LOGO Novos Materiais de Engenharia - Propriedades e Aplicações Industriais - Júlio F. Baumgarten, Mestre Eng. de Materiais & Processos Avançados METALAB Análise de Materiais Ltda. Centro Tecnológico de Engenharia de Materiais Desde 1999
1. Introdução aos Novos Materiais de Engenharia Desde os primórdios, os homens se preocupam com a evolução dos materiais, quer seja através o uso de materiais naturais, como pedras, madeiras, ossos de animais, etc., quer seja desenvolvendo novos materiais através do uso de tecnologia. Um aspecto importante, é que o Domínio da Área de Materiais sempre representou domínio de um Povo sobre o outro, isto é, aquele que possuía as Melhores Armas era o Vencedor! A comprovação da importância dos Materiais sobre a Humanidade está inclusive na forma de separar as diferentes Eras da Humanidade onde encontramos a Idade do Cobre (6.000 AC), Idade do Bronze (5.000 AC), Idade do Ferro (4.000 AC), sendo que os mais importantes desenvolvimentos tecnológicos ocorreram a partir do ano 1.700 DC.
Descoberta dos Metais ao longo do Tempo A partir de 1.750 houve um aumento significativo na descoberta dos (novos) elementos químicos.
MATERIAIS DE ENGENHARIA O domínio e o conhecimento dos materiais sempre representou poder para o Homem
2. Classificação dos Materiais MATERIAIS SÓLIDOS LÍQUIDOS GASOSOS CRISTALINO AMORFO METÁLICOS FERROSOS AÇOS FERRO FUND. Alumínio Cobre Ñ FERROSOS Níquel Zinco Titânio Polímeros de Engenharia Ñ. METÁLICOS Cerâmica Avançada Vidros Cristal COMPÓSITOS ORGÂNICOS INORGÂNICOS Baixo Carbono Alto Carbono Baixa Liga Média Liga Alta Liga Cinzento Nodular Branco Maleável Vermicular Cermets Matriz Metálica Glass Cerâmica Avançada Polímeros Plásticos de Engenharia Madeiras Elastômeros Vidros Metal Amorfo Cerâmica Avançada
Classes dos Materiais de Engenharia Os Materiais de Engenharia estão separados em 4 Classes, como função de sua Natureza Físico química e Microestrutura. Num Projeto podemos utilizar: - Metais e Ligas - Polímeros de Engenharia - Cerâmica Avançada - Materiais Compósitos Os Materiais Compósitos são ainda classificados em função da sua Matriz Estrutural em: CMM, CMP e CMC.
Evolução dos Materiais ao longo do Tempo
EXEMPLO DE COMPÓSITOS - FIBRA DE CARBONO Extra - 300 Bordo de Ataque da Asa
Caracterização dos Novos Materiais Em qualquer Projeto onde se utilizam Novos Materiais, a principal preocupação será garantir as Propriedades deste. Num Projeto devemos ter cuidados com: - Microestrutura do Material - Processamento - Condição de Aplicação - Propriedades Intrínsecas * Para avaliar o Componente, analisamos suas características.
3. Definição de Propriedade dos Materiais UMA PROPRIEDADE É UMA QUALIDADE QUE O MATERIAL APRESENTA QUANDO SOLICITADO, INDEPENDENTE DAS CONDIÇÕES EM QUE O MESMO ESTEJA, ISTO É, A PROPRIEDADE É UMA QUALIDADE INTRÍNSECA DO MATERIAL
Classificação das Propriedades dos Materiais RESIST. MECÂNICA Estática Dinâmica - Tração - Torção - Compressão - Cizalhamento - Flexão - Fadiga (esforço cíclico) - Tenacidade ( resist. ao impacto) - Fluência (escoamento a quente) PROP. TÉRMICAS PROP. ÓTICAS - Resistência Mecânica ( Creep) - Capacidade de Absorção de Calor - Condutibilidade Térmica - Dilatação Térmica - Resistência ao Calor - Condutibilidade Luminosa - Refração - Difração
Classificação das Propriedades dos Materiais PROP. QUÍMICAS PROP. MAGNÉTICAS PROP. ELÉTRICAS PROP. FUNCIONAIS - Resistência à Oxidação - Reação com outros materiais - Resistência à Corrosão - Ferromagnetismo - Paramagnetismo - Diamagnetismo - Condutividade - Semicondutividade - Isolamento - Estanqueidade - Densidade ( Peso Específico ) - Resis. ao Desgaste ( Tribologia ) - Acabamento Superficial - Amortecimento de Vibrações - Elasticidade - Permeabilidade ( Tubulações / Tanques ) - Cor e Tonalidade
4. CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DE NOVOS MATERIAIS Atender com Segurança as condições de serviço, com o menor custo, levando em conta as propriedades mecânicas, resistência à corrosão, facilidade de fabricação e manutenção. Portanto, a primeira etapa para a escolha de um Novo Material, é uma Avaliação Criteriosa dos seguintes parâmetros de seleção: - Propriedades Mecânicas - Condições de Serviço - Disponibilidade no Mercado - Custo (material & fabricação) - Segurança e Meio Ambiente
Propriedades Mecânicas dos Materiais - Limite de Resistência - Limite de Escoamento - Alongamento - Limite de Fadiga - Tenacidade à Fratura - Dureza (superfície & núcleo) - Resistência ao Desgaste - Resistência à Corrosão
Condições de Serviço dos Componentes - Temperatura de Operação - Fluido de Serviço:. composição química. concentração. ph. impurezas. sólidos em suspensão. ponto de fulgor. toxidez, etc. - Pressão de Operação - Velocidade do Fluido - Nível e Natureza de Tensões no material
5. O ESTADO DA ARTE DOS MATERIAIS DE ENGENHARIA Atualmente, o desenvolvimento de Novos Materiais está voltado para a obtenção de Produtos cada vez mais resistentes, econômicos e menos poluentes. Os principais objetivos nas pesquisas dos Novos Materiais são: - Metais: Ligas com maior Resistência Específica e Tenacidade. - Polímeros: Blendas com melhor Desempenho Mecânico e Térmico, com menores custos de processamento. - Cerâmicos: Melhoria na Tenacidade e Aumento da Resistência Mecânica, com menores custos de processamento. - Compósitos: Materiais mais Resistentes Mecanicamente e Termicamente, com menores custos de processamento.
5.1 - O ESTADO DA ARTE DOS MATERIAIS METÁLICOS Com o desenvolvimento de Novos Materiais Metálicos, o mercado mundial tem a oferecer: - Aços: Materiais Microligados, Chapas de Ultraplasticidade, Ligas de Soldabilidade Melhorada, Superligas (Ultraresistência). - Alumínio: Ligas especiais, principalmente contendo Lítio, Titânio e Vanádio, Ligas para Tratamentos Térmicos T6, Ligas com Forjamento Melhorado (rodas & componentes aeronáuticos). - Magnésio: Ligas Especiais de Elevada Tenacidade e Resistência Mecânica (componentes esportivos & aeronáuticos). - Inoxidáveis: Ligas P.H. (precipitating hardening), Ligas Biocompatíveis, Ligas de alta Resistência ao Desgaste. - Ligas Refratárias: Hastelloy, Monel, Inconel.
Ligas Metálicas Especiais
ESTRUTURA DO CHASSI DO FORD GT
ESTRUTURA FORD GT - SUPER CAR 2012
5.2 - O ESTADO DA ARTE DOS MATERIAIS POLIMÉRICOS Com o desenvolvimento de Novos Materiais Poliméricos, o mercado mundial tem a oferecer: - Polímeros de Alto Desempenho: Poliimidas, Polisulfonas, Polieterimida, Polietersulfona, Polietér-eter-cetona, Poliacrilato, Fluorpolímeros, Polímero de Cristal Líquido, Polisulfeto de Fenileno, Poliftalamida, Poliamida 12.6, Náilon de Alta Temperatura, Policetona e outros. - Polímeros de Engenharia: Policarbonato, Blendas de Polisulfona, Polietileno Tereftalato, Polibutileno Tereftalato, Polióxido de Fenileno, Poliacetal, Poliamida 6.6, Polietileno de Ultra-alta Densidade, Polimetilmetacrilato e outros.
Blendas Poliméricas Especiais
5.3 - O ESTADO DA ARTE DOS MATERIAIS CERÂMICOS Com o desenvolvimento de Novos Materiais Cerâmicos (Al 2 O 3 / ZrO 2 / SiC / Si 3 N 4 ), o mercado mundial tem a oferecer: - Componentes para Alta Temperatura: Turbinas, rotores, suportes para fornos, tubeiras de foguetes, anéis de vedação, ponteiras de solda, tubos queimadores para fornos, suporte para catalizadores, molas para altas temperaturas, etc.. - Componentes para Alta Resistência ao Desgaste: Rolamentos, fieiras de trefilação, ferramentas de usinagem, peças de motores de combustão, placas de desgaste, selos mecânicos, próteses, equipamentos esportivos, ferramentas de perfuração, equipamentos bélicos, etc..
Materiais Cerâmicos Especiais
5.4 - O ESTADO DA ARTE DOS MATERIAIS COMPÓSITOS Com o desenvolvimento de Novos Materiais Compósitos (CMM / CMC / CMP), o mercado mundial tem a oferecer: - Indústria de Transporte: Componentes aeronáuticos (aeronaves e helicópteros), indústria automotiva, indústria de ônibus e veículos rodoviários, indústria ferroviária, indústria naval e de submarinos, componentes de motores e turbinas, etc.. - Outras Aplicações: Fórmula 1, indústria de materiais esportivos, indústria bélica (armas, roupas e equipamentos), indústria aeroespacial & satélites, construção civil, indústria química, indústria de máquinas e equipamentos, indústria eólica, materiais ortopédicos, etc..
Materiais Compósitos Especiais
6. Propriedades a serem Controladas nos Novos Materiais Para a garantia da qualidade na aplicação dos Novos Materiais destinados ao mercado mundial, as Normas Internacionais especificam uma série de requisitos (propriedades) que deverão ser atendidas pelos Componentes. - Composição Química do Material - Macroestrutura do Material - Microestrutura (com tratamento) - Dureza (superfície e núcleo) - Microdureza das Fases - Propriedades Mecânicas Monotônicas - Propriedades Mecânicas Dinâmicas Metalografia Quantitativa Digital
6.1 - Ensaios para Análise de Novos Materiais A partir dos Testes Especificados em Normas, são realizados os seguintes Ensaios Técnicos objetivando o Controle do Processo de Fabricação. - Espectrometria de Emissão Ótica (Análise Química) - Macrografia Digital da Microestrutura da Matéria Prima - Metalografia Quantitativa Digital para determinação da Matriz, Tamanho de Grão, Nível de Inclusões Não Metálicas, Porosidades, Wiskers, etc.. - Ensaios de Dureza Brinell HBW / Rockwell C / Shore A - D - Ensaios de Microdureza Vickers ou Knoop (fases e camadas superficiais) - Ensaio de Tração (Tensão de Ruptura, Lim. Escoamento, Alongamento) - Ensaio de Impacto Charpy (Sub-zero -18 C / -73 C / -101 C)
Ensaio de Microdureza Vickers Metalografia Quantitativa Espectrometria de Emissão Ótica Ensaio de Impacto Charpy Digital Laboratórios de Ensaios
Máquina Universal de Ensaios Mecânicos Carga 100 Toneladas 65 Toneladas 20 segundos Dispositivo de Compressão - ASTM A 194M : 12 Ensaio de Prova de Carga em Super - Porcas Laboratórios de Ensaios
6.2 - Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) É o mais avançado equipamento utilizado na pesquisa de materiais. Um feixe elétrons primários varre a superfície da amostra, retirando elétrons secundários que serão capturados por um detector especial que processa o sinal eletrônico e gera a imagem observada no sistema. Normalmente se utiliza ampliação entre 50 x a 30.000 x de aumento. Sua principal vantagem é a elevada profundidade de foco, permitindo análise de superfícies de fratura. MEV Hitachi TM 3000 Laboratórios de Ensaios
6.3 - Microanálise Química (EDS) É um equipamento fundamental utilizado na pesquisa dos novos materiais. A microanálise química permite determinar a composição de fases existentes no material, avaliando a concentração dos elementos químicos entre o Boro (B) e Urânio (U). Está acoplado junto ao Microscópio Eletrônico de Varredura permitindo realizar o mapeamento e o line - scanning dos elementos presentes no material. Laboratórios de Ensaios EDS Quantax 70
7. Análise Conclusiva Com o exposto, concluímos que os Novos Materiais de Engenharia são de fundamental importância para o dia-a-dia da humanidade, sendo que podemos afirmar que o Status Atual da Tecnologia está baseado no Desenvolvimento dos Materiais oferecidos para o Mercado Mundial. O Desenvolvimento dos Novos Materiais garantem: - Fabricação de Equipamentos e Máquinas com maior desempenho - Desenvolvimento de Sistemas Eletrônicos mais velozes - Sistemas de menor consumo de energia - Componentes com Vida útil maior e maior Segurança - Produtos cada vez mais baratos - Sistemas mais Ecológicos (menor agressão ao meio ambiente)
Novos Materiais de Engenharia - Propriedades e Aplicações Industriais - Júlio F. Baumgarten, Mestre Eng. de Materiais & Processos Avançados METALAB Análise de Materiais Ltda. Centro Tecnológico de Engenharia de Materiais Joinville / SC - Fone: (47) 3205 6700 Para Download da Palestra: www.metalab.com.br/downloads/