TMEC 034 Seleo de Materiais Metlicos Introduo Seleo

TMEC 034 Seleção de Materiais Metálicos Introdução

Seleção de materiais e a Engenharia mecânica

Correlação Importante Imposto pelo projeto: Propriedade Processamento Para um material ser útil é necessário fabricar algo com ele: Usinagem (geometria definida, indefinida, etc) Conformação (estampagem, embutimento, trefilação, extrusão, forjamento, laminação, etc) Fundição (molde de areia, injeção, cera perdida, etc) metalurgia do pó, etc. Ductilidade Limite de escoamento Tenacidade, etc Falamos principalmente de propriedades mecânicas Estrutura Macroscópica (1 X) Microscópica (1. 000 X) Atômica (1. 000 X)

Categorias de propriedades Categoria Propriedades tipicamente desejadas Principais aplicações Mecânica Resistência mecânica Tenacidade Rigidez Equipamentos Estruturas Química Resistência à corrosão Resistência à oxidação Plantas de Indústria química e geração de energia Estruturas expostas ao “tempo” (em especial ambiente marinho) Física Densidade Aeroespacial, máquinas alternativas Condutividade elétrica Condutividade térmica Propriedades magnéticas Eletrônica, transmissão de energia, instrumentação (automação)

Propriedades de alguns materiais (Geral) Polímeros Metais Cerâmicos Baixa resistência mecânica Baixa rigidez Sensível à temperatura Isolante elétrico Elevada resistência mecânica Elevada rigidez Dúctil Bom condutor de calor e eletricidade Elevada resistência mecânica Frágil Refratário Isolante elétrico Atenção, existem muitas exceções a esta generalização

Características de alguns materiais

Seleção de Materiais • Envolve uma gama de conhecimentos que dificilmente é encontrada em uma única categoria de profissionais. Envolve: – Eng. de projeto – Marketing – Fabricação … – Processo iterativo (repetido muitas vezes) – Conflito de propriedades/critérios -> “Filosofia de compromisso” (ex. resistência mecânica x tenacidade)

Critérios na Seleção de Materiais Exemplos: • Considerações dimensionais • Considerações de forma • Considerações de peso • Considerações de resistência mecânica • Resistência ao desgaste • Conhecimento das variáveis de operação • Facilidade de fabricação • Requisitos de durabilidade • • • Número de unidades Disponibilidade de material Custo Existência de especificações de códigos Viabilidade de reciclagem Valor da sucata Grau de normalização Tipo de carregamento. . Lista não exaustiva

Ex: Resistência mecânica • Critério “básico” • ~ 50. 000 materiais disponíveis • Conflito de propriedades -> necessidade de compromisso (ex: resistência/tenacidade/ductilidade/resistência à corrosão) • Comparação numérica de propriedades é insuficiente -> índice de mérito (ex: resistência/peso ou rigidez/peso)

Ex: Resistência mecânica Quadro de bicicleta Candidatos: Material Aço-liga Ti Al PRFC s (MPa) 1000 800 500 700 Al PRFC 185 390 Aparentemente o aço-liga é o mais adequado, mas vejamos o Índice de Mérito (s/r): Material Aço-liga Ti IM 133 170 O PRFC parece o mais adequado, seguido do alumínio. Mas e o custo? Material Aço-liga Ti Al PRFC US$/kg 0, 75 15 3 20* * Preço muito variável Este é o custo do material usado? -> custo/IM Além de tudo isso -> fabricação, disponibilidade, etc. . O que escolher Competição? Lazer? ?

Ex: Facilidade de fabricação • Soldagem, Forjamento, Fundição, Extrusão, etc (impacto nas proriedades). • Soldagem -> deve-se analisar a soldabilidade (ex: Ligas leves sujeitas a porosidade -> não aplicadas em aplicações de alta responsabilidade (aeronáutica)) • Para aços a soldabilidade está relacionada com o Ceq (<0, 4) -> minimizar o carbono

Ex: Facilidade de fabricação • Processo X propriedade (forjamento x fundição) • Acabamento superficial e tolerância – Fundição em molde de areia (20 mm e 2 mm) – Forjamento (2 mm e 1 mm) • Escala de produção -> custo do ferramental – Molde de areia ou forjamento • Usinabilidade • Etc. . .

Ex: considerações dimensionais • Tamanho da peça parece um parâmetro de menor importância, mas pode limitar: – Processo de fabricação

Seleção de materiais X Projeto • O procedimento ideal deve ser um diálogo entre diferentes profissionais (interação cíclica). Podemos ter seleção no contexto de: – Criação de novos produtos (cel. solar, cel. comb. , etc) – Modificações visando adaptação a novas condições de serviço (usinas, reatores, motores) – Material inadequado – Novos materiais ou processos -> desempenho – Redução de custo

Seleção de materiais X Análise de Falhas • Análise de falhas é importante para assegurar a integridade e segurança – Prevenção de falhas – Melhorias e modificação de projetos – Melhor entendimento do projeto, materiais, fabricação e métodos de inspeção • Na ocorrência de falhas fica clara a importância da seleção de materiais

Seleção de materiais X Análise de Falhas • Casos recentes

Seleção de materiais X Análise de Falhas Causas de falha (estudo de 350 casos) Origem % Seleção incorreta de materiais 38 Defeitos de fabricação 15 Tratamento térmico incorreto 15 Falha de projeto 11 Condições imprevistas de operação 8 Controle inadequado das condições de trabalho 6 Problemas na inspeção e controle de qualidade 3 Troca equivocada de materiais 2

Seleção de materiais X Análise de Falhas Mecanismos de falha em plantas industriais Origem % Corrosão 29 Fadiga 25 Fratura frágil 16 Sobrecarga 11 Corrosão em alta temperatura 7 Corrosão sob tensão/fadiga combinada com corrosão/fragilização por hidrogênio 6 Fluência 3 Desgaste, abrasão e erosão 3

Seleção de materiais X Análise de Falhas Mecanismos de falha em componentes aeronáuticos Origem % Fadiga 61 Sobrecarga 19 Corrosão sob tensão 8 Desgaste excessivo 7 Corrosão 3 Oxidação em alta temperatura 2 Falha: evento que resulta do fato de um componente não ser capaz de executar plenamente suas funções em serviço

Seleção de materiais X Análise de Falhas Função Segurança Aparência Economia Análise de falha Desempenho Projeto Seleção de materiais Fabricação