Seleção de Materiais

Objetivo

A seleção de materiais é de extrema importância para a Engenharia e para execução de um projeto, por esta razão exige-se do engenheiro um conhecimento abrangente desta disciplina, pois é nesta etapa que se determina as características dos materiais necessários para execução de um projeto. Todo cuidado é necessário para que tudo seja feito com segurança evitando desperdício, gastos elevados com matérias que podem ser substituídos por outro mais econômico e eficiente.

Neste trabalho entenderemos um pouco sobre os métodos de seleção de materiais, principalmente dos materiais para projetos mecânicos, incluindo resistência mecânica de materiais metálicos, diagramas de seleção e estudaremos pelo menos um material metálico que compõe algum sistema mecânico.

Desenvolvimento

Seleção dos materiais

Existe mais de 50.000 tipos de materiais à disposição de um profissional de engenharia, a grande questão é como escolher o material mais adequado. Devem-se considerar todos os aspectos para fazer a escolha correta, dessa forma foram divididos em classes de propriedades: aspecto econômico que verifica o preço e a disponibilidade. Física geral que indica a densidade. Mecânica; como módulo de elasticidade, resistência à deformação e à tração, dureza, tenacidade à fratura, limite de fadiga, limite de resistência à deformação a quente (creep), características de amortecimento. Térmica condutividade térmica, calor específico, coeficiente de expansão térmica. Elétrica e Magnética, resistividade, constante dielétrica. Interação ambiental; oxidação, corrosão e desgaste. Produção, facilidade no processamento, união, acabamento. Estética, cor, textura e sensação táctil.

Figura 1. Fluxograma de desenvolvimento de um produto: condições de contorno relações funcionais entre projeto, seleção de materiais e seleção de processo.

Segundo Michael Ashby, 2007 3ª ed, a escolha do material deve cumprir certos critérios de propriedades gerais e de superfície (por exemplo, resistência do material e as características de corrosão). Mas ele também deve ser fácil de fabricação; deve ser atraente para consumidores potenciais; e deve concorrer em termos econômicos com outros materiais alternativos.

O padrão de utilização dos materiais

A forma com os materiais são utilizados na industrial é razoavelmente padrão. Em geral a indústria consome aço, concreto e madeira em construção; aço e alumínio, em engenharia geral; cobre, em condutores elétricos; polímeros, em eletrodomésticos; e assim por diante.

As atividades de SM podem ser executadas tendo múltiplos objetivos em mente, cada um caracterizado por um ou mais requisitos específicos. A lista a seguir fornece alguns exemplos:

Redução de custo: as estratégias podem incluir troca do material de construção, por exemplo, polímeros substituindo aços na indústria automotiva. Um exemplo é o conjunto de pedais em nylon reforçado com fibra de vidro, utilizado em um automóvel FIAT, que pesa 2,7 kg (cerca de metade do conjunto original em aço) e custa cerca de 20% menos.

Novas condições de serviço: exemplificadas por aumento de pressão e temperatura em um equipamento de processo na indústria química.

Materiais versus processo. Há casos em que é necessário proceder a substituição de materiais para permitir a adoção de um processo de fabricação mais econômico.

Redução de peso: este é um requisito universal para qualquer produto que seja móvel. A indústria automotiva é especialmente sensível a este aspecto, que está fortemente relacionado com o consumo de combustível. A Tabela I associa materiais a economia de peso na indústria automotiva. Os dados são fornecidos em termos de igual rigidez e resistência, isto é, já incluem diferenças de seção causadas pelos diferentes valores do módulo de elasticidade (E) e tensão de escoamento (sy). Da figura e da tabela fica claro que substituição de materiais tem enorme potencial para redução de massa.

Tabela I. Economia de Massa (em %) Obtida Pela Substituição do Aço Baixo Carbono por Diferentes Materiais, em Partes do Automóvel Construídas por Chapas Finas

Material Igual rigidez Igual resistência

Aço Base Base

Aço microligado 0 18

Alumínio 52 50

PRFV 38 25

PRFC 48 60

Podemos citar o exemplo dado Michael Ashby 2007, do processo de seleção dos materiais o projeto de tecnologia avançada de material envolvida nos motores aeronáuticos a turboélice presente em grandes aeronaves. O ar é propelido para dentro do motor pela turboélice, o que produz impulso aerodinâmico. O ar sofre ainda mais compressão pelas laminas do compressor e, então é mistura com combustível e queimado na câmera de combustão. Os gases expandidos acionam as pás da turbina o que fornece energia à turboélice e às laminas do compressor e, por fim, saem pela parte traseira do motor, aumentando o impulso.

As pás da turboélice são feitas de uma liga de titânio, um metal que tem boas características de elasticidade ou modulo de Young, limite de escoamento ou tensão de escoamento e tenacidade à fratura. Contudo, o metal também deve resistir à fadiga (isto é, ora o componente está em tração, ora em compressão, o que causa um cansaço ao material), a impacto (por causa dos choques com tudo, desde gotas de água a grandes aves) e à corrosão (importante em decolagem no mar, porque a atmosfera marinha, que contem íons de cloretos que são altamente deletérios aos metais e ligas metálicas, entra no motor). Por fim, a densidade é de extrema importância por motivos óbvios: quanto mais pesado o motor, menos carga útil o avião poderá carregar. No esforço de reduzir ainda mais o peso, foram experimentadas pás compostas feitas de polímeros reforçados de fibras de carbono (carbono-fiberreinforcedpolymers - CFRP) cuja densidade é menos do que a metade da do titânio. Mas, por si só, o CFRP simplesmente não tem resistência suficiente para as pás da turboélice - um choque com uma ave destrói uma pá