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A.S.D’Oliveira

TM 264 - Seleção de Materiais

Metálicos

2010.2

Profa Ana Sofia C. M. D’Oliveira

A.S.D’Oliveira

Seleção de Materiais

Introdução

• Que conhecimento já foi adquirido?

• Como selecionar um processo de fabricação? O que fazer quando peso é determinante? Como selecionar quando a temperatura de trabalho é determinante?

Critérios de Seleção• O que justifica um processo de seleção. Custos. Requisitos de operação e análise de falhas.

Especificações e controle de qualidade

Requisitos de seleção – Estrutural

Requisitos de Seleção – Superficie

Mapas de propriedades

Discussão de estudos de caso

Avaliação:

1 prova + apresentação de estudo de caso + Resumo de palestras

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Introdução

O que se tem?

O que se precisa?

Seleção de materiais requer uma sistematização de

informações

Modificação de projeto

Novo projeto

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Introdução

O que sabemos?

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Materiais

(Propriedades/ Disponibilidade/Custo)

Projeto

( Condições de serviço/

Função/Custo)

Processamento

Seleção do equipamento

Influência nas propriedades

Custo)

Interdependência Materiais/Processamento/Projeto


Introdução

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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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Introdução

Propriedades

dos

materiais

Estrutura•Ligação atómica

•Estrutura Cristalina

•Estrutura de Defeitos

•Microestrutura

•Macroestrutura

Desempenho em

Serviço

oTensões

oCorrosão

oTemperatura

oRadiação

oVibração

Ciência dos

materiais

Engenharia

dos

materiais

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Introdução

Como Selecionar processo de Fabricação?

Conformação vs Fundição vs Metalurgia do Pó

Uma das dimensões é

signitivamente

diferente das demais

Fácil de deformar

Geometria

complexa

Dificil de deformarAlta temperatura de

fusão

Alta dureza

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Processamento vs Fundição

termomecânico

Melhor controle da

microestrutura e das

propriedades

Materiais ducteis

Possibilidade de

processamento de chapas ou

perfis

Limitação na geometria dos

componentes fabricados

Estrutura trabalhada/

tamanho de grão

Peças de geometria

complexa, com possibilidade

de ter furos internos

Fabricação direta da

geometria final

Facilidade de trabalhar com

materiais de elevada

dureza/resistência mecânica

Estrutura fundida/ de

solidificação


Introdução

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Estrutura trabalhada

(estrutura de grãos)

Estrutura fundida

(estrutura dendritica)


Introdução

Facilidade de trabalhar com

materiais de elevada

dureza/resistência mecânica

Melhor controle da microestrutura

e das propriedades

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Introdução

Como atender as exigências de redução de peso?

Propriedades especificas:

Resistência/densidade - Resistência especifícia

Tenacidade/densidade - Tenacidade especifíca

Ex:

“Revolução” na industria automotiva (anos 80-90) :

Menor consumo de combustivel=> menor poluição

Aliada a maior exigência segurança

Crise na industria siderurgica

Expansão da industria do Al

Aplicações que requerem controle de peso da estrutura:

Aeronaves, plataformas de exploração de petróleo, etc.

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Introdução Aço vs ligas de aluminioO engenheiro tem de ser critico em relação as informações que recebe!

Folheto da British steel 1994

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Introdução

Como conviver com alta temperatura de trabalho?

Alteração de propriedades com a temperatura

Resistência mecânica?

Oxidação?

Corrosão?

Aços Ferramenta?

Aços Inoxidáveis?

Superligas?

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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?


Introdução

O que garante resistência mecânica em T elevada,

Encruamento?

Solução sólida?

Refino de Grão?

Precipitação?

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Endurecimento secundário


Introdução

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Duplo revenido

Tempera

Revenido 1

Revenido 2

Tempera


Introdução – aços Ferramenta

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Aços inoxidáveis?

Superligas?

Quando devem ser selecionados?


Introdução

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Aços de alta liga específicos para a resistencia a corrosãopodem operar em temperaturas de até ~550°C

• Principal elemento de liga: Cr > 12%

O Cromo também aumenta a resistência à oxidação em altas temperaturas.


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


Introdução

Aços Inoxidáveis

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Introdução

Aços Inoxidáveis - Propriedades

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Propriedades de Tração tipícas de materiais recozidos

Deformação de materiais recozidos

após fabricação.


Introdução

Aços Inoxidáveis - proriedades

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Ligas de Co

Superligas

Para trabalhar a

temperaturas

elevadas > 540°C


Introdução - Superligas

Ligas de Ni

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Aplicação mais frequente/maior demanda: turbinas de aviação e de geração de

energia



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Superligas:

Alta resistência a temperaturas elevadas

Boa resistência a corrosão e oxidação a temperaturas elevadas

Boa resistência a fluência e a ruptura a temperaturas elevadas

3 classes:

Ni-Fe

Ni

Co

- Superligas Fe-Ni são uma extensão dos aços inoxidáveis e

tipicamente se utilizam na forma trabalhada (placas, chapas,tupos, etc.)

- Superligas à base de Ni e de Co podem ser utilizadas na

forma de produtos trabalhados ou fundidos, dependendo daaplicação e da composição da liga.

Aplicações estruturais e como revestimentos



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Correlação com outras ligas – Temperatura de serviço



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Correlação com outras ligas

resistência a oxidação vs resistência a fluência



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Correlação com outras ligas – resistência a fratura



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Ligas de Co:Ponto de fusão mais elevado que as ligas de Ni ou Fe, o que

permite que absorver tensões a temperaturas mais elevadas.

Apresentam melhor resistência a corrosão a quente (em atmosferas

das turbinas a gás), devido ao maior teor de Cr.

Apresentam melhor resistência a fadiga térmica e melhor

soldabilidade que as ligas de Ni


Introdução

Superligas

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Ligas de Ni:

- Aplicações que requerem resistência a corrosão ou a resisência a

temperaturas elevadas.

- Algumas ligas de Ni estão entre os mais estruturais mais

resistentes/tenazes

- Em relação ao aço, as ligas de Ni apresentam resistência mecânica

super elevada, elevados limites de proporcionalidade e elevado modulo

de elasticidade.

- A temperaturas criogênicas são ligas resistêntes e ducteis

- A adição de carbono pode aumentar a temperatura de trabalho de

1000°C para 1200°C



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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



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Resistência a fratura de ligas de Ni e de Co (1000h)

Ligas de Ni

Fase coerente

`aumenta a resistência

Ligas de Co



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O que determina as propriedades

das ligas de Co e de Ni?

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Propriedades dependem de:

Composição química

Processamento

Tratamento térmico

Mecanismos de endurecimento:

- Solução sólida

- Dispersão de segunda fase

- Precipitação:

- carbonetos: MC....M23C6

- fases ordenadas: `, ``



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Composição química

Elementos de liga presentes nas ligas Ni e de Co



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Composição química (sistema de liga complexo)



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Ligas de Co



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Cobalto

•Estrutura HC a temperatura ambiente

•Transformação alotrópica a 417°C estrutura muda para CFC

Ligas de Co

•Estrutura CFC

•Elementos de ligas: Cr, W, C

Mecanismos de endurecimento:

- Solução sólida

- Precipitação de carbonetos (tipo MC….M23C6, morfologia e distribuição)



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Resistência a abrasão

Resistência a cavitação

Desempenho de ligas de Co



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Ligas de Ni


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Niquel

Estrutura CFC

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 ’

- Alguns elementos formam a fase ``

- Carbonetos nos contornos de grão

Fase `

Fase

Fase ``



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Ligas de Ni:

Efeito da adição de Al e de Ti

na resistência de ligas de Ni

a 870°C



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Ligas de Ni:

Ni-Cr (inconel) resistência a oxidação Ni-Fe (permalloy), magnéticas

Ni-Mo (hastelloy)

Outras superligasResistência a temperaturas elevadas



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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



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Processamento



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Processamento

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Processamento



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Tratamento térmico



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Otimização de propriedades:

solubilização e precipitação a duas T

diferentes no campo bifásico /`.

A T mais elevada precipita partículas

grosseiras de `.

Na segunda T, mais baixa, ocorre a

precipitação da fase ` fina e

dispersa.

Tratamento térmico


http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2003/Superalloys/bimodal.1.jpg

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Tratamento térmico


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Ligas de Ni – efeito da distribuição de precipitados (γ’)


Introdução -Superligas

Tensão de escoamento em função

da temperatura

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A T de solubilização determina a quantidade de `que dissolve e o tamanho

de grão de . Este será tão mais grosseiro quanto mais ` for dissolvido, pois

este é responsável pelo ancoramento dos contornos de grão /.

T solubilização

< TsolvusT solubilização >

Tsolvus

Tratamento térmico


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Propriedades dependem de:

•Composição química

• Processamento: Fundição e conformação

A maioria dos produtos fundidos são policristalinos equiaxiais (PC) ou solidificados

direccionalmente (DS).

Componentes fundidos são intrinsicamente mais resistêntes a altas temperaturas que

os trabalhados. De fato, a composição dos componentes fundidos pode ser manipulada

para que se obtenham propriedades especiais.

Mecanismo de endurecimento:

- Solução sólida

- Precipitação de fases intermetálicas

- Presença de carbonetos

- Encruamento a baixas temperaturas


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Seleção de Materiais02/09/2010

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Tem de se integrar no projeto de

componentes/equipamentos

Tem de trazer benefícios

Seleção de Materiais:

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Deve considerar:

•Propriedades mecânicas - divididas em fundamentais (quando são

mensuráveis e podem ser usadas em projeto) classificadoras (não podem ser

usadas em projetos mas são usadas para definir procedimentos

•Histórico de quebra em serviço – efeitos mecânicos ou corrosivos

•Custo - devem ser incorporados nas propriedades: Pm.ρ/σesc ou Pm.ρ/E (em tração)ou

Pm.ρ/σesc ½ ou Pm.ρ/E ½ (em flexão)

•Volume – o componente pode ser oco ou ter furos para minimizar o volume de

material? (custo minimo para determinada geometria)

•Processo de Fabricação - em situações competitivas, quando o material

é relativamenet barato, o processo selecionado vai determinar o custo

•Caracteristicas da superficies

•Propriedades fisicas

•Impactos ambientais

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MOTIVAÇÃO


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Motivação


Novo produto, componente ou planta

industrial, produzidos pela primeira vez

Melhoria de um produto ou equipamento

já existente

Situação problema, ex:quebra de

componentes que leva a rejeição pelos

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

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.

Projetos simples: no início especificação genérica; no final se exige

seleção criteriosa do material

Projetos mais complexos: projeto e processamento são paralelos

até teste final de protótipos

Ex: Ligas de Al para aplicações estruturais na aeronautica – Resistência

a corrosão sob tensão; depende no nível de tensões residuais que

depende do resfriamento na solubilização, que depende da dimensão e

geometria do componente, que depende do projetista


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Projeto:

- Função: funcionabilidade do componente em serviço (Definição;

Desenvolvimento do projeto;Tomada de decisão; Análise)

- Aparência: importância depende da natureza do componente

- Processo de fabricação

- Custo

Para inovar é preciso conhecer materiais e processos de fabricação

– impacto nos estágios iniciais do projeto


O projeto envolve diferentes fases:

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Projeto:

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Desenvolvimento de produto

Otimização decorre do “feed-back” dado pelos responsáveis pela

produção

Alterações na especificação de um material se justificam se resultarem

~20% de melhoria no desempenho

Situação problema

Impssibilidade 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


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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?variaveis do processo de tempera?

Quando a aparência é relevante

Troca de material em aplicações como utensilios domésticos/produtos que

trocam de dono rapidamente,

ex: automóveis, garantia de pintura?


Potenciais limitadores: escala de produção e tempo de “reação”

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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CUSTOS

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Propriedades do material são relevantes no início mas na decisão final

custo é 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, locomotivas) - uma vez que se decide fabricar o preço é secundário as

especificações técnicas são mandatórias

Aplicações onde o preço é determinante (carros/ eletrodomésticos, etc) – fabricante

não tem de oferecer o melhor desempenho tecnológico, tem de garantir que a

relação custo/beneficio de se produto é melhor do que o da concorrência

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Valor: critério de desempenho foi atingido a que nível?

Custo: quanto custa para se obter determinado valor

Qual o limite para redução de custos?

Ex: eng civil não pode encarar tenacidade como propriedade negociável na

relação qualidade/custo na construção de uma ponte, se a ponte cai

...engenheiro fica comprometido

Ex: fabricante de carros, resistência a corrosão pode ser uma propriedade

negociaável 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

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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 BARATO

DECISÕES COM BASE NO CUSTO INIBEM AVANÇOS TECNOLÓGICOS

MAS...

AVANÇOS TECNOLÓGICOS TEM DE SE TRADUZIR EM LUCRO

Decisões baseadas em custos tem de ser tomadas com pleno conhecimento de:

- Requisitos de operação especificos que se possam anticipar

- Propriedades dos materiais disponiveis e a sua relação com esses requisitos

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O que envolve considerar custos?

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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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Na maioria dos casos, o foco está na redução do preço de

mercado

Mercado automotivo, fabricante “responde” apenas para o

primeiro dono, porquê investir em um material mais nobre se

quando o componente quebrar a responsabilidade não é mais

dele?

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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oCusto da matéria prima:

- facilidade de obtenção/extração

- Abundância

- relação oferta/procura

- flutuações no custo

- Mercado de ações

- Custo da composição e complexidade metalurgica – efeito da pureza

- Custo dos elementos de liga

- quantidade a ser produzida

oValor acrescentado (ex: compra chapa vende porta de carro, ou compra

placas e vende chapas para conformação final)

oControle do stock (ex: material em armazem é dinheiro comprometido e

exige instalações fisica, mas permite uma melhor negociação)

Análise de custos

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REQUISITOS DE OPERAÇÃO

E

ANÁLISE DE FALHAS

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Ideal: Projetista tem um conhecimento razoável de que propriedades os

requisitos de serviço exigem do material 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

compromiso 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


Grandes desafios: falta de experiência anterior,

ex: centrais nucleares e tecnologia espacial

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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)

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Falha em Serviço:

Mecanismos

Qual o mecanismo de falha?

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


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 praiaAspecto microscópico (fractografia)

estrias de fadiga


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Marcas de praia

Estrias de fadiga


Aspectos da trinca por fadiga

A.S.D’Oliveira

Superfície exposta a fadiga,

formação de concentradores

de tensão

Mecanismo de fadiga


A.S.D’Oliveira

Curvas S-N

Tensão limite de fadiga abaixo dele o n. de ciclos é infinito


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Desenho esquemático dos tipos de fratura: (a) dúctil com microvazios;(b) transgranular por clivagem e (c) intergranular.


A.S.D’Oliveira


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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Dimples

equiaxiais

FF nodular

Fratura

transgranular, por

clivagem FF dutil

Fratura intergranular

em camada nitretada

de FF dutil

Corrosão sob tensão

(palheta de turbina a gás)

Fratura intergranular e

transgranular;

Produtos de corrosão

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Fratura frágil transgranular – superfície

de fratura reta, podendo apresentar marcas de

sargento apontando para o ponto de inicio da

fratura.

Tipico de materiais muito frágeis.

Pode apresentar evidências de deformação

plástica em escla 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


Transgranular Intergranular

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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


Modo I Modo II Modo III (rasgamento)

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Falha em Serviço:

Mecanismos: Corrosão

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Seleção de MateriaisFalha em Serviço:Mecanismos: Desgaste

4 sistemas tribológicos:

Superfícies polidas contra

superfícies polidas

Superfícies duras ou abrasivas

contra superfícies menos duras

Fadiga de superfície

Movimento de fluidos ou

suspensões em relação a uma

superfície sólida

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Seleção de MateriaisFalha em Serviço:Mecanismos: Desgaste/Erosão

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Especificações

e

controle de qualidade

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Procedimento e normas:

- estabelecer terminologia (um termo por conceito) e unidades UNIVERSAL

- 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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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)

A inspeção em fases intermediárias da produção pode reduzir custos, ao rejeitar

peças ou procedimentos inadequados antes do final da produção

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