Seleção dos Materiais

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2 Sumário Fatores gerais de influência na seleção de materiais 1 Critérios de 2 Matriz de Decisão Índice de Mérito

3 Fatores gerais de influência na seleção de materiais fator limitante. Já em aplicações mais simples, o ajuste custo/benefício do material tem que ser levantado a um ponto ótimo de escolha. Características como as descritas anteriormente como limites de tração e compressão, vida útil, coeficiente de elasticidade, Poisson, dureza, dentre outros são necessários para determinar qual material se aplica a cada projeto. Os materiais metálicos, por serem os mais utilizados em engenharia, tem um tratamento diferenciado. As ligas metálicas podem ser classificadas em dois tipos: Para a escoha dos materiais a serem utilizados em cada projeto há certa dependência entre o tipo do material, o processo aplicado a ele e o projeto em que será utilizado. As características dos materiais são aspectos diretamente ligados a utilização desse nos projetos e a relação custo benefício tanto na produção como na utilização, bem como seu impacto no mercado. Normalmente, a seleção de material determina o processo de fabricação do produto, ou pelo menos o limita. A interação custo/desempenho aborda mais amplamente a definição do material. Aplicações que exijam melhor desempenho possível como aeronaves espaciais, submarinos ou instrumentos cirúrgicos não podem ter o custo como Ferrosas: Na ligas ferrosas, o principal constituinte é o ferro (Fe). O aço é basicamente uma liga ferrocarbono. A proporção de carbono na liga e a adição, ou não, de algum elemento químico determina o seu tipo. 1

4 Não-ferrosas: São aquelas que têm como seu principal constituinte outros elementos que não o ferro. Como exemplos, as ligas de cobre (Cu), zinco (Zn) e alumínio (Al). Geralmente, possuem uma baixa densidade e elevada condutividade térmica e elétrica. Também são resistentes à corrosão. Com a adição de diferentes elementos às ligas metálica, é possível conferir aos materiais características específicas. Figura 1: Ligas metálicas Critérios de As cargas presentes (forças, Momentos, carga estática, carga dinâmica, entre outros), condições ambientais (temperatura, umidade, etc.), entre outros fatores A seleção de um material, como discutido anteriormente, é um fator dependente do projeto ao qual é destinado. 2

5 precisam ser analisados antes da escolha. Alguns critérios de seleção podem ser apontados: Consideraçoes dimensionais; Considerações de forma; Considerações de peso; Considerações de resistência mecânica; Resistência ao desgaste; Custo; Facilidade de fabricação. Quando se analisa cada critério individualmente, a seleção se torna fácil. Entretanto, quando é necessário a satisfação simultânea de critérios, a tarefa mecânica pode compromenter a tenacidade do material, mas ambos são desejáveis (material muito resistente e muito tenaz). A partir desse ponto, deve-se levar em consideração aspectos como "Qual a resistência mecânica necessária?", "Quão tenaz meu material precisa ser?", de modo a atingir um ponto de equílibrio entre estas propriedades. Matriz de Decisão A Matriz de Decisão é uma ferramenta de apoio a decisão, permitindo uma análise que considera todos os aspectos relevantes. Apesar de ser uma ferramenta simples, seus resultados apresentam grande incerteza, pois trata-se de uma técnica com um certo índice de subjetividade, o que restringe o seu uso. Para montá-la,basta seguir estes passos: pode se tornar mais complexa, já que alguns deles são conflitantes. Por exemplo, o aumento da dureza e resistência Listar os critérios que vão fundamentar a escolha; 3

6 Listar as diversas alternativas, dentre as quais se necessita fazer a escolha; Construir uma tabela cruzando esses dados; Estabelecer uma escala de avaliação e caso necessário atribuir pesos para cada critério. A opção vencedora será aquela que apresentar o maior número de pontos. Índice de Mérito Como exemplo, temos a situação em que o projeto é regido pelo critério de resistência mecânica e o objetivo principal é obter um componente de massa reduzida. Desse modo, o IM será proporcional a σ/ρ (onde σ é a tensão e ρ a densidade) e o material mais adequado será aquele que exibir o máximo valor dessa fração. Por sua vez, em projetos limitados por deformação elástica cujo objetivo é a redução de massa, o índice de mérito passa a ser proporcional a fração E/ρ, onde E é o módulo de elasticidade. O Prof. Michael F. Ashby, em suas publicações, criou os chamados "Mapas de propriedades dos materiais", onde famílias de materiais são agrupadas em gráficos cujas as coordenadas compõem o índice de mérito. Uma mapa de Ashby é ilustrado a seguir: Um conceito importantíssimo em seleção dos materiais é o de Índices de Mérito (IM), uma equação algébrica que expressa uma relação entre duas características ou propriedades. Normalmente, um IM é apresentado como uma fração, onde o numerador corresponde a propriedade que se quer maximizar, enquanto que no denominador encontrase a que se deseja minimizar. 4

7 Nestes mapas, pode-se traçar linhas guias, onde todos os materiais que estiverem sob ela terão o mesmo indície de mérito. Por exemplo, para o caso de IM = E/ρ, os materiais sob um linha guia terão a mesma deformação elástica para a mesma massa, em um mesmo tipo de carregamento. Os materiais localizados acima e à esquerda de uma linha guia terão IM maior. Exemplo Petrobras Biocombustível Engenheiro(a) de Equipamentos Júnior - Inspeção - 37 Danos por fadiga ocorrem em componentes e estruturas submetidas a tensões que sofrem variações cíclicas, sendo possível, assim, a ocorrência de falha em níveis de tensão abaixo do limite de escoamento do material. Sobre falhas de materiais por fadiga, afirma-se que (A) Fraturas por fadiga são características dos materiais metálicos. (B) Entalhes nas superfícies de componentes agem como concentradores de tensão e, quanto maior o arredondamento de sua raiz, maior a concetração de tensões. 5

8 (C) Falhas por fadiga de alto ciclo ocorrem após extensa deformação plástica do material. (D) A resistência à fadiga do material é influenciada por sua capacidade de deformação plástica. (E) A cinética de crescimento de trincas de fadiga não é influenciada pela temperatura de serviço do componente. Solução: Outros materiais, como os poliméricos, também podem sofrer fraturas por fadigas. Quanto maior o arredondamento, mais distriuídas são as tensões na raiz da fratura. Na fadiga de alto ciclo, a deformação plástica não é uma variável boa para correlacionar com a falha. É bastante pequena comparada à deformação elástica. A temperatura é determinante para os ensaios de fadiga. Resposta: D 6

9 Caiu no concurso! Petrobras Biocombustível Engenheiro(a) de Equipamentos Júnior - Terminais e Dutos - 56 Uma vez definida uma linha-guia de projeto referente a um índice de desempenho no diagrama de seleção de materiais baseado nas resistências dos materiais em função das massas específicas dos materiais, (A) Somente atendem aos requisitos de projeto os materiais sobre a linhaguia. (B) Um material sobre a linha-guia está na iminência de não aten-der aos requisitos do projeto. (C) Um material posicionado acima dessa linha-guia apresenta um melhor índice de desempenho. (D) Todos os materiais posicionados abaixo desta linha-guia não atendem as exigências de projeto. (E) Todos os materiais fora da linha-guia apresentam um índice de desempenho inferior. Resposta: C Considere o enunciado a seguir para as questões 93 e 94 No desenvolvimento de novos produtos, engenheiros enfrentam sempre a dificil tarefa de selecionar o material mais adequado, sendo necessário para isso selecionar uma imensa quantidade de informações que envolvem relações entre tipos 7

10 de materiais, suas propriedades e os processos de fabricação. Com relação a materiais necessários para a fabricação de chaves de fenda de características típicas, julgue os itens subsequentes. Caiu no concurso! Polícia Federal Perito Criminal - Engenheiro Mecânico - 93 A haste da chave requer material com elevada resistência ao escoamento, alta dureza e elevada tenacidade à fratura. (A) Certo. (B) Errado. Resposta: A Caiu no concurso! Polícia Federal Perito Criminal - Engenheiro Mecânico - 94 Atualmente, por questão de custo e facilidade de moldagem, plásticos têm sido usados como material para o cabo desse tipo de ferramenta. Entretanto, a borracha seria uma melhor opção pois, como a secão do cabo é bem maior que a da haste, o cabo de borracha facilitaria a empunhadura da ferramenta. (A) Certo. (B) Errado. Resposta: B 8