A Seleção de material

1.Introdução

A seleção de materiais é uma prática que pode ser realizada com diferentes propósitos, cada um caracterizado por um ou mais condições que, tomados de forma restrita proporcionam caminhos de escolhas simples e lineares, mas que na realidade concorrem muitas das vezes em circunstâncias nas quais um conjunto de exigências conflitantes devem ser satisfeitas simultaneamente. Na produção de uma peça e na sua utilização como parte de um sistema mecânico, os requisitos de desempenho desta peça são estabelecidos de maneira a tonar compatível sua função com as possibilidades de sua confecção tendo a gama de materiais disponíveis para tal. O menor custo de fabricação deverá sempre ser o objetivo buscado durante a escolha do material, levando em consideração, evidentemente, a faixa de qualidade a ser atendida.

2.Objetivo

O seguinte trabalho ter por finalidade eleger um material para a fabricação de um garfo rígido para uma bicicleta de alta performance, neste caso uma bicicleta de corrida (modelo speed), tendo considerado todas as exigências mecânicas pelas quais este componente estará sujeito.

3.Estudo de Caso

Algumas observações devem ser verificadas para o projeto em questão, como a resistência do material, por exemplo. A rigidez é um fator considerável, mas a hipótese inicial do projeto é de que o garfo não sofrerá colapso em seu uso. Neste modelo de componente, o carregamento que mais predomina é a flexão.

O projeto se dá em uma bicicleta de corrida, então a massa do componente é um fator relevante quando se pretende o alto rendimento em competições.

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Figura 1- Principais esforços devido a forças externas na bicicleta.

Para realização dos cálculos foi determinado que se levaria em conta colapso plástico ou fratura do material, os garfos rígidos são considerados vigas de comprimento (L) submetidos a cargas (P) sendo ambos parâmetros fixos do projeto, os garfos são elementos tubulares de raio (r) com paredes com espessura fina (t), sendo que esse deva ser leve e forte, segue a seguinte tabela abaixo:

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Tabela 1– Requisitos do projeto.

Para a seleção de materiais de uma viga leve e rígida, com a resistência a flexão como fator determinante para tal, o desempenho (P) de um elemento estrutural é determinado por três pontos: Requisitos funcionais (F), geometria (G) e propriedades do material (M), logo:

𝑃 = 𝑓(𝐹, 𝐺, 𝑀) = 𝑓1(𝐹)𝑓2(𝐺)𝑓3(𝑀)

As funções 𝑓1(𝐹), 𝑓2(𝐺) e𝑓3(𝑀) são separáveis, logo a escolha ótima de um material para o projeto se torna independentes de alguns detalhes. Sendo assim, para o projeto em questão maximizaremos 𝑓3(𝑀) a fim de se obter a melhor resistência à flexão para o garfo dentre os materiais disponíveis.

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Tabela 2 – Índices como forma: projeto limitado por rigidez e por resistência com minimização de massa.

De acordo com a tabela 1,e com a os esforços aos quais serão submetidos o garfo, o material sera selecionado baseando-se no diagrama 𝜌𝑥𝜎𝑓 (Densidade x Resistência):

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Figura 2– Diagrama densidade x resistência.

O índice de material que atenderá aos requisitos do projeto conforme analisado, é dado pela maximização da função abaixo:

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Como os garfos são sólidos, teremos o fator de forma 𝜑𝐵 𝑓 = 1.Fazendo ánalise do Diagrama 𝜌𝑥𝜎𝑓, com a translação da reta determinada pelo índice de material apropriado, temos:

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Figura 3 – determinação por índice de material no diagrama densidade x resistência.

Conseguimos, a partir do diagrama acima escolher o Polímero de Fibra de Carbono Reforçado (CFRP) como o melhor material para ser empregado em nosso projeto.

3.1 Breve introdução aos materiais compósitos

Materiais compósitos não tem uma definição completamente aceita. Uma definição básica e comumente citada é a de que eles são materiais compostos por duas fases: uma matriz e um reforço, que podem ser de três naturezas: polímeros, metais ou cerâmicos. No entanto, esse conceito é bem vago e abre possibilidade para que qualquer material que tenha mais de dois elementos possa ser chamado de compósito. Ou seja, por essa definição uma  liga de aço-carbono também pode ser chamada de compósito.

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Figura 4– Estrutura de materiais compósitos com alguns dos arranjos das fibras.

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Uma definição mais de acordo com a sua classificação é que sua matriz e seu reforço tem uma excelente afinidade química e para atingir suas boas características mecânicas, aliadas com uma baixa massa, são processados sinteticamente em laboratórios, pois é impossível obter essas características nos materiais convencionais.

O elemento reforço, como o próprio nome indica, segura os esforços transferidos pela matriz, que tem como função a transferência de esforços para o reforço, garantia de características como tenacidade, resistência à corrosão e fadiga. A eficiência da transferência de cargas está relacionada a existência de uma boa afinidade química, por meio desta, surge uma região importante, a interface.