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SELEÇÃO DE MATERIAIS Metodologia de Ashby
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Introdução
Cabe ao engenheiro estudar a estrutura, as propriedades, as aplicações, o processamento e o desempenho de materiais novos ou já existentes. Compete ao engenheiro atuar na fase de projeto, de modo a escolher os materiais mais indicados para as aplicações desejadas
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Materiais na Engenharia Materiais são substâncias com propriedades que as tornam úteis na construção de máquinas, estruturas, dispositivos e produtos. Os Materiais aos quais submetemos a processos de seleção se subdividem a cinco classes reconhecidas como: Materiais Metálicos; Materiais Cerâmicos; Materiais Poliméricos; Materiais Compósitos e Materiais Naturais.
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Materiais na Engenharia Materiais Metálicos Metais e ligas metálicas, são normalmente combinações de elementos metálicos. São bons condutores de eletricidade e calor. Geralmente, os metais apresentam boa ductilidade e resistência, daí o seu uso extenso em aplicações estruturais.
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Materiais na Engenharia Materiais Metálicos • Ferrosos: tem o ferro como principal constituinte. É de ampla
utilização por ser abundante, por utilizar técnicas relativamente econômicas para obtenção e por serem extremamente versáteis. • Não
Ferrosos: estas oferecem uma variedade enorme de propriedades mecânicas e físicas. Servem de elementos de liga para os materiais ferrosos.
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Materiais na Engenharia Materiais Cerâmicos Caracterizados pela combinação entre elementos metálicos e não-metálicos. Destacam-se os óxidos, nitretos e carbonetos. A esse grupo de materiais também pertencem os argilo-minerais, o cimento e o vidro. Possuem normalmente baixa condutividade térmica e elétrica, consequentemente, são muito utilizados como isolantes. Esses materiais são geralmente duros, mas frágeis (quebradiços). Possuem excelente resistência a altas temperaturas.
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Materiais na Engenharia Materiais Cerâmicos • Cerâmica Avançada: proporcionam alta resistência mecânica,
baixo peso e alta resistência à corrosão para aplicação em condições extremas de temperatura e ambientes corrosivos. • Cerâmica Comum: isolantes à passagem de eletricidade e de
calor, e são mais resistentes a altas temperaturas e ambientes rudes do que metais e polímeros • Vidros: Os vidros são um grupo de cerâmicos familiares. São
silicatos não cristalinos contendo outros óxidos.
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Materiais na Engenharia Materiais Poliméricos • Os
polímeros são constituídos de macromoléculas orgânicas sintéticas ou naturais.
• Os polímeros tem baixa condutividade térmica e elétrica.
Tem baixa resistência mecânica comparado a outros materiais utilizados em Engenharia.
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Materiais na Engenharia Materiais Poliméricos • Polímeros
termoplásticos: podem ser repetidamente conformados mecanicamente desde que reaquecidos. (polietilenoPE, cloreto de polivilina-PVC, polipropileno-PP e poliestireno-PS)
• Polímeros termofixos: são conformáveis plasticamente apenas
em um estágio intermediário de sua fabricação. O produto final é duro e não amolece mais com o aumento da temperatura. (baquelite, epóxi, poliésteres, poliuretanos) • Elastômeros: capazes de recuperar-se, rápida e forçadamente, de
uma grande deformação (borracha natural, neopreno, borracha de butila, borracha de nitrila, borracha de estireno)
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Materiais na Engenharia Materiais Compósitos São materiais projetados de modo a conjugar características desejáveis de dois ou mais materiais. Com os materiais compósitos é possível obter produtos com diferentes propriedades. Concreto e fibra de vidro com resina de poliéster são típicos exemplos. Modernos meios de transporte aéreo e veículos espaciais tem se utilizados de compósitos de fibra de carbono.
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Materiais na Engenharia Materiais Semicondutores Tem propriedades elétricas intermediárias entre condutores e isolantes. As características elétricas destes materiais são extremamente sensíveis à presença de pequenas concentrações de impurezas. Os semicondutores tornaram possível o advento dos circuitos integrados, que revolucionaram as indústrias eletrônicas e de computadores nas últimas duas décadas.
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Materiais na Engenharia Biomateriais É definido como todo material utilizado para substituir sistemas biológicos que se encontram doentes ou danificados. Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com os tecidos do corpo.
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Materiais na Engenharia Materiais Naturais Podem ser considerados materiais naturais, todos utilizados “in natura”. Os materiais naturais tem sido muito pesquisados ultimamente como alternativas para diversas aplicações, isto por serem recicláveis, biodegradáveis e por apresentarem baixa toxidade.
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Materiais na Engenharia Materiais Naturais • Fibras: tem alta resistência à tração (ao longo de uma
relativamente grande faixa de temperatura) e um alto módulo de elasticidade, bem como boa resistência à abrasão • Madeiras: consistem de fibras de celulose fortes e flexíveis
circundadas e mantidas juntas por um material mais rígido denominado lignina, pode ser considerada como um compósito natural. • Minerais: Minerais são substâncias sólidas, inorgânicas e
homogêneas, que possuem composição química definida e estrutura atômica característica.
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Panorama Evolutivo dos Materiais
DATA
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Critérios de Seleção 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 e códigos; Viabilidade de reciclagem; Valor de sucata; Grau de normalização; Tipo de carregamento.
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Propriedades dos Materiais • Propriedades Mecânicas • Propriedades Térmicas • Propriedades Físicas • Propriedades Elétricas
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Disponibilidade e Custo O preço e a disponibilidade dos materiais são fatores importantes e muitas vezes decisivos na seleção de materiais para determinado serviço. Ao selecionar os materiais para um determinado produto acabado, além das exigências em termos de propriedades, o engenheiro tem que levar em conta o preço e facilidade do material no mercado.
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Recursos de Seleção
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Recursos de Seleção Existem diversos critérios com base nas quais uma decisão final é atingida. Na busca de ferramentas que facilitem o processo de Seleção de Materiais o projetista necessita investigar bancos de dados. O conceito importante neste caso é: • ÍNDICE DE MÉRITO
• MAPAS DE PROPRIEDADES DE MATERIAIS
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Índices de Mérito (IM) São fórmulas algébricas que combinam propriedades dos materiais e que, quando maximizadas, aperfeiçoam algum aspecto de desempenho. Sua fórmula algébrica expressa um compromisso entre duas características ou propriedades. Em sua forma mais simples um IM é geralmente uma fração, tendo no numerador a propriedade que se quer maximizar e no denominador a que se deseja minimizar.
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Índices de Mérito (IM) Para se deduzir o IM devem ser seguidas algumas etapas: • Estabelecimento da função do produto ou componente:
normalmente realizada por simples inspeção do objeto. • Estabelecimento do objetivo principal: expressa o requisito
imposto àquela etapa de seleção. • Identificação da restrição: identificada com o desempenho e com
a propriedade que o controla, no contexto do objetivo desejado.
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Mapas de Propriedades de Materiais (MPM) A essência desse conceito de Seleção de Materiais encontra-se nos Mapas de Propriedades desenvolvidos por Ashby. Eles procuram agrupar todas as famílias de materiais em gráficos cujas coordenadas compõe, sempre que possível, índices de mérito utilizados em cálculos de dimensionamento e seleção. O conceito fundamental dos MPM é que os pares de propriedades sempre correspondem aos componentes de um IM, que por sua vez são integráveis nos mapas.
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Mapas de Propriedades de Materiais (MPM) Os gráficos resumem as propriedades dos materiais, cada área dos mapas tem espaços ocupados por cada classe de material. Que podem ser utilizados de duas maneiras: 1) para obter valores aproximados de propriedades materiais; 2) para selecionar materiais que tenham perfis prescritos.
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Módulo de Young x Densidade
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Resistência x Densidade
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Tenacidade à Fratura x Densidade
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Módulo de Young x Resistência
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Tenacidade à Fratura x Resistência
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Resistência x Temperatura
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