CENTRO UNIVERSITÁRIO DE VOLTA REDONDA
PRO-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO
PROGRAMA DE MESTRADO PROFISSIONAL EM MATERIAIS
RICARDO ABREU LIMA DE SOUZA
SOFTWARE EDUCATIVO DE SELEÇÃO DE MATERIAIS PELO
MÉTODO ASHBY
VOLTA REDONDA 2015
CENTRO UNIVERSITÁRIO DE VOLTA REDONDA PRO-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO PROGRAMA DE MESTRADO PROFISSIONAL EM MATERIAIS
SOFTWARE EDUCATIVO DE SELEÇÃO DE MATERIAIS PELO
MÉTODO ASHBY
Dissertação apresentada ao Mestrado Profissional em Materiais do Centro Universitário de Volta Redonda – UniFOA, como requisito obrigatório para obtenção do título de Mestre em Materiais, sob a orientação do Prof. Dr. Alexandre Alvarenga Palmeira, na área de concentração de processamento e caracterização de materiais metálicos, linha de pesquisa em materiais metálicos.
Aluno:
Ricardo Abreu Lima de Souza
Orientador:
Prof. Dr. Alexandre Alvarenga Palmeira
VOLTA REDONDA 2015
Dedico este trabalho a Deus e a minha família que muito me apoiou e me Incentivou a realizá-lo.
Agradeço a Deus por mais uma etapa vencida, a meus pais Jorge e Neide por terem me dado a educação e toda a base de vida que tenho hoje e principalmente por sempre me incentivarem e mostrarem a importância dos estudos e da educação em nossas vidas, a meu filho Matheus meu presente de Deus e meu maior motivo por lutar todos os dias, a meus irmãos Carlos Eduardo, Guilherme e Júnior que sempre me aconselharam e me apoiaram em minhas decisões. A todos parentes e amigos, que direta ou indiretamente me apoiaram e motivaram para o sucesso.
Ao Professor Alexandre Palmeira, que sempre me deu todo o suporte necessário para o desenvolvimento/conclusão do trabalho, sendo
MÉTODO ASHBY. 2015. 188f. Dissertação (Mestrado Profissional em Materiais) – Fundação Oswaldo Aranha do Campus Três Poços, Centro Universitário de Volta Redonda, Volta Redonda.
RESUMO
O objetivo deste trabalho é fazer uma introdução ao mundo da seleção de materiais para elaboração de um projeto mecânico por meio de um roteiro que foca na apresentação dos materiais metálicos descrevendo seus tipos, estruturas microscópicas e cristalinas, os defeitos existentes, e também numa visão macroscópica as ligas metálicas e outros materiais que possuem diversas propriedades que devem sempre levadas em consideração num projeto. A partir desse ponto, comenta-se sobre como é feita, de um modo teórico, a seleção de materiais, os fatores que influenciam, bem como os critérios a serem considerados, as normatizações técnicas e especificações. Descrevem-se, também, os métodos de análise e apoio a decisão que envolve a Escola Americana e Francesa para a Seleção de Materiais (SM), com suas respectivas vantagens e desvantagens. Em seguida à explanação de como a seleção de materiais funciona, este estudo se embrenhou na metodologia de Ashby, por ser uma das técnicas de índice de mérito para avaliação das condições estipuladas pelo projeto mais aplicadas na área da engenharia. Por fim, o método de Ashby foi sintetizado mediante à criação de um programa computacional de intuito educacional que possui interface simples para o usuário, através do software de desenvolvimento de algoritmos MatLab (R2008a), que possibilitou reproduzir algumas situações que exemplificam como é feita a SM e os resultados serão comentados, demonstrando que o método é útil dentro do disponível.
MÉTODO ASHBY. 2015. 188f. Dissertação (Mestrado Profissional em Materiais) – Fundação Oswaldo Aranha do Campus Três Poços, Centro Universitário de Volta Redonda, Volta Redonda.
ABSTRACT
This paper is an introduction to the world of selection of materials for the preparation of a mechanical design using a script that focuses on the presentation of metallic materials describing their types, and microscopic crystalline structures, existing defects, and also in a macroscopic view metal alloys and other materials that have many properties that are always taken into consideration in a project. From that point we will be able to review how it's done in a theoretical manner the selection of materials, the factors influencing the criteria to be considered, the technical norms and specifications. Also present the methods of analysis and decision support involving American and French school for the SM and its advantages and disadvantages. After general understanding of how the selection of materials works went deep into one of the most famous and methodologies for SM, the Ashby methodology that can describe with its various properties diagrams of over 50 million available materials and uses the index technique merit to assess the conditions stipulated by the project. At the end we will synthesize Ashby method in creating a computer program for educational purpose and simple user interface, through the Matlab algorithms software development (R2008a) to play some situations example of how you made the SM and the results will be Reviewed, demonstrating that the method is useful within available.
1. INTRODUÇÃO ... 19
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 21
2.1 O PROCESSO DE PROJETAR ... 21
2.2. CLASSIFICAÇÃO DE PROJETOS DE DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOS ... 23
2.2.1 Ferramentas de Projeto e Dados de Materiais ... 26
2.2.2 Material, Função, Forma e Processos De Fabricação. ... 30
2.2.3 Tratamentos Térmicos e Superficiais ... 35
2.3 MATERIAIS E SUAS PROPRIEDADES ... 40
2.3.1 Família de Materiais em Engenharia ... 43
2.3.2 Materiais de Projeto: Informações Gerais ... 49
2.3.3 Propriedades a suas Unidades de uma Forma Geral ... 50
2.4 OS MATERIAIS METÁLICOS ... 65
2.4.1 Metálicos Ferrosos ... 66
2.4.2 Metálicos não Ferrosos ... 67
2.4.3 Ligas Metálicas ... 68
2.4.4 Estrutura Cristalina dos Materiais Metálicos ... 71
2.4.4.1 Principais Tipos de Defeitos Cristalinos ... 76
2.4.4.2 Defeitos Puntiformes ... 76
2.4.4.3 Lineares ... 77
2.4.4.4 Bidimensionais ... 78
2.5 A SELEÇÃO DE MATERIAIS ... 79
2.5.1 Fatores que Influenciam na SM ... 80
2.5.2 Critérios a Serem Considerados na SM ... 81
2.5.5 Normalização Técnica ... 86
2.6 MÉTODOS DE SELEÇÃO DE MATERIAIS ... 87
2.6.1 Conceito sobre os Metódos de Análise e Apoio à Decisão ... 88
2.6.1.1 Métodos da Escola Americana ... 88
2.6.1.2 Métodos da Escola Francesa ou Europeia ... 90
2.6.2 Vantagens e Desvantagens ... 91
2.7 A METODOLOGIA DE ASHBY ... 92
2.7.1 Diagramas de Propriedades de Materiais... 93
2.7.2 A Estratégia de Seleção ... 95
2.7.3 ÍNDICES DE MÉRITO ... 98
2.7.4 Seleção Com Múltiplas Restrições ... 105
3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 106
3.1 ELABORAÇÃO DA TELA PRINCIPAL ... 107
3.2 ELABORAÇÃO DA TELA ENTRADA DE DADOS ... 108
3.3 ELABORAÇÃO DA TELA CALCULA ÍNDICE DE MÉRITO ... 109
4. SISTEMAS E SOFTWARE ... 112
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO: DESENVOLVIMENTO DA FERRAMENTA EDUCACIONAL ... 116
5.1 O MATLAB PARA ELABORAÇÃO DO SOFTWARE ... 116
5.2 DETALHAMENTO DAS TELAS DE INTERFACE DO PROGRAMA ... 117
5.2.1 Elaboração da Tela Principal ... 118
5.2.2 Elaboração da Tela Entrada de Dados ... 119
5.2.3 Tela do Diagrama de Ashby ... 121
5.3 APLICANDO E VALIDANDO A FERRAMENTA EDUCACIONAL: ESTUDO DE CASO ... 122
5.3.1 Revestimento do Suporte de Cabide ... 122
5.3.2.1. Critérios de Seleção ... 128
5.3.3 Vaso de Pressão Seguro ... 133
5.3.3.1. Critérios de Seleção ... 134
6. CONCLUSÃO ... 138
7. TRABALHOS FUTUROS ... 140
Quadro 1 – Classes de propriedade ... 43
Quadro 2 – Propriedades de materiais básicas que limitam o projeto, e suas unidades SI usuais ... 51
Quadro 3 – Caracterização de Propriedades Quanto ao Índice de Avaliação. ... 83
Quadro 4 – Função, restrições, objetivos e variáveis livres. ... 97
Quadro 5 – Índice de mérito para projeto limitado por rigidez com massa mínima . 100 Quadro 6 – Índice de mérito para projeto limitado por resistência com massa mínima ... 101
Quadro 7 – Índice de mérito para projeto limitado por resistência: molas e dobradiças. ... 102
Quadro 8 – Índice de mérito para projeto limitado por vibrações ... 102
Quadro 9 – Índice de mérito para projeto tolerante a dano. ... 103
Quadro 10 – Índice de mérito para projeto eletromecânico... 103
Tabela 1: Relação entre estrutura do metal e tratamento térmico adequado. ... 36
Tabela 2: Dureza de aços recozidos, normalizados e temperados. ... 38
Tabela 3: Os metais leves. ... 71
Tabela 4: Estruturas cristalinas de metais puros em temperatura ambiente. ... 73
Tabela 5: Resultado ordenado por índice de mérito. ... 127
Tabela 6: Resultado ordenado por índice de mérito. ... 132
Tabela 7: Resultado ordenado por índice de mérito ... 137
Tabela 8: Propriedades de Resistência de Materiais Selecionados. Fonte: (COLLINS, 2005) ... 145
Tabela 9: Razões Resistência / Peso para Materiais Selecionados. Fonte: (COLLINS, 2005). ... 146
Tabela 10: Níveis de Tensões de Ruptura (psi) Correspondentes a Vários Tempos e Temperaturas de Ruptura para Materiais Selecionados. Fonte: (COLLINS, 2005). 147 Tabela 11: Coeficientes de Expansão Térmica para Materiais Selecionados. Fonte: (COLLINS, 2005). ... 148
Tabela 12: Propriedades de Rigidez de Materiais Selecionados. Fonte: (COLLINS, 2005). ... 149
Tabela 13: Ductilidade de Materiais Selecionados. Fonte: (COLLINS, 2005) ... 150
Tabela 14: Módulo de Resiliência R para Materiais Selecionados sob Carregamento Trativo. Fonte:(COLLINS, 2005). ... 151
Tabela 15: Número de Mérito de Tenacidade T para Materiais Selecionados sob Carregamento Trativo. Fonte:(COLLINS, 2005). ... 151
Tabela 16: Dureza de Materiais Selecionados. Fonte: (COLLINS, 2005). ... 152
Tabela 17: Custo Aproximado para Materiais Selecionados. Fonte: (COLLINS, 2005). ... 152
Tabela 18: Usinabilidade Relativa para Materiais Selecionados. Fonte: (COLLINS, 2005). ... 153
Tabela 19: Faixas de Condutividade Térmica para Materiais Selecionados. Fonte: (COLLINS, 2005). ... 154
LISTA DE SIGLAS
AHP: Analitic Hierarquic Process CFC: Cúbica de Face Centrada CCC: Cúbica de Corpo Centrado CCC: Cúbica de Corpo Centrado
ELECTRE: Elimination and Choice Translating Reality HC: Hexagonal Compacta
GUI: Graphical User Interface
MACBETH: Measuring Attractiveness by a Categorical based Evaluation Technique MAUT: MutiattributeUtilityTheory
MCDA: Multiple Criteria Decision Aid
PDP: Processo de Desenvolvimento de Produtos SM: Seleção de Materiais PROMÉTHEÉ: Preference Ranking Method for Enrichment Evaluation QFD: Quality Function Deployment
SAW: Simple Additive Weighting
SMARTER: Simple Multiattribute Rating Technique using Exploiting Rankings SMART: Simple Multiattribute Rate Technique
SMARTS: Simple Multiattribute Rate Technique Using Swing Weights TODIM: Tomada de Decisão Interativa Multicritério
TOPSIS: Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution UNIFOA: Centro Universitário de Volta Redonda
Figura 1: Fluxograma geral da metodologia de projeto. ... 23
Figura 2: Tipos de projeto de desenvolvimento de produtos baseados na inovação. ... 25
Figura 3: Processo de desenvolvimento de Produto. ... 28
Figura 4: A interação entre função, material, forma e processo. ... 31
Figura 5: Exemplo do processo de fundição ... 33
Figura 6: Exemplo dos processos de conformação ... 33
Figura 7: Exemplo de usinagem mecânica. ... 34
Figura 8: Processo de união por soldagem. ... 34
Figura 9: Exemplo de processos de acabamento. ... 35
Figura 10: Efeito de diferentes tratamentos térmicos nas propriedades mecânicas de um aço AISI 1040. ... 35
Figura 11: Diagrama Ferro Carbono, Fe-C. ... 36
Figura 12: Navio com fratura abrupta devido à fragilização do material. ... 41
Figura 13: Localização dos inícios das trincas após estudos dos engenheiros. ... 42
Figura 14: As famílias básicas de metais, cerâmicas, vidros, polímeros, elastômeros e híbridos. ... 44
Figura 15: Exemplo de metais. ... 45
Figura 16: Exemplo do material cerâmico. ... 45
Figura 17: Exemplo do material Vidro. ... 46
Figura 18: Exemplo de materiais poliméricos. ... 47
Figura 19: Exemplo de materiais elastômeros. ... 48
Figura 20: Exemplo de material híbrido. ... 48
Figura 21: Amostra do catálogo de barras e perfis da Gerdau com as informações categorizadas e organizadas de acordo com a aplicação do produto. ... 50
Figura 22: Curva Tensão x Deformação para o módulo de Young. ... 52
Figura 23: Curva Cisalhamento X Deformação angular de cisalhamento. ... 52
Figura 24: Acidente com vaso de pressão. ... 53
Figura 25: Curva Tensão X Deformação para Polímeros. ... 53
Figura 26: Curva Tensão X Deformação para materiais cerâmicos. ... 54
Figura 27: Módulo de ruptura MOR para o caso de flexão. ... 55
Figura 30: Exemplo de carregamento Alternado. ... 57
Figura 31: Exemplo de carregamento flutuante. ... 58
Figura 32: Exemplo de carregamento irregular. ... 58
Figura 33: Escalas comparativas dos valores para vários métodos de durezas e aplicações recomendáveis para diversos materiais. ... 59
Figura 34: Modos básicos de deslocamento da superfície da trinca para materiais isotrópicos. ... 60
Figura 35: Capacidade térmica - a energia para elevar em 1°C a temperatura de 1kg de material. ... 61
Figura 36: Condutividade térmica. ... 62
Figura 37: Coeficiente de expansão térmica linear α mede a mudança no comprimento, por unidade comprimento, quando a amostra é aquecida. ... 62
Figura 38: Resistividade elétrica. ... 63
Figura 39: Constante Dielétrica - mede a capacidade de polarização de um isolante. ... 64
Figura 40: Exemplo de refração em dois sólidos de metal com densidades diferentes. ... 65
Figura 41: Fluxo de origem dos materiais. ... 66
Figura 42: Estruturas de solução sólida. ... 69
Figura 43: Estruturas cristalinas. ... 74
Figura 44: Representação do processo de cristalização de um metal. ... 75
Figura 45: Reticulados cristalinos Bravais. ... 75
Figura 46: Representação bidimensional de um sólido cristalino contendo os defeitos intersticial (sefl interstitial), intersticial de átomo impuro (interstitial impurity atom), lacuna (vacancy) e substitucional (Substitutional). ... 77
Figura 47: A direita o arranjo dos átomos em torno de uma discordância em Cunha e a esquerda uma em Hélice. ... 77
Figura 48: Contornos de grão e de sub-grão. ... 78
Figura 49: Exemplo de um contorno de macla. ... 78
Figura 50: Exemplo de interface incoerente. ... 79
Figura 51: Resistência à Corrosão Galvânica em Água Salgada para Materiais. ... 84
Figura 52: Diagrama E - ρ demonstrando as famílias de materiais e seus respectivos envelopes. ... 94
Figura 53: Diagrama esquemático E-ρ que mostra as diretrizes para os três índices
de materiais para o projeto rígido, leve. ... 97
Figura 55: Tela de programação da tela principal. ... 108
Figura 56 – Tela de entrada de dados. ... 109
Figura 57 – Tela de exibição do índice de mérito calculado... 110
Figura 58: Fluxograma ... 112
Figura 59: Índice TIOBE para utilização de Softwares de Programação. ... 115
Figura 60. Graphical User Interface. ... 118
Figura 61: Tela de programação da tela principal. ... 119
Figura 62 – Tela de entrada de dados. ... 120
Figura 63: Tela de exibição do índice de mérito calculado. ... 121
Figura 64: Cabide de arame de aço com acabamento emborrachado. ... 123
Figura 65: Seleção da limitação do Projeto. ... 124
Figura 66: Seleção da função do projeto. ... 124
Figura 67: Seleção da restrição do projeto. ... 125
Figura 68: Tela dados para Índice de Mérito. ... 126
Figura 69: Diagrama de Ashby caso Cabide. ... 127
Figura 70: Projeto da alavanca de saca-rolhas. ... 128
Figura 71: Seleção da limitação do Projeto. ... 129
Figura 72: Seleção da função do projeto. ... 130
Figura 73: Seleção da restrição do projeto. ... 130
Figura 74: Tela dados para Índice de Mérito. ... 131
Figura 75: Diagrama de Ashby caso haste de saca-rolhas. ... 132
Figura 76: Projeto para vasos de pressão seguros. ... 133
Figura 77: Seleção da limitação do Projeto ... 134
Figura 78: Seleção da função do projeto ... 135
Figura 79: Seleção da restrição do projeto ... 135
Figura 80: Tela dados para Índice de Mérito ... 136
LISTA DE APÊNDICES
Apêndice 1: Diagrama Módulo de Young – Densidade e Diagrama Resistência – Densidade ... 180 Apêndice 2: Diagrama Módulo de Young – Resistência e Diagrama Módulo específico E/ρ - Resistência específica Ϭf/ρ ... 181 Apêndice 3: Diagrama Tenacidade à fratura K1c - Módulo de Young E. e Diagrama Tenacidade à fratura K1c - Resistência Ϭf ... 182 Apêndice 4: Diagrama Coeficiente de perda ɳ - Módulo de Young E. e Diagrama Condutividade térmica λ - Resistividade elétri ρe... 183
Apêndice 5: Diagrama Condutividade térmica λ - Difusividade térmica e Diagrama Expansão térmica α - Condutividade térmica λ ... 184 Apêndice 6: Diagrama Expansão térmica α - Módulo de Young E. e Diagrama Temperatura de serviço máxima em °C ... 185 Apêndice 7: Diagrama Coeficiente de atrito sobre aço seco μ e Diagrama Constante da taxa de desgaste ka - Dureza H ... 186 Apêndice 8: Diagrama (a) preço em Dólar/Kg e (b) Preço em Dólar/m³ ... 187 Apêndice 9: Diagrama Módulo de Young E - Custo relativo por unidade de volume Cv,R e Diagrama Resistência Ϭf ... 188
Anexo 1 - Tabela 5: Propriedades de Resistência de Materiais Selecionados...127
Anexo 2 – Tabela 6: Razões Resistência / Peso para Materiais Selecionados...132
Anexo 3 – Tabela 7: Níveis de Tensões de Ruptura (psi) Correspondentes a Vários Tempos e Temperaturas de Ruptura para Materiais Selecionados. ...137
Anexo 4 – Tabela 8: Coeficientes de Expansão Térmica para Materiais Selecionados. ... 145
Anexo 5 – Tabela 9: Propriedades de Rigidez de Materiais Selecionados. ... 146
Anexo 6 – Tabela 10: Ductilidade de Materiais Selecionados. ... 147
Anexo 7 – Tabela 11: Módulo de Resiliência R para Materiais Selecionados sob Carregamento Trativo e Tabela 12: Número de Mérito de Tenacidade T para Materiais Selecionados sob Carregamento Trativo. ... 148 e 149 Anexo 8 – Tabela 13: Dureza de Materiais Selecionados e Tabela 14: Custo Aproximado para Materiais Selecionados ... 150 e 151 Anexo 9 – Tabela 15: Usinabilidade Relativa para Materiais Selecionados...151
Anexo 10 – Tabela 16: Faixas de Condutividade Térmica para Materiais Selecionados. ... 152
Anexo 11 – Aço Inoxidável ... 160
Anexo 12 – Aços de Baixa Liga ... 162
Anexo 13 – CFRP, matriz de epóxi (isotrópico) ... 164
Anexo 14 – Ligas de Cobre. ... 166
Anexo 15 – Ligas de Alumínio ... 168
Anexo 16 – Ligas de Magnésio ... 170
Anexo 17 – Ligas de Titânio. ... 172
Anexo 18 – Madeira ... 174
Anexo19 – Polipropileno. ... 176
1. INTRODUÇÃO
O incremento no quantitativo de tipos de materiais que podem ser utilizados em um projeto mecânico imprimiu um desafio ao profissional Engenheiro: diante dos materiais que estão à disposição de um profissional de engenharia, qual escolher? Dessa questão central, depreendem-se outras: quais tipos de projetos, quais funções e quais restrições possuem o projeto? Qual o custo do material e dos processos de fabricação?
Essa atividade é conhecida como seleção de materiais, ou apenas SM. Esse processo dispõe de vários recursos que atrelam necessidades, material, forma, processo e função. Destaca-se, que dos materiais existentes na atualidade cada um possui características e propriedades particulares quem definem fatores de qualidade, custo, segurança entre outros para um projeto mecânico. Um projeto é construído por meio de diretrizes que formam o que é denominado de processo de projetar. Essas diretrizes ou passos caminham ao lado da seleção de materiais até um ponto em que ocorre a fusão no momento em que é feita a primeira análise de desempenho de material na primeira tentativa de projeto.
O engenheiro projetista necessita de ferramentas de projetos e dados embasados em normas e conhecimentos adquiridos ao longo do tempo para que seu trabalho trilhe um bom resultado, além é claro do conhecimento de materiais, suas funções, formas e processos de fabricação apropriados para determinados projetos.
Uma metodologia que vem se mostrando adequada as essas demandas é o método de Ashby, o qual será discutido ao longo deste trabalho. Este método que o engenheiro projetista identifique quais as propriedades dos materiais que são necessárias para trabalho podem ser selecionadas de acordo com o padrão do material ou com a mudança de relações químicas, podendo ser a adição ou remoção de elementos químicos ou elementos ligas em geral, escolhendo materiais que vão desde o processo de fabricação até o acabamento. Portanto, na SM (Seleção de Materiais) se opta pelo material de acordo com as propriedades desejadas, permitindo a análise das vantagens e desvantagens ofertadas para aplicação requerida.
Dentre as famílias de materiais utilizados em projetos, no presente estudo será abordada a família dos materiais metálicos que estão presentes em nosso cotidiano nas mais diversas formas. Destaca-se que esses materiais esses são obtidos por meio da metalurgia extrativa e processados de diversas formas possíveis, ampliando, assim, as possibilidades de elaboração de um projeto. Destarte, fatores como disponibilidade, custo, propriedades físicas, químicas mecânicas e dimensionais do material, bem como os seus respectivos processos de fabricação, serão as exigências para que seja aplicada uma potente técnica de SM. Afinal, o objetivo final de todo o trabalho do engenheiro projetista é reduzir ou evitar falhas, quebras de componentes, baixa eficiência, acidentes e perda de produção ou funcionalidade.
Além da metodologia focada neste trabalho, há um destaque para as metodologias elaboradas pelas Escolas Americanas e Francesas que são conhecidas como Métodos Multicritérios de Análise e Apoio à Decisão, que permitem transformar o que não pode ser transformado em valores financeiros. Ressalta-se que essa metodologia pode ser utilizada em conjunto com qualquer outro método ou ferramenta de seleção de materiais.
Nesse sentido, o objetivo geral deste trabalho é desenvolver uma ferramenta educacional, fundamentada na complicação e aplicação de metodologias de seleção de materiais no projeto de implementos mecânicos mediante a utilização da metodologia de Ashby (2012). Essa metodologia descreve a técnica dos índices de mérito aplicados nos famosos diagramas de Ashby, com a implementação de um programa educacional criado pelo software de desenvolvimento de algoritmos MATLAB (R2008a), no modo GUI (Graphical User Interface) que simula a utilização num meio comercial ou industrial para explicação, compreensão e demonstração do funcionamento do método em três estudos de casos elaborados por Michael Ashby (2012), apoiados na exibição de gráficos com ajustes de escalas e configurações similares ao proposto nos diagramas de Ashby.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 O PROCESSO DE PROJETAR
Collins (2005) defende que a engenharia pode ser entendida como campo de saber que transita entre a ciência e a arte. Isso se justifica, pois essa área do conhecimento busca favorecer a humanidade, mediante a utilização de recursos naturais e fontes de energia que se transformam em produtos, estruturas ou máquinas. Desse modo, pode-se inferir que o principal objetivo de qualquer projeto de Engenharia é atender algumas das necessidades ou desejos humanos.
Para tal, deve-se considerar que um projeto de Engenharia é um processo iterativo. Entende-se por iteração o período de tempo definido que corresponde à etapa de produção de uma versão estável e executável do produto pretendido. Para efetivar os procedimentos de execução devem-se produzir, também, manuais de orientação e apoio que vão desde a instalação até a execução do implemento final. Tomando como exemplo a produção de uma simples caneta ou até mesmo de uma máquina complexa, as fases serão as mesmas: definição da função do produto; escolha dos tipos de materiais utilizados; criação de um projeto experimental; execução do produto; reavaliação; refinamento do produto; processo sistemático que envolve a gestão de desenvolvimento de produtos de acordo com normas e regras específicas ao critério do projetista e da literatura pertinente disponibilizada. Desse modo, uma nova iteração, enquanto resultante da anterior, além de minimizar os riscos críticos, contempla a atualização e o incremento dos artefatos.
No entanto, quando a etapa de seleção e escolha dos materiais que serão usados não é feita a contento, há implicações em todo o processo, inclusive, no que tange à viabilidade econômica do mesmo. Pode-se afirmar que um projeto é viável quando há fatores que atenuam os custos de produção. Nesse sentido, a escolha do método de fabricação e produção está articulada diretamente à escolha do material. A produção de um protótipo do produto, resultante de avaliações contínuas de desempenho no mercado para saber se haverá uma produção em maior escala ou não, contribui para minimizar as fraquezas de um projeto (ASHBY; JONES, 2007).
Assim, a formulação de uma metodologia de projeto pode se mostrar como uma solução prática para o problema de seleção inadequada de material.
A seleção de materiais, além de ser uma das tarefas mais importantes e complexas do processo de projeto, é um ponto fundamental para a inovação tecnológica e consequente manutenção da competitividade das empresas. [...] A cada dia surgem novos materiais e as opções disponíveis aos projetistas se expandem cada vez mais. O grande desafio dos projetistas é escolher, entre os milhares de materiais existentes, o mais adequado para cada aplicação (SCHELESKI, 2015, p. 29-30).
O fluxo para a elaboração de um projeto se inicia, conforme esquematizado na figura 1, por duas vias paralelas, a saber: a seleção de material; projeto de componente. Escolhe-se o material experimental e reúnem-se livros técnicos especializados. Ao mesmo tempo, é elaborado um projeto experimental do componente capaz de cumprir a função que foi cuidadosamente definida no início do processo. Em seguida é realizada uma análise aproximada de esforços para avaliar as tensões, os momentos e as concentrações de tensões às quais ele será submetido (ASHBY; JONES, 2007).
Após essas etapas, há a primeira avaliação do projeto experimental, em função do desempenho do material em relação a suportar cargas, momentos, tensões concentradas entre outras solicitações, sem entrar em colapso ou falhar. Se aprovado, está assegurado o prosseguimento do projeto. Em sequência, entra a especificação detalhada do projeto que abrangerá os conceitos de projeto informacional por meio da produção de checklist para obtenção de requisitos de produto, QFD (Quality Function Deployment), fontes de dados, clientes, custos etc. (figura1)
Caso aprovado, passa-se para a fase do teste do protótipo, conforme esquema demonstrado na figura 1, que pode exigir uma análise detalhada de tensões, dinâmica do sistema, respostas à temperatura e ambiente e uma consideração detalhada da aparência do produto. Nessa fase, é necessário até consultar possíveis fornecedores, custo em relação à concorrência ou realizar os testes por conta própria para finalizar com o desenvolvimento ulterior que está respaldado na evolução progressiva em relação à inovação, desempenho e viabilidade econômica. (ASHBY; JONES, 2007; ROZENFELD et al., 2006).
Figura 1: Fluxograma geral da metodologia de projeto. Fonte: (ASHBY; JONES, 2007).
2.2. CLASSIFICAÇÃO DE PROJETOS DE DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOS
Os projetos de desenvolvimento de produtos podem ser classificados por diversos critérios, sendo que a classificação mais comum e útil é baseada no grau
Seleção de Material
Primeira tentativa de escolha de materiais
Considere metaos, cerâmicas, polímeros, compósitos.
Reúna dados sobre materiais
Custo, densidade
Propriedades elásticas: Módulo de elasticidade, coeficiente de Poison Limite de Escoamento Dureza Limite de Resistência Deformação Tenacidade à Fratura Resistência à Fadiga
Coeficiente de expansão térmica Condutividade térmica Calor específico
Resistência ao choque térmico Parâmetros de fluência Taxas de oxidação e corrosão
Projeto de componente
Primeira tentativa de projeto de componente
Definição de condições operacionais
Análise aproximada de esforços
Tensão média Momentis de curvatura Cargas de empenamento Concentrações de tensões Tensões de contato Deflexões permissíveis Tensões de fadiga Outras restrições Ambiente Temperatura
Análise de desempenho de material na primeira tentativa de projeto
Reconsidere a escolha de material ou projeto conforme necessário, o que resulta em especificações de materiais para o projeto de
componente viável.
Especificação e projeto detalhados
Escolha de material, análise detalhada de tensões. Projeto detalhado de componente
Escolha de métodos de produção
Formação, Tratamento a quente, União, Acabamento de superfície, Controle de qualidade, Custo detalhado. Reconsidere a escolha de material e projeto conforme
necessário
Teste de protótipo
Avaliação de desempenho; análise de falhas, otimização de desempenho e produção
Estabeleça produção
Monitore falhas em campo e desempenho e custo em relaçao à ocorrência
Desenvolvimento ulterior
Aperfeiçoamento para melhor desempenho ou custos mais baixos: inovação: novos materiais, radicalmente
novo projeto Iterar Iterar Iterar Iterar Iterar Iterar
de mudanças que o projeto representa em relação a projetos anteriores. Essa classificação depende do setor da indústria. Um projeto original envolve uma nova ideia ou princípio de trabalho, no qual os materiais podem oferecer uma nova e/ou única combinação de propriedades que possibilite se tornar original. A tendência para a evolução é sempre projetar com a meta de criar um produto ou serviço de alta qualidade, utilizando materiais extremamente refinados e puros para a aplicação (ROZENFELD et al, 2006).
Há projetos que são desenvolvidos mediante o uso de produtos como transistores siliconados, fibra ótica, imãs altamente magnéticos, pequenos, porém poderosos fones de ouvido, lasers de leitores de DVD, entre outros. Esses projetos, por possuírem elevada exigência de qualidade e sensibilidade em relação aos produtos usados, devem contar com o apoio de avanços tecnológicos para refinar os estudos para seleção de materiais.
Nesse sentido, Rozenfeld et al. (2006) afirmam que um novo material sugere o desenvolvimento de um novo produto ou ao contrário, um novo produto demanda o desenvolvimento de um novo material. Como exemplo, os autores citam os casos que envolvem as indústrias de tecnologia nuclear que dirigem o projeto de criação de ligas a base de Zircônio e aço inoxidável com baixo teor de carbono. Outro exemplo mencionado é a indústria espacial que busca a criação de projetos de compósitos para redução extrema de peso em equipamentos, combustíveis mais rentáveis que alimentarão turbinas mais potentes e ligas de cerâmica para resistirem a temperaturas elevadas e grandes esforços.
Assim, pode-se inferir que projetos adaptativos ou de desenvolvimento tomam como base um conceito existente e procuram um avanço incremental no desempenho por meio do refinamento do princípio de trabalho ou mediante o desenvolvimento de materiais, como no caso dos polímeros e a fibra de carbono que vem substituindo o metal na indústria automotiva.
A produção desses projetos originais, nos quais consta o uso de materiais diferenciados, está diretamente articulada ao desenvolvimento do conhecimento, bem como, às necessidades dinâmicas do mercado competitivo.
Consideram-se como projetos variantes aqueles que envolvem a mudança na escala, dimensão ou detalhamento sem mudar a função ou método principal do produto. Podem-se citar projetos de redimensionamento de caldeiras, vasos de pressão, turbinas etc. Essas mudanças podem requerer a alteração do material a ser utilizado como em casos de pequenos botes para navegação que são feitos de fibra de vidro ou até mesmo grandes navios produzidos com aço, ou mesmo aviões subsônicos feitos de compósitos, polímeros e aço, até supersônicos feitos de ligas especiais.
Diante do exposto, pode-se afirmar que para cada projeto existe uma necessidade de material e desenvolvimento diferente. Essas características e necessidades de variação de material e desenvolvimento serão discutidas mais adiante neste documento de dissertação. De forma geral, a classificação de projetos de desenvolvimento, usual em setores de bens de capital e de consumo, está representada na figura 2.
Figura 2: Tipos de projeto de desenvolvimento de produtos baseados na inovação. Fonte: (ROZENFELD, 2006)
Rozenfeld (2006) classifica os projetos de desenvolvimento em radicais (breakthrough), de Plataforma ou Próxima Geração, Incrementais ou Derivados, de Pesquisa Avançada.
Projetos radicais (breakthrough): Aqueles que envolvem significativas modificações no projeto do produto ou processo existente. Podem criar uma nova categoria ou família de produtos.
Projetos de plataforma ou próxima geração: Normalmente representam alterações significativas no projeto do produto e/ou do processo, sem a introdução de ovas tecnologias ou materiais, mas sendo um novo sistema de soluções para o cliente que pode representar uma próxima geração de um produto ou de uma família de produtos anteriormente existentes. Também significa o projeto de uma estrutura básica do produto que seria comum entre os diversos modelos da família de produtos existentes, assim se comportando como plataforma, pois terá uma ligação com as gerações anteriores e posteriores do produto.
Projetos Incrementais ou Derivados: São os que criam produtos e processos que são derivados, híbridos ou com pequenas modificações em relação aos anteriores já existentes. Neles são inclusos redução de custo, pois partem de produtos e processos já existentes e ganham incremento de inovações tecnológicas no produto e processo.
Projeto de Pesquisa Avançada: Tem por objetivo criar conhecimento para projetos futuros. São normalmente precursores do desenvolvimento comercial, mas não possuem objetivos comerciais de curto prazo.
Além dos projetos supracitados, conforme estudo desenvolvido por Rozenfeld
et al. (2006), há também os do tipo follow-source, que são projetos que chegam da
matriz ou de outras unidades do grupo ou ainda de clientes e que não requerem alterações significativas da unidade brasileira que ficará responsável por adequações.
2.2.1 Ferramentas de Projeto e Dados de Materiais
De modo geral, desenvolver produtos ou projetos consiste em um conjunto de atividades por meio das quais se busca, a partir das necessidades do mercado e das possibilidades e restrições tecnológicas, e considerando as estratégias competitivas
e de produto da empresa, chegar às especificações de projeto de um produto e de seus processos de produção para que a manufatura seja capaz de produzi-lo (ROZENFELD et al, 2006).
Dentre as várias ferramentas adotadas para o desenvolvimento de um projeto, destaca-se o Processo de Desenvolvimento de Produtos (PDP). Essa ferramenta que é muito utilizada no Brasil e faz a interface entre a empresa e o mercado durante um projeto, possibilita identificar as necessidades do mercado a fim de propor soluções que atendam a tais necessidades por meio dos projetos e serviços relacionados.
No Brasil e em países em desenvolvimento, as atividades de desenvolvimento de produtos tradicionalmente se concentram em grande parte nas aplicações de melhorias de produtos já existentes e que são voltados para os segmentos das indústrias de alta tecnologia, automobilísticos, eletrônicos entre outras. Esses segmentos têm seus centros de desenvolvimento e projeto em outros países e transmitem sua tecnologia para que possa aplicar conceitos de variantes e adequação de projeto.
Por isso é importante detalhar que mesmo que a tecnologia e a concepção do produto venham do exterior, existem muitas atividades para adaptar o projeto no Brasil. Essas atividades são divididas desde o planejamento do projeto, passando por projeto informacional, conceitual, detalhado, até testes, lançamento, etc. Segundo Rozenfeld et al. (2006), essa ferramenta produz características específicas que fazem com que a natureza desse processo seja relativamente diferente dos demais processos da empresa. Ao comparar essa ferramenta a outros processos de negócio, podem-se destacar as seguintes:
Elevado grau de incertezas e riscos das atividades e resultados;
Decisões importantes devem ser tomadas no início do processo, quando as incertezas são ainda maiores;
Dificuldade de mudar as decisões iniciais;
As atividades básicas seguem um ciclo iterativo de tipo: Projetar (gerar alternativas) - Construir-Testar-Otimizar;
As informações e atividades provêm de diversas fontes e áreas da empresa e da cadeia de suprimentos;
Multiplicidade de requisitos a serem atendidos pelo processo, considerando todas as fases do ciclo de vida do produto e seus clientes.
A figura 3 representa uma visão geral do processo PDP, com suas respectivas fases e com os subitens do processo.
Figura 3: Processo de desenvolvimento de Produto. Fonte: (ROZENFELD et al., 2006)
Percebe-se que nas fases iniciais do PDP é que são definidas as principais soluções e especificações do produto. É nesse momento que são feitas as escolhas dos materiais, da tecnologia que será utilizada, do processo de fabricação mais apropriado e das principais soluções construtivas, mesmo havendo a possibilidade de alteração das premissas durante a realização do projeto.
Assim, cada item e subitem do PDP têm seu desmembramento que faz com que o projeto seja muito bem delimitado. As análises econômicas em geral indicam que as decisões técnicas iniciais determinam 85% do custo final do produto, restando 15%. Esse percentual restante é referente à determinação de tolerâncias das peças, para a fase de construção e testagem do protótipo, definição de fornecedores e arranjo de parceiros da cadeia de suprimentos, arranjo físico da produção, campanha de marketing, assistência técnica etc.
individuais ou conectadas. Para isso, o projetista deve estar familiarizado com códigos e normas que se mostram apropriados ao projeto. Esse fato permitirá agregar orientações técnicas necessárias para o desenvolvimento de uma boa prática e irá garantir a conformidade com as exigências legais. Desse modo, a responsabilidade do projetista inclui a pesquisa de todos os códigos e normas relacionados à concepção do seu projeto (COLLINS, 2005).
Um projeto normatizado e que atende às exigências técnicas, também tem que prever possíveis falhas no projeto mecânico. O projetista mecânico deve garantir que seu projeto funcionará de modo seguro e confiável durante a vida útil prevista e ao mesmo tempo ser competitivo no mercado. Para isso o projetista deve fazer uma avaliação de todos os modos de falha potenciais em seu projeto e ter conhecimento de técnicas analíticas e/ou empíricas para prevenção de potenciais falhas no estágio de projeto, atentando para as etapas de seleção do material, determinação de forma e dimensões de cada item (JUVINALL; MARSHEK, 2008). Segundo Collins (2005), qualquer modificação no tamanho, forma ou propriedade do material de máquina ou peça que o torne incapaz de realizar a função pretendida deve ser considerada como uma falha mecânica. Os modos de falha mecânica são processos físicos que ocorrem separadamente ou combinam seus efeitos produzindo a falha. Algumas das ocorrências mais comumente observadas na Engenharia e que causam falha mecânica são induzidas por: deformação plástica decorrente de força excessiva aplicada sobre o material ou elevada temperatura; fadiga caracterizada por situações nas quais o material sofre repetidos ciclos, sendo eles trativos, flexíveis, torção e outros; ruptura dúctil; escoamento; desgaste; fluência; flambagem; impacto entre outras.
Na elaboração de um projeto, o engenheiro deve estabelecer um limite superior para o estado de tensão que defina o tipo de falha do material utilizado. Essa é a proposta que será discutida posteriormente através dos diagramas de Ashby (2007, 2012) para cada característica e propriedade do material. Assim, quando um material for dúctil, geralmente a falha será especificada pelo início do escoamento ou no caso dele ser frágil, ela será especificado pela fratura do mesmo.
Desse modo, os módulos de falha serão prontamente definidos se o elemento estiver submetido a um estado de tensão uniaxial, ou seja, em apenas uma direção
das três possíveis segundo o estudo da mecânica dos meios contínuos, porém, se o elemento estiver submetido às tensões bi ou triaxiais, a identificação da falha será mais complexa a primeira análise. Orienta-se, portanto, a utilização de softwares computacionais para realizarem simulações mais elaboradas por métodos de elementos finitos. (KWON, 2000)
Na prática de acadêmica em engenharia estudam-se quatro teorias para prever a ruptura de material submetido a um estado multiaxial de tensões. Elas calculam as tensões admissíveis descritas em muitas normas de projetos e são conhecidas como Teoria da Tensão de Cisalhamento Máximo ou Critério do Escoamento de Tresca; Teoria da Energia de Distorção Máxima ou Critério de Vonz Mises e H. Hencky; Teoria da Tensão Normal Máxima – W. Rankine; Critério de Falha de Mohr (MASE; MASE, 1999).
No estágio final do projeto detalhado há a necessidade de precisão e detalhe para os poucos materiais que restaram de toda a triagem realizada. Esses detalhes são adquiridos por planilhas de dados publicadas pelos fabricantes dos materiais e os bancos de dados detalhados para classes de materiais restritas. Vale lembrar que cada fabricante tem sua maneira de produção e elaboração do material, o que afeta diretamente nas propriedades do mesmo.
2.2.2 Material, Função, Forma e Processos De Fabricação.
A seleção do material e sua função não podem estar separados da escolha de sua forma. Denomina-se de forma o método que é utilizado para definir qual será a geometria do produto final em um projeto e para criar isto, o material selecionado tem de se relacionar, em uma via de mão dupla, com o processo de fabricação, função e forma (ASHBY, 2012).
Figura 4: A interação entre função, material, forma e processo. Fonte: (ASHBY, 2005)
De forma geral, para criar a forma, o material é submetido a um processo denominado de manufatura, no qual há um processamento primário para a moldagem ou fundição do mesmo. Posteriormente, ocorrem processos que irão acrescentar detalhes ao produto, como desbastagem, madrilamento, furação etc. Por fim, é efetivado o processo de acabamento que envolve a soldagem, lixamento, polimento, pintura e outros.
Por meio desta análise, pode-se afirmar que a função do produto dita qual será a escolha do material e a sua forma, que, subsequentemente, indicará qual será o processo de fabricação de acordo com o material selecionado. Vale destacar que o processo de fabricação determinará a geometria do produto e suas limitações de tamanho, precisão e custo. Assim um ciclo se repete até essas quatro características entrarem em acordo com todas as expectativas do produto final (CHRYSSOLOURIS, 2006).
Caso não haja um consenso entre as quatro propriedades, o projetista terá de especificar quais características deverão se destacar no produto final. Assim, se houver a escolha por outro material com mais qualidade, que está relacionado com uma geometria melhor, poderá ocorrer elevação do custo no processo de fabricação. Ou ainda há a possibilidade do projetista optar por um material de fácil processamento, mas que oferecerá uma forma geométrica menos acabada devido às limitações do processo de fabricação. Esse ciclo geralmente não agrada a todas as expectativas, o que faz com que haja sempre a necessidade de criar ou desenvolver um novo material ou tecnologia. (KLOCKE, 2010)
Quando falamos em processos de fabricações, logo nos estágios iniciais de um processo, os engenheiros já realizam uma análise das vantagens e desvantagens dos processos de fabricação que poderiam ser utilizados na produção de um produto, pois a meta é projetar algo que possa ser fabricado com um custo relativamente baixo. Como dito anteriormente, a função, forma, custo, meio de fabricação de um projeto estão diretamente relacionados e equilibrados dentro dos níveis e etapas do processo de projeto.
Qualquer técnica de fabricação que o engenheiro responsável selecionar, vai depender do tempo e dos custos das ferramentas e máquinas necessárias. Alguns sistemas utilizam produção e fabricação em série, o que gera um amplo uso de automatização e inclui velocidade na produção. Consequentemente reduz o custo para produzir, porém aumenta o gasto com manutenções decorrentes das grandes variedades de ferramentas personalizadas e acessórios especializados, capazes de produzir tipos diferenciados de produtos. Existem também os produtos manufaturados em pequenas quantidades - como aeronaves comerciais, ou apenas uma unidade como o telescópio Hubble - e outros produtos que são produzidos diretamente por um desenho de computador. Nesses casos, o projetista deve estar apto a decidir que a produção depende da quantidade de itens manufaturados, custo e grau de precisão. (CHRYSSOLOURIS, 2006)
Dentre os diversos métodos de fabricação, serão descritos a seguir aqueles que são considerados como os principais na opinião de Wickert (2011):
Fundição: É o processo pelo qual um metal líquido, como o ferro-gusa, o alumínio ou o bronze, é despejado em um molde, resfriado e solidificado. Uma característica da fundição é que se podem produzir objetos com formatos complexos, sem que seja necessária a união de várias pessoas.
Figura 5: Exemplo do processo de fundição Fonte: (GROOVER, 2014).
Conformação: Abrange uma família de técnicas por meio das quais a matéria prima é modelada por estiramento, dobra ou compressão. Aplicam-se grandes forças para deformar plasticamente um material em seu novo formato. Nesse processo, as características como Dureza e Resistência à tração são fundamentais e devem ser balanceadas por questão de custos no processo.
Figura 6: Exemplo dos processos de conformação Fonte: (GROOVER, 2014).
Usinagem: Refere-se aos processos em que uma máquina ferramenta afiada corta e remove material de uma peça. Os métodos mais comuns de usinagem são: furação, serramento, fresagem e torneamento. As
operações de usinagem, produzem componentes mecânicos com dimensões e formas mais precisos do que as peças fabricadas por fundição ou forjamento. Um aspecto negativo é que o material removido é descartado.
Figura 7: Exemplo de usinagem mecânica. Fonte: (GROOVER, 2014).
União: Utilizam-se operações para unir subcomponentes para formar um produto único final mediante caldeamento, soldagem, rebitamento, parafusamento ou por meio da aplicação de material adesivo. Os quadros de bicicleta, por exemplo, são resultantes da união por solda de vários pedaços de tubo.
Figura 8: Processo de união por soldagem. Fonte: (GROOVER, 2014).
Acabamento: A superfície dos componentes é tratada de modo a torná-la mais dura, a ter sua aparência melhorada ou protegê-torná-la da ação deletéria do meio ambiente. Alguns processos incluem o polimento, a galvanização, ou eletrogalvanização, a anodização e a pintura. Existem casos que não há a necessidade de acabamento.
Figura 9: Exemplo de processos de acabamento. Fonte: (GROOVER, 2014).
2.2.3 Tratamentos Térmicos e Superficiais
As propriedades mecânicas e desempenho em serviço de um material, no caso deste estudo, do metal e suas ligas, dependem da composição química, estrutura cristalina, forma com que foi processado para chegar ao produto final, e dos tratamentos térmicos. Pode-se descrever um tratamento térmico como ciclos de aquecimento e resfriamento controlados e aplicados no material metálico com o intuito de causar modificações na microestrutura do mesmo. Essas alterações são para benefício das propriedades mecânicas no comportamento em serviço, sendo aplicáveis tanto em metais ferrosos e não ferrosos (DIETER, 1988).
Figura 10: Efeito de diferentes tratamentos térmicos nas propriedades mecânicas de um aço AISI 1040.
Conforme descrito na figura 11, os fatores que determinarão os tipos de tratamentos térmicos são: temperatura; taxas de aquecimento e resfriamento; tempo de permanência em uma determinada temperatura.
Figura 11: Diagrama Ferro Carbono, Fe-C. Fone: (CHIAVERINI, 2005)
Sabe-se que o controle e utilização dos tratamentos térmicos trarão resultados de acordo com a necessidade de aplicação, produzindo diferentes tipos de estruturas cristalinas nas peças ou componentes aplicados. Os principais tratamentos térmicos e adequados aos dois tipos de metais existentes são apresentados na tabela 1 a seguir, relacionando-as nas estruturas das ligas com os respectivos tratamentos (DIETER, 1988).
Ligas Ferrosas – Aços e Ferros fundidos
Ligas Não Ferrosas e Aços inoxidáveis Recozimento, normalização, têmpera,
revenimento.
Solubilização, homogeneização envelhecimento, recozimento
Tabela 1: Relação entre estrutura do metal e tratamento térmico adequado. Fonte: (DIETER, 1988).
No que tange à relação entre a estrutura do metal e tratamento térmico adequado, os tratamentos que são aplicados às ligas ferrosas – aços e ferros fundidos – são: recozimento, normalização, têmpera e revenimento. Suas características são:
Recozimento: consiste em colocar o material em uma temperatura acima da temperatura de recristalização por períodos de tempo que vão de minutos a poucas horas, visando a eliminação e o rearranjo de defeitos cristalinos causados pelo encruamento do material por diversos processos, diminuindo, assim, a dureza do material metálico.
Normalização: é realizado de forma semelhante ao tratamento térmico de recozimento, caracterizando-se por um resfriamento do aço feito ao ar a partir de uma temperatura onde existam 100% de austenita e essa temperatura dependerá da composição do aço. O produto dessa reação é a formação de ferrita e de perlita com suas respectivas porcentagens dependentes da composição do aço.
Têmpera: ao contrário do recozimento e da normalização, seu objetivo é a formação de uma fase chamada martensita que é dura e frágil. A têmpera caracteriza-se por um resfriamento rápido a partir de uma temperatura que dependerá da composição do aço, mas que exista 100% de austenita.
Revenimento: este tratamento é realizado logo após a têmpera, causando alívio de tensões na pela temperada, que tem por consequência uma diminuição da resistência mecânica e também um aumento na ductilidade e na tenacidade. As temperaturas para esse tratamento estão sempre abaixo das temperaturas críticas (onde forma-se a austenita), mas havendo faixas de temperaturas proibidas em função da fragilização de alguns tipos de aços.
A tabela 2 faz um comparativo na escala de dureza Brinell entre os tratamentos supracitados, descrevendo as diferenças entre eles.
Aço %Carbono Dureza Brinell Aço Recozido Dureza Brinell Aço Normalizado
Dureza Brinell Aço Temperado 0,01 90 90 90 0,20 115 120 229 0,40 145 165 429 0,60 190 220 555 0,80 220 260 682
1,00 195 295 Acima de 682 + formação de trincas 1,20 200 315 Acima de 682 + formação de trincas 1,40 215 300 Acima de 682 + formação de trincas
Tabela 2: Dureza de aços recozidos, normalizados e temperados. (Fonte: DIETER, 1988).
Os tratamentos térmicos realizados nos metais não ferrosos são um pouco diferentes. Elevadas taxas de resfriamento não levam à formação de uma fase dura e frágil como na martensita dos aços, mas sim um “congelamento” da microestrutura de elevada temperatura. A explicação para isso está relacionada com a presença do carbono nos aços, que é um elemento de liga intersticial e não substitucional.
Os tratamentos que são aplicados às ligas não ferrosas e aos aços inoxidáveis são: solubilização, envelhecimento e recozimento, que têm as seguintes características:
Solubilização: tende a eliminação de precipitados no material e, frequentemente, é realizado em aços inoxidáveis. As temperaturas utilizadas nesse tipo de tratamento são elevadas e mais próximas do ponto de fusão das ligas, em regiões onde existe apenas uma fase como no diagrama de equilíbrio Fe-C.
Envelhecimento: é o oposto da solubilização, também conhecido como recozimento isotérmico, visa a formação de precipitados que aumentam a resistência do material. É um tratamento realizado em temperaturas onde o diagrama de equilíbrio mostra a presença de pelo menos duas fases.
Homogeneização: tem a função de homogeneizar a composição química do material. Comumente realizado em peças fundidas e seu tempo de duração é bastante longo, com temperaturas próximas das temperaturas utilizadas no tratamento de solubilização.
Recozimento: conforme para materiais ferrosos, esse tratamento tende a diminuição do encruamento, diminuindo a dureza do material metálico e aliviando suas tensões residuais.
Os tratamentos térmicos superficiais envolvem alterações microestruturais nas propriedades mecânicas apenas na parte superficial da peça ou componente. É o caso de dentes de engrenagens, mancais, ferramentas, lâminas de barbear e matrizes. O objetivo do tratamento superficial é aumentar a dureza superficial, resistência a fadiga e desgaste sem a perda de tenacidade localizada no interior da peça ou componente. O procedimento básico desse tipo de tratamento é aquecer a peça ou componente em atmosfera rica em elementos como carbono, nitrogênio ou boro e assim agregar suas características a superfície do elemento, alterando sua propriedade estrutural (SINHA, 2003).
Pode-se citar como tratamentos térmicos superficiais:
Cementação: utilizada em aços carbono ou ligados com teores de carbono de até 0,2%. Tem-se o aquecimento até temperaturas entre 870 e 950°C em atmosfera rica em carbono, ocorrendo uma reação química. O fornecimento dessa atmosfera é feita por gás ou banho de sais, produzindo uma espessura cimentada e dureza características do processo.
Nitretação: usada em aços carbono ou ligados (Cr, Mo), aços ferramenta e aços inoxidáveis. Tem-se o aquecimento até temperaturas entre 500 e 600°C em atmosfera rica em nitrogênio. O processo consiste em colocar uma mistura de gases em um recipiente à vácuo onde é estabelecida uma diferença de potencial, produzindo ionização do gás nitrogênio que resulta em uma espessura nitretada e dureza características do processo.
Carbonitretação: processo empregado em aços baixo carbono, onde ocorre um enriquecimento na superfície tanto em carbono como em nitrogênio.
Banhos de sal (Cianetos): processo usado em aços baixo carbono (0,2%C) e aços ligados (0,08 a 0,02%C). Ocorre um enriquecimento na superfície da peça tanto em carbono como em nitrogênio. O processo consiste em colocar o aço em um banho de sal em temperaturas entre 760 e 845°C.
Têmpera superficial: esse tratamento superficial pode ser feito de três formas: i) chama - que é utilizada em aços de médio carbono e ferros fundidos e o processo consiste no aquecimento localizado utilizando uma tocha oxiacetilênica e resfriamento com água ou outro meio (salmoura ou óleo); ii) por Indução - utilizado também em aços médio carbono e ferros fundidos, esse tratamento consiste em aquecimento localizado utilizando espiras de cobre por onde passa uma corrente com alta frequência e posterior resfriamento com água ou outro meio (salmoura ou óleo); iii) jateamento com granalhas - processo de trabalho a frio que projeta granalhas com alta velocidade (entre 20 a 100m/s) contra a superfície de um material metálico. A granalha atua como um pequeno martelo causando deformação plástica que enrijece a superfície. Extremamente utilizado para aumentar a vida em fadiga da peça ou componente.
2.3 MATERIAIS E SUAS PROPRIEDADES
Segundo Ashby; Jones (2007), existem mais de 50.000 tipos de materiais à disposição de um profissional de Engenharia. O desafio para o engenheiro diante de um projeto consiste em decidir sobre qual material escolher com toda essa gama de possibilidades ou ainda definir qual o material mais adequado.
Antigamente, navios da Segunda Guerra Mundial apresentavam um problema na qual os engenheiros desconheciam. Após a fabricação e montagem em terra, o navio era direcionado ao mar e, geralmente, fraturavam ao meio na localização das soldas. Esses navios eram construídos de aços-liga que apresentavam razoável ductilidade, de acordo com ensaios de tração realizados à temperatura ambiente. (CALLISTER JR, 2002)
Figura 12: Navio com fratura abrupta devido à fragilização do material. Fonte (CALLISTER JR, 2002)
Esse fato é conhecido atualmente pelo estudo do comportamento dúctil-frágil que permite compreender e caracterizar a transição da propriedade dúctil para frágil como função da temperatura, possibilitando a determinação da faixa de temperaturas na qual o material muda de dúctil para frágil. Devido ao mar frio e gélido do continente europeu por onde o navio iniciava sua navegação, trincas internas originadas por processos de conformação ou fabricação das estruturas que eram unidas por processos precários de soldagem, vinham a se romper tempos depois do contato com a água. Isso acontecia por conta da redução brusca de temperatura, sua tenacidade à fratura, que fazia com que o material transitasse de uma zona dúctil para frágil em função da temperatura. Após notarem maior incidência do problema no inverno, que também afetava tubulações de petróleo, vasos de pressão e pontes de estrutura metálica, programas de pesquisas foram criados na época para determinar as causas dessas rupturas e criação de providências para impedir novas ocorrências (DIETER, 1988).
Outro fato histórico foi das aeronaves Comet que falharam por Fadiga entre 1952 e 1954. Mesmo quando os fabricantes especificavam o produto para suportar esforços abaixo do limite elástico. Após ensaios realizados com os materiais que compõem o produto, visando erradicar os problemas, ainda havia possibilidade que após algum tempo de uso normal, e sem aviso prévio ou motivo aparente, o produto simplesmente viesse a falhar.
Na época, havia os aviões que voavam em baixas altitudes, onde a pressão atmosférica era semelhante à da superfície da terra. Mas os aviões a jato como o
Comet, que foi o primeiro da época, necessitavam voar a uma altitude muito grande onde a pressão atmosférica é mínima, com o intuito de evitar turbulências ou tempestades. O projeto então necessitava também de que a pressão interna do avião fosse maior que a externa para que não fosse destroçado durante o voo. Após análise dos voos que se acidentaram, os engenheiros descobriram que as estruturas precisavam suportar essa diferença de pressão e que havia necessidade de efetivar cortes em forma de triângulo para instalação de antenas de voo e janelas com formas geométricas quadradas, prato cheio para a propagação de trincas (FUHRMANN, 2015).
Figura 13: Localização dos inícios das trincas após estudos dos engenheiros. (Fonte: FUHRMANN, 2015).
Muitas dessas propriedades são familiares e vivenciadas em situações de baixo risco à vida no dia-a-dia. Atualmente existe uma quantidade maior de componentes de Engenharia feitos de metais e ligas do que de qualquer outra classe de materiais. Mas com a constante evolução das tecnologias, engenheiros e pesquisadores estão sempre aprendendo a dominar outros materiais, como o
polímero, que estão substituindo os metais. E os materiais cerâmicos que antigamente eram deixados de lado por conta da sua alta fragilidade em situações de impacto, mas quando falamos de propriedades térmicas, é alvo de pesquisas para componentes de motores e desenvolvimento de mancais com menor atrito. Sabemos que dentre a vasta gama de materiais existente que o projetista encontrará, cada material apresentará no mínimo uma propriedade de cada classe, conforme demonstrado no quadro 1 (ASHBY; JONES, 2007).
Aspecto econômico Preço e disponibilidade Física geral Capacidade de reciclagem
Densidade
Mecânica
Módulo de elasticidade
Resistência à deformação e à tração Dureza
Tenacidade à fratura Limite de fadiga
Limite de resistência à deformação a quente (creep) Característica de amortecimento
Térmica
Condutividade térmica Calor específico
Coeficiente de expansão térmica Elétrica e magnética Resistividade Constante dielétrica Permeabilidade magnética Interação ambiental Oxidação Corrosão Desgaste Produção Facilidade no processamento União Acabamento Estética Cor Textura Sensação táctil Óticas Índice de refração Propriedades
ecológicas
Energia incorporada Pegada de carbono
Quadro 1: Classes de propriedade. Fonte: (ASHBY; JONES. 2007)
2.3.1 Família de Materiais em Engenharia
Ashby (2012), em seu estudo, classificou os materiais de Engenharia em seis famílias gerais, conformes mostradas na figura 14, onde cada membro de uma família tem propriedades, rotas de processamento e aplicações semelhantes.
Figura 14: As famílias básicas de metais, cerâmicas, vidros, polímeros, elastômeros e híbridos. Fonte (ASHBY, 2012).
Desse modo, de acordo com Ashby (2012), essas famílias têm as seguintes características:
Metais: são materiais rígidos, conforme apresentados na figura 15, com módulo de elasticidade relativamente alto. Em sua maioria, quando puros, é macio e de fácil deformação. Quando misturados com elementos de liga ou através de tratamentos térmicos podem ser fortalecidos e suas características podem ser controladas de acordo com a aplicação, permitindo assim serem conformados por processos de deformação. Considerados os materiais vítima da fadiga e corrosão.
Figura 15: Exemplo de metais. Fonte: (GROOVER, 2014)
Cerâmicas: quando comparados aos metais, as cerâmicas (figura 16) têm módulos de elasticidade altos, porém são frágeis e com dificuldade de serem utilizadas em projetos. As cerâmicas, pela forte carência de resistência à tração, são classificadas como materiais que sofrem fratura frágil, ou seja, apresentam pouco ou nenhum campo de deformação plástica em relação à Tensão X Deformação. Todavia, sobre compressão, sua resistência ao esmagamento frágil é de aproximadamente 15 vezes maior que na tração. Além disso, pode-se notar a baixa ductilidade, ou seja, pouca tolerância à concentração de tensões internas, como o aparecimento de trincas, orifícios e defeitos. Entretanto, as cerâmicas são rígidas, duras e resistentes à abrasão, além de terem uma boa resistência a altas temperaturas e a corrosão.
Figura 16: Exemplo do material cerâmico. Fonte: (GROOVER, 2014)
Vidros: substâncias sólidas e não cristalina (amorfa) que apresenta temperatura de transição vítrea (figura 17). Comumente vistos como vidros de cal de soda e de borossilicato na forma de garrafas e utensílios de cozinha. Em sua forma pura é um óxido metálico super esfriado, transparente, de elevada dureza, essencialmente inerte e biologicamente inativo, podendo ser fabricado com superfícies muito lisas. Metais também podem ser não cristalinos por resfriamento suficientemente rápido. Essa falta de estrutura cristalina suprime a plasticidade, deixando-o duro, frágil e vulneráveis a concentrações de tensões.
Figura 17: Exemplo do material Vidro. Fonte: (GROOVER, 2014)
Polímeros: com os módulos de elasticidade cinquenta vezes mais baixo que os dos metais, esses materiais podem ser tão forte quanto, em razão da grande deflexão elástica. Suas propriedades dependem da temperatura, sendo influenciados pela mesma, fazendo com que um componente exposto ao sol e sob tensão, venha a ganhar uma deformação permanente com o tempo, sendo poucos polímeros com resistência útil acima de 200°C. Alguns são cristalinos, outros amorfos e também têm aqueles que possuem a mistura dos dois. As vantagens em comparação com os metais é que eles são de fácil conformação, permitem maiores deflexões elásticas, se dimensionado um molde com
