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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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• 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).
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
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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
• 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.
Critério de escoamento
onde β constante p/ o polímero e
Critério de escoamento
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!
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]:
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
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
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
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).
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.
ÁGUA SUPER-CRÍTICA: ÁGUA EM ALTA TEMPERATURA E
PRESSÃO EM ESTADO “SIMILAR” AO PLASMA.
Profa. Dra. Rosa Ana Conte – DEMAR-EEL-USP
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.