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Seleção De Materiais

Processo de Seleção de Materiais

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SELEÇÃO DE MATERIAIS Metodologia de Ashby Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz 2 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 Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz 3 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. Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz 4 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. Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz 5 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. Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz 6 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. Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz 7 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. Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz 8 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. Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz 9 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) Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz 10 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. Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz 11 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. Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz 12 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. Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz 13 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. Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz 14 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. Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz 15 Panorama Evolutivo dos Materiais DATA Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz 16 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. Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz Propriedades dos Materiais • Propriedades Mecânicas • Propriedades Térmicas • Propriedades Físicas • Propriedades Elétricas 17 Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz 18 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. Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz Recursos de Seleção 19 Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz 20 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 Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz 21 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. Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz 22 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. Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz 23 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. Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz 24 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. Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz Módulo de Young x Densidade 25 Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz Resistência x Densidade 26 Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz Tenacidade à Fratura x Densidade 27 Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz Módulo de Young x Resistência 28 Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz Tenacidade à Fratura x Resistência 29 Projetos Mecânicos - Diêgo Fernandes da Cruz Resistência x Temperatura 30