final, fazem com que a filosofia do

compromisso exerça papel relevante.

Seja na fabricação de uma peça ou na sua utilização como componente de um

sistema mecânico, os requisitos de desempenho dessa peça são estabelecidos de maneira a

compatibilizar a função que ela terá com as possibilidades de sua fabricação a partir de

materiais existentes.

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O menor custo de fabricação para uma dada qualidade industrial especificada deve

ser o objetivo a ser perseguido na seleção de um material, quando se tem uma série de

processos de fabricação e diversos materiais disponíveis.

A seleção mais conveniente dos materiais que constituirão as peças depende

fundamentalmente da análise dos fatores que influenciam o projeto do produto (a

concepção da peça) e o projeto do processo de fabricação desse produto.

As especificações de desempenho (as funções requeridas) de um produto

determinam as especificações necessárias ao projeto desse produto. As primeiras

consistem de um conjunto de características que permitem a utilização eficiente do

produto, enquanto as segundas compõem-se de um rol de indicações técnicas referentes à

forma, às dimensões, às tolerâncias, ao acabamento e aos materiais constituintes do

produto que permitem atender às primeiras.

Dois aspectos devem ser observados na análise das especificações de desempenho:

as definições de requisitos de desempenho e as conseqüências de uma superavaliação ou

uma subavaliação desses requisitos.

A definição dos requisitos de desempenho depende de cada tipo de produto e deve

ser realizada através de uma descrição objetiva e completa, procurando-se o equilíbrio

(“ponto ótimo”) entre esses requisitos e as possibilidades técnicas de realizá-los.

Uma subavaliação das especificações pode ter uma conseqüência de desempenho

deficiente, levando à possibilidade de ocorrência de falhas graves em serviço, com custos

materiais e até humanos. A superavaliação, por sua vez, conduz quase sempre a custos de

fabricação mais elevados (energia, material e/ou mão-de-obra em excesso para a obtenção

do produto final).

Nas especificações de projeto é importante observar: o dimensionamento das peças

componentes e conjuntos com base nos tipos de solicitação mecânica (estática e dinâmica)

e na resistência dos materiais disponíveis, e a indicação dos materiais constituintes das

peças e dos processos de sua fabricação.

O dimensionamento das peças pode ser realizado, por exemplo, por métodos

determinísticos, no qual se determina as tensões atuantes e as dimensões da peça

necessárias à resistência mecânica (a adoção de fatores de segurança compensará os erros

de simplificação de modelos físico-matemáticos adotados e as variações das propriedades

dos materiais).

As solicitações dinâmicas e as considerações de resistência à corrosão em

determinados meios também são importantes.

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A análise da fratura da peça permite estudar e determinar as causas de sua falha em

serviço e os procedimentos de projeto mais correto para a sua prevenção.

O dimensionamento do produto condiciona a indicação dos materiais constituintes,

que por sua vez condiciona aquele, num processo iterativo de obtenção de um projeto

ótimo para o produto e para o processo de fabricação. Exemplos:

− Determinados materiais são mais resistentes, contudo são mais difíceis de serem

processados (as dimensões da peça afetam a seleção do material constituinte e o seu

processo de fabricação).

− Alguns processos somente permitem obter peças de pequenas dimensões ou tem

limitações quanto às tolerâncias dimensionais.

A quantidade de peças a serem fabricadas é outro fator que afeta o projeto do

processo de fabricação, pois determinados processos só se aplicam, economicamente, para

quantidades mínimas de fabricação.

A análise de valores de custo conduz à busca do projeto de produto e do processo de

fabricação que melhor atende os requisitos funcionais e as condições de menor custo de

fabricação.

Segundo FERRANTE (2002), dos diversos critérios de seleção de materiais, os mais

representativos são:

• Considerações dimensionais;

• Considerações de forma;

• Considerações de peso;

• Considerações de resistência mecânica;

• Resistência ao desgaste;

• Conhecimento das variáveis de operação;

• Facilidade de fabricação;

• Requisitos de durabilidade;

• Número de unidades;

• Disponibilidade de material;

• Custo;

• Existência de especificações e códigos;

• Viabilidade de reciclagem;

• Valor de sucata;

• Grau de normalização;

• Tipo de carregamento.

A resistência mecânica, por exemplo, trata-se de uma das propriedades mais

conhecidas e com maior número de oportunidades de escolha, em função da grande

quantidade de materiais disponíveis. Entretanto, a seleção em termos de resistência

mecânica pode ser um pouco complexa, pois em alguns casos há necessidade de combiná-

la com outras propriedades. Muitas vezes torna-se necessário sacrificar a resistência

mecânica em favor da tenacidade ou resistência à corrosão sob tensão. No caso, por

exemplo, de um produto que irá trabalhar em um ambiente cuja atmosfera é rica em

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amônia (NH3), a qual favorece a suscetibilidade do material à corrosão sob tensão;

diminuir a resistência mecânica pode ser benéfico nessas condições, mas tal solução

proposta provocará efeitos negativos imediatos, como o aumento da seção resistente da

estrutura com a conseqüente elevação de peso e volume, eventual dificuldade de fabricação

etc.

Outro exemplo refere-se à facilidade de fabricação. A seleção de materiais está

relacionada com os processos de fabricação (soldagem, fundição, forjamento etc.). Assim,

se os procedimentos de soldagem fazem parte da obtenção do produto, por exemplo, a

propriedade de soldabilidade das diversas ligas metálicas disponíveis deve ser considerada,

pois a menor ou maior dificuldade em ser soldada intervém na escolha de uma ou de outra

liga.

Também deve ser observado na seleção de um processo de fabricação, entre os

vários fatores disponíveis, qual deles é o mais adequado para a obtenção do produto e quais

os seus reflexos sobre as propriedades dos materiais e custos. Se dois processos forem

tecnicamente viáveis, deve-se levar em consideração, por exemplo, a influência de cada

um deles nas propriedades mecânicas de uma peça obtida. Também devem ser

considerados: o acabamento superficial e tolerância (para as peças fundidas em areia estes

itens são muito maiores do que para o forjamento em matriz fechada); a escala de produção

(o alto custo do material deve ser amortizado com um número de peças muito maior) e a

usinabilidade (para o forjamento em matriz fechada, o volume de material a ser retirado

por usinagem será bem pequeno).

FREIRE (1983) faz um resumo do que ele considera como sendo os principais

fatores que influenciam a seleção de um material industrial, a saber:

1- Condições de trabalho: Este fator compreende as solicitações mecânicas e o local de

trabalho do material. Exemplos: Uma peça que será submetida a esforço de tração,

deve ser constituída de material resistente a esse esforço. Uma bomba que transportará

ácido sulfúrico deve ser constituída de material que não seja atacado por esse ácido.

2- Disponibilidade do material: O material a ser selecionado deve ser disponível em

quantidade necessária e quando desejado (no caso de reposição de peças). Por esse

motivo, é aconselhável o uso de catálogos de fabricantes na seleção do material.

3- Custos: Este fator engloba tanto o custo do material bruto, como o do processo de

fabricação que será utilizado na confecção do produto.

4- Aparência: É importante somente quando o produto fabricado ficará exposto ao público,

pois nesse caso deverá ter um aspecto agradável (material de acabamento de

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eletrodomésticos, tampas de panela etc.). Quando o produto ficar escondido, o aspecto

deixa de ter importância, como no caso dos tirantes de sustentação de forro.

5- Adaptabilidade para os processos de fabricação: Se no local da produção existe um

processo de fabricação, deve-se selecionar para a constituição do produto um material

que se preste ao processo já instalado. Por exemplo: se no local já existe uma fundição,

deve-se optar por um material que tenha características que possibilitem a sua

utilização naquele processo, evitando-se assim, o aumento do custo final do produto

devido à instalação de um novo processo de fabricação.

6- Forma da peça: A forma da peça, em certos casos, condiciona o processo de fabricação,

influindo assim, indiretamente na escolha do material. Por exemplo: uma peça

complexa, com furos e protuberâncias, deve ser fabricada a partir de um processo de

fundição; já uma peça de forma simétrica pode ser confeccionada por usinagem;

portanto, opta-se por um material que se adapte a tais processos.

1.4 Classificação dos Materiais de Construção Mecânica

A maioria dos materiais de engenharia é classificada em quatro grupos principais:

metais, polímeros, cerâmicos e, mais recentemente, compósitos ou conjugados. Outros

dois grupos têm sido considerados importantes como materiais de engenharia

(CALLISTER, 2002), em função do grande desenvolvimento de suas aplicações nos

últimos anos: semicondutores e biomateriais. Os semicondutores se caracterizam por

possuírem propriedades elétricas intermediárias entre as dos condutores e as dos isolantes;

esses materiais possibilitaram o advento dos circuitos integrados, que revolucionaram as

indústrias de produtos eletrônicos e de computadores. Os biomateriais, por sua vez,

apresentam características específicas que permitem a sua utilização como componentes

implantados no interior do corpo humano, substituindo as partes doentes ou danificadas do

mesmo.

Os materiais metálicos (metais puros e ligas metálicas) ainda constituem o mais

importante grupo de materiais de construção mecânica; entretanto, grande

desenvolvimento tem ocorrido nos últimos anos no uso dos polímeros, cerâmicos e

compósitos.

Devido à grande participação na indústria das ligas metálicas que contém ferro em

suas composições, os materiais metálicos ainda podem ser subdivididos em materiais

ferrosos e materiais não-ferrosos.

Tanto os materiais metálicos como os não-metálicos serão estudados a partir dos

próximos capítulos.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS BRESCIANI FILHO, Ettore. Seleção de materiais metálicos. Campinas: Editora da UNICAMP, 1986. CALLISTER JR., Willian D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5.ed. Rio de janeiro: LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2002

FERRANTE, Maurizio. Seleção de materiais. 2.ed. São Carlos: Editora da UFSCar, 2002. FREIRE, J.M. Materiais de construção mecânica: Tecnologia mecânica. Rio de Janeiro: LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1989.