Seleção de Materiais com foco em: DEMANDAS ESTRUTURAIS. A.S.D Oliveira
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- Pedro Henrique Ximenes Santarém
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1 Seleção de Materiais com foco em: DEMANDAS ESTRUTURAIS
2 Seleção de Materiais
3 Seleção de Materiais Sistematização da informação: identificação de prioridades Ex: Rigído/Resistente Tenaz/ Leve A.Baixa rigidez (requer E maior) B.Baixa resistência (requer σ maior) C. Baixa tenacidade (requer K ic maior) D. Muito pesado ( requer ρ menor) Para isso é necessário conhecer cada propriedade
4 Seleção de Materiais Spectrum de Propriedades Mecânicas Resistência - Tração - Escoamento - Compressão - Flexão - Cisalhamento - Fluência - Tensão de Ruptura Conformabilidade - % alongamento - % de redução de área - Raio de flexão Resiliência - Modulo de elasticidade - Modulo de flexão - Modulo de cisalhamento Tenacidade - Resistência ao impacto - Sensibilidade ao entalhe - Intensidade da tensão critica Durabilidade - Dureza - Resistência ao desgaste - Resistência a fadiga O Engenheiro tem de entender o que cada propriedade mede e como se mede cada propriedade
5 Seleção de Materiais Propriedades estruturais: Ø Resistência Mecânica capacidade de sustentar carga constante a temperatura ambiente Ø Resistência Fadiga capacidade de resistir a flutuações de carga Ø Resistência em Temperatura Fluência : capacidade de resistir a carga em T altas o suficiente para que a carga produza alterações progressivas nas dimensões ao longo de um período de tempo Ou resistência ao choque térmico máximo gradiente de T que o material suporte sem sofrer dado ( coef de expansão térmica; máx T de serviço ( pode ser usado sem sofrer oxidação); etc)
6 Resistência mecânica depende da aplicação da carga
7 Elástica Estrutura retorna a sua forma original quando se remove a carga Plástica Carga aplicada provoca uma deformação permanente Tração Tendência para separar/romper o componente T e n s ã o Compressão Flexão Tendência para esmagar ou colapsar o componente Flexão do componente Cisalhamento Cisalhamento do componente Torção Torção do componente
8 Seleção de Materiais Resistência mecânica: A maioria dos dados são obtidos a partir de testes de tração; Nos metais o comportamento em compressão pode ser deduzido a partir destes dados;em outros materiais estes comportamentos podem ser muito diferentes Ex: FF são mais resistentes em compressão devido a sua fragilidade (facilidade de nuclear trincas) Resistência pode aumentar com o aumento da sessão transversal do componente, o que não acontece com outras propriedades A maioria dos metais é anisotrópico, isto é, suas propriedades variam com a direção que são testadas; depende do processo de fabricação Ex: Fundição vs laminação
9 Comportamento de diferentes materiais sob tração uniaxial Material dutil com baixo coef de encruamento Material dutil com alto coef de encruamento Aços inoxidáveis e ao carbono Material com escoamento descontinuo Aço de bx carbono Ligas de Aluminio Material frágil Vidros, cerâmicos, FF e alguns metais Material compósito Aumento de resistência está associado a um aumento da complexidade metalurgica do metal Fibras de vidro ou de carbono em matriz polimérica
10 Seleção de Materiais Comportamento de FF cinzento, é governado pela fase rica em carbono ( grafita). FF nodular também tem grafita em sua estrutura, e composição química similar, deve se esperar comportamento similar ao do FF cinzento? Dependência da estrutura
11 Seleção de Materiais Como correlacionar mais do que uma propriedade? Mapas de propriedades (correlacionam propriedades com pesos similares)
12 Seleção de Materiais Tensão vs deslocamento mostra comportamento do material dependência entre as variáveis envolvidas
13 Seleção de Materiais Classes de materiais Exibem cada propriedade com ordem de grandeza distintas
14 Mapas de propriedades Rigidez (E) vs densidade E depende da força da ligação e da densidade de ligações/área Aplicações que priorizam materiais de baixa densidade, utilizam materiais que estão na parte esquerda do mapa. Aplicações que priorizam materiais com maior rigidez utilizam materiais que estão na parte de cima do mapa. Densidade depende do peso atômico, tamanho do átomo e empacotamento atômico Materiais leves de boa rigidez são dificeis de encontrar materiais compósitos são um bom compromisso, mas normalmente são caros.
15 Mapas de propriedades Rigidez (E) vs densidade As ligas metálicas não tem grandes diferenças de densidade e rigidez (E) em relação aos seus metais puros. As madeiras, ao contrário apresentam grandes faixas de rigidez pois depende da orientação das suas fibras rigídas em relação ao carregamento (longitudinal ou transversal). As espumas apresentam as menores densidades devido aos poros. De um modo geral, os materiais estão ao longo da diagonal do gráfico mostrando uma forte correlação entre E e densidade
16 Mapas de propriedades Rigidez (E) vs densidade Os metais se localizam em uma região pequena, pois as ligas não tem grandes diferenças de densidade e rigidez (E) em relação aos seus metais puros. Alguns metais são muito atrativos para componentes leves e rígidos (Al, Mg, Ti) Os aços apresentam uma densidade relativamente alta, mas também uma elevada rigidez. Somando a elevada resistência e baixo custo, os aços são muito competitivos
17 Mapas de propriedades Resistência vs densidade Resistência Metais e polímeros escoamento ou tensão máxima Cerâmicos fratura em compressão Elastômeros rasgamento Compósitos fratura em tensão
18 Mapas de propriedades Resistência vs densidade Família dos metais Dependencia da microestrutura
19 Dependência entre propriedade e microestrutura Forte dependência da microestrutura
20 Seleção de Materiais Ajudam na classificação dos materiais KIC propagação das trincas mec da fratura linear elástica alicável a materiais Frágeis (def elástica antes da fratura) COD crack opening displacement Mec da fratura elastico plastica Informação é qualitativa Este mapa ajuda a selecionar materiais para aplicações que exigem material tenazes capazes de suportar tensão Aumentar a tensão aplicada é bom apenas se o material não quebrar
21 Seleção de Materiais A resistência tem de ser combinada com TENACIDADE para assegurar a integridade de estruturas
22 Seleção de Materiais Tenacidade, o que é? Capacidade do material resistir a propagação de uma trinca Projeto que não considera tenacidade (ignorando a existência de fatores de concentração de tensão): - elevados fatores de segurança que resultam em tensões muito baixas - união mecânica (ex:parafuso) entre componentes impede que uma trinca se propague por toda a estrutura - seção transversal reduzida em caso de concentração de tensões o material pode deformar plasticamente Desafios: - Qual o nível de tenacidade necessário para obter um desempenho satisfatório a um custo razoável - Como contabilizar tenacidade (para um dado nível de tensão, aumentar tenacidade implica em aumentar custo) Como combinar resistência mecânica e tenacidade? Aumentar a tensão aplicada é bom apenas se o material não quebrar
23 Seleção de Materiais Tenacidade, o que significa? Baixa tenacidade > fragilidade Tensão Energia Velocidade Frágil def elástica apenas Fratura ocorre em tensões inferiores aquela necessária para que ocorra escoamento em toda a seção transversal Fratura é um processo de baixa energia Propagação da trinca é rápida Tenaz ocorre def plástica Fratura ocorre com tensões compatíveis com escoamento em toda a seção transversal Fratura é um processo de alta energia Propagação da trinca é lenta
24 Seleção de Materiais Genericamente: relação inversa entre tenacidade e resistência (grande dependência da microestrutura) Tenacidade pode ser medida : ü Transição de temperatura ü Mecânica da fratura Principais variáveis na propagação de trincas: - Tensão média atuante - Tamanho e forma da descontinuidades - Tenacidade a fratura
25 Seleção de Materiais Seleção tem de considerar o projeto e o material De um modo geral: Estruturas grandes com seções espessas são menos tenazes do que estruturas pequenas e com seções finas Menores constrições plasticas v Materiais de baixa resistência requerem testes de impacto; o engenheiro tem de ter sensibilidade as exigências da aplicação v Materiais de elevada resistência aplica-se a mecânica da fratura (Relação entre a carga aplicada e o tamanho critico da trinca) v Tenacidade à fratura K IC (Mecânica da Fratura Linear Elástica) v Mecânica da Fratura Elasto-Plástica.COD
26 Seleção de Materiais Materiais de baixa resistência CCC FRATURA FRÁGIL Pouca deformação plástica macroscópica FRATURA DÚCTIL Muita deformação plástica macroscópica (expansão lateral do cp) (Fratura por clivagem)
27 Seleção de Materiais Materiais de elevada resistência Modos de carregamento Modo I (abertura) Modo II (escorregamento) Modo III (rasgamento) 90% dos casos de fratura ocorre no modo I de fratura Cálculo das tensões na ponta da trinca
28 Seleção de Materiais Tenacidade à fratura K IC (Mecânica da Fratura Linear Elástica) Materiais de alta resistência mecânica e/ou componentes espessos Mecânica da fratura linear-elástica, ou seja, um estado plano de deformação (triaxial de tensões) com pouca deformação plástica na ponta da trinca.
29 Seleção de Materiais Tenacidade à fratura K IC (Mecânica da Fratura Linear Elástica) Ø Fratura ocorrerá quando o fator de intensidade de tensões (K I ) aplicado no material atingir um valor crítico K IC. O fator de intensidade de tensões leva em consideração a tensão aplicada ao componente e o tamanho e geometria de trinca existente, segundo uma relação do tipo K I = C 1σ π a C 1 um fator que depende da geometria da trinca e do componente, σ a tensão aplicada a o tamanho da trinca.
30 Seleção de Materiais Soluções de K I para casos típicos K IC é a tenacidade à fratura, uma propriedade do material, tal como o limite de escoamento -> Pode ser usado em projeto
31 Seleção de Materiais Em Materiais que deformam plasticamente Mecânica da Fratura Elasto-plástica em vez de K IC se usa COD O COD é a abertura na ponta da trinca (Crack tip opening displacement). O δ c é a abertura crítica (máxima permitida) na ponta da trinca, se constituindo numa propriedade do material, levantada por ensaio específico (ensaio de COD).
32 Seleção de Materiais Existe uma espessura mínima, Bo, abaixo da qual o estado é plano de tensão (e não de deformação) e a mecânica da fratura linear elástica não mais pode ser aplicada. B o = 2 K IC,5 σ LE 2
33 Resistência vs tenacidade: Seleção de materiais resistentes a cargas estáticas e a cargas de impacto Normalmente, quando aumenta a resistência diminui a tenacidade Muitas vezes resistência tem de ser acompanhada por tenacidade, ex: martelo. Resistência do material a fratura Cerâmicos são resistentes mas pouco tenazes Metais são tenazes e resistentes Mede energia necessária para quebrar um material
34 Resistência vs tenacidade: Metais são tenazes porque localmente deformam plasticamente enquanto a trinca avança, absorvendo energia FF tem baixa tenacidade porque os flocos de grafita são concentradores de tensão
35 Resistência vs tenacidade: Mapas de propriedades O que sendo representado? Conc. de tensão na ponta da trinca: Zona plástica em materiais ducteis Zona de microtrincas em ceramicos Zona de delaminação, descolamento ou quebra de fibras em compósitos A resistência na ponta da trinca é proprocional a tenacidade do material
36 Resistencia vs temperatura máxima de serviço Seleção de materiais para aplicações que envolvem temperatura Cerâmicos podem trabalhar a T elevadas mantendo a sua resistência, o que pode ser associado as ligações covalentes Metais e suas ligas podem ser utilizados em grande gama de temperatura com resistência elevada Temperatura máxima que pode ser utilizada acima desta T a resistência cai
37 Seleção de Materiais Fluência e resistência a T elevadas Deformação permanente e dependente do tempo: q que pode gerar defeitos internos que levam à ruptura do material. (ex: filamento de W de lampadas) q o deformação plástica, o que é indesejável do ponto de vista da precisão dimensional dos componentes.(ex: palheta de turbina a vapor) ü As temperaturas em que os mecanismos de fluência se tornam operantes são geralmente superiores a 0,4T f. Fluência - Falha que ocorre em altas temperaturas sob carga constante.
38 Estágios do comportamento em fluência: ε I II III X Região de ruptura Região de encruamento Região de Taxa de deformação contante 1 ε! ss Parâmetros importantes retirados do ensaio de fluência: - taxa de deformação no estágio II e - vida em fluência (tempo total para ruptura) t
39 Efeito da tensão e da temperatura na curva de fluência Efeito da tensão Efeito da temperatura
40 Seleção de Materiais Mecanismos de fluência: v Difusão de átomos e lacunas pelo interior dos grãos (Nabarro-Herring) v Difusão de átomos e lacunas pelos contornos de grão (Coble); v Deslizamento de discordâncias; v Movimentação de discordâncias por escalagem; v Deslizamento de contornos de grão.
41 Seleção de Materiais v Difusão de átomos e lacunas pelo interior dos grãos (Nabarro- Herring) v Difusão de átomos e lacunas pelos contornos de grão (Coble);
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43 Seleção de Materiais Como correlacionar mais do que uma propriedade? Mapas de propriedades (correlacionam propriedades com pesos similares)
44 Seleção de Materiais Organização/sistematização de informações Na seleção de um aço ferramenta para uma operação de usinagem, a especificação exige um material com um limite de resistência a tração 1500MPa e um percentual de alongamento 10%. Quais ligas atenderiam essa especificação? E se resistência a tração 1800Mpa?
45 Seleção de Materiais Substituição de metais por compósitos de menor densidade Setor de aeronaves comerciais 1kg de peso morto em jato comercial pode consumir 830 litros combustivel/ano Substituição de materiais para economia de combustíve lockheed L1011:utilização de 1.100kg de compósitos reforçados por Kevlar -> redução de 366Kg na estrutura exterior secundária. Ex: Boeing 767, economia de peso 570Kg Economia de uma frota de 50 aeronaves 767?
46 Mapas de propriedades Rigidez (E) vs densidade As ligas metálicas não tem grandes diferenças de densidade e rigidez (E) em relação aos seus metais puros. As madeiras, ao contrário apresentam grandes faixas de rigidez pois depende da orientação das suas fibras rigídas em relação ao carregamento (longitudinal ou transversal). As espumas apresentam as menores densidades devido aos poros. De um modo geral, os materiais estão ao longo da diagonal do gráfico mostrando uma forte correlação entre E e densidade
47 Resistencia vs temperatura máxima de serviço Seleção de materiais para aplicações que envolvem temperatura Materiais metálicos apresentam grande espectro de possibilidade de aplicações na faixa de temperatura apresentada Ni e suas ligas mantêm sua resistência até T elevadas No outro extremo Pb e algumas ligas de Al só podem ser utilizadas a baixas temperaturas
48 Mapas de propriedades possibilidade de considerar custos E, σesc, condutividade não mudam com o tempo Custo é sujeito a alterações custo relativo (C R ) C R = custo Kg de material/ custo do Kg de aço carbono em barra Permite selecionar materiais resistentes e baratos Dados com menor confiabildiade, consequencia da alteração do valor de mercado
49 Componente automotivo, resistênte, rigido, leve e com custo competitivo Restrição de projeto: E> 30GPa σesc> 10MPa
50 Linhas de mérito ou desempenho Permitem inserir critérios de projeto
51 Seleção de Materiais Os mapas de propriedades agregam materiais em termos do par de propriedades (ex: resistência/densidade ou Rigidez/densidade) Como proceder para escolher um material: ÍNDICES DE MÉRITO - Valores específicos que dependem daexigencias de desempenho, material e geometria do elemento ao qual a carga é aplicada Critério peso minimo Mesma σ esc para a menor massa Barra em Tração Barra em Flexão Placa em Flexão σ/ρ σ 2/3 /ρ σ 1/2 /ρ σ/ρ= C; σ 2/3 /ρ = C; σ 1/2 /ρ =C
52 Linhas de mérito ou desempenho Indíces de mérito para minimização de peso em projetos determinados por deformação elástica deformação plástica tenacidade
53 Linhas de mérito ou desempenho Sobrepostos aos mapas se encontram as linhas de mérito Ao longo da linha de méritos, os materiais são equivalentes; acima e a esquerda da linha estão materiais melhores do que os que estão na linha
54 Linhas de mérito ou desempenho Sobrepostos aos mapas se encontram as linhas de mérito: Materiais situados ao longo da linha tem indíce equivalente materiais acima e á esquerda de determinada linha terão indíces favoráveis Cada linha de mérito equivale a um tipo de carregamento: v Tração E/ρ v Flexão E 1/2 /ρ v Compressão E 1/3 /ρ Desempenho melhor significa: Ø Maior rigidez para uma dada massa Ou Ø Mesma rigidez para uma massa menor
55 Linhas de mérito ou desempenho Restrição de projeto: Tensão> 100Mpa considerando o indice 100 em tração, quais os materiais competitivos Linha de mérito para projeto com custo mínimo
56 Apresentação 2 1. Seleção de materiais para próteses de quadril 2. Seleção de materiais para brocas de perfuração de petróleo 3. Seleção de materiais para rodas automotivas: 4. Seleção de materiais para casco de navio: 5. Seleção de materiais para fuselagem de avião 6. Seleção de materiais para rolos de laminação 7. Seleção de materiais para implantes dentários: 8. Seleção de materiais para bloco de motor: 9. Seleção de materiais para moldes da indústria de plástico 10. Seleção de materiais para caldeiras: 11. Seleção de materiais pata trem de poso de avião: 12. Seleção de materiais para pás de mineração 13. Seleção de materiais para carroçaria automotiva: 14. Seleção de materiais para tanques criogénicos 15. Seleção de materiais para blindados ( ex:carros, tanques de guerra) ² Relacionar funcionalidade com ² Requisitos estruturais ² Requisitos de superficies ² Principais mecanismos de degradação que comprometem sua funcionalidade Apresentação: até 15min Trabalho escrito: até 10 páginas
57 Linhas de mérito ou desempenho Sobrepostos aos mapas se encontram as linhas de mérito: Materiais situados ao longo da linha tem indíce equivalente materiais acima e á esquerda de determinada linha terão indíces favoráveis Cada linha de mérito equivale a um tipo de carregamento: v Tração E/ρ v Flexão E 1/2 /ρ v Compressão E 1/3 /ρ Desempenho melhor significa: Ø Maior rigidez para uma dada massa Ou Ø Mesma rigidez para uma massa menor
58 Seleção de Materiais Restrições de projeto Indices de mérito, depende do esforço aplicado Restrições geométricas fator de forma Perfis diferenciados permite minimizar a quantidade de material, reduzindo custos e peso Como correlacionar este material considerando a diferença de forma? Para cada geometria, o Fator de forma depende do esforço ( flexão, torção, etc) e permite corrigir as propriedades facilitando correlação
59 Seleção de Materiais Fator de forma, parâmetro adimensional que depende fa forma da seção transversal, depende de cada modo de deformação Deformação elástica u Em flexão ϕ F =4πI/A 2 u Em Torção ϕ T = 2πK/A 2 I momento de inércia em flexão K momento de inércia em torção A área da seção transversal Se a deformação for plástica o fator de forma é alterado A referencia é sempre uma viga solida que terá fator de forma 1
60 Seleção de Materiais Integração fator de forma e indices de mérito Viga em flexão Seleção alta rigidez e baixo peso ; bom desempenho em torção Depois de selecionados os materiais mais competitivos aplica-se o fator de forma E =E/ϕ F e ρ =ρ/ϕ F Viga oval oca suporta suporta melhor os esforço
61 Seleção de Materiais Impacto do fator de forma ϕ = 10 ϕ = 1 Um material que não era competitivo quando se considera o fator de forma pode passar a ser.
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63 Mapas de propriedades O que sendo representado? Conc. de tensão na ponta da trinca: Zona plástica em materiais ducteis Zona de microtrincas em ceramicos Zona de delaminação, descolamento ou quebra de fibras em compósitos
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65 Linhas de mérito ou desempenho Deforma antes de Fraturar Deformar antes de Flambar/dobrar Fratura antes de deformar Flamba antes de deformar
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67 selecionar liga metálica:boa rigidez, resistente, leve e com custo competitivo
68 Selecionar liga metálica: tenaz, resistente, boa rigidez e com custo competitivo
69 Componente automotivo selecionar liga metálica: tenaz, resistente, leve e com custo competitivo
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