tm 264 - seleção de materiais metálicos

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TM 264 - Seleção de Materiais Metálicos

2015.2 Profa Ana Sofia C. M. D’Oliveira

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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


•  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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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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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


Uma seleção responsável REQUER PLANEJAMENTO Ø  Engenheiros de projeto/fabricação/materiais tem de conversar.

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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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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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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


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Estrutura trabalhada (estrutura de grãos)

Estrutura fundida (estrutura dendritica)


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)


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Manufatura aditiva


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


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Relevância do peso/tenacidade...

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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


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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


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


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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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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?


O que garante resistência mecânica em T elevada, Encruamento? Solução sólida? Refino de Grão? Precipitação?

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Endurecimento secundário


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Aços inoxidáveis? Superligas? Quando devem ser selecionados?


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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)


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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


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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 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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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``


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Composição química (sistema de liga complexo)


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Resistência a abrasão

Resistência a cavitação

Desempenho de ligas de Co


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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``


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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


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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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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


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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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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


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MOTIVAÇÃO


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Motivação


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


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


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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


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


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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


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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CUSTOS

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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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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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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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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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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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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


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

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


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


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Marcas de praia ( Macro)

Estrias de fadiga (Micro)

Seleção de Materiais Aspectos da trinca por fadiga

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Alguns tipos de fratura


dúctil com microvazios

transgranular por clivagem

intergranular

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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

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


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


Modo I Modo II Modo III (rasgamento)

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Especificações

e

controle de qualidade

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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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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

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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

tm 264 - seleção de materiais metálicos

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