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Materiais de Construção Mecânica Introdução
UFPA – ITEC – Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 1
1 INTRODUÇÃO
1.1 Importância do Estudo dos Materiais de Construção Mecânica
A vasta quantidade de materiais atualmente existente, estimada em cerca de
50.000/60.000 (FERRANTE, 2002), torna o conhecimento desses materiais cada vez mais
importante para o engenheiro mecânico, em qualquer que seja a sua área de atuação. O
conhecimento das propriedades mecânicas dos materiais, por exemplo, proporciona a
escolha de fatores de segurança adequados, que irão influir de maneira decisiva na parte
econômica de um projeto.
O conhecimento dos materiais é uma ciência que estuda as suas composições,
estruturas internas e propriedades, e também a regularidade de suas alterações sobre
influência térmica, química ou mecânica. Essa ciência não só revela a estrutura interna e as
propriedades dos materiais, como também estabelece a dependência regular entre elas,
determinando, ao mesmo tempo, a composição ideal e o processo de fabricação do material
para obter as propriedades físicas e mecânicas desejadas. O conhecimento dos materiais,
portanto, auxilia na sua correta seleção para os diversos usos e na determinação das suas
propriedades e qualidades tecnológicas.
1.2 A Atuação do Engenheiro de Materiais
A atuação do engenheiro de materiais (ou do engenheiro mecânico especializado em
materiais) abrange duas grandes áreas (FERRANTE, 2002). Uma dessas áreas trata de
atividades que podem se definidas como “correlacionamento de propriedades com o
desempenho final”, sempre implicando na realização ou melhoria de produtos e, por isso
mesmo, incluindo o processamento do material como tema relevante. Essa área
compreende, portanto, desde a adaptação de matérias-primas até a avaliação do
desempenho final do produto.
A outra grande área de atuação do engenheiro de materiais é a “seleção de
materiais”, a qual envolve uma gama de conhecimentos técnicos cuja dimensão
dificilmente pode ser exercida por uma única categoria profissional; assim, a seleção de
materiais é o ponto focal de uma série de especialidades tecnológicas, que vão desde a
criação do projeto até a análise de desempenho em campo. Dessa forma, a seleção de
materiais reúne engenheiros de projeto e, freqüentemente, profissionais de marketing,
culminando com a criação de um projeto preliminar. Para que o produto cumpra a sua
função é necessário definir bem as condições de trabalho, compondo o pacote completo de
requisitos de operação e fornecendo elementos para estudos de análise de tensões e
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dimensionamento preliminar. Essas condições de contorno, associadas ao conhecimento
das condições ambientais, fornecem uma lista de propriedades-requisitos cuja otimização
constitui a essência do processo de seleção de materiais.
A seleção de materiais também deve prever respostas a questões expressas pelo setor
de fabricação, que tem como tarefa a escolha de alternativas de produção/montagem. Dessa
descrição emergem dois aspectos importantes: a seleção deve ser feita visando não só
atender a requisitos de resistência mecânica, de tenacidade, de resistência à corrosão etc.,
mas também visando adequar o material aos processos de fabricação disponíveis ou já
existentes. Logo, a viabilização de um produto ou componente é tarefa de natureza
interativa tanto em nível de projeto como em nível de materiais e de procedimentos de
fabricação.
O conceito básico que permeia os procedimentos de seleção pode ser denominado
“filosofia do compromisso”, entendida como o eventual sacrifício de uma ou mais
propriedades em benefício de uma otimização geral, o que pode ser muito complexo
quando se lida com grandezas interrelacionadas. Por exemplo, o conflito da resistência
mecânica com a resistência à propagação de trincas (tenacidade), propriedades tipicamente
excludentes.
Outro fator que contribui para a complexidade dos procedimentos de seleção é a
interferência do processo de fabricação nas propriedades finais, nos custos e no
investimento. A seleção de materiais e a seleção de processo formam uma só problemática
a ser resolvida em conjunto e interativamente.
1.3 Critérios de Seleção de Material
Os procedimentos de seleção de materiais obedecem a múltiplos critérios, que
tomados individualmente proporcionam alternativas de escolha bastante simples e lineares,
mas que na prática concorrem quase sempre a situações em que um conjunto de critérios
conflitantes deve ser satisfeito simultaneamente. Portanto, surge a necessidade de
procedimentos de interação e otimização que, no final, fazem com que a filosofia do
compromisso exerça papel relevante.
Seja na fabricação de uma peça ou na sua utilização como componente de um
sistema mecânico, os requisitos de desempenho dessa peça são estabelecidos de maneira a
compatibilizar a função que ela terá com as possibilidades de sua fabricação a partir de
materiais existentes.
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O menor custo de fabricação para uma dada qualidade industrial especificada deve
ser o objetivo a ser perseguido na seleção de um material, quando se tem uma série de
processos de fabricação e diversos materiais disponíveis.
A seleção mais conveniente dos materiais que constituirão as peças depende
fundamentalmente da análise dos fatores que influenciam o projeto do produto (a
concepção da peça) e o projeto do processo de fabricação desse produto.
As especificações de desempenho (as funções requeridas) de um produto
determinam as especificações necessárias ao projeto desse produto. As primeiras
consistem de um conjunto de características que permitem a utilização eficiente do
produto, enquanto as segundas compõem-se de um rol de indicações técnicas referentes à
forma, às dimensões, às tolerâncias, ao acabamento e aos materiais constituintes do
produto que permitem atender às primeiras.
Dois aspectos devem ser observados na análise das especificações de desempenho:
as definições de requisitos de desempenho e as conseqüências de uma superavaliação ou
uma subavaliação desses requisitos.
A definição dos requisitos de desempenho depende de cada tipo de produto e deve
ser realizada através de uma descrição objetiva e completa, procurando-se o equilíbrio
(“ponto ótimo”) entre esses requisitos e as possibilidades técnicas de realizá-los.
Uma subavaliação das especificações pode ter uma conseqüência de desempenho
deficiente, levando à possibilidade de ocorrência de falhas graves em serviço, com custos
materiais e até humanos. A superavaliação, por sua vez, conduz quase sempre a custos de
fabricação mais elevados (energia, material e/ou mão-de-obra em excesso para a obtenção
do produto final).
Nas especificações de projeto é importante observar: o dimensionamento das peças
componentes e conjuntos com base nos tipos de solicitação mecânica (estática e dinâmica)
e na resistência dos materiais disponíveis, e a indicação dos materiais constituintes das
peças e dos processos de sua fabricação.
O dimensionamento das peças pode ser realizado, por exemplo, por métodos
determinísticos, no qual se determina as tensões atuantes e as dimensões da peça
necessárias à resistência mecânica (a adoção de fatores de segurança compensará os erros
de simplificação de modelos físico-matemáticos adotados e as variações das propriedades
dos materiais).
As solicitações dinâmicas e as considerações de resistência à corrosão em
determinados meios também são importantes.
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A análise da fratura da peça permite estudar e determinar as causas de sua falha em
serviço e os procedimentos de projeto mais correto para a sua prevenção.
O dimensionamento do produto condiciona a indicação dos materiais constituintes,
que por sua vez condiciona aquele, num processo iterativo de obtenção de um projeto
ótimo para o produto e para o processo de fabricação. Exemplos:
− Determinados materiais são mais resistentes, contudo são mais difíceis de serem
processados (as dimensões da peça afetam a seleção do material constituinte e o seu
processo de fabricação).
− Alguns processos somente permitem obter peças de pequenas dimensões ou tem
limitações quanto às tolerâncias dimensionais.
A quantidade de peças a serem fabricadas é outro fator que afeta o projeto do
processo de fabricação, pois determinados processos só se aplicam, economicamente, para
quantidades mínimas de fabricação.
A análise de valores de custo conduz à busca do projeto de produto e do processo de
fabricação que melhor atende os requisitos funcionais e as condições de menor custo de
fabricação.
Segundo FERRANTE (2002), dos diversos critérios de seleção de materiais, os mais
representativos são:
• Considerações dimensionais;
• Considerações de forma;
• Considerações de peso;
• Considerações de resistência mecânica;
• Resistência ao desgaste;
• Conhecimento das variáveis de operação;
• Facilidade de fabricação;
• Requisitos de durabilidade;
• Número de unidades;
• Disponibilidade de material;
• Custo;
• Existência de especificações e códigos;
• Viabilidade de reciclagem;
• Valor de sucata;
• Grau de normalização;
• Tipo de carregamento.
A resistência mecânica, por exemplo, trata-se de uma das propriedades mais
conhecidas e com maior número de oportunidades de escolha, em função da grande
quantidade de materiais disponíveis. Entretanto, a seleção em termos de resistência
mecânica pode ser um pouco complexa, pois em alguns casos há necessidade de combiná-
la com outras propriedades. Muitas vezes torna-se necessário sacrificar a resistência
mecânica em favor da tenacidade ou resistência à corrosão sob tensão. No caso, por
exemplo, de um produto que irá trabalhar em um ambiente cuja atmosfera é rica em
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amônia (NH3), a qual favorece a suscetibilidade do material à corrosão sob tensão;
diminuir a resistência mecânica pode ser benéfico nessas condições, mas tal solução
proposta provocará efeitos negativos imediatos, como o aumento da seção resistente da
estrutura com a conseqüente elevação de peso e volume, eventual dificuldade de fabricação
etc.
Outro exemplo refere-se à facilidade de fabricação. A seleção de materiais está
relacionada com os processos de fabricação (soldagem, fundição, forjamento etc.). Assim,
se os procedimentos de soldagem fazem parte da obtenção do produto, por exemplo, a
propriedade de soldabilidade das diversas ligas metálicas disponíveis deve ser considerada,
pois a menor ou maior dificuldade em ser soldada intervém na escolha de uma ou de outra
liga.
Também deve ser observado na seleção de um processo de fabricação, entre os
vários fatores disponíveis, qual deles é o mais adequado para a obtenção do produto e quais
os seus reflexos sobre as propriedades dos materiais e custos. Se dois processos forem
tecnicamente viáveis, deve-se levar em consideração, por exemplo, a influência de cada
um deles nas propriedades mecânicas de uma peça obtida. Também devem ser
considerados: o acabamento superficial e tolerância (para as peças fundidas em areia estes
itens são muito maiores do que para o forjamento em matriz fechada); a escala de produção
(o alto custo do material deve ser amortizado com um número de peças muito maior) e a
usinabilidade (para o forjamento em matriz fechada, o volume de material a ser retirado
por usinagem será bem pequeno).
FREIRE (1983) faz um resumo do que ele considera como sendo os principais
fatores que influenciam a seleção de um material industrial, a saber:
1- Condições de trabalho: Este fator compreende as solicitações mecânicas e o local de
trabalho do material. Exemplos: Uma peça que será submetida a esforço de tração,
deve ser constituída de material resistente a esse esforço. Uma bomba que transportará
ácido sulfúrico deve ser constituída de material que não seja atacado por esse ácido.
2- Disponibilidade do material: O material a ser selecionado deve ser disponível em
quantidade necessária e quando desejado (no caso de reposição de peças). Por esse
motivo, é aconselhável o uso de catálogos de fabricantes na seleção do material.
3- Custos: Este fator engloba tanto o custo do material bruto, como o do processo de
fabricação que será utilizado na confecção do produto.
4- Aparência: É importante somente quando o produto fabricado ficará exposto ao público,
pois nesse caso deverá ter um aspecto agradável (material de acabamento de
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eletrodomésticos, tampas de panela etc.). Quando o produto ficar escondido, o aspecto
deixa de ter importância, como no caso dos tirantes de sustentação de forro.
5- Adaptabilidade para os processos de fabricação: Se no local da produção existe um
processo de fabricação, deve-se selecionar para a constituição do produto um material
que se preste ao processo já instalado. Por exemplo: se no local já existe uma fundição,
deve-se optar por um material que tenha características que possibilitem a sua
utilização naquele processo, evitando-se assim, o aumento do custo final do produto
devido à instalação de um novo processo de fabricação.
6- Forma da peça: A forma da peça, em certos casos, condiciona o processo de fabricação,
influindo assim, indiretamente na escolha do material. Por exemplo: uma peça
complexa, com furos e protuberâncias, deve ser fabricada a partir de um processo de
fundição; já uma peça de forma simétrica pode ser confeccionada por usinagem;
portanto, opta-se por um material que se adapte a tais processos.
1.4 Classificação dos Materiais de Construção Mecânica
A maioria dos materiais de engenharia é classificada em quatro grupos principais:
metais, polímeros, cerâmicos e, mais recentemente, compósitos ou conjugados. Outros
dois grupos têm sido considerados importantes como materiais de engenharia
(CALLISTER, 2002), em função do grande desenvolvimento de suas aplicações nos
últimos anos: semicondutores e biomateriais. Os semicondutores se caracterizam por
possuírem propriedades elétricas intermediárias entre as dos condutores e as dos isolantes;
esses materiais possibilitaram o advento dos circuitos integrados, que revolucionaram as
indústrias de produtos eletrônicos e de computadores. Os biomateriais, por sua vez,
apresentam características específicas que permitem a sua utilização como componentes
implantados no interior do corpo humano, substituindo as partes doentes ou danificadas do
mesmo.
Os materiais metálicos (metais puros e ligas metálicas) ainda constituem o mais
importante grupo de materiais de construção mecânica; entretanto, grande
desenvolvimento tem ocorrido nos últimos anos no uso dos polímeros, cerâmicos e
compósitos.
Devido à grande participação na indústria das ligas metálicas que contém ferro em
suas composições, os materiais metálicos ainda podem ser subdivididos em materiais
ferrosos e materiais não-ferrosos.
Tanto os materiais metálicos como os não-metálicos serão estudados a partir dos
próximos capítulos.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS BRESCIANI FILHO, Ettore. Seleção de materiais metálicos. Campinas: Editora da UNICAMP, 1986. CALLISTER JR., Willian D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5.ed. Rio de janeiro: LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2002
FERRANTE, Maurizio. Seleção de materiais. 2.ed. São Carlos: Editora da UFSCar, 2002. FREIRE, J.M. Materiais de construção mecânica: Tecnologia mecânica. Rio de Janeiro: LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1989.
