TM Seleção de Materiais Metálicos Profa Ana Sofia C. M. D Oliveira

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1 TM Seleção de Materiais Metálicos Profa Ana Sofia C. M. D Oliveira

2 Seleção de Materiais Introdução Que conhecimento já foi adquirido? Como selecionar um processo de fabricação? O que fazer quando peso é determinante? Como selecionar quando a temperatura de trabalho é determinante? Critérios de Seleção O que justifica um processo de seleção. Custos. Requisitos de operação e análise de falhas. Especificações e controle de qualidade Requisitos de seleção Estrutural Requisitos de Seleção Superficie Mapas de propriedades Discussão de estudos de caso Avaliação: 1 prova + apresentação de estudo de caso + Resumo de palestras

3 Seleção de Materiais Introdução Modificação de projeto Novo projeto Seleção de materiais requer uma sistematização de informações O que se tem? O que se precisa?

4 Seleção de Materiais Introdução O que sabemos?

5 Seleção de Materiais Introdução Interdependência Materiais/Processamento/Projeto Materiais (Propriedades/ Disponibilidade/Custo) Processamento Seleção do equipamento Influência nas propriedades Custo) Projeto ( Condições de serviço/ Função/Custo)

6 Seleção de Materiais Introdução O custo é Determinante? Qual o papel do engenheiro? Identificar qual o grau de comprometimento das propriedades que é aceitável para se cumprir determinado custo

7 Seleção de Materiais Introdução Estrutura Ligação atómica Estrutura Cristalina Estrutura de Defeitos Microestrutura Macroestrutura Ciência dos materiais Propriedades dos materiais Engenharia dos materiais Desempenho em Serviço otensões ocorrosão otemperatura oradiação ovibração

8 Seleção de Materiais Introdução Como Selecionar processo de Fabricação? Conformação vs Fundição vs Metalurgia do Pó Uma das dimensões é signitivamente diferente das demais Fácil de deformar Geometria complexa Dificil de deformar Alta temperatura de fusão Alta dureza

9 Seleção de Materiais Introdução Processamento vs Fundição termomecânico Melhor controle da microestrutura e das propriedades Materiais ducteis Possibilidade de processamento de chapas ou perfis Limitação na geometria dos componentes fabricados Estrutura trabalhada/ tamanho de grão Peças de geometria complexa, com possibilidade de ter furos internos Fabricação direta da geometria final Facilidade de trabalhar com materiais de elevada dureza/resistência mecânica Estrutura fundida/ de solidificação

10 Seleção de Materiais Introdução Estrutura trabalhada (estrutura de grãos) Estrutura fundida (estrutura dendritica) Melhor controle da microestrutura e das propriedades Facilidade de trabalhar com materiais de elevada dureza/resistência mecânica

11 Seleção de Materiais Introdução Como atender as exigências de redução de peso? Propriedades especificas: Resistência/densidade - Resistência especifícia Tenacidade/densidade - Tenacidade especifíca Aplicações que requerem controle de peso da estrutura: Aeronaves, plataformas de exploração de petróleo, etc. Ex: Revolução na industria automotiva (anos 80-90) : Menor consumo de combustivel=> menor poluição Aliada a maior exigência segurança Crise na industria siderurgica Expansão da industria do Al

12 Seleção de Materiais Introdução Aço vs ligas de aluminio O engenheiro tem de ser critico em relação as informações que recebe! Folheto da British steel 1994

13 Seleção de Materiais Introdução Como conviver com alta temperatura de trabalho? Alteração de propriedades com a temperatura Resistência mecânica? Oxidação? Corrosão? Aços Ferramenta? Aços Inoxidáveis? Superligas?

14 Seleção de Materiais Introdução O que garante resistência mecânica em T elevada, Encruamento? Solução sólida? Refino de Grão? Precipitação? Ex: Aço Ferramenta para Trabalho a quente: aplicações a T elevada, - Cr, Mo, W principais elementos de liga - H 1x -Cr - H 2x, H 3x W - H 4x, H 5x Mo - Médio %C - Até 25% de elementos de liga - Tenacidade a alta T é o principal requisito Porque funciona?

15 Seleção de Materiais Introdução Endurecimento secundário

16 Seleção de Materiais Introdução aços Ferramenta Duplo revenido Tempera Revenido 1 Tempera Revenido 2

17 Seleção de Materiais Introdução Aços inoxidáveis? Superligas? Quando devem ser selecionados?

18 Seleção de Materiais Introdução Aços Inoxidáveis Aços de alta liga específicos para a resistencia a corrosão podem operar em temperaturas de até ~550 C Principal elemento de liga: Cr > 12% Cr forma um fino filme de óxido de Cr aderente a superfície do aço que protege a superfície contra a corrosão O Cromo também aumenta a resistência à oxidação em altas temperaturas.

19 Seleção de Materiais Introdução Aços Inoxidáveis - ferríticos - austeníticos - martensíticos - duplex - endurecidos por precipitação

20 Seleção de Materiais Introdução Aços Inoxidáveis - Propriedades

21 Seleção de Materiais Introdução Aços Inoxidáveis - proriedades Propriedades de Tração tipícas de materiais recozidos Deformação de materiais recozidos após fabricação.

22 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Para trabalhar a temperaturas elevadas > 540 C Superligas Ligas de Ni Ligas de Co

23 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Aplicação mais frequente/maior demanda: turbinas de aviação e de geração de energia

24 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Superligas: Alta resistência a temperaturas elevadas Boa resistência a corrosão e oxidação a temperaturas elevadas Boa resistência a fluência e a ruptura a temperaturas elevadas 3 classes: Ni-Fe Ni Co - Superligas Fe-Ni são uma extensão dos aços inoxidáveis e tipicamente se utilizam na forma trabalhada (placas, chapas, tupos, etc.) - Superligas à base de Ni e de Co podem ser utilizadas na forma de produtos trabalhados ou fundidos, dependendo da aplicação e da composição da liga. Aplicações estruturais e como revestimentos

25 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Correlação com outras ligas Temperatura de serviço

26 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Correlação com outras ligas resistência a oxidação vs resistência a fluência

27 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Correlação com outras ligas resistência a fratura

28 Seleção de Materiais Introdução Superligas Ligas de Co: Ponto de fusão mais elevado que as ligas de Ni ou Fe, o que permite que absorver tensões a temperaturas mais elevadas. Apresentam melhor resistência a corrosão a quente (em atmosferas das turbinas a gás), devido ao maior teor de Cr. Apresentam melhor resistência a fadiga térmica e melhor soldabilidade que as ligas de Ni

29 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Ligas de Ni: - Aplicações que requerem resistência a corrosão ou a resisência a temperaturas elevadas. - Algumas ligas de Ni estão entre os mais estruturais mais resistentes/tenazes - Em relação ao aço, as ligas de Ni apresentam resistência mecânica super elevada, elevados limites de proporcionalidade e elevado modulo de elasticidade. - A temperaturas criogênicas são ligas resistêntes e ducteis - A adição de carbono pode aumentar a temperatura de trabalho de 1000 C para 1200 C

30 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Classificação e comportamento das superligas Tensão de ruptura das superligas Ligas Ni e Fe-Ni endurecidas por precipitação Ligas de Co reforçadas por carbonetos Ligas Fe-Ni, Ni e Co endurecidas por SS

31 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Resistência a fratura de ligas de Ni e de Co (1000h) Ligas de Ni Fase coerente `aumenta a resistência Ligas de Co

32 O que determina as propriedades das ligas de Co e de Ni?

33 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Propriedades dependem de: Composição química Processamento Tratamento térmico Mecanismos de endurecimento: - Solução sólida - Dispersão de segunda fase - Precipitação: - carbonetos: MC...M 23 C 6 - fases ordenadas: `, ``

34 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Composição química Elementos de liga presentes nas ligas Ni e de Co

35 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Composição química (sistema de liga complexo)

36 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Ligas de Co

37 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Cobalto Estrutura HC a temperatura ambiente Transformação alotrópica a 417 C estrutura muda para CFC Ligas de Co Estrutura CFC Elementos de ligas: Cr, W, C Mecanismos de endurecimento: - Solução sólida - Precipitação de carbonetos (tipo MC.M23C6, morfologia e distribuição)

38 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Desempenho de ligas de Co Resistência a abrasão Resistência a cavitação

39 Seleção de Materiais Ligas de Ni

40 Seleção de Materiais Introdução - Superligas

41 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Niquel Estrutura CFC Fase Ligas de Ni: - Ligas NiCr e NiMo - Adição de Co reduz a solubilidade de outros elementos e promove a precipitação - Adição de Al e Ti promovem a formação do precipitado - Alguns elementos formam a fase `` - Carbonetos nos contornos de grão Fase ` Fase ``

42 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Ligas de Ni: Efeito da adição de Al e de Ti na resistência de ligas de Ni a 870 C

43 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Ligas de Ni: Ni-Cr (inconel) resistência a oxidação Ni-Fe (permalloy), magnéticas Ni-Mo (hastelloy) Resistência a temperaturas elevadas Outras superligas

44 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Processamento A maioria dos produtos fundidos são policristalinos equiaxiais (PC) ou solidificados direcionalmente (DS). Componentes fundidos são intrinsicamente mais resistêntes a altas temperaturas que os trabalhados. A composição dos componentes fundidos pode ser manipulada para que se obtenham propriedades especiais

45 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Processamento

46 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Processamento

47 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Processamento

48 Seleção de Materiais Introdução - Superligas Tratamento térmico

49 Seleção de Materiais Tratamento térmico Otimização de propriedades: solubilização e precipitação a duas T diferentes no campo bifásico / `. A T mais elevada precipita partículas grosseiras de `. Na segunda T, mais baixa, ocorre a precipitação da fase ` fina e dispersa.

50 Seleção de Materiais Tratamento térmico

51 Seleção de Materiais Introdução -Superligas Ligas de Ni efeito da distribuição de precipitados (γ ) Tensão de escoamento em função da temperatura

52 Seleção de Materiais Tratamento térmico A T de solubilização determina a quantidade de `que dissolve e o tamanho de grão de. Este será tão mais grosseiro quanto mais ` for dissolvido, pois este é responsável pelo ancoramento dos contornos de grão /. T solubilização < Tsolvus T solubilização > Tsolvus

53 Seleção de Materiais Propriedades dependem de: Composição química Processamento: Fundição e conformação A maioria dos produtos fundidos são policristalinos equiaxiais (PC) ou solidificados direccionalmente (DS). Componentes fundidos são intrinsicamente mais resistêntes a altas temperaturas que os trabalhados. De fato, a composição dos componentes fundidos pode ser manipulada para que se obtenham propriedades especiais. Mecanismo de endurecimento: - Solução sólida - Precipitação de fases intermetálicas - Presença de carbonetos - Encruamento a baixas temperaturas

54 Seleção de Materiais 02/09/2010

55 Seleção de Materiais: Tem de se integrar no projeto de componentes/equipamentos Tem de trazer benefícios

56 Seleção de Materiais Deve considerar: Propriedades mecânicas - divididas em fundamentais (quando são mensuráveis e podem ser usadas em projeto) classificadoras (não podem ser usadas em projetos mas são usadas para definir procedimentos Histórico de quebra em serviço efeitos mecânicos ou corrosivos Custo - devem ser incorporados nas propriedades: Pm.ρ/σesc ou Pm.ρ/E (em tração)ou Pm.ρ/σesc ½ ou Pm.ρ/E ½ (em flexão) Volume o componente pode ser oco ou ter furos para minimizar o volume de material? (custo minimo para determinada geometria) Processo de Fabricação - em situações competitivas, quando o material é relativamenet barato, o processo selecionado vai determinar o custo Caracteristicas da superficies Propriedades fisicas Impactos ambientais

57 Seleção de Materiais MOTIVAÇÃO

58 Seleção de Materiais Novo produto, componente ou planta industrial, produzidos pela primeira vez Motivação Melhoria de um produto ou equipamento já existente Situação problema, ex:quebra de componentes que leva a rejeição pelos cliente; fraturas de componentes em equipamentos exigindo alterações no material

59 Seleção de Materiais Produto novo: Objetivos bem definidos (ex: pesquisa de mercado) Relação custo/beneficio em serviço Impacto no mercado/produção A seleção do material quando não determina o processo de fabricação do produto, pelo menos vai limitar a sua escolha

60 Seleção de Materiais Projeto: Na maioria dos casos o projetista não conhece materiais e suas propriedades são reduzidas a números. Projetos simples: no início especificação genérica; no final se exige seleção criteriosa do material Projetos mais complexos: projeto e processamento são paralelos até teste final de protótipos Ex: Ligas de Al para aplicações estruturais na aeronautica Resistência a corrosão sob tensão; depende no nível de tensões residuais que depende do resfriamento na solubilização, que depende da dimensão e geometria do componente, que depende do projetista

61 Seleção de Materiais O projeto envolve diferentes fases: Projeto: - Função: funcionabilidade do componente em serviço (Definição; Desenvolvimento do projeto;tomada de decisão; Análise) - Aparência: importância depende da natureza do componente - Processo de fabricação - Custo Para inovar é preciso conhecer materiais e processos de fabricação impacto nos estágios iniciais do projeto

62 Projeto:

63 Seleção de Materiais Desenvolvimento de produto Otimização decorre do feed-back dado pelos responsáveis pela produção Alterações na especificação de um material se justificam se resultarem ~20% de melhoria no desempenho Situação problema Impssibilidade de atender as especificações originais do produto/material, quebra de componente que leva a parada do equipamento A base económica para a seleção está focada na volta urgente da produção, tem de se considerar o que é razoável em vez do ótimo

64 Seleção de Materiais Potenciais limitadores: escala de produção e tempo de reação Ex: Engrenagens Tempera + revenido/usinagem/tempera superficial Surgimento de trincas no estágio final=> troca de material Sensibilidade a tempera? Lote de material com problema?variaveis do processo de tempera? Solução sem troca de material: Normalização/usinagem/tempera superficial Dissolução de carbonetos da perlita ocorre, garantindo dureza uniforme na superfície? Qual a tolerância para a dureza? A condição normalizada atende as especificações estruturais? Quando a aparência é relevante Troca de material em aplicações como utensilios domésticos/produtos que trocam de dono rapidamente, ex: automóveis, garantia de pintura?

65 Seleção de Materiais CUSTOS

66 Seleção de Materiais Propriedades do material são relevantes no início mas na decisão final custo é o fator dominante Seleção de materiais mais nobres tem de se traduzir em aumento do desempenho; Trocas de materiais, exigem alterações de procedimentos e estocagem -> custos Interação custo/desempenho amplo espectro: Aplicações que exigem o melhor desempenho possível (submarino nuclear, nave espacial, locomotivas) - uma vez que se decide fabricar o preço é secundário as especificações técnicas são mandatórias Aplicações onde o preço é determinante (carros/ eletrodomésticos, etc) fabricante não tem de oferecer o melhor desempenho tecnológico, tem de garantir que a relação custo/beneficio de se produto é melhor do que o da concorrência

67 Seleção de Materiais Valor: critério de desempenho foi atingido a que nível? Custo: quanto custa para se obter determinado valor Qual o limite para redução de custos? Ex: eng civil não pode encarar tenacidade como propriedade negociável na relação qualidade/custo na construção de uma ponte, se a ponte cai...engenheiro fica comprometido Ex: fabricante de carros, resistência a corrosão pode ser uma propriedade negociaável na relação qualidade/custo; quando dá problema a maioria dos carros não pertence mais ao primeiro dono e como tal a garantia não se aplica

68 Seleção de Materiais Características do material versus características do projeto Ex: Material tenaz: capaz de resistir ao inicio e propagação de trincas é CARO Projeto tenaz: está livre de entalhes e concentradores de tensão é BARATO Decisões baseadas em custos tem de ser tomadas com pleno conhecimento de: - Requisitos de operação especificos que se possam anticipar - Propriedades dos materiais disponiveis e a sua relação com esses requisitos DECISÕES COM BASE NO CUSTO INIBEM AVANÇOS TECNOLÓGICOS MAS... AVANÇOS TECNOLÓGICOS TEM DE SE TRADUZIR EM LUCRO

69 Seleção de Materiais O que envolve considerar custos?

70 Seleção de Materiais Análise dos custos Mercado competitivo -> redução do custo para o consumidor é prioritário (redução de custo da propriedade e custo de manutenção)

71 Seleção de Materiais Análise de custos Na maioria dos casos, o foco está na redução do preço de mercado Mercado automotivo, fabricante responde apenas para o primeiro dono, porquê investir em um material mais nobre se quando o componente quebrar a responsabilidade não é mais dele? Mercado mais seleto: Carros de luxo, investimento maior nos materiais reduzindo custos de manutenção, maior preço de mercado

72 Seleção de Materiais Análise de custos ocusto da matéria prima: - facilidade de obtenção/extração - Abundância - relação oferta/procura - flutuações no custo - Mercado de ações - Custo da composição e complexidade metalurgica efeito da pureza - Custo dos elementos de liga - quantidade a ser produzida ovalor acrescentado (ex: compra chapa vende porta de carro, ou compra placas e vende chapas para conformação final) ocontrole do stock (ex: material em armazem é dinheiro comprometido e exige instalações fisica, mas permite uma melhor negociação)

73 Seleção de Materiais REQUISITOS DE OPERAÇÃO E ANÁLISE DE FALHAS

74 Seleção de Materiais Ideal: Projetista tem um conhecimento razoável de que propriedades os requisitos de serviço exigem do material e quais os tipos de falha em serviço que tem de ser evitados Real: Aplicação requer uma combinação particular de propriedades que por vezes são conflitantes compromiso entre o conjunto de propriedades que atende exigências técnicas, comerciais e econômicas (Ex: tensão de escoamento e tenacidade a fratura elevadas; Elevada resistência a fadiga e fluência a temperaturas elevadas) Aplicação de pesos a cada propriedade/atitude conservadora Grandes desafios: falta de experiência anterior, ex: centrais nucleares e tecnologia espacial

75 Seleção de Materiais Falha em Serviço: Grande influência no processo de seleção, exige a análise da causa e do mecanismo de falha Causas: Erro de projeto: escolha incorreta do material ou condição de serviço mal especificada. Fator de segurança adequado evitando falhas prematuras, gastos desnecessários ou sobrecarga da estrutura. Defeito no material, selecionado adequadamente: capacidade de inspecionar e avaliar o impacto destes defeitos no contexto econômica e de serviço ex: defeitos de fundição Defeitos introduzidos na fabricação: a confeção do componente/processo de fabricação selecionado pode introduzir defeitos ex: soldagem, tratamento térmico mal controlado, usinagem defeituosa, desalinhamento de componentes;alteração de propriedades mecânicas ou composição durante o processo de fabricação torna difcil de prever Deterioração em serviço: Certos tipos de degradação podem apenas ser adiados em função do ambiente de operação, corrosão e/ou desgaste, estabilidade da microestrutura/propriedades (temperatura). Alterações nas condições de serviço mudam o desempenho e favorecem falha prematura => manutenção é crucial (lubrificação, recondicionamento de componente)

76 Seleção de Materiais Falha em Serviço: Mecanismos Qual o mecanismo de falha? Existe relação com estrutura, composição do material ou projeto do componente? Alta tenacidade Tipos de mecanismos: Fratura frágil ou ductil, fadiga (alto e baixo ciclo), fluência, corrosão, corrosão sob tensão, fadiga de corrosão, desgaste, erosão Baixa tenacidade A análise da superficie de fratura fornece informações muito relevantes

77 Seleção de Materiais Aspectos da trinca por fadiga Aspecto macroscópio: marcas de praia Aspecto microscópico (fractografia) estrias de fadiga

78 Seleção de Materiais Aspectos da trinca por fadiga Marcas de praia Estrias de fadiga

79 Seleção de Materiais Superfície exposta a fadiga, formação de concentradores de tensão Mecanismo de fadiga

80 Seleção de Materiais Curvas S-N Tensão limite de fadiga abaixo dele o n. de ciclos é infinito

81 Seleção de Materiais Desenho esquemático dos tipos de fratura: (a) dúctil com microvazios; (b) transgranular por clivagem e (c) intergranular.

82 Seleção de Materiais Falha em Serviço: Mecanismos Fratura frágil intergranular sem deformação plástica macroscópica, sugere a existência de heterogeneidades nos contornos de grão, precipitado ou segregação, que controla o mecanismo de fratura. Ex: fragilização por hidrogênio, corrosão sob tensão CST, Al7079T651 Fratura ductil intergranular ligação entre microvazios, que se desenvolveram em torno de particulas de 2ª fase Aço temperado e revenido

83 Seleção de Materiais Fratura intergranular em camada nitretada de FF dutil Fratura transgranular, por clivagem FF dutil Dimples equiaxiais FF nodular Corrosão sob tensão (palheta de turbina a gás) Fratura intergranular e transgranular; Produtos de corrosão

84 Seleção de Materiais Falha em Serviço: Mecanismos Fratura frágil transgranular superfície de fratura reta, podendo apresentar marcas de sargento apontando para o ponto de inicio da fratura. Tipico de materiais muito frágeis. Pode apresentar evidências de deformação plástica em escla microscópica, presença de dimples Transgranular Estrias ducteis Clivagem ciclica Intergranular Trincas em matrix dura Trincas em matrix ductil Interface α/β Estrias ducteis Clivagem de α em campo α/β Particula nucleia vazios Facetas intergranulares

85 Seleção de Materiais

86 Seleção de Materiais Falha em Serviço: Mecanismos Fratura ductil transgranular deformação plástica macroscópica, crescimento lento da trinca, aparência fibrosa e zona de cisalhamento. O formato dos dimples reflete o sistema de tensão atuante Modo I Modo II Modo III (rasgamento)

87 Seleção de Materiais Falha em Serviço: Mecanismos: Corrosão

88 Seleção de Materiais Falha em Serviço: Mecanismos: Desgaste 4 sistemas tribológicos: Superfícies polidas contra superfícies polidas Superfícies duras ou abrasivas contra superfícies menos duras Fadiga de superfície Movimento de fluidos ou suspensões em relação a uma superfície sólida

89 Seleção de Materiais Falha em Serviço: Mecanismos: Desgaste/Erosão

90 Seleção de Materiais Especificações e controle de qualidade

91 Seleção de Materiais Procedimento e normas: - estabelecer terminologia (um termo por conceito) e unidades UNIVERSAL - especificar métodos para determinar composição química, propriedades físicas e mecânicas - especificações: dimensionais (permite troca de peças, como parafusos, porcas, etc, permite reduzir o numero de peças ao estabelecer padrões internacionais) e de qualidade (para o processo de fabricação ex: limites de composição de um aço - e para o desempenho do componente), AISI/SAE/ABNT -Código de boas práticas/padrões/procedimentos estabelece métodos de produção/instalação para se obter o desempenho pretendido (ISO, etc...) Deve ser objetivo, conciso, legível e dar atenção as exigências mais importante com o mínimo de referências cruzadas. Tem de permitir flexibilidade quanto aos métodos de fabricação e tolerâncias, equilibrando uma produção viável e as exigências do usuário. => Pela sua natureza os padrões restringem o desenvolvimento de novos materiais e inovação

92 Seleção de Materiais Inspeção e controle de qualidade Cada fabricante tem de garantir que o seu produto tem qualidade adequada ao mercado (depende do acordo entre o produtor e o cliente que comercializa o produto) Inspeção testes estabelecem que o produto/material/tratamento atende a especificação O fabricante deve sempre fazer inspeção, para garantir que o produto não será rejeitado e para se salvaguardar em caso de acidente com o produto. A etapa de inspeção aumenta o custo do produto (custo da responsabilidade, inspetores qualificados e seu equipamento, custo de certificação, elaboração de procedimento) A inspeção em fases intermediárias da produção pode reduzir custos, ao rejeitar peças ou procedimentos inadequados antes do final da produção