Seleção de Materiais. Interdependência Materiais/Processamento/Projeto. Engenharia e Ciência dos Materiais? A.S.D Oliveira

Transcrição

1 Engenharia e Ciência dos Materiais? Interdependência Materiais/Processamento/Projeto

2 Abordagem: SISTEMA DE MATERIAIS As caracteristicas dos materiais são uns dos aspectos do projeto como um todo

3 Motivação

4 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

5 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

6 Projetista industrial: Na maioria dos casos não conhece materiais, suas propriedades são reduzidas a números. Projetos simples: no ínicio especificação genérica; no final se exige seleção criteriosa do material Projetos mais complexos: 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=>projeto e processamento são paralelos até teste final de protótipos

7 Projeto: - função: funcionabilidade do componente em serviço (Definição; Desenvolvimento do projeto;tomada de decisão; Análise) - aparência: 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

8 Desenvolvimento de produto Otimização decorre do feed-back dado pelos responsáveis pela produção Alterações na especificação de um material=> ~20% de melhoria no desempenho Situação problema Seleção de Materiais Fornecedor deixa de atender as especificações originais ou quebra de componente pára 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

9 Engrenagens Seleção de Materiais Tempera/usinagem/tempera superficial Surgimento de trincas no estágio final=> troca de material Sensibilidade a tempera?/ banho de tempera adequado?/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? Aparência é relevante utensilios domésticos/produtos que trocam de dono rapidamente, ex: automóveis, garantia de pintura?

10 Custos

11 Propriedades do material são relevantes no início 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

12 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 costeffective na construção de uma ponte, ponte cai...engenheiro fica comprometido Ex: fabricante de carros, resistência a corrosão pode ser uma propriedade cost effective,quando dá problema a maioria dos carros não pertence mais ao primeiro dono e como tal a garantia não se aplica

13 Características do material versus características do projeto 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 Avanços tecnológicos tem de se traduzir em lucro

14 Análise dos custos Seleção de Materiais Mercado competitivo -> redução do custo para o consumidor é prioritário (redução de preço de mercado e custo de manutenção)

15 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: Rolls-Royce e Audi, investimento maior nos materiais reduzindo custos de manutenção, maior preço de mercado

16 Custo 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 Valor acrescentado (ex: compra chapa vende porta de carro, ou compra placas e vende chapas para conformação final) Controle do stock (ex: material em armazem é dinheiro comprometido e exige instalações fisica, mas permite uma melhor negociação)

17 Requisitos de operação e análise de falhas

18 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

19 Falha em Serviço: Seleção de Materiais 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)

20 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, processos de desgaste Baixa tenacidade

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

22 Aspectos da trinca por fadiga Marcas de praia Estrias de fadiga

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

24 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 2 fase Aço temperado e revenido

25

26 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. Ex: fadiga, com o aparecimento de estrias associadas ao cresimento da trinca, Corrosão por fadiga, desgaste: galling, fretting, abrasão Estrias ducteis Clivagem ciclica Interface α/β Trincas em matrix dura Trincas em matrix ductil Estrias ducteis Clivagem de α em campo α/β Particula nucleia vazios Facetas intergranulares

27

28 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)

29 Falha em Serviço: Mecanismos: Corrosão

30 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

31 Falha em Serviço: Mecanismos: Desgaste

32 Especificações e controle de qualidade

33 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

34 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 produtor 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