SMM SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA PROJETO MECÂNICO Ref.: Materials Selection for Materials Design Michael F. Ashby

SMM0333 - SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA

PROJETO MECÂNICO

Ref.: Materials Selection for Materials Design

Michael F. Ashby

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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

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• O produto é denominado de sistema técnico e consiste de sub-conjuntos e componentes, 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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DIFERENTES MATERIAIS SÃO UTILIZADOS EM UM MESMO EQUIPAMENTO, CADA UM COM UMA PROPRIEDADE ESPECÍFICA: SELEÇÃO!

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SUBCONJUNTO: TAMBOR E GANCHOS COMPONENTE: TAMBOR

COMPONENTE: GANCHO PRINCIPAL

COMPONENTE:

GANCHO SECUNDÁRIO COMPONENTE: MOTOR

ROTOR QUE É ACOPLADO À TURBINA - ITAIPU

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•A ideia de subconjuntos e componentes pode ser alterada para o conceito de

análise 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 converte

energia 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

GENH

AR

IA

DE

M

A

TERIAIS

Função, Material, Forma e Processo

• A seleção de materiais e processos não pode ser realizada separadamente da escolha da forma (macro e micro).

• Para dar a forma, o material é submetido a processos que podem coletivamente serem 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 assim saborear o vinho.

• ...com conveniência, baixo custo e sem contaminar o vinho...

(a) Tração; (b) cisalhamento trativo; (c) remover empurrando por baixo; (d) pulverizando; (e) quebrando a garrafa no pescoço.

(a) Um parafuso (b) laminas delgadas inseridas lateralmente; (c) uma agulha injeta gás para o interior.

Todos os dispositivos apresentados anteriormente podem ser descrito por uma Função-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 as exigências funcionais de cada componente do dispositivo, que podem ser expresso como:

(a) Um parafuso barato para transmitir carga a rolha;

(b) Uma alavanca leve para fazer o momento fletor necessário;

(c) Uma lamina delgada que não irá fletir quando empurrada entre a rolha e garrafa; (d) Uma agulha fina, rígida e resistente o

Conclusões

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• Projetar é um processo interativo;

• O ponto de inicio é a necessidade do mercado capturada em um

conjunto de exigências de projeto;

• Se as estimativas e as explorações iniciais das alternativas sugerem

que o conceito é viável, o projeto prossegue para o estágio de

personificação (concretização), com a seleção dos princípios de

operação, dimensionamento e estimativas iniciais do desempenho e

custo;

• Se estas se mostrarem um sucesso, o projetista procede para o

estagio de detalhamento do projeto, com a otimização do

desempenho,

completa

análise

dos

componentes

críticos,

preparação dos desenhos contendo detalhes, especificação das

tolerâncias, precisões, uniões, métodos de acabamento e assim por

diante.

CAP. 3: Materiais de Engenharia e suas Propriedades

• As Famílias dos materiais de engenharia

22 POLÍMEROS ELASTÔMEROS VIDROS CERÂMICOS METAIS COMPÓSITOS

• Cada material deve ser pensado possuir um

conjunto de atributos

: suas propriedades

• O material por si mesmo não é o que o

projetista deve procurar, mas

a combinação

destes atributos

: perfil de propriedades

• O nome do material é o identificador para um

perfil de propriedades.

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Sub-grupos dentro de cada família

FAMÍLIA 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/m

_];

– Preço, C

: [$/kg]

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; ) 2 1 ( 3 ; ) 1 ( 2 ; ) 3 / ( 1 3         G E k E k G G E

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Para a análise dos possíveis materiais, pode-se

lançar mão de um parâmetro de resistência, por

exemplo:

σ

. A resistência

σ

, necessita de uma

definição cuidadosa.

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

;

• Para os polímeros σ

é o ponto onde a curva

s-e torna-ss-e não lins-ear (aprox. 1%);

• Compósitos um valor de desvio da curva

elástica linear (0,5%), σ

significa a resistência à

tração.

σ

Critério de escoamento

onde β constante p/ o polímero e

Critério de escoamento

PROJETO

Tensão admissível é a tensão à qual a peça está submetida em sua aplicação. Normalmente, CS=2 ou mais!

DIMENSIONAMEN

TO DE EIXO

σ

_e

= S

_y

= limite de escoamento

CS = N

_f

= coeficiente de segurança

DIMENSIONAMENTO DE EIXO

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

σ

Propriedades Térmicas

Fluxo 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

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;

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 t_f).

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

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.

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.

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

Outro problema: Oxidação superficial causada

pela elevada temperatura

ÁGUA SUPER-CRÍTICA: ÁGUA EM ALTA TEMPERATURA E

PRESSÃO EM ESTADO “SIMILAR” AO PLASMA.

Conclusões

• 06 famílias de materiais são importantes para o

projeto mecânico;

• Dentro das famílias existem algumas afinidades,

como por exemplo cerâmicas são duras, frágeis e boa

resistência à corrosão; polímeros são leves, fáceis de

conformar e isoladores elétricos;

• No projeto devemos escapar das restrições das

famílias e pensar, ao contrário disso, no nome do

material como um identificador para um certo perfil

de propriedades.