Aula 1 - Materiais de Construção Mecânica - introdução

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MATERIAIS MECÂNICOS

Prof. M.Sc. Engenheiro Metalúrgico

Jorge Luis Braz Medeiros

Universidade Federal do Rio Grande Escola de Engenharia

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Materiais de engenharia

Resistência mecânica Ligas de Níquel Aço Ligas de Alumínio Ligas de Titânio Temperatura

Fonte: Rolls Royce

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• TODO ENGENHEIRO

– manufatura materiais – processa materiais – projeta materiais

– constrói com materiais

– seleciona materiais

– testa e analisa materiais

Palheta de turbina

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• Todo ENGENHEIRO responsável está interessado em melhorar a performance do que está projetando ou manufaturando

– elétrico (materiais elétricos/dielétricos)

– civil: durabilidade, estética, resistência à corrosão – automotivos (leves, resistentes e duráveis)

– aeroespacial (densidade/resistência mecânica, alta temperatura) – mecânico (estruturas, componentes)

– materiais: materiais com melhor desempenho, com menor custo.

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• OBJETIVO

– ampliar os conhecimentos dos materiais disponíveis

– entender seu comportamento em geral e seu POTENCIALde utilização

– reconhecer os efeitos do meio e condições de serviço

-LIMITAÇÕES

– fornecer subsídios para compreender o comportamento de materiais em serviço

⇒ seu potencial (e limitações) de utilização em função das condições de serviço e do meio

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• CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS

MATÉRIA-PRIMA BÁSICA

metal, papel, cimento, fibras, produtos químicos

SUCATA ou RESÍDUOS A TERRA MATÉRIA-PRIMA BRUTA

carvão, minérios, madeira, petróleo, rochas,planta,

argilas

MATÉRIA-PRIMA INDUSTRIAL

cristais, ligas, tecidos, chapas, cerâmicos, plásticos

BENS DE CONSUMO

carros, pontes, relógios,

equipamentos, máquinas, prédios

Transformação ou Processamento Uso ou Serviço Desempenhoou Fabricação Montagem Descarte ou Extração Refino ou Processamento Prospecção Mineração ou Colheita ou Reciclagem Ciência e Engenharia do Meio Ambiente Ciência e Engenharia: Materiais aplicados na Engenharia ou

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TIPOS DE MATERIAIS

• CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS:

Critérios:

⇒

aplicações pela indústria

⇒metais, cerâmicos, polímeros e compósitos

⇒

pelo grau de desenvolvimento tecnológico

⇒naturais, empíricos, desenvolvimento científico e projetados

⇒

morfologia estrutural

⇒monoestruturados, recobrimentos, gradiente e aleatório Universidade Federal do Rio Grande

Escola de Engenharia Processos Metalúrgicos

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Metálicos Cobre Ferro fundido Ligas de aço Poliméricos Polietileno Epóxi Fenólicos Cerâmicos Porcelana Vidros Tijolos Louças Compósitos Grafite-epóxi Carbeto de cobalto e Tungstênio

Classificação dos materiais pela indústria

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Metais

• Materiais metálicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos.

• Os elétrons não estão ligados a nenhum átomo em particular e por isso são bons condutores de calor e eletricidade

• Não são transparentes à luz visível

• Têm aparência lustrosa quando polidos • Geralmente são resistentes e

deformáveis

• São muito utilizados para aplicações estruturais

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• Materiais cerâmicos são não-metálicos e inorgânicos.

• Geralmente são óxidos, nitretos e carbetos

• São geralmente isolantes de calor e eletricidade

• São mais resistentes a altas temperaturas e à ambientes severos que metais e polímeros • Os materiais cerâmicos são

materiais de alta dureza, porém frágeis

Cerâmicos

(11)

• Materiais poliméricos são geralmente compostos orgânicos baseados em

carbono, hidrogênio e outros elementos não-metálicos.

• São constituídos de moléculas muito grandes

(macro-moléculas)

• Tipicamente, esses materiais apresentam baixa densidade e podem ser extremamente

flexíveis

• Materiais poliméricos incluem plásticos e borrachas

Polímeros

(12)

• Materiais compósitos são

constituídos de mais de um tipo de material insolúveis entre si. • Os compósitos são projetados

para a obtenção de propriedades as quais não estão presentes em um material monofásico

• Um exemplo clássico é o

compósito de matriz polimérica com fibra de vidro. O material compósito apresenta a

resistência da fibra de vidro associado a flexibilidade do polímero

Compósitos

(13)

Compósitos

• Diversos tipos de materiais

compósitos tem sido fabricados, eles consistem de mais de um tipo de material.. Um compósito é

desenhado para combinar as melhores propriedades de cada um dos seus componentes. Fibra de vidro tem boa resistência das fibras de vidro com a flexibilidade de um polímero.

(14)

Semi-condutores

• Tem propriedades elétricas intermediárias entre isolante e condutor. Estas propriedades são sensíveis a presença de

concentrações mínimas de

átomos de impurezas, também conhecidos como dopantesore. Com os semicondutores foi

possível a invenção dos circuitos integrados, os quais

revolucionaram a eletrônica.

(15)

Biomateriais

• São empregados em componentes para serem utilizados como implantes no corpo humano para substituição de partes doentes ou danificadas. Estes materiais devem ser compatíveis com o corpo humano e não causarem reações adversas. Qualquer material: metal, polímero ou cerâmico pode ser utilizado como um biomaterial.

(16)

Condutividade elétrica representativa para diferentes categorias de materiais

As diferentes propriedades dos materiais são determinantes na sua classificação

(17)

Resistência mecânica representativa para diferentes categorias de materiais

As diferentes propriedades dos materiais, também determinam a classificação

(18)

Classificação dos materiais quanto ao grau de desenvolvimento tecnológico

1.Naturais: utilizados como se encontram na natureza

2.Empiricamente desenvolvidos: ex. argila vermelha

3. Desenvolvimento científico:

a ciência no desenvolvimento dos materiais

4.Materiais projetados: fabricados com grau de conhecimento elevado

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VIABILIZAÇÃO DE PROJETOS DE ALTA TECNOLOGIA Materiais projetados

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Titânio Níquel Aço

Alumínio Compósitos

Fonte: Rolls Royce

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Alumina convencional (opaca) Alumina translúcida

Materiais projetados:

Exemplo: lâmpada de sódio (1000oC)com

tubo de alumina

(100 lúmens/W convencional 15 lúmens/W)

porosidade: 3% porosidade: 0,3%

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Classificação dos materiais segundo morfologia 1.Monoestruturados: único conjunto de propriedades

2.Recobrimentos: propriedades da superfície diferente das do corpo

3.Gradiente material: multicamadas com gradiente de propriedades

4.Composição aleatória de diferentes materiais:reforço por segunda fase

(23)

RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURAxPROCESSAMENTOxPROPRIEDADES

ESTRUTURA PROPRIEDADES

MATERIAIS PARA ENGENHARIA

PROCESSO DE FABRICAÇÃO

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• MATERIAIS PARA ENGENHARIA

ESTRUTURA NOS MATERIAIS

• ESTRUTURAATÔMICA • ESTRUTURA CRISTALINA • MICROESTRUTURA

• MACROESTRUTURA

(25)

– DIVISÃO DA ESTRUTURA NOS MATERIAIS

(26)

(27)

• MATERIAIS PARA ENGENHARIA

PROPRIEDADES DOS MATERIAIS

• MECÂNICAS • FÍSICAS

• QUÍMICAS

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- PROPRIEDADES DOS MATERIAIS

– mecânicas

• resistência à tração, compressão, flexão

• resistência ao escoamento, à fluência, à fadiga • ductilidade • módulo de elasticidade • resistência ao desgaste – físicas • propriedades elétricas • magnéticas • térmicas • ópticas • densidade – químicas • resistência à corrosão

RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA x PROCESSAMENTO x PROPRIEDADES

(29)

- PROPRIEDADES

DE SUPERFÍCIE

DE CORPO Ou substrato

(30)

- PROPRIEDADES DE CORPO

comportamento mecânico, propriedades elétricas e magnéticas, condutividade térmica

(31)

PROPRIEDADES MECÂNICAS

•Corresponde ao alongamento total do material devido à deformação plástica

% A = (l_f-l_o/l_o)x100

onde l_o e l_fcorrespondem ao comprimento inicial e final (após a ruptura),

respectivamente.

• Corresponde à redução na área da seção

reta do corpo, imediatamente antes da ruptura. Os materiais dúcteis sofrem grande redução na área da seção reta antes da ruptura

X100 %Estricção= área inicial - área final

área inicial Observação:área da secção

Ductilidade

ductilidade

(32)

Consultoria em engenharia

• Um corpo de prova cilíndrico, apresenta as

seguintes dimensões. Comprimento inicial

250mm,e diâmetro inicial 10mm. Após a

ruptura do material, em ensaio de tração,

calcule o alongamento e a estricção.

(33)

Consultoria em engenharia

• Um cliente automotivo, projeta uma liga em

aço, sendo que a especificação de

alongamento mínimo é de 20%.Foram

fabricados 2 corpos de prova, sendo obtidos

os seguintes valores:

• Corpo de prova 1 lo=250 mm, lf=350mm,

• Corpo de prova 2 lo=250 mm, lf=290mm.

Calcule o alongamento e informe se os corpos

de prova atendem a especificação do cliente.

(34)

• Corresponde à capacidade do material de absorver energia quando este é

deformado elasticamente e então, no descarregamento, ter recuperada esta energia.

• A propriedade associada é dada pelo módulo de resiliência (U_r)

U_r= _esc2_/2E

• Materiais resilientes são aqueles que têm alto limite de escoamento e baixo módulo de elasticidade (como os

metais utilizados para molas)

_esc

Resiliência

PROPRIEDADES MECÂNICAS

(35)

Corresponde à capacidade do material de absorver energia até sua ruptura

tenacidade

Tenacidade

PROPRIEDADES MECÂNICAS

(36)

Dureza

Definição: é uma medida da resistência de um material à

deformação plástica local.

Um penetrador é forçado para dentro da superfície de um material a ser testado, sob condições controladas de carga e de taxa de

aplicação da carga. Então é medida a profundidade ou o tamanho da impressão resultante que, por sua vez, é relacionada ao número de dureza; quanto mais macio o material, tanto maior e mais profunda a impressão e tanto menor o valor de dureza.

Força

penetrador

esquema da impressão resultantte

amostra

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Propriedades Elétricas

• O fenômeno da condutividade elétrica: característica de um material em conduzir energia elétrica é dada pela Lei do Ohm, a qual relaciona a

corrente elétrica com a tensão aplicada.

• A condutividade elétrica, σ [1/Ω-m], é utilizada para expressar uma característica elétrica de um material, onde ρ é a resistividade elétrica

(38)

Metais: são bons condutores, tipicamente tendo

condutividades da ordem de 107 _(Ω-m)-1

Isolantes Elétricos: No outro extremo estão os

materiais com muito baixas condutividades,

situando-se entre 10-10 _{e 10}-20 _(Ω-m)-1

Semi-condutores: Materiais com condutividades

intermediárias, geralmente entre 10-6 _{e 10}4 _(Ω-m)-1

Propriedades Elétricas

(39)

• Propriedade Térmica significa a resposta ao material quando este é submetido a aplicação de calor. Como sólidos absorvem energia na forma de calor, sua temperatura aumenta e sua dimensão tambpém. Esta energia pode ser transportada para regiões mais frias de uma amostra se existirem gradientes de temperatura, e a peça pode até se fundir.

PROPRIEDADES

TÉRMICAS

(40)

- PROPRIEDADES DE SUPERFÍCIE

reatividade com o meio, resistência à corrosão e ao desgaste, biocompatibilidade, efeito decorativo

Processos Metalúrgicos

(41)

Exemplos representativos: aplicações e propriedades de cada categoria de material

(42)

Exemplos representativos: aplicações e propriedades de cada categoria de material

(43)

• MATERIAIS PARA ENGENHARIA PROCESSOS DE FABRICAÇÃO • FUNDIÇÃO • LAMINAÇÃO • EXTRUSÃO • METALURGIA DO PÓ • PRENSAGEM • COLAGEM • OUTROS ...

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– PROCESSOS DE FABRICAÇÃO

• os materiais precisam adquirir forma e dimensões para ser utilizáveis na Indústria

• são definidos em função das propriedades dos materiais iniciais e das propriedades necessárias para fazer frente às condições de serviço da peça ou componente

• MATERIAIS PARA ENGENHARIA

(45)

METAIS

Fundição: areia, vazamento, molde permanente, cera perdida, lingotamento contínuo

Conformação: forjamento, extrusão,

estampagem profunda, dobramento, laminação Junção: soldagem a gás, por resistência

elétrica, brasagem, a arco, a estanho, por fricção e por difusão

Usinagem: torneamento, perfuração, fresa, corte

Metalurgia do pó

CERÂMICOS

Fundição ou colagem

Compactação: extrusão, prensagem e prensagem isostática

Sinterização

POLÍMEROS

Moldagem por injeção

Conformação: a vácuo, por repuxamento, por extrusão SEMI-CONDUTORES Crescimento de cristais Deposição química de vapores COMPÓSITOS

Fundição, incluindo infiltração Conformação

Junção: junção adesiva, ligadura por explosão, por difusão

Compactação e sinterização

• PROCESSOS DE FABRICAÇÃO

(46)

DIFERENTES PROCESSOS DE FABRICAÇÃO

DIFERENTES MICROESTRUTURAS

• PROCESSOS DE FABRICAÇÃO

(47)

– ESTRUTURA

– PROPRIEDADES

– PROCESSOS DE FABRICAÇÃO

– DESEMPENHO

• como os materiais se comportam nas condições de serviço • (laboratório, acompanhamento e análise post-mortem)

ESTRUTURA PROPRIEDADES PROCESSO DE FABRICAÇÃO

(48)

ESTRUTURA PROPRIEDADES PROCESSO DE FABRICAÇÃO

DESEMPENHO

(49)

EFEITOS DO MEIO SOB O COMPORTAMENTO DO MATERIAL

• Os materiais têm seu comportamento influenciado pelo meio em que se encontram:

- TEMPERATURA - CORROSÃO

- RADIAÇÃO - DESGASTE

(50)

• Temperatura

Tendência:  T RM

troca rápida de temperatura -catastrófica

Aumento de temperatura diminui a resistência mecânica dos materiais

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• Corrosão

Metais e polímeros reagem com O2 e outros gases

aumento de temperatura reage mais pode ocorrer corrosão por líquidos

pits, trincas ⇒ fratura Cerâmicos podem ser atacados por outros líquidos cerâmicos

Alumínio atacado por bactéria Hidrogênio dissolvido no cobre fratura frágil

(52)

• Radiação De alta energia

Ex.: neutrons de reatores nucleares que podem afetar a estrutura interna dos materiais, diminuir a resistência mecânica e fragilizar o material, devido a formação de fissuras.

• Desgaste Abrasão

Ex.: pisos cerâmicos desgastados com o tráfego de pessoas

(53)

Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros?

⇒ Em primeiro lugar, o engenheiro deve caracterizar quais as condições de serviço a que será submetido o material e levantar as propriedades requeridas para tal aplicação. Deve-se incluir os fatores de degradação de propriedades, como temperatura de trabalho, agentes corrosivos - ataque químico, desgaste, radiações, nessasconsiderações.

⇒ Determinar (ou saber como foram determinados) as propriedades de interesse e saber qual o desempenho e limitações e restrições no uso dos materiais selecionados.

⇒ Em raras ocasiões um material reúne uma combinação ideal de propriedades, ou seja, muitas vezes é necessário reduzir uma em benefício da outra. Um exemplo clássico são resistência e ductilidade, geralmente um material de alta resistência apresenta ductilidade limitada. Este tipo de circunstância exige que se estabeleça um compromisso razoável entre duas ou mais propriedades.

⇒ Disponibilidade de matéria-prima e viabilidade técnica em obter a dimensão e forma da peça para seu emprego.

⇒ Impacto ambiental da produção e reciclabilidade do material após uso

⇒ Custo total

SELEÇÃO DE MATERIAIS

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Em resumo deve-se selecionar um material que:

1. Apresente as propriedades adequadas

Compromisso entre propriedades Confiabilidade

2. Possa ser processado na forma desejável

3. Seja economicamente viável (matéria-prima e processo de fabricação) 4. Possa ser produzido com baixo impacto ambiental e posa ser reciclado

(55)

Material Resistência Mecânica (MPa) Densidade Resistência/peso (m2s-2103) Polietileno 7 0,83 8 Alumínio puro 45 2,7 17 Cobre puro 207 8,9 23 Aço baixo-carbono 393 7,8 50 Titânio puro 241 4,4 55 Al2O3 207 3,9 53 Nylon 76 1,11 68 Epóxi 103 1,4 74 Aço alto-carbono 614 7,8 79 Si3N4 483 3,2 151

Aço-liga tratado termicamente 1655 7,8 212 Liga de alumínio tratada termicamente 593 2,7 220

Compósito carbono-carbono 414 1,8 230

Liga de titânio tratada termicamente 1172 4,4 256

Compósito Kevlar-epóxi 448 1,4 320

Compósito carbono-epóxi 551 1,4 393

RELAÇÃO: RESISTÊNCIA/DENSIDADE

(56)

RELAÇÃO: RESISTÊNCIA/DENSIDADE

(57)

Cr-Co-Mo Ti-Al-V Óxido de Al Cr-Co-Mo Ti-Al-V • Biocompatível

Aula 1 - Materiais de Construção Mecânica - introdução

MATERIAIS MECÂNICOS

Prof. M.Sc. Engenheiro Metalúrgico

Jorge Luis Braz Medeiros

Materiais de engenharia

•

OBJETIVO

TIPOS DE MATERIAIS

⇒

aplicações pela indústria

⇒

pelo grau de desenvolvimento tecnológico

⇒

morfologia estrutural

MATERIAIS PARA ENGENHARIA

• MATERIAIS PARA ENGENHARIA

• MATERIAIS PARA ENGENHARIA

Consultoria em engenharia

• Um corpo de prova cilíndrico, apresenta as

seguintes dimensões. Comprimento inicial

250mm,e diâmetro inicial 10mm. Após a

ruptura do material, em ensaio de tração,

calcule o alongamento e a estricção.

Consultoria em engenharia

• Um cliente automotivo, projeta uma liga em

aço, sendo que a especificação de

alongamento mínimo é de 20%.Foram

fabricados 2 corpos de prova, sendo obtidos

os seguintes valores:

• Corpo de prova 1 lo=250 mm, lf=350mm,

• Corpo de prova 2 lo=250 mm, lf=290mm.

Calcule o alongamento e informe se os corpos

de prova atendem a especificação do cliente.

PROPRIEDADES MECÂNICAS

Tenacidade

PROPRIEDADES MECÂNICAS

Dureza

Propriedades Elétricas

Propriedades Elétricas

PROPRIEDADES

TÉRMICAS

Materiais de Construção Mecânica

Processo de obtenção de produtos Siderúrgicos

• São ligas de Ferro e Carbono, podendo apresentar

ainda

elementos

residuais

e

ou

impurezas,

decorrentes do processamento ;

• Principais insumos incluem Ferro Gusa,originado em

altos fornos. Ferro esponja, obtido da redução direta

dos

minérios de Ferro, em fornos

rotativos.Ferros ligas, para ajuste de

composição

química. Outro insumo de grande aplicação é sucata e

de importante reciclagem de materiais.

Obtenção do Ferro Gusa

• Obtido em altos fornos, sendo os principais

componentes da carga do forno, Minério de Ferro,

Fluxo (calcário), Coque (originado de carvão vegetal e

ar (aquecido).

• Após a fusão do Gusa, o mesmo pode ser enviado

líquido para a aciaria ou solidificado para posterior

venda como insumo.

• Geralmente os Ferros Gusa de boa qualidade

apresentam baixo teor de P.

Processos de Obtenção de Aços

• Forno Siemns-Martin;

• Conversores LD (Lisz-Donawitz);

• Forno Elétrico a Arco (Aplicação principal sucata).

• As usinas podem ser integradas,

semi-integradas ou não semi-integradas.

• Usinas integradas apresentam redução (fabricação

gusa), refino (fabricação do aço) e

conformação

mecânica (laminação, trefilação ou forjamento).

Obtenção de Ferros Fundidos