TM373 Seleção de Materiais Metálicos

Transcrição

1 Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Departamento de Engenharia Mecânica TM373 Seleção de Materiais Metálicos Introdução Prof. Rodrigo Perito Cardoso

2 Favor desligar o celular ou passá-lo para o modo silencioso Em caso de ligação favor não atender durante a aula

3 Objetivo Entender/visualizar o processo de seleção de materiais em um sentido amplo Entender a necessidade de compromisso entre critérios conflitantes no processo de seleção

4 Seleção de materiais e a Engenharia mecânica

5 Correlação Importante Imposto pelo projeto: Propriedade Ductilidade Limite de escoamento Tenacidade, etc Falamos principalmente de propriedades mecânicas Processamento Estrutura Para um material ser útil é necessário fabricar algo com ele: Usinagem (geometria definida, indefinida, etc) Conformação (estampagem, embutimento, trefilação, extrusão, forjamento, laminação, etc) Fundição (molde de areia, injeção, cera perdida, etc) Metalurgia do pó (convencional, Injeção, spark-plasma ) Macroscópica (1X) Microscópica (1.000X) Atômica ( X)

6 Categorias de propriedades Categoria Mecânica Química Física Propriedades tipicamente desejadas Resistência mecânica Tenacidade Rigidez Resistência à corrosão Resistência à oxidação Densidade Condutividade elétrica Condutividade térmica Propriedades magnéticas Principais aplicações Equipamentos Estruturas Plantas de Industria química e geração de energia Estruturas expostas ao tempo (em especial ambiente marinho) Aeroespacial, máquinas alternativas Eletrônica, transmissão de energia, instrumentação (automação)

7 Propriedades de alguns materiais (Grosseira) Polímeros Metais Cerâmicos Baixa resistência mecânica Baixa rigidez Sensível à temperatura Isolante elétrico Elevada resistência mecânica Elevada rigidez Dúctil Bom condutor de calor e eletricidade Atenção, existem muitas exceções a esta generalização Elevada resistência mecânica Frágil Refratário Isolante elétrico

8 Resistênsia Prof. Rodrigo Perito Cardoso Características de alguns materiais Rigidez Leve Denso Refratário Baixo Tf Res Corrosão Condutor Barato Caro

9 Seleção de Materiais Envolve uma gama de conhecimentos que dificilmente é encontrada em uma única categoria de profissionais. Envolve: Eng. de projeto, térmico, materiais, etc... Marketing Fabricação Processo iterativo Conflito de propriedades/critérios -> Filosofia de compromisso (ex. resistência mecânica x tenacidade)

10 Critérios na Seleção de Materiais Exemplos: Considerações dimensionais Considerações de forma Considerações de peso Considerações de resistência mecânica Resistência ao desgaste Conhecimento das variáveis de operação Facilidade de fabricação Requisitos de durabilidade Número de unidades Disponibilidade de material Custo Existência de especificações de códigos Viabilidade de reciclagem Valor da sucata Grau de normalização Tipo de carregamento... Lista não exaustiva

11 Ex: Resistência mecânica Critério básico ~ materiais disponíveis Conflito de propriedades -> necessidade de compromisso (ex: resistência/tenacidade/ductilidade/resistência à corrosão) Comparação numérica de propriedades é insuficiente -> índice de mérito (ex: resistência/peso ou rigidez/peso)

12 Ex: Resistência mecânica Quadro de bicicleta Candidatos: Material Aço-liga Ti Al PRFC s (MPa) Aparentemente o aço-liga é o mais adequado, mas vejamos o Índice de Mérito (s/r): Material Aço-liga Ti Al PRFC IM O PRFC parece o mais adequado, seguido do alumínio. Mas e o custo? Material Aço-liga Ti Al PRFC US$/kg 0, * * Preço muito variável Este é o custo do material usado? -> custo/im Além de tudo isso -> fabricação, disponibilidade, etc... O que escolher? Competição? Lazer? Ecologia?

13 Ex: Facilidade de fabricação Soldagem, Forjamento, Fundição, Extrusão, etc (impacto nas proriedades). Soldagem -> deve-se analisar a soldabilidade (ex: Ligas leves sujeitas a porosidade -> não aplicadas em aplicações de alta responsabilidade (aeronáutica)) Para aços a soldabilidade esta relacionada com o C eq (<0,4) -> minimizar o carbono

14 Ex: Facilidade de fabricação Processo X propriedade (forjamento x fundição) Acabamento superficial e tolerância Fundição em molde de areia (20mm e 2mm) Forjamento (2mm e 1mm) Escala de produção -> custo do ferramental Molde de areia ou forjamento Usinabilidade Etc...

15 Ex: considerações dimensionais Tamanho da peça parece um parâmetro de menor importância, mas pode limitar: Processo de fabricação Composição química (Trat. Térmico de aços) Curvas de temperabilidades

16 Seleção de materiais X Projeto O procedimento ideal deve ser um dialogo entre diferentes profissionais (interação cíclica). Podemos ter seleção no contexto de: Criação de novos produtos (cel. solar, pilha comb., etc) Modificações visando adaptação a novas condições de serviço (usinas, reatores, motores) Material inadequado Novos materiais ou processos -> desempenho Redução de custo

17 Seleção de materiais X Análise de Falhas Análise de falhas é importante para assegurar a integridade e segurança Prevenção de falhas Melhoramentos e modificação de projetos Melhor entendimento do projeto, materiais, fabricação e métodos de inspeção Na ocorrência de falhas fica clara a importância da seleção de materiais

18 Seleção de materiais X Análise de Falhas Alguns casos relativamente recentes

19 Seleção de materiais X Análise de Falhas Causas de falha (estudo de 350 casos) Origem % Seleção incorreta de materiais 38 Defeitos de fabricação 15 Tratamento térmico incorreto 15 Falha de projeto 11 Condições imprevistas de operação 8 Controle inadequado das condições de trabalho 6 Problemas na inspeção e controle de qualidade 3 Troca equivocada de materiais 2

20 Seleção de materiais X Análise de Falhas Mecanismos de falha em plantas industriais Origem % Corrosão 29 Fadiga 25 Fratura frágil 16 Sobrecarga 11 Corrosão em alta temperatura 7 Corrosão sob tensão/fadiga combinada com corrosão/fragilização por hidrogênio Fluência 3 Desgaste, abrasão e erosão 3 6

21 Seleção de materiais X Análise de Falhas Mecanismos de falha em componentes aeronáuticos Origem % Fadiga 61 Sobrecarga 19 Corrosão sob tensão 8 Desgaste excessivo 7 Corrosão 3 Oxidação em alta temperatura 2 Falha: evento que resulta do fato de um componente não ser capaz de executar plenamente suas funções em serviço

22 Seleção de materiais X Análise de Falhas Função Segurança Aparência Economia Análise de falha Projeto Desempenho Seleção de materiais Fabricação

23 Seleção de materiais Projeto Fabricação Material Propriedade Processamento Estrutura

24 Seleção de materiais Assita o vídeo Airbus A380 - O Gigante do Céu tome notas e escreva um texto de no máximo 1 página (redigida a mão) enfatizando os desafios e a importância da seleção de materiais no projeto do A380 Entrega -> até 10/8

25 É importante lembrar Visão geral de seleção e correções