Ciência dos Materiais II SMM0194. Seleção de Materiais. prof. Vera Lúcia Arantes 2017

Transcrição

1 Ciência dos Materiais II SMM0194 Seleção de Materiais prof. Vera Lúcia Arantes 2017

2 1. Introdução O que é projeto? Fluxograma de desenvolvimento de um produto: condições de contorno e relações funcionais entre projeto, seleção de materiais e seleção de processo

3 Seleção de Materiais?

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6 Seleção de Materiais Importância Mecanismos causadores de falhas em plantas industriais

7 Seleção de Materiais Mecanismos causadores de falhas em componentes aeronáuticos

8 Seleção de Materiais Causas de falha em componentes aeronáuticos

9 O número de materiais cresceu muito nas últimas décadas e a tendência é de se proliferarem mais num futuro próximo Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos métodos de extração de materiais da natureza Modificação de materiais naturais Combinação de materiais conhecidos para a formação de novos materiais

10 QUANTOS MATERIAIS DIFERENTES EXISTEM? COMO ESCOLHER??

11 Metodologia Traduzir as exigências de projeto em especificações dos materiais. Realizar triagem de materiais que não se encaixam nas restrições do projeto Classificação dos materiais segundo a habilidade em satisfazer as exigências do projeto (Índices) Pesquisar o maior número de informações a respeito dos possíveis candidatos

12 Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? Em primeiro lugar, o engenheiro deve caracterizar quais as condições de operação que será submetido o referido material e levantar as propriedades requeridas para tal aplicação, saber como esses valores foram determinados e quais as limitações e restrições quanto ao uso dos mesmos.

13 Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? Finalmente, a consideração talvez mais convincente é provavelmente a econômica: Qual o custo do produto acabado??? Um material pode reunir um conjunto ideal de propriedades, porém com custo elevadíssimo. FILOSOFIA DO COMPROMISSO

14 Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? Em raras ocasiões um material reúne uma combinação ideal de propriedades, ou seja, muitas vezes é necessário reduzir uma em benefício da outra. Um exemplo clássico são resistência e dutilidade: geralmente um material de alta resistência apresenta ductilidade limitada. Este tipo de circunstância exige que se estabeleça um compromisso razoável entre duas ou mais propriedades.

15 Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? A segunda consideração na escolha do material refere-se ao levantamento sobre o tipo de degradação que o material sofrerá em serviço. Por exemplo, elevadas temperaturas e ambientes corrosivos diminuem consideravelmente a resistência mecânica.

16 1. Definição das exigências do projeto Função Objetivo Restrição Para que o componente serve? O que tem que ser maximizado e o que o que deve ser minimizado? Quais os requisitos específicos devem ser atendidos? Todos componentes exercem uma ou mais funções (suportar uma força, suportar a ação de uma pressão, transmitir calor, armazenar cargas elétricas, etc) O projetista tem um objetivo: torná-lo os mais barato possível, ou o mais leve possível ou, ainda uma combinação desses atributos O objetivo de ser atingido dentro de algumas restrições ( p.e., as dimensões são fixas; o componente deve suportar determinada força sem fraturar; o dispositivo dever atuar em determinada faixa de temperatura Quais as variáveis que passíveis de variação???

17 2. Liste as restrições do problema e desenvolva uma equação para as mesmas; 3. Determine uma equação em função das exigências do projeto, geometria e propriedades dos materiais; 4. Definas as variáveis livres 5. Divida as variáveis em 3 grupos: exigências funcionais (F), geometria (G) e funções dos materiais (M), a fim de se desenvolver uma relação: 6. P f 1 (F), f 2 (G), f 3 (M) ou P f 1 (F), f 2 (G), f 3 (M) 7. Estabeleça o índice de mérito M afim de se maximizar a performance do material.

18 2. Conceitos Quais os principais critérios de seleção de materiais?

19 Requisitos de seleção

20 Redução de custos

21 Redução de custos

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23 Abordagens microscópica e macroscópica

24 Índices de Mérito Metodologia???

25 Ex. 1: Quadro de bicicleta Obs.: PRFC = polímero reforçado com fibra de carbono Critério: resistência mecânica Objetivo: minimizar a massa

26 Índices de Mérito (IM) Exemplo: resistência Específica y

27 Exemplo: quadro de bicicleta Razão entre os preços varia pouco com o tempo em relação às variações de preço de um material específico!

28 IM para minimização de peso de acordo com geometria e carregamento

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30 Ex. 2: Seleção de materiais leves e resistentes para um eixo cilíndrico sólido sujeito a flexão 1) Suponhamos que o eixo cilíndrico tenha como requisito P=10; Portanto o material deve estar ao longo ou acima da linha P=10; 2) Vamos supor que outro critério é que o material tenha uma resistência de 300MPa. 3) Materiais prováveis: - Aços; - Ligas de Ti; - Ligas de Al de alta resistência; - Compósitos de engenharia.

31 Mapas de propriedades dos materiais MPM

32 Ex. 3: Seleção de materiais leves e resistentes par um eixo cilíndrico sólido sujeito a torção Melhor material tem maior relação: τ 2/3 /, onde τ é a tensão de cisalhamentro

33 Ex. Eixo cilíndrico tensionado por torção Melhor relação Custo/Desempenho

34 Ex.: Eixo cilíndrico tensionado por torção Melhor desempenho

35 Mapas de Seleção (linhas guia)

36 Mapas de Seleção (linhas guia) (maior) (menor)

37 Mapas de Seleção (linhas guia) IMs diferentes: Inclinações diferentes 1/ 2

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51 Exemplo 3: Volante. Volantes são dispositivos rotatórios capazes de armazenar energia rotacional aplicados, p.e., em transmissão automotiva.. A energia cinética que esse dispositivo é capaz de armazenar é limitada pela resistência Função: armazenar energia Objetivo: maximizar energia cinética por unidade de massa energia cinética: m. R 2. t. Massa ; EC=, onde J é o momento de 2 inércia. Para um disco redondo sólido : EC = mr 4 1 J J 2 1 m. R 2 2

52 O valor a ser maximizado é a energia por unidade de massa: Restrições: o raio externo é fixo, ele não pode explodir; o dispositivo deve tenacidade a fratura adequada. Variáveis livres: material EC m R 4 Tensão radial máxima: r,max 2.. R 2 2 A tensão deve ser inferior a tensão de escoamento EC m 1 2 y Índice de mérito (IM): M y

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54 Bibliografia Ferrante, M., Seleção de Materiais, 2a edição Callister, W. D., Ciência e Engenharia de Materiais, 5a edição