Seleção de Materiais_Trabalho

7/26/2019 Seleo de Materiais_Trabalho

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Universidade Estadual Paulista- UNESP

Faculdade de Engenharia de Bauru

Departamento de Engenharia Civil

Disciplina Materiais

Prof. Dr. Adilson Renfio

Grupo 8 - Seleo de Materiais

Grupo:

Edmar 412881

Evelyn 612634

Rita 412805

Rubens 517828

Suzy 518174

Thiago Cabral 412821


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ndice

Resumo Pg. 03

1.Introduo Pg. 04

2.Elaborao da SM Pg. 05

3.Diferentes Requisitos Pg. 06

4.ndice de Mrito Pg. 07

5.Mapas de Propriedades- Diagrama de Seleo de Materiais Pg. 11

6.Viso Macroscpica e Microscpica Pg. 13

7.Matrizes de Deciso Pg. 15

8.Consideraes Finais Pg. 16

9.Referncias Pg. 16

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Resumo

Uma atividade das mais importantes para o engenheiro de materiais e tambm para

profissionais de outras especialidades tecnolgicas a seleo de materiais (SM). Neste

trabalho se apresenta os principais requisitos de seleo e as diferentes situaes nas quais

se exerce a SM. Em seguida discutiremos a aplicao das vises "macroscpica" e

"microscpica", a primeira necessria nos estgios iniciais do processo, para que nenhuma

oportunidade de seleo seja perdida, e a segunda mais adequada ao detalhamento final,

aps aplicao das restries pertinentes. Segue a apresentao do conceito de ndice demrito (IM) e a metodologia para sua deduo. O IM uma frmula algbrica que no

contexto de determinado requisito identifica as variveis importantes e suas relaes

funcionais. Por fim discute-se a metodologia de formalizao dos procedimentos de SM

atravs de matrizes de deciso.

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1. Introduo

A Seleo de Material (SM) uma das atividades mais importantes que pode ser destinada

a um Engenheiro de Produo dentro da elaborao de um projeto. complexa, que exige

do profissional responsvel uma gama de conhecimento e a necessidade de parcerias de

profissionais de outras reas, tais como, por exemplo, Engenharia Mecnica e Matrias

entre outras. Decises inadequadas ou inapropriadas podem ser desastrosas , tanto do ponto

de vista econmico como de ponto de vista de segurana.

Para um cientista de materiais ou para um Engenheiro de materiais, o projeto pode ser

considerado segundo vrios contextos. Em primeiro lugar, pode significar o projeto de

novos materiais que possuam combinaes nicas de suas propriedades. Sob outro aspecto,

projeto pode envolver a seleo de um novo material que possua uma melhor combinao

de caractersticas para uma aplicao especfica: a escolha de um material no pode ser

feita sem levar em considerao os processos de fabricao exigidos (por exemplo,

conformao, solda, etc), os quais tambm dependem das propriedades de uma material que

possua melhores propriedades.

Para uma dada aplicao do futuro projeto onde a seleo de um material apresente uma

propriedade ou uma combinao de propriedade que seja desejvel ou tima, os elementos

desse processo de seleo envolvem a deciso dos limites e das restries do problema e, a

partir desses limites, o estabelecimento de critrios que possam ser utilizados na SM para a

maximizao do desempenho destes.

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2. Elaborao de SM

Figura 1. Fluxograma das etapas para se chegar a um produto final.

O fluxograma acima refora a idia de que a SM, para ser bem elaborada, depende dediversas etapas, desde o incio ao fim do processo, e cada uma dessas etapas depende de

informaes diferentes.

Para a realizao de um projeto necessria uma anlise mercadolgica levantando dados,

a partir do ambiente de implementao do projeto, avaliando os requisitos de mercado.

Estes dados fornecero estatsticas que sero referncias para a formao e composio do

custo provvel (manufatura, material, manuteno, etc). Ainda, do conhecimento das

demandas ambientais depende o estabelecimento da expectativa de vida do produto, seu

desempenho, os requisitos de manuteno e as condies de operao. Por exemplo,

determinado ambiente industrial pode incentivar a corroso sob tenso, o que deve ser

levado em conta na anlise de tenses e no dimensionamento. Em resumo a Figura 1 mostra

os passos necessrios para produzir determinado produto e ressalta quatro consideraes

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principais: (1) a funo o que o objeto deve fazer; (2) em que ambiente dever operar; (3)

por quanto tempo, e (4) qual o custo da soluo encontrada e como este se compara com as

expectativas

3. Diferentes necessidades de SM

Na esteira do desenvolvimento tecnolgico, a seleo de material tem contribudo para

indicar as direes dos vetores tecnolgicos e econmicos dos projetos de engenharia. A

engenharia moderna freqentemente defronta-se com a necessidade de substituir o materialempregado na fabricao de um produto, por outro que atenda a novas exigncias de

projeto ou da sociedade. A exigncias da sociedade neste fim de sculo tm tido como

principais acionadores aspectos como: necessidade de se reduzir consumo de energia e

preservar a vida e o meio ambiente.

Afim de atender a estas demandas a engenharia deve colocar em prtica mecanismos que

permitam prever a eficcia e a durabilidade das solues encontradas para a fabricao de

um determinado produto. Isto requer o desenvolvimento de parmetros especficos que

permitam quantificar a eficcia da escolha de um determinado material para a fabricao de

um produto e permita ao engenheiro conhecer, de maneira rpida todo o universo de

materiais que possam atender sua demanda e escolher dentro deste universo aquele que

melhor se adeque soluo buscada.

As atividades de SM podem ser executadas tendo mltiplos objetivos em mente, cada um

caracterizado por um ou mais requisitos especficos. A lista a seguir fornece alguns

exemplos:

Reduo de custo: as estratgias podem incluir troca do material de construo, por

exemplo polmeros substituindo aos na indstria automotiva. Um exemplo o

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conjunto de pedais em nylon reforado com fibra de vidro, utilizado em um

automvel FIAT, que pesa 2,7 kg (cerca de metade do conjunto original em ao) e

custa cerca de 20% menos.

Novas condies de servio: exemplificadas por aumento de presso e temperatura

em um equipamento de processo na indstria qumica.

Materiais versusprocesso. H casos em que necessrio proceder a substituio de

materiais para permitir a adoo de um processo de fabricao mais econmico.

Reduo de peso: este um requisito universal para qualquer produto que seja

mvel. A indstria automotiva especialmente sensvel a este aspecto, que como

mostra a Figura 2, est fortemente relacionado com o consumo de combustvel. A

Tabela I associa materiais a economia de peso na indstria automotiva. Os dados

so fornecidos em termos de igual rigidez e resistncia, isto , j incluem diferenasde seo causadas pelos diferentes valores do mdulo de elasticidade (E) e tenso

de escoamento (y). Da figura e da tabela fica claro que substituio de materiais

tem enorme potencial para reduo de massa.

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.Figura 2. Efeito da massa do automvel no consumo de combustvel.

Tabela I. Economia de Massa (em %) Obtida Pela Substituio do Ao Baixo Carbono por

Diferentes Materiais, em Partes do Automvel Construdas por Chapas Finas

Material Igual rigidez Igual resistncia

Ao Base Base

Ao microligado 0 18

Alumnio 52 50

PRFV 38 25

PRFC 48 60

Novos materiais: h casos em que adoo de um novo material leva ao reprojeto

completo do produto ou componente. Um exemplo a substituio de ms

permanentes de ferrita por ms baseados em Terras Raras. . A Figura 3-amostra a

curva de desmagnetizao para ms permanentes de ferrita, de SmCo5e de NdFeB,

que tem produtos de energia BHmaxda ordem de 3, 20 e 35 MGOe. As dimenses

dos ms diminuem sensivelmente com BHmaxcontribuindo assim para aminiaturizao do dispositivo, motor ou alto-falante que seja. Mas como a Figura

3-bmostra h outras conseqncias: para motores eltricos de alta potncia a

seleo de ms de Nd-Fe-B implica em total mudana de projeto, com os ms

sendo alojados no rotor ao invs de no estator .

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(a) (b)

Figura 3. Em (a) tem-se curvas de magnetizao de ms de ferrita, de SmCo5e de Nd-Fe-B. Em (b) so comparados circuitos esquemticos de motores e alto-falantes construdos

com ms desses materiais.

4. ndice de Mrito

Para buscar solues o engenheiro necessita lanar mo de bancos de dados com

informaes que atendam o problema especfico de seu projeto, e de um modelo que

permita julgar o desempenho dos diversos materiais para funo especfica desejada. O

conceito importante neste caso o dendice de Mrito(ou ndice de desempenho) que rege

a aplicao buscada.

Ondice de Mrito (IM) uma frmula algbrica que expressa um compromisso entre duas

caractersticas ou propriedades. Em sua forma mais simples um IM geralmente uma

frao, tendo no numerador a propriedade que se quer maximizar e no denominador a que

se deseja minimizar. Desta forma, o material que fornecer o maior valor o mais

adequado.

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Para se deduzir o IM devem ser seguidas algumas etapas:

Estabelecimento da funo do produto ou componente- normalmente realizada

por simples inspeo do objeto. Por exemplo, uma viga deve resistir a foras de

flexo; um m exerce uma fora de atrao ou repulso; uma p de ventiladorproduz um fluxo de ar; um capacitor deve armazenar uma dada quantidade de

energia, etc.

Estabelecimento do objetivo principal- expressa o requisito imposto quela etapa

de seleo. Assim, para os exemplos dados acima, podemos ter:

Barra Minimizao de massa

Capacitor, m Minimizao de volume

Ventilador Maximizao da vazo de ar

Cada um desses objetivos pode ser expresso por uma equao

Identificao da restrio- identificada com o desempenho e com a propriedade

que o controla, no contexto do objetivo desejado. Se Expressa por uma equao cuja

forma determinada pela funo do produto em estudo.

Analisando um estudo de caso:

O conceito do ndice de mrito (IM) pode ser melhor compreendido atravs de um

modelo de produto que deva atender a uma funo simples. o caso do projeto do um

tirante que deve resistir a uma fora de trao sem falhar por escoamento plstico, e que

seja leve (figura 4).

A deciso de projetar um tirante leve implica em minimizar a massamdo material a ser

empregado em sua fabricao. A massa dada por:

m =A.l. (1)

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Figura 4. Representao de um tirante submetido um carregamento trativo de uma fora

F; A a rea da seo transversal resistente do tirante.

OndeA a rea da seo transversal do tirante, lo comprimento do tirante e a densidade

do material do qual ele feito. O comprimento ldo tirante e a carga Fso especificados

pelo projeto e no podem ser modificados. O raio do tiranter livre e vai determinar a

seo resistente do tirante. A seo deve ser suficiente para suportar a carga Fde modo que

(2)

Onde f a tenso de falha do material, e Sf, o fator de segurana. EliminandoAdas das

equaes (1) e (2) tem-se que

(3)Pode-se notar que a equao (3) fornece uma expresso na qual, o lado direito tem um

primeiro grupo de variveis que caracterizam os parmetros (os requerimentos) funcionais

do projeto, que so a carga e o fator de segurana; um segundo grupo de parmetros

especificam a geometria do projeto, que o comprimento do tirante; o terceiro grupo de

parmetros define as propriedades do material. A melhor soluo para o projeto de um

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tirante leve aquela que prope um material com menor valor de (/sf). Para uma melhor

adequao usa-se o conceito deIM que exatamente o inverso dessa razo, assim, aquele

que possui o mximo valor deM uma material que possui alto nvel de desempenho.

(4)

M denominado ndice de desempenho para o tirante.

5. Mapas de Propriedades Diagrama de Seleo de Materiais

O Mapa de Propriedades um espao bi-dimensional que permite conhecer o

comportamento de todas as classes de materiais, com respeito a uma propriedade ou umacombinao de propriedades. Com seu auxlio, possvel comparar o desempenho de todas

as classes de materiais para uma dada aplicao, tornando a seleo de materiais mais

eficiente e abrangente.

Figura 5. Um exemplo dos Mapas de Propriedades o mapa mdulo de Young versusdensidade pode ser utilizado em processos de seleo objetivando minimizao de massa

em projetos regidos por elasticidade

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Considerando a aplicao do tirante leve, o mapa de propriedades de interesse gerado em

um espao limite de escoamento, f, versus densidade,. Este mapa mostrado na figura 3

em escalas log-log. Para utilizao do mapa de propriedades (a luz do critrio estabelecido

no modelo), aplica-se logartmo em ambos os lados da equao (4). Deste modo tem-se:

(5)

A equao (5) representa uma reta de coeficiente angular igual a 1 que pode ser traada

sobre o mapa. Diferentes valores de M representam diferentes retas sobre o mapa. Os

materiais cujas envoltrias so cortadas pela reta que corresponde a um valor de M tm o

mesmo valor doIM. Em princpio, atendero da mesma maneira ao critrio estabelecido

pelo modelo. No mapa so indicados alguns materiais que seriam aprovados pelo critrio de

ndice de mritoM = sf/ = 85. So aqueles que so cortados ou se situam acima da reta

M=85.

Figura 6. Mapa de propriedades limite de escoamento versus densidade, apropriado

para a seleo de materiais para um tirante leve.

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Outros critrios sero usados em etapas mais avanadas do projeto, como o processo de

fabricao e o custo dos materiais. Estes critrios devero reduzir a escolha dos materiais

at chegar-se a um nico material selecionado.

O custo do material uma outra considerao importante no processo de seleo. Em

situaes de engenharia na vida real, o aspecto econmico da aplicao com freqncia a

questo preponderante, e ir normalmente ditar qual material ser selecionado. Uma

maneira de determinar o custo do material atravs do produto do preo do material (com

base em uma massa unitria) pela massa de material necessria. Dessa forma, quando o

fator econmico levado em considerao, existe uma alterao significativa dentro do

esquema de classificao dos materiais.

Ao decidir em relao ao melhor material, pode ser interessante construir uma tabela

empregando os resultados dos vrios critrios que foram usados. A tabulao incluiria, para

todos os materiais candidatos, o ndice de desempenho, custos, etc., de acordo com cada

critrio, assim como comentrios referentes a quaisquer outras consideraes importantes.

Essa tabela coloca em perspectiva as questes que so realmente importantes e facilita o

processo final de tomada de deciso.

6. Viso Macroscpica e Microscpica

O processo de seleo pode ser esquematizado como a Figura 4. Inicialmente existe uma

gama de opes de materiais que possivelmente podem ser adaptados a um projeto de modoa no perder nenhuma oportunidade razovel. Mas conforme a aplicao de sucessivas

restries transforma essa abordagem inicial em uma mais detalhada e seletiva medida

que o processo se move para a direita da figura, o que d a forma de um funil. Pode-se dizer

que o processo de seleo inicia com uma abordagem macroscpica e termina com uma

abordagem microscpica.

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Figura 7. O afunilamento de um tpico procedimento de seleo de materiais e alguns

critrios de deciso ao longo do evento.

7. Matrizes de Deciso

O fato de os procedimentos de seleo normalmente inclurem vrios requisitos e a

existncia de correlaes inversas entre as propriedades dos materiais, geram situaes de

conflito.

As matrizes de deciso contm os materiais candidatos, os requisitos, as propriedades dos

materiais (inclusive custo) e os fatores de proporcionalidade ou pesos. Esses constituem o

aspecto mais importante das matrizes e o que apresenta maiores dificuldades em sua

determinao. a representao numrica da importncia relativa dos critrios e sua

determinao depende de conhecimentos de diversas naturezas:

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Mercadolgico custo (funo do nicho do mercado); escala de produo (tamanho do

mercado consumidor); durabilidade, esttica, etc.

Tcnico deve-se conhecer o efeito das propriedades mecnicas e fsicas no contexto das

condies de operao: ex. o valor da tenacidade para um componente esttico e para um

componente dinmico ter pesos diferentes.

Industriais e corporativos disponibilidade de insumos primrios ou de matrias primas;

existncia de normalizao, reciclabilidade, impacto ambiental.

8. Consideraes Finais

SM uma atividade que atravessa um grande nmero de reas da engenharia e que,

tambm, relaciona-se com disciplinas no-tcnicas como marketing.

Para selecionar os materiais alguns dados devem ser recolhidos e procedimentos devem ser

adotados, de forma que o produto atenda aos requisitos do mercado e seja vivel ao

ambiente.

Deve-se dar grande importncia no apenas ao material e suas caractersticas fsicas

macroscpicas, como tambm a propriedades advindas de caractersticas microscopias e ao

processo ao qual o material deve ser submetido, pois este pode ser uma restrio de suma

importncia dentro do projeto.

Por fim, importante realar que, na prtica, vrios requisitos devem ser obedecidos ao

mesmo tempo, o que conduz a situaes pouco claras. importante ento sistematizar os

procedimentos de SM via o uso de matrizes de deciso.

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9. Referncias

Callister, W. D. Jr.Cincia e Engenharia De Materiais - Uma Introduo,5Edio, Ltc

Editora, 2002

Ashby, M. F. Materials Selection in Mechanical Design, Pergamon Press. Oxford, 1992

ASMHandbook, Vol. 20., Materials selection and Design, ASM International, Materials

Park, OH, 1997.

Ashby, M.F, and D. R. H. Jones, Engineering Materials 1, An Introduction to Their

Properties and Applications, 2ndedition. Pergamon Press, Oxford, 1996

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