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SMM0333 - SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA PROJETO MECÂNICO

Ref.: Materials Selection for Materials Design Michael F. Ashby

Prof. Dr. José Benedito Marcomini

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• O ponto de inicio é NECESSIDADE DO MERCADO ou UMA NOVA IDÉIA.

O ponto final é a ESPECIFICAÇÃO FINAL DO PRODUTO que preenche as

necessidades ou incorpora a ideia.

• Primeiramente precisa ser identificado a NECESSIDADE:

“uma invenção é necessária para desenvolver a tarefa X”,

expressada como um conjunto de necessidades de projeto.

• Entre a afirmação acima e a especificação do produto tem-se os estágios

apresentados abaixo:

Embodiment= Personificação,

concretização

CAP. 2: O Processo de Projetar

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Embodiment = concretização

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• O produto é denominado de sistema técnico e consiste de sub-conjuntos ecomponentes, que são colocados juntos de forma a cumprir a tarefa requerida;• Imagine uma ponte rolante (sistema) feito de uma viga central, duas colunas,um tambor, gancho primário e gancho secundário (sub-conjuntos) colunas(subconjuntos) com rodas, gradil (componentes).

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PONTE ROLANTE

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PÓRTICO

DIFERENTES MATERIAIS SÃO UTILIZADOS EM UM MESMO

EQUIPAMENTO, CADA UM COM UMA PROPRIEDADE ESPECÍFICA:

SELEÇÃO!

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SUBCONJUNTO: TAMBOR E GANCHOSCOMPONENTE: TAMBOR

COMPONENTE: GANCHO PRINCIPAL

COMPONENTE:

GANCHO SECUNDÁRIOCOMPONENTE: MOTOR

ROTOR QUE É ACOPLADO À TURBINA - ITAIPU

PONTE ROLANTE-CAP.1000TON-BARDELLA

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•A ideia de subconjuntos e componentes pode ser alterada para o conceito deanálise de sistemas, consistindo de entradas, fluxos e saídas;• O projeto converte as entradas em saídas, com o sistema dividido em sub-sistemas interligados, cada desenvolvendo uma função específica.

• Um motor elétrico converte energia elétrica em energia mecânica;Uma prensa conforma materiais; um alarme contra ladrão converteenergia elétrica em ruído.

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• O projeto progride pela análise das funções dos

subsistemas interligados na estrutura funcional: sistema

como um todo (a peça, o equipamento, o dispositivo);

• O projetista considera conceitos alternativos (materiais,

processos, etc) e como podem ser separados e combinados;

• O próximo estágio é a concretização (embodiment) onde os

conceitos promissores (possíveis materiais, possíveis

processos, etc) são considerados em nível aproximado

(dimensionamento, seleção de materiais avaliando as

implicações no desempenho e custos);

• Este estágio termina com um arranjo (lay out) possível

de execução, e então passa-se para o estágio de

detalhamento do projeto.

O processo de projetar torna-se a criação de caminhos,

que parte da necessidade de mercado e chega à

especificação do produto.

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DIVISÃO MAIS COMUM DA ENGENHARIA DE PROJETO

• ENGENHARIA DE PROJETOS (SIMULAÇÃO

COMPUTACIONAL-SELEÇÃO DO MATERIAL);

• ENGENHARIA DE DETALHAMENTO;

• ENGENHARIA DE MANUFATURA (PROCESSOS-

SIMULAÇÃO);

• ENGENHARIA DE PRODUTO;

• ENGENHARIA DE QUALIDADE (METROLOGIA,

LABORATÓRIO, INSPEÇÃO E NDT, SISTEMAS DE

QUALIDADE: ISO 9000, ISO TS 16949, ISO 14000,

OHSAS 18000, SA 8000) .EN

GE

NH

AR

IAD

EM

AT

ER

IAIS

Função, Material, Forma e Processo

• A seleção de materiais e processos não pode ser realizada separadamente daescolha da forma (macro e micro).• Para dar a forma, o material é submetido a processos que podem coletivamenteserem denominados de manufatura (fabricação), que incluem:

• Processo de conformação primária (fundição, e forjamento)• Processos de remoção de material (usinagem, furação)• Processos de acabamento (polimento)• Processos de união (soldagem

• Estes parâmetros interagem entre si.• A Função dita a escolha de ambos material e forma;

• O processo é influenciado pelo material

(conformabilidade, usinabilidade, soldabilidade,

susceptibilidade a tratamento térmico, etc....)

• O processo interage com a forma, o tamanho, a

precisão, e consequentemente, o custo.

• A especificação da forma restringe a escolha do

material e processo; mas igualmente, a especificação

do processo limita os materiais a ser usado e as formas

que eles podem ter.

• Quanto mais sofisticado o projeto, mais apertadas as

especificações e maior as interações

• A interação entre a função, material, forma e processo

está no cerne do processo de seleção do material.

Estudo de Caso

• Precisamos de um dispositivo para poder retirar a rolha da garrafa e assimsaborear o vinho.

• ...com conveniência, baixo custo e semcontaminar o vinho.....

(a) Tração; (b) cisalhamento trativo; (c)remover empurrando por baixo; (d)pulverizando; (e) quebrando a garrafa nopescoço.

(a) Um parafuso (b) laminasdelgadas inseridas lateralmente;(c) uma agulha injeta gás para ointerior.

Todos os dispositivos apresentados anteriormente podem ser descrito por umaFunção-Estrutura , como esquematizado na parte superior da figura

Linkage= acoplamento

Levered = alavanca

Geared = engrenagem

Esquemas relativos a concretização (embodiment) do conceito TRAÇÃO AXIAL

A personificação da figura, identifica asexigências funcionais de cada componentedo dispositivo, que podem ser expressocomo:

(a) Um parafuso barato para transmitir carga arolha;

(b) Uma alavanca leve para fazer o momentofletor necessário;

(c) Uma lamina delgada que não irá fletirquando empurrada entre a rolha e garrafa;

(d) Uma agulha fina, rígida e resistente osuficiente para penetrar na rolha.

Conclusões

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• Projetar é um processo interativo;• O ponto de inicio é a necessidade do mercado capturada em umconjunto de exigências de projeto;• Se as estimativas e as explorações iniciais das alternativas sugeremque o conceito é viável, o projeto prossegue para o estágio depersonificação (concretização), com a seleção dos princípios deoperação, dimensionamento e estimativas iniciais do desempenho ecusto;• Se estas se mostrarem um sucesso, o projetista procede para oestagio de detalhamento do projeto, com a otimização dodesempenho, completa análise dos componentes críticos,preparação dos desenhos contendo detalhes, especificação dastolerâncias, precisões, uniões, métodos de acabamento e assim pordiante.

CAP. 3: Materiais de Engenharia e suas Propriedades

• As Famílias dos materiais de engenharia

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POLÍMEROS

ELASTÔMEROS VIDROS

CERÂMICOS

METAIS

COMPÓSITOS

• Cada material deve ser pensado possuir umconjunto de atributos: suas propriedades

• O material por si mesmo não é o que oprojetista deve procurar, mas a combinaçãodestes atributos: perfil de propriedades

• O nome do material é o identificador para umperfil de propriedades.

• Propriedade dos Materiais

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Sub-grupos dentro de cada famíliaFAMÍLIA

CERÂMICOS

VIDROS

METAIS

POLÍMEROS

ELASTÓMEROS

COMPÓSITOS

CLASSE

…

AÇOS

LIGAS AL

LIGAS CU

LIGAS TI

LIGAS NI

LIGAS ZN

…

SUB-CLASSE

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

MEMBRO…

5005-O

5005-H4

5005-H6

5083-0

5083-H2

5083-H4

5154-0

5154-H2

ATRIBUTO

…

DENSIDADE

MÓDULO

RESISTÊNCIA

TENACIDADE

CONDUTIVI.-T

EXPANSÃO-T

RESISTIVIDADE

CUSTO

CORROSÃO

OXIDAÇÃO

As propriedades são padronizadas:

• Propriedades Gerais

– Densidade, r: massa/volume [kg/m3];

– Preço, Cm: [$/kg]

Densidade

Depende de: peso atômico, arranjo cristalino e (muito pouco) do

tamanho do átomo.

Átomos apresentam grande diferença em peso e pequena diferença

em tamanho.

U238 (átomo estável mais pesado) é 35x mais pesado que Li (átomo

mais leve) mas no estado sólido ambos possuem Ra = 0,32 nm.

Cs (o maior átomo) é 2,5x maior que o menor (Be).

Metais são densos ➠ átomos pesados e empacotamento denso.

Polímeros e cerâmicas não são densos ➠ átomos leves (C, H, Si, O e

N) e empacotamento pouco denso. WC é pesado porque W é pesado.

• Propriedades Mecânicas– Módulo Elástico: E; Módulo de cisalhamento, G; Módulo volumétrico:

k.

– Coeficiente de Poisson: n;

)21(3;

)1(2;

)3/(1

3

Ek

EG

kG

GE

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Para a análise dos possíveis materiais, pode-selançar mão de um parâmetro de resistência, porexemplo: σf . A resistência σf, necessita de umadefinição cuidadosa.

• Metais usa-se 0,2% de def. plast. como σy;

• Para os polímeros σf é o ponto onde a curva s-e torna-se não linear (aprox. 1%);

• Compósitos um valor de desvio da curva elástica linear (0,5%), σf significa a resistência à tração.

σf pode ser Lr, Le, módulo

de ruptura, etc.

Critério de escoamento


onde β constante p/ o polímero e


onde B e C constante p/ a cerâmica

PROJETO

Tensão admissível é a tensão à qual a peça está submetida em sua

aplicação. Normalmente, CS=2 ou mais!

DIMENSIONAMEN

TO DE EIXO

σe = Sy = limite de escoamento

CS = Nf = coeficiente de segurança

DIMENSIONAMENTO DE EIXO

DIMENSIONAMENTO DE EIXO

Sut = limite de resistência à tração

EESC – USP Prof.Dr. Cassius Terra Ruchert 39

Modulo de ruptura: quando o

material é difícil de ser preso na

maquina de ensaio (cerâmica)

Tensão de Resistência σR

Para materiais frágeis (cerâmica, vidros e

polímeros frágeis) σR = σf , para materiais

dúcteis como (metais, polímeros e

compósitos dúcteis) σR = σf x (1,1 - 3)

devido ao encruamento ou no caso de

compósitos, devido a transferencia do

esforço à fibra.

l

σf pode ser o módulo de

ruptura.

Propriedades TérmicasFluxo de calor, q [W/m2]:

Difusividade térmica, a [m2/s]:

Onde Cp é o calor específico [J/kg.K]

Condutividade térmica, l [W/m.K]:

Propriedades Elétricas

Propriedades: Óticas

Resistência ao meio

Prof.Dr. José Benedito Marcomini-LOM3050

MATERIAIS UTILIZADOS EM ALTA TEMPERATURA ESTÃO SUJEITOS À:

• REDUÇÃO DA RESISTÊNCIA MECÂNICA COM A TEMPERATURA;

• ALTERAÇÕES ESTRUTURAIS COM O TEMPO E TEMPERATURA;

• OCORRÊNCIA DE TENSÕES TÉRMICAS;

• OXIDAÇÃO;

• CORROSÃO;

• FLUÊNCIA.

Prof.Dr. José Benedito Marcomini-LOM3050

FLUÊNCIA

MATERIAIS UTILIZADOS EM ALTA TEMPERATURA DEVEM APRESENTAR

RESISTÊNCIA À FLUÊNCIA

FLUÊNCIA: Acúmulo lento e progressivo de deformação ao longo do

tempo, sob carga constante em altas temperaturas (para metais: acima de

0,4 tf).

Ex: Para o Alumínio, Tf = 660ºC+273K= 933K

933K x 0,4 = 373,2K – 273K = 100,2ºC

Ou seja, a faixa de temperatura a partir da qual o alumínio estará sujeito a

fluência inicia em 100,2ºC

FRATURA POR FLUÊNCIA

MECANISMOS- DEFORMAÇÃO/FRATURA POR

FLUÊNCIA

DESLIZAMENTO DE CONTORNOS DE GRÃO: CAVITAÇÃO

2ª LEI DE FICK

FRATURA INTERGRANULAR, QUE

OCORREU LENTAMENTE,

AO LONGO DO TEMPO, SOB TENSÕES

E TEMPERATURAS MODERADAS

SUPERFÍCIE DE FRATURA DE UM MATERIAL

EXPOSTO À FLUÊNCIA (CARGA EM ALTA

TEMPERATURA)

ASPECTO GERAL DA SUPERFÍCIE DE FRATURA

INTERGRANULAR a 500°C e 350 MPa

FRATURA DUTIL- AUMENTO

ACENTUADO DA

TEMPERATURA DE TRABALHO,

POR EXEMPLO, POR CORTE

ACIDENTAL DA ÁGUA

CIRCULANTE

As normas preveem redução na tensão máxima admissível em

projetos pelo efeito da fluência.

ENSAIO DE FLUÊNCIA

Coeficiente de proporcionalidade é inversamente proporcional a uma potência do

tamanho de grão. Note-se que neste caso quanto maior o tamanho de grão

mais resistente à deformação será o material.

Herring-Nabarro ou fluência de Coble

Parâmetro de Larson-Miller (LM)

Os componentes e equipamentos que trabalham a alta temperatura em usinas

térmicas ou nucleares, refinarias, industrias petroquímicas, etc, são

normalmente projetados para vidas sob fluência de cerca de 200.000 horas (22

anos e 10 meses). São necessárias, portanto, técnicas para a extrapolação

confiável de dados obtidos em ensaios de laboratório: Parâmetro de Larson-

Miller (LM).

FLUÊNCIA

POLICRISTAL OU MONOCRISTAL?

TAMANHO DE GRÃO GRANDE OU PEQUENO?

• Baixas temperaturas: Em geral grão pequeno melhor;

• Altas temperaturas: Em geral grão grande melhor;

• No exemplo ao lado, o caso “b” (fundição unidirecional) apresenta

tempo de ruptura 2,5X maior que o caso “a” (fundição

convencional), e 9X maior para lâminas monocristalinas.

Outro problema: Oxidação superficial causada

pela elevada temperatura

Profa. Dra. Rosa Ana Conte – DEMAR-EEL-USP

ÁGUA SUPER-CRÍTICA: ÁGUA EM ALTA TEMPERATURA E

PRESSÃO EM ESTADO “SIMILAR” AO PLASMA.


Conclusões

• 06 famílias de materiais são importantes para oprojeto mecânico;

• Dentro das famílias existem algumas afinidades,como por exemplo cerâmicas são duras, frágeis e boaresistência à corrosão; polímeros são leves, fáceis deconformar e isoladores elétricos;

• No projeto devemos escapar das restrições dasfamílias e pensar, ao contrário disso, no nome domaterial como um identificador para um certo perfilde propriedades.

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