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PMT 2501 – Seleção de Materiais e Análise de Falhas - 2011PMT 2501 – Seleção de Materiais e Análise de Falhas - 20111

Seleção de materiaisaulas 1 a 3

Cronograma

Temas de trabalhos

Divisão das aulas:

expositiva e prática

PMT 2501 – Seleção de Materiais e Análise de Falhas - 2011

@ Granta design and Prof. Ashby


Seleção de materiais

Bibliografia de seleção de materiais:

1. Ashby, M.F. Materials Selection in Mechanical Design. 3rd

Edition. U.K. Elsevier,2005. 2. Ashby, M.F. & Jones, R.H. Engineering Materials 2: An Introduction to Microstructures, Processing and Design. U.K. Perghamon,1994.3. Ferrante, M. Seleção de Materiais. Segunda edição. EdUFSCar, 2002.4. ASM Handbook V. 20 - Materials Selection and Design. 10th Ed. ASM Handbook, 1997.

Michael Ashby

Royal Society Research Professor at

Cambridge University (MecEng) and

Visiting Professor of Design at the Royal

College of Art, London, UK



1- Seleção de materiais: introdução

O que é seleção de materiais?

Seleção de materiais ou de propriedades?

O que é mais comum na engenharia: seleção de materiais ou substituição?

Seleção de materiais versus seleção de processo: quem vem

primeiro? estão relacionados?

Quais são as suas expectativas de aplicar conceitos de seleção

de materiais: profissional e cotidiano?



Número de materiais de engenharia e dos processos de

fabricação tem crescido de modo muito intenso ao longo

do século XX. Os desafios e oportunidades para a seleção

de materiais e processos são maiores do que nunca....

Durante a revolução industrial existiam aproximadamente uma centena de materiais. Sem polímeros, ligas leves e

materiais compósitos

E hj em dia? Mais do que 160.000 materiais

Como selecionar materiais e projetos tendo em vista objetivos e condições de contorno do projeto do

componente?

4

Seleção de materiais: desafios atuais



Seleção de materiais: evolução e opções



Seleção de materiais: 100 anos de

aspiradores de pó

Por que evolui?

Quem comanda evolução/ inovação?

Eficiência, custo, design?



Seleção de materiais em “engenharia”

� “Engenheiros” fazem produtos a partir de materiais e usando

processo de fabricação.

� O que os “engenheiros” precisam saber para executar o

produto com sucesso?

� Adquirir uma perspectiva do mundo dos materiais e processos;

� Entender as propriedades dos materiais e suas origens;

� Habilidade de selecionar os melhores materiais e processos de

acordo com os requerimentos do projeto;

� Acessar informações e ferramentas para comparação e seleção;

� Usaremos no curso o software CES EduPack – Cambridge Engineering Selector by GRANTA DESIGN.

7



Granta – usuários da indústria

8

Aerospace & defenseAermacchi, Airbus, ASCO Industries ,

Aubert & Duval , BAe Systems , Bennett Optical Research Inc Boeing IDS , Concurrent Technologies Corporation

DSTL, EADS Astrium Satellite , GE - Aviation Goodrich Controls , Honeywell Aerospace (Engines & Systems)

Ishikawajima-Harima Heavy Industries Lockheed Martin , MBDA UK LtdNASA Glenn Research Center

NASA Marshall Space Flight Center Northrop Grumman

Parker Aerospace, Pratt & Whitney Rocketdyne , Raytheon Rolls-Royce

US Army Research Laboratory, US Naval Surface Warfare CenterWilliams International



Granta – usuários da indústria

9

GRANTA MI was chosen as the best material data

management system to serve the design, construction, and

maintenance of the US naval fleet.

"The software system GRANTA MI was determined to be

the most appropriate given factors such as functionality, cost, and release timeline.“

Matthew Hayden, US Naval Surface Warfare Center



Estrutura do CES-Edu Pack

The

database

Links

Links

Suppliersdata-table

Referencesdata-table

Materialsdata-table

Ceramics & glasses

Metals & alloys

Polymers

Hybrids

Processesdata-table

Joining

Shaping

Surfacing



Organização de informações dos materiais

11

Kingdom

Materialsdata-table

Family

• Ceramics

& glasses

• Metals

& alloys

• Polymers

& elastomers

• Hybrids

Structured

information

Unstructured

information

Class

Steels

Cu-alloys

Al-alloys

Ti-alloys

Ni-alloys

Zn-alloys

Member

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

Material records

Attributes

Al 6463

Density

Mechanical props.

Thermal props.

Electrical props.

Optical props.

Corrosion props.

Documentation

-- specific

-- general

Al 6060

Density

Mechanical props.

Thermal props.

Electrical props.

Optical props.

Corrosion props.

Documentation

-- specific

-- general

Al 6061

Density

Mechanical props.

Thermal props.

Electrical props.

Optical props.

Corrosion props.

Documentation

-- specific

-- general



Informações sobre os ensaios e propriedades

12

Age hardening ALUMINUM ALLOYS The material The high-strength aluminum alloys rely

on age-hardening: a sequence of heat treatment steps that causes the precipitation

of a nano-scale dispersion of intermetallics that impede dislocation motion and impart strength.

General properties Density 2500 - 2900 kg/m^3 Price 1.423 - 2.305 USD/kg

Mechanical properties Young's modulus 68 - 80 GPa Elastic limit 95 - 610 MPa Tensile strength 180 - 620 MPa Elongation 1 - 20 % Hardness - Vickers 60 - 160 HV Fatigue strength at 10

7 cycles 57 - 210 MPa

Fracture toughness 21 - 35 MPa.m^1/2

Thermal properties Thermal conductor or insulator? Good conductor Thermal conductivity 118 - 174 W/m.K Thermal expansion 22 - 24 µstrain/°C Specific heat 890 - 1020 J/kg.K Melting point 495 - 640 °C Maximum service temperature 120 - 170 °C

Electrical properties Electrical conductor or insulator? Good conductor

Young’s modulus

Definition…….

…………………

………………….

………………….

Measurement

…………………………………….

………………….

Origins

…………………

………………….

………………….

Measurement of Young’s modulus

Origins of the modulus

Fatigue strength at 107 cycles

Definition……

…………………

………………….

………………….

Measurement

…………………………………….

………………….

Origins

…………………

………………….

………………….



Processos de manufatura

13

Joining

Welding

Primary

shaping Heater Screw

Granular PolymerMould

Nozzle

Cylinder

N o.8-C MYK -5 /01

Injection moulding

Secondary

shaping

Machining

Surface

treating

Painting



Estrutura de organização dos processos

14

Kingdom

Processesdata-table

Family

Joining

Shaping

Surfacing

Class

Casting

Deformation

Moulding

Composite

Powder

Rapid prototyping

Member

Compression

Rotation

Injection

RTM

Blow

Attributes

Process records

RTM

Material

Shape

Size Range

Min. section

Tolerance

Roughness

Economic batch

Documentation

-- specific

-- general

Blow molding

Material

Shape

Size Range

Min. section

Tolerance

Roughness

Economic batch

Documentation

-- specific

-- general

Injection Injection molding

Material

Shape

Size Range

Min. section

Tolerance

Roughness

Economic batch

Documentation

-- specific

-- general

Structured

information

Unstructured

information



2- Seleção de materiais: o projetoProjeto: processo de traduzir uma idéia nova ou

necessidade de mercado em informaçõesdetalhadas de manufatura de um produto.

Cada etapa envolve decisões sobre materiais e

processo de fabricação.

Processo baseia-se na relação existente entre as

condições de uso do componente e aspropriedades desejadas para o material.

Projeto � Material (quem define o que?)



Etapas do projeto

Figura 1: Fluxograma mostrando etapas da execução de um projeto. Informações a respeito dos materiais e

dos processos de fabricação são necessárias em cada etapa, sendo que de cima para baixo há um aumento

no número de detalhamento das propriedades do material



Problemas de projeto não possuem uma única

solução, embora algumas soluções possam parecer claramente melhores do que outras ... Em função das

condições de contorno de uma determinada época ou ciclo industrial...

Primeira ferramenta que um projetista precisa é cabeça aberta: desejo em considerar todas as

possibilidades e criar uma peneira de restrições para selecionar as soluções excelentes.

17

Seleção de materiais: existe solução única?



Etapas do projeto



Seleção de materiais: processo sistemáticoComo proceder a escolha?

• Experiência anterior.• Procedimento sistemático.

Redução no n° de materiais possíveis é proporcional ao aumento nas informações e detalhamento.

Figura 2: Estratégia de seleção agindo como funções de transferência, convertendo requisitos do projeto em

lista de materiais e processo escolhidos.



Seleção de materiais: processo sistemático



ProjetoAs condições de contorno do projeto são obtidas através da elaboração

da “tradução dos requisitos de projeto” (translation of design

requirements).

A elaboração desta tradução deve ser feita através das respostas:

• Qual a função do componente? (suportar momento fletor, conter uma pressão externa, transmitir calor, etc.);

•Quais condições essenciais devem ser atendidas? (o componente deve suportar as tensões sem falhar, possuir controle dimensional adequado, suportar faixas de temperaturas e diferentes ambientes);

•Quais os objetivos do projeto? (fazer produto o mais barato possível, ou mais leve, ou seguro talvez);

• Quais parâmetros que o projetista tem liberdade de alterar? (geometria, condições de uso).



ProjetoAs respostas definem respectivamente:

função, restrições, objetivos e variáveis livres do projeto

• São a base para a quantificação índice de performance (desempenho) dos materiais.

• As restrições são divididas em geométricas e funcionais, estas últimas contêm os limites e valores desejáveis das propriedades dos materiais.

• A partir da definição das propriedades restritivas (quantitativas) do projeto (por exemplo: limite de escoamento, tenacidade à fratura, condutividade térmica, temperatura máxima de uso) e dos objetivos do projeto (eficiência, custo, meio-ambiente), criam-se condições para a seleção de materiais.



Escolha dos materiais: objetivos do projeto

23

Figura 9: Curvas de funções penalidades dentro de um mapa que minimiza a massa e o

custo no projeto de uma bicicleta, para diferentes valores de taxa de troca, mostrando a

tangência com a superficie trade-off.[7].



Problema central da seleção de materiais

24

A escolha do material não é feita de modo independente da escolha

do processo de produção, sendo baseada em eficiência e objetivos.



Concepção do produto

25

Figura 28 – Bicicleta com quadro de bambu comercializada por Calfee Design [23]



Exemplo: abridor de garrafas de vinho



Exemplo: abridor de garrafas de vinho“Uncork the amphora” Horacius 27BC




sistema articulado

eixoalavanca

alavanca

engrenagem



3- Materiais de engenharia e suas propriedades

30



Design por elasticidade ou rigidez

31

E: módulo de Young – tração ou

compressão simples

G: módulo de cisalhamento

υ: coef. Poisson : deformação

lateral/ deformação tração

limite de escoamento



Design por elasticidade

32

Exemplo: Suporte do Espelho do

Telescópio

Custo (d = 5m) = US$ 200 milhões

Custo do espelho: 5% do total (~ peso2)

Vidro é usado por suas propriedades

mecânicas e não ópticas e serve de

suporte para uma camada de 100 nm

de prata.Objetivos primários do design:

• Minimizar distorção do material

suporte com seu próprio peso;

• Reduzir seu peso;




33

• Minimizar distorção do material suporte com seu próprio peso (altera

distância focal e introduz aberrações) e minimizar massa;

• Manter espessura

• δ < 10 um (flecha por flexão)

Exemplo: Suporte do

Espelho do Telescópio




34

δ < 3Mga2 / (4πEt3).......................eq. 1

M= π∗a2*t*ρ .................................eq. 2

δ= 10 um; 2a= 5 m; isolando t (espessura, variável livre) e substituindo, obtem-se:

massa = f(geometria)*f(carregamento).*f (material)

Onde, f(material) é dado pelo valor de

ρ/(E1/3). Para minimizar a massa,

maximizamos M1 = (E1/3)/ρ


Exemplo: Suporte do




35

calcular massa ~ ρ/(E1/3)


Exemplo: Suporte do


Alguns materiais candidatos

CFRP: Carbon-fiber-reinforced polymer

GFRP: Glass-fiber-reinforced polymer

espessura



36

M (indice de performace) = 1/ M1 = (E1/3)/ρ


Exemplo: Suporte do


Alguns materiais candidatos

CFRP: Carbon-fiber-reinforced polymer

GFRP: Glass-fiber-reinforced polymer



37

M = (E1/3)/ρlog M = 1/3 logE –logρlogE = 3log M + 3logρ (slope 3)

Minimisar massa:Minimizar M1Maximizar MMaximisar EMinimisar densidade

Gráfico em log!

Linhas de iso-performance


Exemplo: Suporte do


Linhas de

iso-performance



38

There are other things you can do about the design of the component...

The design criterion (σ < 1 0 µm) can be partially overcome by

engineering design without reference to the material used.

The 8.2 m Japanese telescope on Mauna Kea, Hawaii and the Very Large Telescope (VLT) at Cerro Paranal Silla in Chile each have a thin

glass reflector supported by an additional mechanical system.

While stiffness at minimum weight is the design requirement (not

minimum weight), the material-selection criteria remain unchanged.


Exemplo: Suporte do




39

Many structures require that a beam sustain a certain force F without deflecting

more than a given amount.

In addition, the beam forms part of a transport system – a plane or rocket, or a

train - or something which has to be carried or moved, then it is desirable, also,

to minimise the weight.

Exemplo: Viga Cantilever

(contrução civil)



Índicesalta rigidez e baixo peso

viga

eixo

cabo

coluna

painel

placa

cilindro

casca esférica



Design por plasticidade

41

Exemplo: Vaso de pressão

We shall now examine material selection for a pressure vessel

able to contain a gas at pressure p, first minimising the weight,

and then the cost.

We shall seek a design that will not fail by plastic collapse (i.e.

general yield). But we must be cautious: structures

can also fail by fast fracture, by fatigue, and by corrosion

superimposed on these other modes of failure.

Here we shall assume that plastic collapse is our only problem.




42

σ= pr/(2t) ........ eq. 1

M= 4πr2tρ .........eq. 2

Isolando e substituindo t, r é fixo

M = 2pπr3 ∗(ρ/σy)

Exemplo: Vaso de pressão




43

Massa ~ (ρ/σy)Exemplo: Vaso de pressão



Índicesalta resistência e baixo peso

viga

eixo

cabo

coluna

painel

placa

cilindro

casca esférica

disco


M= 1/massa ~ (σy/ρ)


Vaso de pressão

M1 = (σy /ρ)

Mapa deAshby




46

Preço = p(ρ/σy)Exemplo: Vaso de pressão

Limitações do método? Como resolver?



etapas da seleção de materiais

47


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