Materiais de Construção Mecânica

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1 1 INTRODUÇÃO 1.1 Importância do Estudo dos Materiais de Construção Mecânica A vasta quantidade de materiais atualmente existente, estimada em cerca de / (FERRANTE, 2002), torna o conhecimento desses materiais cada vez mais importante para o engenheiro mecânico, em qualquer que seja a sua área de atuação. O conhecimento das propriedades mecânicas dos materiais, por exemplo, proporciona a escolha de fatores de segurança adequados, que irão influir de maneira decisiva na parte econômica de um projeto. O conhecimento dos materiais é uma ciência que estuda as suas composições, estruturas internas e propriedades, e também a regularidade de suas alterações sobre influência térmica, química ou mecânica. Essa ciência não só revela a estrutura interna e as propriedades dos materiais, como também estabelece a dependência regular entre elas, determinando, ao mesmo tempo, a composição ideal e o processo de fabricação do material para obter as propriedades físicas e mecânicas desejadas. O conhecimento dos materiais, portanto, auxilia na sua correta seleção para os diversos usos e na determinação das suas propriedades e qualidades tecnológicas. 1.2 A Atuação do Engenheiro de Materiais A atuação do engenheiro de materiais (ou do engenheiro mecânico especializado em materiais) abrange duas grandes áreas (FERRANTE, 2002). Uma dessas áreas trata de atividades que podem se definidas como correlacionamento de propriedades com o desempenho final, sempre implicando na realização ou melhoria de produtos e, por isso mesmo, incluindo o processamento do material como tema relevante. Essa área compreende, portanto, desde a adaptação de matérias-primas até a avaliação do desempenho final do produto. A outra grande área de atuação do engenheiro de materiais é a seleção de materiais, a qual envolve uma gama de conhecimentos técnicos cuja dimensão dificilmente pode ser exercida por uma única categoria profissional; assim, a seleção de materiais é o ponto focal de uma série de especialidades tecnológicas, que vão desde a criação do projeto até a análise de desempenho em campo. Dessa forma, a seleção de materiais reúne engenheiros de projeto e, freqüentemente, profissionais de marketing, culminando com a criação de um projeto preliminar. Para que o produto cumpra a sua função é necessário definir bem as condições de trabalho, compondo o pacote completo de requisitos de operação e fornecendo elementos para estudos de análise de tensões e UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 1

2 dimensionamento preliminar. Essas condições de contorno, associadas ao conhecimento das condições ambientais, fornecem uma lista de propriedades-requisitos cuja otimização constitui a essência do processo de seleção de materiais. A seleção de materiais também deve prever respostas a questões expressas pelo setor de fabricação, que tem como tarefa a escolha de alternativas de produção/montagem. Dessa descrição emergem dois aspectos importantes: a seleção deve ser feita visando não só atender a requisitos de resistência mecânica, de tenacidade, de resistência à corrosão etc., mas também visando adequar o material aos processos de fabricação disponíveis ou já existentes. Logo, a viabilização de um produto ou componente é tarefa de natureza interativa tanto em nível de projeto como em nível de materiais e de procedimentos de fabricação. O conceito básico que permeia os procedimentos de seleção pode ser denominado filosofia do compromisso, entendida como o eventual sacrifício de uma ou mais propriedades em benefício de uma otimização geral, o que pode ser muito complexo quando se lida com grandezas interrelacionadas. Por exemplo, o conflito da resistência mecânica com a resistência à propagação de trincas (tenacidade), propriedades tipicamente excludentes. Outro fator que contribui para a complexidade dos procedimentos de seleção é a interferência do processo de fabricação nas propriedades finais, nos custos e no investimento. A seleção de materiais e a seleção de processo formam uma só problemática a ser resolvida em conjunto e interativamente. 1.3 Critérios de Seleção de Material Os procedimentos de seleção de materiais obedecem a múltiplos critérios, que tomados individualmente proporcionam alternativas de escolha bastante simples e lineares, mas que na prática concorrem quase sempre a situações em que um conjunto de critérios conflitantes deve ser satisfeito simultaneamente. Portanto, surge a necessidade de procedimentos de interação e otimização que, no final, fazem com que a filosofia do compromisso exerça papel relevante. Seja na fabricação de uma peça ou na sua utilização como componente de um sistema mecânico, os requisitos de desempenho dessa peça são estabelecidos de maneira a compatibilizar a função que ela terá com as possibilidades de sua fabricação a partir de materiais existentes. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 2

3 O menor custo de fabricação para uma dada qualidade industrial especificada deve ser o objetivo a ser perseguido na seleção de um material, quando se tem uma série de processos de fabricação e diversos materiais disponíveis. A seleção mais conveniente dos materiais que constituirão as peças depende fundamentalmente da análise dos fatores que influenciam o projeto do produto (a concepção da peça) e o projeto do processo de fabricação desse produto. As especificações de desempenho (as funções requeridas) de um produto determinam as especificações necessárias ao projeto desse produto. As primeiras consistem de um conjunto de características que permitem a utilização eficiente do produto, enquanto as segundas compõem-se de um rol de indicações técnicas referentes à forma, às dimensões, às tolerâncias, ao acabamento e aos materiais constituintes do produto que permitem atender às primeiras. Dois aspectos devem ser observados na análise das especificações de desempenho: as definições de requisitos de desempenho e as conseqüências de uma superavaliação ou uma subavaliação desses requisitos. A definição dos requisitos de desempenho depende de cada tipo de produto e deve ser realizada através de uma descrição objetiva e completa, procurando-se o equilíbrio ( ponto ótimo ) entre esses requisitos e as possibilidades técnicas de realizá-los. Uma subavaliação das especificações pode ter uma conseqüência de desempenho deficiente, levando à possibilidade de ocorrência de falhas graves em serviço, com custos materiais e até humanos. A superavaliação, por sua vez, conduz quase sempre a custos de fabricação mais elevados (energia, material e/ou mão-de-obra em excesso para a obtenção do produto final). Nas especificações de projeto é importante observar: o dimensionamento das peças componentes e conjuntos com base nos tipos de solicitação mecânica (estática e dinâmica) e na resistência dos materiais disponíveis, e a indicação dos materiais constituintes das peças e dos processos de sua fabricação. O dimensionamento das peças pode ser realizado, por exemplo, por métodos determinísticos, no qual se determina as tensões atuantes e as dimensões da peça necessárias à resistência mecânica (a adoção de fatores de segurança compensará os erros de simplificação de modelos físico-matemáticos adotados e as variações das propriedades dos materiais). As solicitações dinâmicas e as considerações de resistência à corrosão em determinados meios também são importantes. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 3

4 A análise da fratura da peça permite estudar e determinar as causas de sua falha em serviço e os procedimentos de projeto mais correto para a sua prevenção. O dimensionamento do produto condiciona a indicação dos materiais constituintes, que por sua vez condiciona aquele, num processo iterativo de obtenção de um projeto ótimo para o produto e para o processo de fabricação. Exemplos: Determinados materiais são mais resistentes, contudo são mais difíceis de serem processados (as dimensões da peça afetam a seleção do material constituinte e o seu processo de fabricação). Alguns processos somente permitem obter peças de pequenas dimensões ou tem limitações quanto às tolerâncias dimensionais. A quantidade de peças a serem fabricadas é outro fator que afeta o projeto do processo de fabricação, pois determinados processos só se aplicam, economicamente, para quantidades mínimas de fabricação. A análise de valores de custo conduz à busca do projeto de produto e do processo de fabricação que melhor atende os requisitos funcionais e as condições de menor custo de fabricação. Segundo FERRANTE (2002), dos diversos critérios de seleção de materiais, os mais representativos são: Considerações dimensionais; Número de unidades; Considerações de forma; Disponibilidade de material; Considerações de peso; Custo; Considerações de resistência mecânica; Existência de especificações e códigos; Resistência ao desgaste; Viabilidade de reciclagem; Conhecimento das variáveis de operação; Valor de sucata; Facilidade de fabricação; Grau de normalização; Requisitos de durabilidade; Tipo de carregamento. A resistência mecânica, por exemplo, trata-se de uma das propriedades mais conhecidas e com maior número de oportunidades de escolha, em função da grande quantidade de materiais disponíveis. Entretanto, a seleção em termos de resistência mecânica pode ser um pouco complexa, pois em alguns casos há necessidade de combinála com outras propriedades. Muitas vezes torna-se necessário sacrificar a resistência mecânica em favor da tenacidade ou resistência à corrosão sob tensão. No caso, por exemplo, de um produto que irá trabalhar em um ambiente cuja atmosfera é rica em UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 4

5 amônia (NH 3 ), a qual favorece a suscetibilidade do material à corrosão sob tensão; diminuir a resistência mecânica pode ser benéfico nessas condições, mas tal solução proposta provocará efeitos negativos imediatos, como o aumento da seção resistente da estrutura com a conseqüente elevação de peso e volume, eventual dificuldade de fabricação etc. Outro exemplo refere-se à facilidade de fabricação. A seleção de materiais está relacionada com os processos de fabricação (soldagem, fundição, forjamento etc.). Assim, se os procedimentos de soldagem fazem parte da obtenção do produto, por exemplo, a propriedade de soldabilidade das diversas ligas metálicas disponíveis deve ser considerada, pois a menor ou maior dificuldade em ser soldada intervém na escolha de uma ou de outra liga. Também deve ser observado na seleção de um processo de fabricação, entre os vários fatores disponíveis, qual deles é o mais adequado para a obtenção do produto e quais os seus reflexos sobre as propriedades dos materiais e custos. Se dois processos forem tecnicamente viáveis, deve-se levar em consideração, por exemplo, a influência de cada um deles nas propriedades mecânicas de uma peça obtida. Também devem ser considerados: o acabamento superficial e tolerância (para as peças fundidas em areia estes itens são muito maiores do que para o forjamento em matriz fechada); a escala de produção (o alto custo do material deve ser amortizado com um número de peças muito maior) e a usinabilidade (para o forjamento em matriz fechada, o volume de material a ser retirado por usinagem será bem pequeno). FREIRE (1983) faz um resumo do que ele considera como sendo os principais fatores que influenciam a seleção de um material industrial, a saber: 1- Condições de trabalho: Este fator compreende as solicitações mecânicas e o local de trabalho do material. Exemplos: Uma peça que será submetida a esforço de tração, deve ser constituída de material resistente a esse esforço. Uma bomba que transportará ácido sulfúrico deve ser constituída de material que não seja atacado por esse ácido. 2- Disponibilidade do material: O material a ser selecionado deve ser disponível em quantidade necessária e quando desejado (no caso de reposição de peças). Por esse motivo, é aconselhável o uso de catálogos de fabricantes na seleção do material. 3- Custos: Este fator engloba tanto o custo do material bruto, como o do processo de fabricação que será utilizado na confecção do produto. 4- Aparência: É importante somente quando o produto fabricado ficará exposto ao público, pois nesse caso deverá ter um aspecto agradável (material de acabamento de UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 5

6 eletrodomésticos, tampas de panela etc.). Quando o produto ficar escondido, o aspecto deixa de ter importância, como no caso dos tirantes de sustentação de forro. 5- Adaptabilidade para os processos de fabricação: Se no local da produção existe um processo de fabricação, deve-se selecionar para a constituição do produto um material que se preste ao processo já instalado. Por exemplo: se no local já existe uma fundição, deve-se optar por um material que tenha características que possibilitem a sua utilização naquele processo, evitando-se assim, o aumento do custo final do produto devido à instalação de um novo processo de fabricação. 6- Forma da peça: A forma da peça, em certos casos, condiciona o processo de fabricação, influindo assim, indiretamente na escolha do material. Por exemplo: uma peça complexa, com furos e protuberâncias, deve ser fabricada a partir de um processo de fundição; já uma peça de forma simétrica pode ser confeccionada por usinagem; portanto, opta-se por um material que se adapte a tais processos. 1.4 Classificação dos Materiais de Construção Mecânica A maioria dos materiais de engenharia é classificada em quatro grupos principais: metais, polímeros, cerâmicos e, mais recentemente, compósitos ou conjugados. Outros dois grupos têm sido considerados importantes como materiais de engenharia (CALLISTER, 2002), em função do grande desenvolvimento de suas aplicações nos últimos anos: semicondutores e biomateriais. Os semicondutores se caracterizam por possuírem propriedades elétricas intermediárias entre as dos condutores e as dos isolantes; esses materiais possibilitaram o advento dos circuitos integrados, que revolucionaram as indústrias de produtos eletrônicos e de computadores. Os biomateriais, por sua vez, apresentam características específicas que permitem a sua utilização como componentes implantados no interior do corpo humano, substituindo as partes doentes ou danificadas do mesmo. Os materiais metálicos (metais puros e ligas metálicas) ainda constituem o mais importante grupo de materiais de construção mecânica; entretanto, grande desenvolvimento tem ocorrido nos últimos anos no uso dos polímeros, cerâmicos e compósitos. Devido à grande participação na indústria das ligas metálicas que contém ferro em suas composições, os materiais metálicos ainda podem ser subdivididos em materiais ferrosos e materiais não-ferrosos. Tanto os materiais metálicos como os não-metálicos serão estudados a partir dos próximos capítulos. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 6

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS BRESCIANI FILHO, Ettore. Seleção de materiais metálicos. Campinas: Editora da UNICAMP, CALLISTER JR., Willian D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5.ed. Rio de janeiro: LTC Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2002 FERRANTE, Maurizio. Seleção de materiais. 2.ed. São Carlos: Editora da UFSCar, FREIRE, J.M. Materiais de construção mecânica: Tecnologia mecânica. Rio de Janeiro: LTC Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 7