Download - TM 264 - Seleção de Materiais Metálicos
A.S.D’Oliveira
TM 264 - Seleção de Materiais Metálicos
2015.2 Profa Ana Sofia C. M. D’Oliveira
A.S.D’Oliveira
Avaliação:
Provas com matérias acumulativa Prova 1 - 16/09 Prova 2 – 04/11
Trabalho: 1 - Temas a serem definidos- Apresentação 26/08 2 - Temas a serem definidos – entrega de trabalho 11/11/2015; apresentações 11/11-25/11
Alguns sites de interesse: • http://www-materials.eng.cam.ac.uk/mpsite/ • http://depts.washington.edu/matseed/mse_resources/Webpage/Bicycle/
Material%20Selection%20Process.htm • http://www.matweb.com/tools/contents.aspx
• www.demec.ufpr.br/pesquisas/superficie
v Seleção de Materiais
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Objetivo : Criar/fabricar produtos e componentes competitivos e com desempenho adequado. Avanços na Ciência dos Materiais resultaram na oferta de uma vasta gama de materiais
Mas
Ainda ocorre a seleção inadequada:
- Compromete competitividade Seleção de materiais mais caros Seleção de material inadequado
v Seleção de Materiais Introdução
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• O processo de seleção de materiais envolve uma re-avaliação continua
As condições de contorno estão sempre mudando e são influenciados por fatores como: : Reciclagem Energia Saúde e meio ambiente Fatores geopoliticos
v Seleção de Materiais Introdução
• O processo de Seleção de materiais inicia na fase de projeto do produto
• O que é o produto • Que propriedades precisa de ter • Qual material deve ser utilizado • Como o fabricar • Em que quantidade • Em que condições será utilizado
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v Seleção de Materiais Introdução
O que se tem?
O que se precisa?
Seleção de materiais requer uma sistematização de informações
Situações típicas que requerem um processo de Seleção dos Materiais:
Ø Modificação de projeto Ø Novo projeto
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v Seleção de Materiais Introdução
O que sabemos?
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Materiais (Propriedades/
Disponibilidade/Custo)
Projeto ( Condições de
serviço/ Função/Custo)
Fabricação Seleção do
equipamento Influência nas propriedades
Custo)
Interdependência Materiais/Fabricação/Projeto
v Seleção de Materiais Introdução
Uma seleção responsável REQUER PLANEJAMENTO Ø Engenheiros de projeto/fabricação/materiais tem de conversar.
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v Seleção de Materiais Introdução
O custo é Determinante?
Qual o papel do engenheiro?
Identificar qual o grau de comprometimento das propriedades que é aceitável para se cumprir determinado custo
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v Seleção de Materiais Introdução
Propriedades dos
materiais
Estrutura • Ligação atómica • Estrutura Cristalina • Estrutura de Defeitos • Microestrutura • Macroestrutura
Desempenho em Serviço
o Tensões o Corrosão o Temperatura o Radiação o Vibração
Ciência dos materiais
Engenharia dos materiais
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Processos de fabricação
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v Seleção de Materiais Introdução
ü Como Selecionar o processo de Fabricação?
Conformação
vs
Fundição
vs
Metalurgia do Pó
vs
Additive manufacturing Manufatura aditiva
§ Uma das dimensões é privilegiada § Fácil de deformar
§ Geometria complexa § Difícil de deformar
§ Alta temperatura de fusão § Alta dureza
§ Poucas peças § Geometria complexa § Propriedades especificas/Gradiente de propriedades
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Processamento vs Fundição termomecânico
Ø Melhor controle da microestrutura e das propriedades Ø Materiais dúcteis Ø Possibilidade de processamento de chapas ou perfis Ø Limitação na geometria dos componentes fabricados Ø Estrutura trabalhada/ tamanho de grão
v Peças de geometria complexa, com possibilidade de ter furos internos v Fabricação direta da geometria final v Facilidade de trabalhar com materiais de elevada dureza/resistência mecânica v Estrutura fundida/ de solidificação
v Seleção de Materiais Introdução
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Estrutura trabalhada (estrutura de grãos)
Estrutura fundida (estrutura dendritica)
v Seleção de Materiais Introdução
v Facilidade de trabalhar com materiais de elevada dureza/resistência mecânica
Ø Melhor controle da microestrutura e das propriedades
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v Seleção de Materiais Introdução • Conformação Conformação superplástica
• Fundição Componentes automotivos
Fundição de precisão
Molde turbina de navio
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v Material de adição na forma de pó v Peças pequenas de geometria complexa, com possibilidade de ter furos internos v Fabricação direta na geometria final v Facilidade de trabalhar com materiais de elevada dureza/resistência mecânica/alto ponto de fusão
v Seleção de Materiais Introdução Metalurgia do pó
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Manufatura aditiva
Ø Mesa de fusão e deposição (Matéria prima em pó ou arame)
Ø Poucas restrições de geometria Ø Não necessita de fabricar molde; alterações de projeto/geometria podem ser realizadas sem custo Ø Maior liberdade de projeto, não existem limitações impostas por ferramentas ou usinagem Ø Peças podem ser fabricadas de diversos materiais com propriedades mecânicas e físicas diferentes (deposição)
v Seleção de Materiais Introdução
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Manufatura aditiva
v Seleção de Materiais Introdução
Impressão 3D Miniatura de polimero
• Forma livre “Você fabrica o que você imaginar”;
• Menor custo de fabricação de componentes isolados ou lotes peq.;
• Baixa relação BUY-TO-FLY • Arquitetura Microestrutural -MMAM
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Deposição + laminação
Mesa de fusão
Deposição Camada por camada
Manufatura aditiva
v Seleção de Materiais Introdução
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Relevância do peso/tenacidade...
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v Seleção de Materiais Introdução
ü Como atender as exigências de redução de peso/vol? Propriedades especificas:
Resistência/densidade - Resistência especifícia Tenacidade/densidade - Tenacidade especifíca
Ex: “Revolução” na indústria automotiva (anos 80-90) : Menor consumo de combustível=> menor poluição Aliada a maior exigência segurança Crise na indústria siderúrgica Expansão da indústria do Al
Aplicações que requerem controle de peso/volume da estrutura: Aeronaves, plataformas de exploração de petróleo, etc.
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100 Engineering Materials 2
Chapter 10The light alloys
Introduction
No fewer than 14 pure metals have densities !4.5 Mg m!3 (see Table 10.1). Of these,titanium, aluminium and magnesium are in common use as structural materials. Be-ryllium is difficult to work and is toxic, but it is used in moderate quantities for heatshields and structural members in rockets. Lithium is used as an alloying element inaluminium to lower its density and save weight on airframes. Yttrium has an excellentset of properties and, although scarce, may eventually find applications in the nuclear-powered aircraft project. But the majority are unsuitable for structural use becausethey are chemically reactive or have low melting points.*
Table 10.2 shows that alloys based on aluminium, magnesium and titanium mayhave better stiffness/weight and strength/weight ratios than steel. Not only that; they
* There are, however, many non-structural applications for the light metals. Liquid sodium is used in largequantities for cooling nuclear reactors and in small amounts for cooling the valves of high-performance i.c.engines (it conducts heat 143 times better than water but is less dense, boils at 883°C, and is safe as long asit is kept in a sealed system.) Beryllium is used in windows for X-ray tubes. Magnesium is a catalyst fororganic reactions. And the reactivity of calcium, caesium and lithium makes them useful as residual gasscavengers in vacuum systems.
Table 10.1 The light metals
Metal Density (Mg m!3) Tm(°C) Comments
Titanium 4.50 1667 High Tm – excellent creep resistance.Yttrium 4.47 1510 Good strength and ductility; scarce.Barium 3.50 729Scandium 2.99 1538 Scarce.Aluminium 2.70 660Strontium 2.60 770 Reactive in air/water.Caesium 1.87 28.5 Creeps/melts; very reactive in air/water.Beryllium 1.85 1287 Difficult to process; very toxic.Magnesium 1.74 649Calcium 1.54 839
5Reactive in air/water.
Rubidium 1.53 39 4Sodium 0.97 98 6 Creep/melt; very reactivePotassium 0.86 63 4 in air/water.Lithium 0.53 181 7
A maioria dos metais leves não é adequado para aplicações estruturais pois é quimicamente reativa ou tem baixo ponto de fusão
Chapter 10 engineering materials
v Seleção de Materiais Introdução
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Ø Ligas de Al ( 2.7mg m-3)– boa dutilidade, boa resistência a corrosão, fáceis de processar por processos de conformação; T fusão – 660C
Ø Ligas de Mg (1.74 mg m-3) –moderada resistencia mecânica mas boa resistencia especifica; boa resistencia a corrosão; Tfusão – 649C; mais caro
Ø Ligas de Ti (4.5 mg m-3)– excelente resistencia a corrosão, boa resistencia a fadiga, boa resistencia a fluencia; boa resistencia especifica; alta temperatura de fusão – 1667C
v Seleção de Materiais Introdução
The light alloys 101
Table 10.2 Mechanical properties of structural light alloys
Alloy Density Young’s Yield strength E/r* E1/2/r* E1/3/r* sy /r* Creepr(Mg m!3) modulus sy(MPa) temperature
E(GPa) (°C)
Al alloys 2.7 71 25–600 26 3.1 1.5 9–220 150–250Mg alloys 1.7 45 70–270 25 4.0 2.1 41–160 150–250Ti alloys 4.5 120 170–1280 27 2.4 1.1 38–280 400–600(Steels) (7.9) (210) (220–1600) 27 1.8 0.75 28–200 (400–600)
* See Chapter 25 and Fig. 25.7 for more information about these groupings.
are also corrosion resistant (with titanium exceptionally so); they are non-toxic; andtitanium has good creep properties. So although the light alloys were originally devel-oped for use in the aerospace industry, they are now much more widely used. Thedominant use of aluminium alloys is in building and construction: panels, roofs, andframes. The second-largest consumer is the container and packaging industry; afterthat come transportation systems (the fastest-growing sector, with aluminium replac-ing steel and cast iron in cars and mass-transit systems); and the use of aluminiumas an electrical conductor. Magnesium is lighter but more expensive. Titanium alloysare mostly used in aerospace applications where the temperatures are too high foraluminium or magnesium; but its extreme corrosion resistance makes it attractive inchemical engineering, food processing and bio-engineering. The growth in the use ofthese alloys is rapid: nearly 7% per year, higher than any other metals, and surpassedonly by polymers.
The light alloys derive their strength from solid solution hardening, age (or precip-itation) hardening, and work hardening. We now examine the principles behind eachhardening mechanism, and illustrate them by drawing examples from our range ofgeneric alloys.
Solid solution hardening
When other elements dissolve in a metal to form a solid solution they make the metalharder. The solute atoms differ in size, stiffness and charge from the solvent atoms.Because of this the randomly distributed solute atoms interact with dislocations andmake it harder for them to move. The theory of solution hardening is rather complic-ated, but it predicts the following result for the yield strength
"y # $ s3/2C 1/2, (10.1)
where C is the solute concentration. $s is a term which represents the “mismatch”between solute and solvent atoms. The form of this result is just what we wouldexpect: badly matched atoms will make it harder for dislocations to move than well-matched atoms; and a large population of solute atoms will obstruct dislocations morethan a sparse population.
http://papers.sae.org/290063/
Chapter 10 engineering materials
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Estrutura automotiva – ganho na resistência ao impacto
Aeronave - ganho nas propriedades especificas
v Seleção de Materiais Introdução
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v Seleção de Materiais Introdução Aço vs ligas de aluminio O engenheiro tem de ser critico em relação as informações que recebe!
Folheto da British steel 1994
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Exigências da temperatura
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v Seleção de Materiais Introdução
Como conviver com alta temperatura de trabalho?
Alteração de propriedades com a temperatura
Resistência mecânica? Oxidação? Corrosão?
Aços Ferramenta? Aços Inoxidáveis? Superligas?
Filme óxido protetor
– tem de impedir o movimento das discordâncias e difusão interatomica
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Ex: Aço Ferramenta para Trabalho a quente: aplicações a T elevada, - Cr, Mo, W – principais elementos de liga - H1x-Cr - H2x, H3x – W - H4x, H5x – Mo - Médio %C - Até 25% de elementos de liga - Tenacidade a alta T é o principal requisito
Porque funciona?
v Seleção de Materiais Introdução
O que garante resistência mecânica em T elevada, Encruamento? Solução sólida? Refino de Grão? Precipitação?
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Endurecimento secundário
v Seleção de Materiais Introdução
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Aços inoxidáveis? Superligas? Quando devem ser selecionados?
v Seleção de Materiais Introdução
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Aços de alta liga específicos para a resistencia a corrosão podem operar em temperaturas de até ~550°C
• Principal elemento de liga: Cr > 12%
O Cromo também aumenta a resistência à oxidação em altas temperaturas.
v Seleção de Materiais Introdução Aços Inoxidáveis
Cr forma um fino filme de óxido de Cr aderente a superfície do aço que protege a superfície contra a corrosão
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- ferríticos
- austeníticos
- martensíticos
- duplex
- endurecidos por precipitação
v Seleção de Materiais Introdução Aços Inoxidáveis
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Propriedades de Tração tipícas de materiais recozidos
Deformação de materiais recozidos após fabricação.
v Seleção de Materiais Introdução Aços Inoxidáveis - propriedades
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v Seleção de Materiais Introdução Aços Inoxidáveis - Propriedades
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Ligas de Co
Superligas Para trabalhar a
temperaturas elevadas > 540°C
v Seleção de Materiais Introdução - Superligas
Ligas de Ni
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Aplicação com maior exigência: turbinas de aviação e de geração de energia
( quanto maior a temperatura de operação maior a eficiência)
v Seleção de Materiais Introdução - Superligas
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Superligas: ü Alta resistência a temperaturas elevadas
ü Boa resistência a corrosão e oxidação a temperaturas elevadas
ü Boa resistência a fluência e a ruptura a temperaturas elevadas
Três classes:
Ø Ni-Fe
Ø Ni
Ø Co
- Superligas Fe-Ni são uma extensão dos aços inoxidáveis e tipicamente se utilizam na forma trabalhada (placas, chapas, tubos, etc.) - Superligas à base de Ni e de Co podem ser utilizadas na forma de produtos trabalhados ou fundidos, dependendo da aplicação e da composição da liga.
Aplicações estruturais e como revestimentos
v Seleção de Materiais Introdução - Superligas
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Correlação com outras ligas – Temperatura de serviço
v Seleção de Materiais Introdução - Superligas
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Correlação com outras ligas
resistência a oxidação vs resistência a fluência
v Seleção de Materiais Introdução - Superligas
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Correlação com outras ligas – resistência a fratura
v Seleção de Materiais Introdução - Superligas
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Ligas Ni e Fe-Ni endurecidas por
precipitação
Ligas de Co reforçadas por
carbonetos
Ligas Fe-Ni, Ni e Co endurecidas por SS
Classificação e comportamento das superligas
Tensão de ruptura das superligas
v Seleção de Materiais Introdução - Superligas
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O que determina as propriedades das ligas de Co e de Ni?
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Propriedades dependem de: q Composição química
q Processamento
q Tratamento térmico
Mecanismos de endurecimento: - Solução sólida
- Dispersão de segunda fase
- Precipitação:
- carbonetos: MC....M23C6
- fases ordenadas: γ`, γ``
v Seleção de Materiais Introdução - Superligas
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Composição química (sistema de liga complexo)
v Seleção de Materiais Introdução - Superligas
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Resistência a abrasão
Resistência a cavitação
Desempenho de ligas de Co
v Seleção de Materiais Introdução - Superligas
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Ligas de Ni
Seleção de Materiais
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Niquel Estrutura CFC γ
Ligas de Ni: - Ligas NiCr e NiMo
- Adição de Co reduz a solubilidade de outros elementos e promove a precipitação
- Adição de Al e Ti promovem a formação do precipitado γ’
- Alguns elementos formam a fase γ``
- Carbonetos nos contornos de grão
Fase γ`
Fase γ
Fase γ``
v Seleção de Materiais Introdução - Superligas
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Materials & Design, Vol. 46, April 2013, Pag 552–560
Processamento Ajustes na composição química e inovações nas técnicas de processamento permitiram atingir maiores temperaturas de trabalho
Resources, Conservation and Recycling, Vol. 74, May 2013, Pag 1–7
http://www.virginia.edu/ms/research/wadley/high-temp.html
v Seleção de Materiais Introdução - Superligas
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Processamento A maioria dos produtos fundidos são policristalinos equiaxiais (PC) ou solidificados direcionalmente (DS). Componentes fundidos são intrinsicamente mais resistêntes a altas temperaturas que os trabalhados.
A composição dos componentes fundidos pode ser manipulada para que se obtenham propriedades especiais
v Seleção de Materiais Introdução - Superligas
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Processamento
v Seleção de Materiais Introdução - Superligas
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Otimização de propriedades: solubilização e precipitação a duas T diferentes no campo bifásico γ/γ`. Patamar 1, T mais elevada - precipitação de partículas grosseiras de γ`. Patamar 2, T mais baixa - ocorre a precipitação da fase γ` fina e dispersa.
Tratamento térmico
T
Tempo de envelhecimento
1
2
Seleção de Materiais
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Thermal Barrier Systems Multilayer Design Multifunctionality
~1200°C
Coo
ling
≤1050°C
Al Reservoir to sustain TGO formation Surface alloy containing Ni-Al based
intermetallic phases: (β, β + γ, β + γ’, γ + γ’)
Oxidation Protection Adherent, thermally grown oxide: α-Al2O3
Thermal Insulation Low conductivity porous oxide with suitable
mechanical and chemical integrity: 7-8YSZ, applied by air plasma spray (APS) or electron beam physical vapor deposition (EB-PVD)
Load Bearing at High Temperature Internally cooled γ-γ’ superalloy optimized
for structural function (creep resistance).
Cortesia prof Carlos Levi, UCSB
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Temas Trabalho 1 1. Aços estruturais ( estruturas fixas, edificios, pontes, industria automobilistica, naval, etc) –alta resistencia
baixa liga ; aço carbono (; T<350C; relação resistência/preço fator determinante; fabrconformação 2. Aços para tubos -; com o sem costura; aço C; arbl quando usados em T; Caldeiras, ind Petroleo, etc
3. Aços para molas, dependem da carga e tipo de esforço; aço C – 0,0-1,2; aço liga melhor parafadiga
4. Aços para mancais, facilitar movimento entre partes fixas; alto C ou bx C cementado
5. Aços resistentes ao calor, ao Cr, CrMo,CrW (ate~600C
6. Aços inoxidáveis ferriticos 7. Aços inoxidáveis martensiticos (valmir,João antonio, Eduardo teodoro) 8. Ligas de Al para produtos conformados 9. Ligas de Al para produtos fundidos 10. Ligas de Ni para produtos conformados 11. Ligas de Ni para produtos fundidos 12. Ligas de Co para produtos fundidos 13. Ligas de Ti para produtos conformados 14. Ligas de Ti para produtos fundidos
Selecionar material/produto Principais características do material Limitações impostas pelo materia/produto na seleção do Processo de fabricação Materiais/Produtos competitivos
Apresentação 7 min 18/03
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Seleção de Materiais
Sistematização de informações
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Ø Tem de estar integrado no projeto de componentes/equipamentos
Ø Tem de ser quantificável
Tem de trazer benefícios!
Processo de Seleção de Materiais:
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Seleção de Materiais Considerar: v Propriedades mecânicas:
v quantitativas (quando são mensuráveis e podem ser usadas em projeto) v qualitativas (não podem ser usadas em projetos mas são usadas para
definir procedimentos) v Histórico de quebra em serviço – é importante conhecer os
mecanismos de falha; uso inadequado ou quebra por uso? efeitos mecânicos ou químicos
v Custos - devem ser incorporados nas propriedades ( ex: limite de tensão ou de flexão):
Pm.ρ/σesc ou Pm.ρ/E (em tração) ou
Pm.ρ/σesc ½ ou Pm.ρ/E ½ (em flexão) Pm - Custo por unidade de massa ( ou Pv – custo por unidade de volume-)custo por unidade de comprimento de uma barra com seção suficiente para suportar a carga unitária
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Considerar: v Volume – custo/unid de vol. É frequentemente o critério determinante
mas ... Deve ser possível considerar se o componente pode ser oco ou ter furos para minimizar o volume de material; neste aso as propriedades mecanicas voltam a ser determinante? (custo mínimo para determinada geometria)
v Processo de Fabricação - em situações competitivas, quando o material é relativamente barato, o processo selecionado vai determinar o custo
v Características da superfícies – precisa de superfície com propriedades especificas?
v Propriedades físicas v Impactos ambientais
Seleção de Materiais
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MOTIVAÇÃO
Seleção de Materiais
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Motivação
Seleção de Materiais
Ø Novo produto, componente ou planta industrial, produzidos pela primeira vez
Ø Melhoria de um produto ou equipamento já existente
Ø Situação problema, ex: quebra de componentes que leva a rejeição pelo cliente; fraturas de componentes em equipamentos exigindo alterações no material
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Produto novo:
Objetivos bem definidos (ex: pesquisa de mercado) Relação custo/beneficio em serviço
Impacto no mercado/produção
Seleção de Materiais
A seleção do material quando não determina o processo de fabricação do produto, pelo menos vai limitar a sua escolha
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Projeto:
Na maioria dos casos o projetista não conhece materiais e suas propriedades são “reduzidas” a números.
v Projetos simples: no início especificação genérica; no final se exige seleção criteriosa do material
v Projetos mais complexos: projeto e processamento são paralelos até teste final de protótipos
Ex: Ligas de Al para aplicações estruturais na aeronáutica: Especificar resistência a corrosão sob tensão é um desafio; depende do nível de tensões residuais que depende do resfriamento na solubilização, que depende da dimensão e geometria do componente, que depende do projeto
Seleção de Materiais
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Projeto:
- Função: funcionalidade do componente em serviço (Definição; Desenvolvimento do projeto; Tomada de decisão; Análise)
- Aparência: importância depende da natureza do componente
- Processo de fabricação
- Custo
Inovações são conseguidas com conhecimento materiais e processos de fabricação – impacto nos estágios iniciais do projeto
Seleção de Materiais
O projeto envolve diferentes fases:
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Definir função Conhecimento Experiência Expertise
Facilidades de produção Pesquisa de mercado Disponibilidade financeira
Projeto
Detalhamento do projeto Definição das propriedades
exigidas para o material
Existem materiais disponíveis?
Desenvolvimento de novo material?
Discussão com os fabricantes
Re-projetar
Sim Fabricar e testar protótipo
Testes de campo SMS (fabricação e consumidor)
Aceite Rejeitado
Detalhar especificações
Planejar produção
Produzir
Vendas
Redução de custos
Material ruim
Projeto ruim
Não
Boas Ruins
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Melhoria de produto Otimização decorre do “feed-back” dado pelos responsáveis pela produção/utilização
Alterações na especificação de um material se justificam se resultarem ~20% de melhoria no desempenho
Situação problema Impossibilidade de atender as especificações originais do produto/material, quebra de componente que leva a parada do equipamento
A base económica para a seleção está focada na volta urgente da produção, tem de se considerar o que é razoável em vez do ótimo
Seleção de Materiais
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Ex: Engrenagens Tempera + revenido/usinagem/tempera superficial
Surgimento de trincas no estágio final=> troca de material
Sensibilidade a tempera? Lote de material com problema? Variáveis do processo de tempera?
Quando a aparência é relevante Troca de material em aplicações como utensílios domésticos/ eletrodomésticos
Produtos que trocam de dono rapidamente ou que são descartados quando quebram
Seleção de Materiais
Potenciais limitadores: escala de produção e tempo de “reação” (materiais e processos tem de estar disponíveis dentro do limite máximo de tempo de decisão)
Solução sem troca de material: Normalização/usinagem/tempera superficial
Dissolução de carbonetos da perlita ocorre, garantindo dureza uniforme na superfície? Qual a tolerância para a dureza? A condição normalizada atende as especificações estruturais?
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Seleção de Materiais
CUSTOS
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Seleção de Materiais
Propriedades do material são relevantes no início de um processo de seleção mas na decisão final custo é sempre o fator dominante
Seleção de materiais “mais nobres” tem de se traduzir em aumento do desempenho; Trocas de materiais, exigem alterações de procedimentos e estocagem -> custos
Interação custo/desempenho amplo espectro: Aplicações que exigem o melhor desempenho possível (submarino nuclear, nave espacial, aviões, trem/locomotivas, carros de luxo)
as especificações técnicas são mandatórias, a competitividade tem de ser conseguida com esses limitantes
Aplicações onde o preço é determinante (automóveis/ eletrodomésticos, etc)
fabricante não tem de oferecer o melhor desempenho tecnológico, tem de garantir que a relação custo/beneficio de seu produto é melhor do que a da concorrência
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Seleção de Materiais
Valor: critério de desempenho foi atingido a que nível?
quanto o consumidor está disposto a pagar por determinado produto?
Custo: quanto custa para se obter determinado valor?
Qual o limite para redução de custos?
Ex: Engenheiro Projetista não pode encarar tenacidade como propriedade negociável na relação qualidade/custo na construção de uma estrutura de um automóvel, se esta apresenta problemas ...engenheiro fica comprometido
Ex: fabricante de carros, resistência a corrosão pode ser uma propriedade negociável na relação qualidade/custo; quando dá problema a maioria dos carros não pertence mais ao primeiro dono e como tal a garantia não se aplica - Mudança de politica para atrair mais consumidores
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Seleção de Materiais Custos são a soma de diversos fatores:
Características do material versus características do projeto Ex:
Material tenaz: capaz de resistir ao inicio e propagação de trincas é CARO
Projeto tenaz: está livre de entalhes e concentradores de tensão é COMPETITIVO
Material resistente a alta temperatura vs Bom projeto de escoamento de calor
DECISÕES COM BASE NO CUSTO INIBEM AVANÇOS TECNOLÓGICOS
MAS...
AVANÇOS TECNOLÓGICOS TEM DE SE TRADUZIR EM LUCRO
(EX: MA VS USINAGEM, MAIOR EFICIÊNCIA NA UTILIZAÇÃO DE MATERIAL)
Decisões baseadas em custos tem de ser tomadas com pleno conhecimento de:
- Requisitos de operação específicos que se possam antecipar
- Propriedades dos materiais disponíveis e a sua relação com esses requisitos
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Seleção de Materiais
Custos! Que custos?
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Preço de venda para o consumidor
Custos de propriedade
Manutenção Reparações Seguro Amortização
Preço de compra
Custos variáveis (custos de produção)
a) Custos da matéria prima b) Custos de fabricação ou seja, valor agregado
Custos fixos
i) Faturação da fábrica, ii) Administração, iii) Vendas e Marketing, iv) P&D
Lucro do fabricante
Análise dos custos
Mercado competitivo -> redução do custo para o consumidor é prioritário (redução de custo da “propriedade” e custo de manutenção)
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Seleção de Materiais
Na maioria dos casos, o foco está na redução do preço para o consumidor
v Mercado automotivo, menor investimento inicial pode ser mais atrativo para o consumidor
Mudanças ocorreram no mercado porque...semi-novos são parcela importante ou não dependendo de fatores como incentivos fiscais
v Mercado mais seleto: Carros de “luxo”, investimento maior nos materiais reduzindo custos de manutenção, maior preço de mercado
Análise de custos
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Seleção de Materiais
o Custo da matéria prima: - Facilidade de obtenção/extração
- Abundância
- Relação oferta/procura
- Flutuações no custo
- Mercado de ações
- Custo da composição e complexidade metalúrgica – efeito da pureza
- Custo dos elementos de liga
- Quantidade a ser produzida
o Valor agregado (ex: compra chapa vende porta de carro, ou compra placas e vende chapas para conformação final)
o Controle do stock (ex: material em armazém é dinheiro comprometido e exige instalações próprias, mas permite uma melhor negociação)
Análise de custos
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Seleção de Materiais
REQUISITOS DE OPERAÇÃO
E
ANÁLISE DE FALHAS
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Ideal: Projetista tem um conhecimento razoável de quais propriedades os requisitos de serviço impõem e quais os tipos de falha em serviço que tem de ser evitados
Real: Aplicação requer uma combinação particular de propriedades que por vezes são conflitantes
compromisso entre o conjunto de propriedades que atende exigências técnicas, comerciais e econômicas
(Ex: tensão de escoamento e tenacidade a fratura elevadas; Elevada resistência a fadiga e fluência a temperaturas elevadas)
Aplicação de pesos a cada propriedade/atitude conservadora
Seleção de Materiais
Grandes desafios: falta de experiência anterior ex: centrais nucleares e tecnologia espacial
A.S.D’Oliveira
Seleção de Materiais
Falha em Serviço: Grande influência no processo de seleção, exige a análise da causa e do mecanismo de falha
Causas: Erro de projeto: escolha incorreta do material ou condição de serviço mal especificada. Fator de segurança adequado evitando falhas prematuras, gastos desnecessários ou sobrecarga da estrutura.
Defeito no material, selecionado adequadamente: capacidade de inspecionar e avaliar o impacto destes defeitos no contexto econômica e de serviço ex: defeitos de fundição
Defeitos introduzidos na fabricação: a confeção do componente/processo de fabricação selecionado pode introduzir defeitos ex: soldagem, tratamento térmico mal controlado, usinagem defeituosa, desalinhamento de componentes;alteração de propriedades mecânicas ou composição durante o processo de fabricação torna difcil de prever
Deterioração em serviço: Certos tipos de degradação podem apenas ser adiados em função do ambiente de operação, corrosão e/ou desgaste, estabilidade da microestrutura/propriedades (temperatura). Alterações nas condições de serviço mudam o desempenho e favorecem falha prematura => manutenção é crucial (lubrificação, recondicionamento de componente)
A.S.D’Oliveira
Falha em Serviço: Mecanismos
Ø Qual o mecanismo de falha?
Ø Existe relação com estrutura, composição do material ou projeto do componente?
Tipos de mecanismos:
Fratura frágil ou ductil, fadiga (alto e baixo ciclo), fluência, corrosão, corrosão sob tensão, fadiga de corrosão, desgaste, erosão
Seleção de Materiais
Alta tenacidade
Baixa tenacidade
A análise da superficie de fratura fornece informações muito relevantes
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Aspectos da trinca por fadiga
Aspecto macroscópio: marcas de praia Aspecto microscópico (fractografia) estrias de fadiga
Seleção de Materiais
A.S.D’Oliveira
Marcas de praia ( Macro)
Estrias de fadiga (Micro)
Seleção de Materiais Aspectos da trinca por fadiga
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Alguns tipos de fratura
Seleção de Materiais
dúctil com microvazios
transgranular por clivagem
intergranular
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Seleção de Materiais
Falha em Serviço: Mecanismos Fratura frágil intergranular – sem deformação plástica macroscópica, sugere a existência de heterogeneidades nos contornos de grão, precipitado ou segregação, que controla o mecanismo de fratura.
Ex: fragilização por hidrogênio, corrosão sob tensão
Fratura ductil intergranular – ligação entre microvazios, que se desenvolveram em torno de particulas de 2ª fase
CST, Al7079T651
Aço temperado e revenido
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Seleção de Materiais
Dimples equiaxiais FF nodular
Fratura transgranular, por clivagem FF dutil
Fratura intergranular em camada nitretada de FF dutil
C o r r o s ã o s o b t e n s ã o (palheta de turbina a gás) Fratura intergranular e transgranular; Produtos de corrosão
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Falha em Serviço: Mecanismos Fratura frágil transgranular – superfície de fratura reta, podendo apresentar marcas de sargento apontando para o ponto de inicio da fratura.
Típico de materiais muito frágeis.
Pode apresentar evidências de deformação plástica em escala microscópica, presença de dimples
Estrias ducteis
Clivagem ciclica
Interface α/β
Clivagem de α em campo α/β
Trincas em matrix dura
Trincas em matrix ductil
Estrias ducteis
Particula nucleia vazios
Facetas intergranulares
Seleção de Materiais
Transgranular Intergranular
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Falha em Serviço: Mecanismos Fratura ductil transgranular – deformação plástica macroscópica, crescimento lento da trinca, aparência fibrosa e zona de cisalhamento. O formato dos dimples reflete o sistema de tensão atuante
Seleção de Materiais
Modo I Modo II Modo III (rasgamento)
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Seleção de Materiais
Especificações
e
controle de qualidade
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Seleção de Materiais
Procedimento e normas: - estabelecer terminologia (um termo por conceito) e unidades UNIVERSAIS
- especificar métodos para determinar composição química, propriedades físicas e mecânicas
- especificações: dimensionais (permite troca de peças, como parafusos, porcas, etc, permite reduzir o numero de peças ao estabelecer padrões internacionais) e de qualidade (para o processo de fabricação – ex: limites de composição de um aço - e para o desempenho do componente), AISI/SAE/ABNT
- Código de boas práticas/padrões/procedimentos – estabelece métodos de produção/instalação para se obter o desempenho pretendido (ISO, etc...) Deve ser objetivo, conciso, legível e dar atenção as exigências mais importante com o mínimo de referências cruzadas. Tem de permitir flexibilidade quanto aos métodos de fabricação e tolerâncias, equilibrando uma produção viável e as exigências do usuário.
=> Pela sua natureza os padrões restringem o desenvolvimento de novos materiais e inovação
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Seleção de Materiais
Inspeção e controle de qualidade Cada fabricante tem de garantir que o seu produto tem qualidade adequada ao mercado (depende do acordo entre o produtor e o cliente que comercializa o produto)
Inspeção – testes estabelecem que o produto/material/tratamento atende a especificação
O fabricante deve sempre fazer inspeção, para garantir que o produto não será rejeitado e para se salvaguardar em caso de acidente com o produto.
A etapa de inspeção aumenta o custo do produto (custo da responsabilidade, inspetores qualificados e seu equipamento, custo de certificação, elaboração de procedimento)
MAS...
A inspeção em fases intermediárias da produção pode reduzir custos, ao rejeitar peças ou procedimentos inadequados antes do final da produção
A.S.D’Oliveira
Seleção de Materiais
Falha em Serviço: Mecanismos: Corrosão
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DESGASTE
DESLIZAMENTO
Abrasivo 2 e 3 corpos
Adesivo
Fadiga e delaminação
Fretting
Abrasão químico-mecânica
IMPACTO
2 corpos Vários corpos
Erosão (sólidos, líquidos,
gases, lamas e descargas elétricas)
Cavitação
CONTATO POR ROLAMENTO
Rolamento puro
Rolamento /deslizamento
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Seleção de Materiais Falha em Serviço: Desgaste/Erosão
Abrasão-corrosão
Cavitação
Erosão de alta e baixa velocidade Trituração
Lama com pedras
Erosão em cotovelos de tubulações