AULA 03: DIAGRAMA DE PROPRIEDADES DE MATERIAIS. Prof. Dr. André Luiz Molisani Curso de Engenharia de Materiais

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1 AULA 03: DIAGRAMA DE PROPRIEDADES DE MATERIAIS Prof. Dr. André Luiz Molisani Curso de Engenharia de Materiais

2 MATERIAL RECOMENDADO PARA ESTUDO: Capítulo 04 (p ): ASHBY, M. Seleção de materiais no projeto mecânico, 1ª edição, Elsevier Editora Ltda,

3 INTRODUÇÃO 3

4 INTRODUÇÃO Propriedades de materiais limitam o desempenho. Ashby,

5 INTRODUÇÃO Qual é o modo de analisar os materiais? No sentido de ter uma ideia dos valores das propriedades que limitam o projeto. Ashby,

6 INTRODUÇÃO Exemplo (Componentes Mecânicos) Combinação de Propriedades Rigidez Densidade Resistência Tenacidade Condução Térmica Resistência à corrosão 6

7 INTRODUÇÃO Qual é a melhor forma de analisar combinações de propriedades? 7

8 EXPLORANDO PROPRIEDADES DE MATERIAIS 8

9 EXPLORANDO PROPRIEDADES DE MATERIAIS ANÁLISE COMPARATIVA Qual é a melhor maneira? TABULAR GRÁFICA 9

10 EXPLORANDO PROPRIEDADES DE MATERIAIS FORMA TABULAR (Ferrante, 2013) 10

11 EXPLORANDO PROPRIEDADES DE MATERIAIS Cada propriedade de um material de engenharia tem uma faixa característica de valores, sendo que muitas propriedades têm valores que abrangem cinco ou mais potências de dez. Ashby, 2012 FORMA DE APRESENTAÇÃO: TABULAR DIAGRAMA DE BARRAS 11

12 EXPLORANDO PROPRIEDADES DE MATERIAIS FORMA TABULAR (Ferrante, 2013) 12

13 EXPLORANDO PROPRIEDADES DE MATERIAIS (Ashby, 2012) PTFE: Politetrafluoretileno (Teflon); PA: poliamida (náilon) ; PP: Polipropileno; PE: polietileno; PS: poliestireno; PUR: Poliuretano reticulado PVC: Polivinilcloreto; PC: Policarbonato; PET: polietileno tereftalato; ABS: Acrilonitrila-butadieno-estireno; EVA: acetato de vinila CFRP: Compósito reforçado com fibra de carbono; GFRP: Compósito reforçado com fibra de vidro; 13

14 EXPLORANDO PROPRIEDADES DE MATERIAIS (Ashby, 2012) PTFE: Politetrafluoretileno (Teflon); PA: poliamida (náilon) ; PP: Polipropileno; PE: polietileno; PS: poliestireno; PUR: Poliuretano reticulado PVC: Polivinilcloreto; PC: Policarbonato; PET: polietileno tereftalato; ABS: Acrilonitrila-butadieno-estireno; EVA: acetato de vinila CFRP: Compósito reforçado com fibra de carbono; GFRP: Compósito reforçado com fibra de vidro; 14

15 EXPLORANDO PROPRIEDADES DE MATERIAIS COMO CORRELACIONAR PROPRIEDADES? 15

16 INTRODUÇÃO [...] construir gráficos de uma propriedade em relação a uma outra, mapeando as áreas no espaço da propriedade ocupadas por cada classe de material e as subáreas ocupadas por materiais individuais. Ashby, 2012 DIAGRAMA DE PROPRIEDADES DE MATERIAIS 16

17 EXPLORANDO PROPRIEDADES DE MATERIAIS (Ashby, 2012) 17

18 MÓDULO DE ELASTICIDADE 18

19 MÓDULO DE ELASTICIDADE O módulo de elasticidade de um material metálico é obtido, comumente, por ensaio de tração. (Ashby, 2012) (Ferrante, 2013) Inclinação do trecho elástico da curva tensãodeformação de diversos materiais. 19

20 MÓDULO DE ELASTICIDADE Outra forma de determinação do módulo de elasticidade Exemplos de Normas: JIS-R1602:1981 Testing methods for elastic modulus of high performance ceramics; ASTM-E494:2002 Standard practice for measuring ultrasonic velocity in materials. 20

21 MÓDULO DE ELASTICIDADE Informações adicionais podem ser incluídas nos diagramas de propriedades de materiais. Por exemplo: Velocidade do som em um sólido é dependente da densidade ( ) e do módulo de elasticidade (E). Sendo assim, a velocidade de onda longitudinal (v) é: v = E ρ 1 2 Na forma logarítmica, tem-se: log E = log + 2log v 21

22 EXPLORANDO PROPRIEDADES DE MATERIAIS (Ashby, 2012) v = E ρ

23 EXPLORANDO O DIAGRAMA MÓDULO DE ELASTICIDADE - DENSIDADE 23

24 EXPLORANDO PROPRIEDADES DE MATERIAIS (Ashby, 2012) 24

25 DIAGRAMA MÓDULO DE ELASTICIDADE - DENSIDADE EXERCÍCIOS 1. Supunha que um componente é fabricado em latão (liga de cobre). Utilize o diagrama Módulo de Young densidade (E/ ) para sugerir três materiais metálicos que possuam maiores valores de rigidez (> E) do que a liga de cobre (latão). 25

26 EXPLORANDO PROPRIEDADES DE MATERIAIS (Ashby, 2012) 26

27 DIAGRAMA MÓDULO DE ELASTICIDADE - DENSIDADE EXERCÍCIOS 2. Identificar no diagrama E- materiais que tenham, ao mesmo tempo, módulo E > 50 GPa e densidade < kg/m³. 27

28 EXPLORANDO PROPRIEDADES DE MATERIAIS (Ashby, 2012) 28

29 DIAGRAMA MÓDULO DE ELASTICIDADE - DENSIDADE EXERCÍCIOS 3. Identificar no diagrama E- metais que tenham, ao mesmo tempo, E > 100 GPa e E/ > 0,02 GPa/(kg/m³). 29

30 EXPLORANDO PROPRIEDADES DE MATERIAIS (Ashby, 2012) E = 100 GPa 30

31 EXPLORANDO O DIAGRAMA RESISTÊNCIA - DENSIDADE 31

32 DIAGRAMA RESISTÊNCIA - DENSIDADE (Ashby, 2012) 32

33 DIAGRAMA RESISTÊNCIA - DENSIDADE EXERCÍCIO 4. Qual material tem a mais alta razão f /? 33

34 DIAGRAMA RESISTÊNCIA - DENSIDADE (Ashby, 2012) 34

35 DIAGRAMA RESISTÊNCIA - DENSIDADE EXERCÍCIO 5. Ligas de titânio têm resistência específica (resistência /densidade, f / ) mais alta ou mais baixa do que os melhores aços? Nota: isso é importante quando queremos resistência com baixo peso (p. ex. trem de aterrissagem de aeronaves). 35

36 DIAGRAMA RESISTÊNCIA - DENSIDADE Ligas de Ti Aços (Ashby, 2012) 36

37 EXPLORANDO O DIAGRAMA MÓDULO DE ELASTICIDADE - RESISTÊNCIA 37

38 DIAGRAMA MÓDULO DE YOUNG - RESISTÊNCIA (Ashby, 2012) 38

39 DIAGRAMA MÓDULO DE YOUNG - RESISTÊNCIA σ f E refere-se a contornos de deformação por escoamento ou deformação por fratura significa a deformação à qual o material deixa de ser linearmente elástico. (Ashby, 2012) 39

40 DIAGRAMA MÓDULO DE YOUNG - RESISTÊNCIA EXERCÍCIO 6. Identificar no diagrama E- f duas classes de materiais cujos membros tenham resistência que ultrapassam MPa. 40

41 DIAGRAMA MÓDULO DE YOUNG - RESISTÊNCIA (Ashby, 2012) 41

42 DIAGRAMA MÓDULO DE YOUNG - RESISTÊNCIA EXERCÍCIO 7. Identificar no diagrama E- f materiais que tenham E > 10 GPa e f MPa. 42

43 DIAGRAMA MÓDULO DE YOUNG - RESISTÊNCIA (Ashby, 2012) 43

44 EXPLORANDO O DIAGRAMA MÓDULO ESPECÍFICO RESISTÊNCIA ESPECÍFICA 44

45 DIAGRAMA MÓDULO ESPECÍFICO RESISTÊNCIA ESPECÍFICA 45

46 DIAGRAMA MÓDULO CUSTO RELATIVO EXERCÍCIOS 8. Mountain bikes de alta qualidade são fabricadas com materiais cujos valores particularmente altos da razão f / os tornam fortes e leves. Nesse contexto, perguntase: quais classes de materiais são recomendáveis para a fabricação de mountain bikes? 46

47 DIAGRAMA MÓDULO ESPECÍFICO RESISTÊNCIA ESPECÍFICA Ligas de Al Ligas de Ti Polímero reforçado com fibra de carbono, CFRP 47

48 EXPLORANDO O DIAGRAMA TENACIDADE À FRATURA MÓDULO DE ELASTICIDADE 48

49 DIAGRAMA TENACIDADE À FRATURA MÓDULO DE ELASTICIDADE Aumentar a resistência de um material só é útil enquanto o material permanecer plástico e não tornar-se frágil; se isso ocorrer, fica vulnerável à falha por fratura rápida iniciada de qualquer minúscula trinca ou defeito que ele possa conter. (Ashby, 2012) 49

50 DIAGRAMA TENACIDADE À FRATURA MÓDULO DE ELASTICIDADE A resistência à propagação de uma trinca é medida pela tenacidade à fratura, K IC, cuja unidade é MPa.m 1/2. Condição necessária para fratura: Realização de trabalho externo ou liberação de energia elástica, que seja suficiente para fornecer energia para as duas novas superfícies criadas no material sólido: G 2 Onde, G é a taxa de liberação de energia e é a energia superficial. 50

51 DIAGRAMA TENACIDADE À FRATURA MÓDULO DE ELASTICIDADE Correlação entre fator de intensidade de tensão (K), taxa de liberação de energia (G) e módulo de elasticidade (E): K = EG 1/2 Substituindo G por 2 na equação, temos: K 2Eγ 1/2 Em materiais sólidos, a energia superficial aumenta em função do módulo de elasticidade. Desse modo, pode-se impor a seguinte aproximação: onde r 0 é o tamanho do átomo. γ Er

52 DIAGRAMA TENACIDADE À FRATURA MÓDULO DE ELASTICIDADE 52

53 DIAGRAMA TENACIDADE À FRATURA MÓDULO DE ELASTICIDADE EXEMPLO: a deflexão elástica à fratura resiliência de um sólido elástico frágil é proporcional à tensão de fratura: ε fr = σ fr E onde E é o modulo de elasticidade e σ fr é a tensão que provocará a propagação de uma trinca, a qual pode ser expressa da seguinte forma: σ fr = K IC πc onde K IC é a tenacidade à fratura e c é o comprimento da trinca mais longa que os materiais podem conter. Correlacionando-se as duas equações temos: ε fr = 1 K IC πc E Neste caso, pode-se dizer que os materiais, que são submetidos à deflexão elástica sem sofrer fratura, devem possuir elevados valores de K IC /E. Assim sendo, pedese para identificar no diagrama K IC -E a classe de materiais que exibem K IC > 1 MPa.m 1/2 e elevados valores da razão K IC /E. 53

54 DIAGRAMA TENACIDADE À FRATURA MÓDULO DE ELASTICIDADE 54

55 EXPLORANDO O DIAGRAMA TENACIDADE À FRATURA RESISTÊNCIA 55

56 DIAGRAMA TENACIDADE À FRATURA RESISTÊNCIA Correlação entre fator de intensidade de tensão crítico (K IC ), resistência à fratura ( f ) e tamanho da trinca ou defeito (c): K IC = σ f Y c onde Y é uma constante adimensional que depende do modo de carregamento, da forma e das dimensões do material. Modos de carregamento: I abertura; II deslizamento e III cisalhamento. 56

57 DIAGRAMA TENACIDADE À FRATURA RESISTÊNCIA No livro do Ashby, temos a seguinte correlação: d y = K IC 2 2 πσ f onde d y corresponde ao tamanho da zona plástica na região do defeito (ou trinca). Materiais com baixos valores de d y possuem baixos valores de tenacidade à fratura. 57

58 DIAGRAMA TENACIDADE À FRATURA RESISTÊNCIA 58

59 EXPLORANDO OS DIAGRAMAS MÓDULO CUSTO RELATIVO RESISTÊNCIA CUSTO RELATIVO 59

60 DIAGRAMA MÓDULO CUSTO RELATIVO DIAGRAMAS DE BARRAS DE CUSTO Ao contrário das propriedades (módulo, resistência, condutividade, etc), o custo varia em função do tempo. Oferta, escassez, especulação e inflação contribuem para consideráveis flutuações nos custos por quilograma de uma commodity (p. ex. cobre, aço, vidro e polímeros comuns). 60

61 DIAGRAMA MÓDULO CUSTO RELATIVO DIAGRAMAS DE BARRAS DE CUSTO 61

62 DIAGRAMA MÓDULO CUSTO RELATIVO DIAGRAMAS DE BARRAS DE CUSTO 62

63 DIAGRAMA MÓDULO CUSTO RELATIVO Custo relativo por unidade de volume (C v,r ) é uma maneira de corrigir a influência da inflação e das unidades de moeda. Exemplo: C v,r = custo/kg x Densidade do material custo/kg x densidade da barra de aço doce 63

64 DIAGRAMA MÓDULO CUSTO RELATIVO EXERCÍCIO 9. Identificar no diagrama E-C v,r os materiais mais baratos que tenham E > 100 GPa. 64

65 DIAGRAMA MÓDULO CUSTO RELATIVO 65

66 DIAGRAMA MÓDULO CUSTO RELATIVO EXERCÍCIO 10. Identificar no diagrama f -C v,r os materiais mais baratos que tenham f > 100 MPa. 66

67 DIAGRAMA RESISTÊNCIA CUSTO RELATIVO 67

68 ATIVIDADE 03 ENTREGAR NO DIA SOMENTE PARA ALUNOS PRESENTES NA AULA DE Precisa-se de um material para a lâmina de um cortador de grama rotativo. O custo é uma consideração. Por razões de segurança, o projetista especificou uma tenacidade à fratura mínima para a lâmina: K IC > 30 MPa.m 1/2. Os outros requisitos mecânicos são alta dureza, H, para minimizar desgaste da lâmina. Em aplicações como essa, a dureza está relacionada com a resistência: H 3 f onde f é a resistência. Use o diagrama K IC - f (ver notas de aula) para identificar três materiais que têm K IC > 30 MPa.m 1/2 e mais alta resistência possível. Para tal, posicione uma linha de seleção K IC em 30 MPa.m 1/2 e, então, ajuste uma linha de seleção resistência de tal modo que admita apenas três candidatos. Use o diagrama f -C v,r (ver notas de aula) para classificar sua seleção por custo de material, obtendo-se o melhor material para a referida aplicação. 68

69 FIM 69