Introdução ao Projeto de Aeronaves. Aula 32 Materiais Aeronáuticos

Transcrição

1 Introdução ao Projeto de Aeronaves Aula 32 Materiais Aeronáuticos

2 Tópicos Abordados Materiais Empregados na Indústria Aeronáutica. Definições e Propriedades Mecânicas.

3 Principais Materiais Utilizados na Indústria Aeronáutica Alumínio. Titânio. Madeira. Fibra de Vidro. Fibra de Carbono. Aço. Ligas Metálicas em Geral. Materiais Compostos.

4 Alumínio O alumínio possui uma combinação única de propriedades que o tornam um material de construção versátil, altamente utilizável e atrativo. Propriedades do Alumínio: Leve e com baixa densidade Resistência Elasticidade Plasticidade Fácil de trabalhar Fácil de soldar Fácil de montar Resistente à corrosão Bom condutor

5 Propriedades Mecânicas do Alumínio Liga ABNT ASTM DIN Têmpera Limite de Resistência à Tração Mpa (N/mm²)Mín. Limite de Resistência à Tração Mpa (N/mm²)Máx. Limite de Escoamento Mpa (N/mm²)Mín. Alongamento Mínimo "50mm"(%) Dureza Brinell (HB) 1050 Al 99,5 O H O H Al 99,0 O H E-Al O H Al Cu Pb Bi T4 T Al Mn Cu O H Al Mn0,5 Mg0,5 O H Al Mg1,0 O H14 H Al Mg2,5 O H Al Mg Si0,5 T Al Mg Si Cu T4 T Al Mg Si0,5 T E-Al Mg Si0,5 T T T Al Mg Si1,0 T

6 Nomenclatura da Tabela 1) Os valores indicados não implicam garantia formal. 2) Os dados de tensão são expressos na unidade megapascal (Mpa), equivalente a 1N/mm2. 3) Classificação das Têmperas: O - Recozido: Aplica-se a produtos acabados, no estado em que apresentam o menor valor de resistência mecânica. H - Encruada: Aplica-se a produtos de ligas não tratáveis termicamente, ou seja, ligas onde o aumento da resistência mecânica se consegue apenas por deformação plástica a frio (encruamento). F - Como Fabricada: Aplica-se aos produtos obtidos através de processos de conformação em que não se emprega qualquer controle especial sobre as condições térmicas ou de encruamento. Não se especificam limites para as propriedades mecânicas. T - Tratada Termicamente: Aplica-se aos produtos que sofrem tratamento térmico com ou sem deformação plástica complementar, que produz propriedades físicas estáveis e diferentes das obtidas com "F", "O" e "H". 4) Para as ligas com têmpera H114, utilizar os limites especificados na têmpera "O". 5) Para as ligas com têmpera H154, utilizar os limites especificados na têmpera "H14". 6) Para maetriais laminados, os valores de alongamento correspondem às espessuras de 0,63 a 1,20mm.

7 Propriedades do Alumínio Comparadas a Outros Materiais Alumínio Cobre Aço 371 Plástico Resistência/Tensão de ruptura N/mm Ductibilidade/Alongamento % Elasticidade/Módulo de Young MPa Densidade kg/m Ponto de fusão o C Amplitude da temperatura de trabalho o C Conductividade eléctrica m/ohm-mm Conductividade térmica W/m o C ,15 Coeficiente de expansão linear x10-6 / o C Não-magnético Sim Sim Não Sim Soldável Sim Sim Sim Sim

8 Ligas de Alumínio Classificação 1XXX 2XXX 3XXX 4XXX 5XXX 6XXX 7XXX 8XXX Composição Alumínio com no mínimo 99% de pureza Ligas de alumínio-cobre Ligas de alumínio-manganês Ligas de alumínio-sílica Ligas de alumínio-magnésio Ligas de alumínio-magnésio-sílica Ligas de alumínio-zinco-magnésio Ligas de alumínio-lítio

9 Alumínio Aeronáutico As ligas de alumínio das séries aeronáuticas (2XXX e 7XXX) possuem como características principais os elevados níveis de resistência mecânica que, aliadas a baixa densidade do metal e a facilidade de conformação e usinagem, transformam o alumínio em uma das melhores opções para a fabricação de dispositivos e estruturas aeronáuticas.

10 Alumínio Aeronáutico Série 2XXX As ligas de alumínio da série 2XXX são ligas com cobre 1,9-6,8% e muitas vezes contêm adições de manganês, magnésio e zinco. Seu endurecimento por precipitação tem sido amplamente estudado. Elas são usadas para aplicações tais como, forjamento, extrusão e tanques de armazenamento de gás liquefeito de transporte civil e aeronaves supersônicas. Essas ligas têm menores taxas de crescimento de trinca e, portanto, têm melhor desempenho em fadiga do que as ligas da série 7XXX. Portanto, estas são utilizadas nas asas e na parte inferior da fuselagem. As ligas utilizadas são 2224, 2324 e 2524 (ambas as versões modificadas de 2224). Estas ligas são geralmente compostas por 99,34% de alumínio puro para maior resistência à corrosão.

11 Alumínio Aeronáutico Série 7XXX O sistema Al-Zn-Mg oferece o maior potencial de endurecimento por precipitação (de ligas de alumínio). O cobre muitas vezes é adicionado para melhorar a resistência à corrosão sob tensão (com o inconveniente de reduzir a soldabilidade). Fissuração por corrosão diminui a resistência com o aumento da relação Zn:Mg. A fissuração por corrosão têm sido a maior restrição sobre o uso dessas ligas, mas eles ainda têm sido usados em, vagões, aeronaves militares e civis.

12 Aplicações de Alumínio em Aeronaves

13 Características do Titânio Por ser um metal leve, é usado em ligas para aplicação na indústria aeronáutica e aeroespacial. Foi escolhido para essa função por suportar altas temperaturas, característica indispensável em mísseis e naves espaciais.

14 Propriedades do Titânio Algumas importantes propriedades físicas do titânio comercialmente puro (sem elementos de liga) estão relacionadas na tabela a seguir. Note que a densidade deste metal é de aproximadamente 56% da maioria dos aços liga, e que seu módulo de elasticidade da aproximadamente 50%. A expansão térmica é também de aproximadamente 50% em relação ao aço inoxidável e um pouco menor do que a do aço carbono. A condutividade térmica é aproximadamente a mesma do aço inox.

15 Propriedades Físicas do Titânio Propriedades físicas do titânio sem elementos de liga Densidade: 0,163 lbs/in³ (4,51 g/cm3) Fusão: F 164 C à 170 C Temperatura de transição Beta: 1675 F +_ 25 F 898 C à 926 C Estrutura molecular à temperatura ambiente: HCP Estrutura molecular acima da temperatura Beta: BCC Módulo de elasticidade ( tensão ): E = 14,9 x 10 6 PSI Módulo de elasticidade (compressão): E = 13,0 x 14,0 x 10 6 PSI Módulo de elasticidade (torção): G = 6,5 x 10 6 PSI Razão de Poisson: 0,34 Dureza: BHN 190 (~= 192 Vickers)

16 Aplicação de Titânio no Trem de Pouso do Boeing 787

17 Madeira Aeronáutica - Freijó Aplicações em hélices e estruturas aeronáuticas, tanto de aeronaves experimentais (substituindo a sitka e o "spruce" comum nos EUA) como reposição de componentes de aeronaves antigas. Seu uso aeronáutico é homologado pelo CPT. Algumas aeronaves tradicionais brasileiras como o paulistinha têm largo emprego de freijó em sua estrutura.

18 Propriedades Mecânicas - Freijó Físicas Densidade de massa (ρ): aparente verde: 920 kg/m³ aparente a 15% de umidade: 590 kg/m³ básica: 480 kg/m³ Mecânicas Flexão Resistência - FM: Madeira verde: 79,9 MPa Madeira seca (15% de umidade): 93,7 MPa Módulo de Ruptura: verde: 65,0 MPa seca: 95,2 MPa Módulo de elasticidade: verde: MPa seca: MPa Limite de proporcionalidade: verde: 34,4 MPa Compressão Resistência Fc0: Madeira verde: 36,6 MPa Madeira seca (15% de umidade): 27,9 MPa Módulo de elasticidade: verde: MPa

19 Aplicações de Madeira na Construção de Aeronaves

20 Materiais Compósitos Fibra de vidro: é o material compósito produzido basicamente a partir da aglomeração de finíssimos filamentos flexíveis de vidro com resina poliéster (ou outro tipo de resina) e posterior aplicação de uma substância catalisadora de polimerização. o material resultante é geralmente altamente resistente, possui excelentes propriedades mecânicas e baixa densidade. Permite a produção de peças com grande variedade de formatos e tamanhos, tais como placas para montagem de circuitos eletrônicos, cascos e hélices de barcos, fuselagens de aviões, peças para inúmeros fins industriais em inúmeros ramos de atividade, carroçarias de automóveis, e em milhares de outras aplicações.

21 Materiais Compósitos Fibra de carbono: as fibras carbônicas ou fibras de carbono são matérias-primas que provém da pirólise de materiais carbonáceos que produzem filamentos de alta resistência mecânica usados para os mais diversos fins, entre estes motores de foguetes (naves espaciais). Estes materiais compósitos, também designados por Materiais plásticos reforçados por fibra de carbono ("CFRP - Carbon Fiber Reinforced Plastic)" estão neste momento a assistir a uma demanda e um desenvolvimento extremamente elevados por parte da indústria aeronáutica, na fabricação de peças das asas.

22 Propriedades da Fibra de Carbono

23 Aplicações de Materiais Compósitos em Aeronaves

24 Materiais Compósitos no EMB-314

25 Aplicação dos Materiais Compósitos na Estrutura do Boeing

26 Aplicação dos Materiais Compósitos na Estrutura do EMB-170

27 Materiais Aplicados na Construção do F-14

28 Principais Materiais Utilizados no Aeromodelismo Isopor Alumínio. Madeira Balsa. Compensado Aeronáutico. Películas de Entelagem. Colas.

29 Aplicação dos Materiais Mais Comuns Utilizados na Estrutura de um Aeromodelo Fuselagem Balsa e Compensado Aeronáutico Entelagem Película Termo-Ativa Asa Balsa e Compensado Aeronáutico Trem de Pouso Alumínio

30 Estrutura de um Aeromodelo - Peças

31 Estrutura de um Aeromodelo - Colas

32 Estrutura de um Aeromodelo - Madeira

33 Estrutura de um Aeromodelo - Revestimento

34 Principais Materiais Utilizados no AeroDesign Alumínio. Madeira Balsa. Compensado Aeronáutico. Fibra de Carbono. Ligas Metálicas em Geral. Materiais Compostos. Colas.

35 Aula 32 Aplicação dos Materiais Mais Comuns Utilizados na Estrutura de um AeroDesign

36 Aplicação dos Materiais Mais Comuns Utilizados na Estrutura de um AeroDesign

37 Aplicação dos Materiais Mais Comuns Utilizados na Estrutura de um AeroDesign

38 Aula 32 Aplicação dos Materiais Mais Comuns Utilizados na Estrutura de um AeroDesign

39 Aplicação dos Materiais Mais Comuns Utilizados na Estrutura de um AeroDesign

40 Aula 32 Aplicação dos Materiais Mais Comuns Utilizados na Estrutura de um AeroDesign

41 Aula 32 Aplicação dos Materiais Mais Comuns Utilizados na Estrutura de um AeroDesign

42 Tema da Próxima Aula Cálculo Estrutural das Asas. Cálculo Estrutural da Empenagem.