Comportamento Mecânico de Materiais - webx.ubi.ptwebx.ubi.pt/~pgamboa/pessoal/10362/apontamentos/03-ComportamentoMe... · • baixo ponto de fusão • alguns problemas de corrosão/fadiga

Comportamento Mecânico de

Materiais

Estruturas Aeroespaciais I (10362)

2017

Pedro V. Gamboa Departamento de Ciências Aeroespaciais

Faculdade de Engenharia

Universidade da Beira Interior

Estruturas Aeroespaciais I – 2014-2017

Departamento de Ciências Aeroespaciais

Pedro V. Gamboa

José Miguel A. Silva

2

Tópicos

• Principais materiais aeronáuticos e suas aplicações.

• Ensaio de materiais e estruturas aeroespaciais.

• Materiais isotrópicos e ortotrópicos.

• Equações constitutivas.

• Extensometria.

• Corrosão.





Pedro V. Gamboa


3

1. Principais materiais

aeronáuticos e suas aplicações

A atividade aeroespacial tem uma dimensão tecnológica

bastante abrangente, recorrendo a uma grande diversidade de

materiais.

Os requisitos principais dos materiais usados em estruturas

aeroespaciais devem ser:

• boa resistência específica;

• elevada fiabilidade/tolerância ao dano

• facilidade de fabrico

• preço!





Pedro V. Gamboa


4

1. Principais materiais

aeronáuticos e suas aplicações





Pedro V. Gamboa


5

1. Principais materiais aeronáuticos e suas aplicações

1.1. Ligas de alumínio

As ligas de alumínio apresentam:

• baixa densidade ( 2,7g/cm3 ou 2700kg/m3)

• boa resistência específica (tensões limite de aprox. 690MPa)

• boa resistência à corrosão (em determinadas circunstâncias!)

• boa condutibilidade térmica e elétrica

• são relativamente baratas

Em contrapartida, apresentam:

• um relativamente baixo módulo de elasticidade (aproximadamente

1/3 do valor relativo aos aços)

• baixo ponto de fusão

• alguns problemas de corrosão/fadiga (fratura intergranular sob

tensão)





Pedro V. Gamboa


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As ligas de alumínio são classificadas de acordo com o elemento

de liga mais abundante, usando-se uma designação com 4

dígitos:

Alumínio puro (99% mínimo)

Ligas consoante os principais

elementos:

•Cobre

•Manganês

•Silício

•Magnésio

•Magnésio e silício

•Zinco

•Outros elementos (lítio)

Série livre

1xxx

2xxx

3xxx

4xxx

5xxx

6xxx

7xxx

8xxx

9xxx

Tipo

de

Liga

Estado Resistência à

tração

[MPa]

2024 Recozido(O)

Trat. térmico (T6)

220

442

7075 Recozido (O)

Trat. térmico (T6)

276

504

Dois exemplos p/ uso aeronáutico:





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7



Liga Características Aplicações

2XXX

• Tratável termicamente

• Alta resistência com temperatura

• Apta para ligações mecânicas; algumas variantes

(como 2219 e 2048) são soldáveis;

• Estruturas de aeronaves

• 2195 (Li, E elevado): tanques de

combustível Space Shuttle;

• 2124, 2324 e 2419: alta resistência à

fratura.

3XXX

• Excelente resistência à corrosão;

• Boa conformabilidade e soldabilidade;

• Resistência limite média;

• Permutadores de calor (3003);

• Indústria alimentar (3004)

5XXX

• Excelente resistência à corrosão;

• Mecanicamente endurecível e boa soldabilidade;

• Boa resistência à fratura a muito baixas

temperaturas;

• Tanques criogénicos

• Ambientes salinos;

7XXX

• Muito alta resistência (incluindo fadiga)

• Tratável termicamente

• Fraca soldabilidade (excepto 7005 e 7029)

• Estruturas e componentes

aeronáuticos (7050, 7150, 7175, 7075)





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8


1.2. Aços

O aço é um dos materiais mais utilizados devido às suas boas

características de resistência, dureza e ao seu baixo preço

(relativo!).

Algumas ligas têm propriedades particulares que as distinguem

(utilizações a alta temperatura, resistência à corrosão,

soldabilidade, resistência à abrasão, etc.).

Possuem, porém, uma densidade elevada (7,8g/cm3 ou

7800kg/m3).

Existem, sobretudo, duas famílias de aços:

• aços-carbono

• aços de baixa liga





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1.2. Aços

O teor de carbono nos aços-carbono pode atingir um teor

máximo de 1,2%, havendo uma relação direta entre a quantidade

de carbono e a resistência/dureza do material.

Para este tipo de aços, e na nomenclatura AISI-SAE, de 4 dígitos,

os primeiros dois dígitos passam a “1X”, e os últimos dois

representam a percentagem existente deste elemento (em

centésimas).

Os aços ligados podem conter até 50% de elementos de liga,

embora seja habitual recorrer a concentrações na ordem dos 1 a

4%.

Na nomenclatura AISI-SAE, os dois primeiros dígitos indicam os

principais elementos de liga e os dois últimos a percentagem de

carbono





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10


1.2. Aços

Alguns exemplos:

Caso especial: aços inoxidáveis!

Especialmente recomendados para aplicações resistentes à

corrosão, têm um teor mínimo de 12% de Cr.

“Melhores” os austeníticos (de 7% a 20% de Ni) do que os

ferríticos e martensíticos.

41xx Crómio: 0.5, 0.8 ou 0.95; Molibdénio: 0.12, 0.2 ou 0.3

46xx Níquel: 0.85 ou 1.83; Molibdénio: 0.2 ou 0.25

92xx Silício: 2.0; ou silício 1.4 e crómio 0.7





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1.2. Aços

Propriedades:

Properties Carbon Steels Alloy Steels Stainless Steels Tool Steels

Density (1000 kg/m3)

7.85 7.85 7.75-8.1 7.72-8.0

Elastic Modulus (GPa)

190-210 190-210 190-210 190-210

Poisson's Ratio

0.27-0.3 0.27-0.3 0.27-0.3 0.27-0.3

Tensile Strength (MPa)

276-1882 758-1882 515-827 640-2000

Yield Strength (MPa) 186-758 366-1793 207-552

380-440

Percent Elongation (%)

10-32 4-31 12-40 5-25

Hardness (Brinell 3000kg)

86-388 149-627 137-595 210-620





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1.3. Outras ligas metálicas

Magnésio – material muito leve, com uma densidade abaixo do

alumínio (1,74g/cm3 ou 1740kg/m3). Tem, porém, muitas

limitações. Baixa resistência mecânica, à fadiga/fluência e ao

desgaste.

Titânio – Excelente resistência mecânica (pode atingir quase

1500MPa à tração) e moderada densidade ( 4.5g/cm3 ou

4500kg/m3). Limitações de aplicação a alta temperatura

(<600ºC) e solicitações de fluência. Preço elevado. Difícil

soldabilidade.

Níquel – destacam-se as superligas de níquel (como Inconel,

Udimet, RR1000, etc.) devido à sua excelente resistência à

fadiga-fluência a alta temperatura. Muito caras. Densidade

elevada (> 8g/cm3 ou 8000kg/m3).





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Exemplo de duas ligas de Níquel:

Alloy Cr Mo Ti Al Co Zr W Fe B C Ta Hf

U720Li 16.2 3.2 5.1 2.6 14.5 0.035 1.7 0.072 0.022 <0.1

RR1000 15 5 3.6 3.0 18.5 0.06 0.015 0.027 2.0 0.07





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As superligas de níquel possuem uma microestrutura de

pequeno tamanho de grão com uma elevada dispersão de fases

secundárias na matriz do material elevada resistência:

30 μm

4800x





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1.4. Aplicações de ligas metálicas





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1.5. Compósitos

Material que abarca duas ou mais fases distintas e separadas,

combinadas de modo a garantirem um bom desempenho

mecânico de todo o conjunto.

Constituído por um material de reforço, fibras, e um material de

suporte, matriz.

Propriedades gerais:

• Excelente resistência específica;

• Excelente conformabilidade;

• Possibilidade de definição de orientações de solicitação

preferenciais;

• Boa resistência à corrosão e fadiga.





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1.5. Compósitos

Existem principalmente duas famílias de compósitos: de matriz

polimérica e de matriz metálica.

Os compósitos poliméricos são largamente utilizados na indústria

aeronáutica, principalmente os reforçados com fibras de carbono

(CFRP).

Imagem de uma observação

microscópica de um compósito laminado

de carbono-epoxy (com fibra óptica

embebida na estrutura)





Pedro V. Gamboa


18


1.5. Compósitos

GLARE: compósito híbrido desenvolvido em 1987 estruturado em

várias camadas de metal (alumínio) alternadas com camadas de

fibra de vidro (GFRP) alinhadas em diferentes direções.

A agregação destes dois elementos é feita com recurso a resina

epoxídica.

Como características,

apresenta uma

excelente tolerância

ao dano (fadiga e

corrosão) e uma

óptima resistência

específica.





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1.6. Madeira

A madeira ainda é,

atualmente, um material

utilizado na construção de

estruturas de aeronaves

ligeiras.

Possui como principais

características:

• Boa resistência específica;

• Excelente resistência à

fadiga;

• Preço acessível;

• Material natural, abundante

e reciclável.





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2. Ensaio de materiais

O comportamento mecânico de qualquer material deve ser

avaliado através de vários tipos de ensaios mecânicos

adequados:

• Tração

• Compressão

• Corte

• Flexão

• Fadiga

• Fluência

• etc.

Devem seguir-se normas e procedimentos de ensaio adequados

(por exemplo, normas ASTM).





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21


Ensaio de fadiga à tração a alta temperatura

Ensaio de fadiga à flexão





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22


2.1. Ensaio de tração





Pedro V. Gamboa


23


2.1. Ensaio de tração

Exemplos de curvas tensão-extensão:





Pedro V. Gamboa


24


2.2. Ensaio de fluência

Fluência – deformação de um material ao longo do tempo sob a

ação de uma carga constante.

Promove uma rutura intergranular nos metais, problema que

merece especial cuidado em altas temperaturas.





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25


2.3. Ensaio de fadiga





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26

3. Materiais isotrópicos e

ortotrópicos





Pedro V. Gamboa


27

3. Materiais isotrópicos e ortotrópicos

3.1. Materiais ortotrópicos

Um material pode ser definido como sendo ortotrópico se possuir

diferentes características físicas (mecânicas) e térmicas

relativamente às três direções ortogonais de referência.

Alguns exemplos: contraplacado de madeira, compósito

laminado, etc..

Se assumirmos que um material tem um comportamento

puramente elástico, então podemos estabelecer uma relação

direta entre a tensão aplicada e a extensão verificada.

A constante de proporcionalidade entre ambas é conhecida como

módulo de elasticidade ou módulo de Young (E).

A relação matemática, conhecida como Lei de Hooke, assume a

forma

E





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28



Assim, se considerarmos a extensão provocada por uma tensão

aplicada segundo a direção x, tem-se

No entanto, verifica-se que em grande parte dos materiais

elásticos que sofrem um alongamento segundo uma dada direção

de referência se dá um “encurtamento” nas restantes outras

duas direções perpendiculares.

Este fenómeno é conhecido como efeito de Poisson e é traduzido

pelo coeficiente de Poisson

E

xxxx

xx

zz

xx

yy





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29



Para um material ortotrópico existem diferentes coeficientes de

Poisson conforme se considerem interações entre diferentes

direções de referência.

Adota-se, pois, uma representação com dois subscritos com a

seguinte convenção:

• 1º subscrito: identifica a direção da extensão de onde deriva o

efeito;

• 2º subscrito: identifica a direção para onde o efeito é transferido;

Portanto, a influência das tensões aplicadas segundo y e z nas

extensões consideradas segundo x podem ser aferidas

considerando, respetivamente

z

zzzx

y

yy

yxEE

;





Pedro V. Gamboa


30



Então, a extensão total segundo a direção x é dada pela

expressão

Note-se que as extensões segundo cada direção de referência

apenas sofrem o efeito das tensões diretas aplicadas segundo

essas direções, não havendo influência das tensões de corte.

Contudo, as tensões de corte levarão a distorções nas

componentes que terão diferentes valores consoante o plano de

referência considerado.

Assim, podemos escrever as seguintes relações lineares entre

diferentes pares de tensões e extensões de corte

z

zzzx

y

yyyx

x

xxxx

EEE

yzyzyzxzxzxzxyxyxy GGG ; ;





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31



A constante de proporcionalidade G tem o nome de módulo de

elasticidade transversal ou de corte.

Finalmente, há que considerar possíveis extensões associadas a

efeitos térmicos.

Assim, se um dado material ortotrópico, com um coeficiente de

expansão térmica , sofrer uma variação de temperatura dada

por T, então a extensão consequente avaliada segundo a

direção x será

Note-se que os efeitos térmicos não induzem tensões de corte e

são independentes da aplicação de quaisquer tipos de cargas

mecânicas!

Txxx





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32



Combinando todas as contribuições (mecânicas e térmicas) para

as deformações atuantes num material ortotrópico, podemos

escrever as equações tensão-deformação completas que, em

formato matricial, assumem o seguinte aspeto

onde

(3.01) TS

Tzyx

T

yzxzxyzzyyxx

T

yzxzxyzzyyxx

000





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33



e

é a matriz de flexibilidade.

Atendendo a que a matriz de flexibilidade deve ser simétrica,

então facilmente chegamos a três relações entre os módulos de

elasticidade e os coeficientes de Poisson

y

yz

z

zy

z

zx

x

xz

y

yx

x

xy

EEEEEE

; ;

yx

xz

xy

zyyzxxz

zzyyxxy

zzxyyxx

G

G

G

EEE

EEE

EEE

S

/100000

0/10000

00/1000

000/1//

000//1/

000///1





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34



Alguma manipulação algébrica pode ser feita de modo a

encontrarmos um conjunto de equações que relacionem as

tensões com as deformações.

Assim, multiplicando a equação (3.01) pela inversa da matriz de

flexibilidade

Considerando que a inversa da matriz de flexibilidade assume a

designação de matriz de rigidez e é representada por [K]

Estas são as equações tensão-deformação ou constitutivas.

11

111

STS

TSSSS

(3.02) KTK





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35


3.2. Materiais isotrópicos

Um material isotrópico é aquele que evidencia as mesmas

propriedades (mecânicas e térmicas) em todas as direções (ex:

maioria dos metais).

As equações constitutivas para um material isotrópico podem ser

obtidas por simplificação daquelas relativas aos materiais

ortotrópicos, havendo apenas um valor único para E, G , e

em todas as direções

(3.03)

0

0

0

/100000

0/10000

00/1000

000/1//

000//1/

000///1

T

G

G

G

EEE

EEE

EEE

yz

xz

xy

zz

yy

xx

yz

xz

xy

zz

yy

xx





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36



ou

As equações tensão-deformação podem ser obtidas recorrendo

às constantes de Lamé e

onde

TS

(3.04)

yzyzzzzz

xzxzyyyy

xyxyxxxx

GTe

GTe

GTe

; 232

; 232

; 232

(3.05)

2 ;

12

23 ;

211

E

EE

e zzyyxx





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37



Foi anteriormente demonstrado noutras disciplinas (Mecânica

dos Materiais) que, para o caso dum material isotrópico, a

constante de Lamé é igual ao módulo de elasticidade

transversal G.

Por isso

Da expressão anterior, constata-se que só existem duas

constantes elásticas independentes para o caso de um material

isotrópico.

O intervalo de variação possível para o coeficiente de Poisson de

um material isotrópico (excluindo casos especiais!) é

12

EG

5.00





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38



Pode ainda definir-se um outro tipo de material material

anisotrópico: aquele que não tem eixos ou planos de simetria em

termos das suas propriedades, havendo uma interação entre

todas as tensões e extensões independentemente da direção de

referência considerada (i.e., a matriz de flexibilidade não tem

zeros).

Esta é uma situação muito pouco usual na prática.





Pedro V. Gamboa


39


3.3. Equações constitutivas em estado

plano de tensões

Considerando um estado plano de tensões, as equações gerais de

tensão-deformação para um material ortotrópico reduzem-se

para a seguinte forma

devendo considerar-se as seguintes equações auxiliares

(3.06)

0/100

0/1/

0//1

y

x

xy

yy

xx

xy

yxxy

yyxx

xy

yy

xx

T

G

EE

EE

(3.07) TEE

zyy

y

yz

xx

x

xzzzyzxz

0





Pedro V. Gamboa


40


3.3. Equações constitutivas em estado

plano de tensões

As equações tensão-deformação para um material isotrópico

podem ser obtidas invertendo as expressões anteriores e fazendo

as simplificações necessárias

(3.08)

0

1

1

11

2

100

01

01

1 2

TEE

xy

yy

xx

xy

yy

xx





Pedro V. Gamboa


41

4. Extensometria

Existem diversas técnicas experimentais adequadas à medição

de extensões.

No entanto, devido à sua simplicidade e relativo baixo custo, a

utilização de extensómetros elétricos é seguramente a mais

utilizada.

Um extensómetro elétrico baseia-se no princípio físico da

variação da resistência elétrica de um condutor através da

variação das suas dimensões físicas, i.e., comprimento e secção

transversal.

Assim, quando um condutor é alongado (aumento de

comprimento), resulta uma diminuição da sua secção transversal

e, consequentemente, um aumento da sua resistência, e vice-

versa.





Pedro V. Gamboa


42

4. Extensometria

Este princípio físico foi usado a partir das décadas de 1930-40

para a medição efetiva de extensões em estruturas e

componentes em engenharia.

Note-se que, conhecendo as extensões num dado local de um

componente, facilmente se conseguem definir os campos de

tensões e deslocamentos associados a essa posição do

extensómetro.

As figuras seguintes mostram algumas configurações geométricas

de diferentes tipos de extensómetros.





Pedro V. Gamboa


43

4. Extensometria





Pedro V. Gamboa


44

4. Extensometria

decrease





Pedro V. Gamboa


45

4. Extensometria

A seleção apropriada de um extensómetro obedece a diferentes

requisitos de instalação e operação, designadamente:

• sensibilidade do extensómetro em função do tipo de liga do

filamento;

• tipo de material de suporte;

• valor nominal da resistência elétrica do extensómetro;

• configuração geométrica do extensómetro;

• temperatura(s) de serviço;

• comprimento útil do extensómetro (gauge length).





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46

4. Extensometria

Outros constrangimentos operacionais devem ser considerados,

tais como, por exemplo:

• precisão de medição;

• fiabilidade face a aplicação de cargas dinâmicas (fadiga);

• local de instalação;

• efeitos ambientais;

• …





Pedro V. Gamboa


47

4. Extensometria

Habitualmente, a variação da resistência de um extensómetro é

avaliada com recurso a uma ponte de Wheatstone, podendo

assumir as configurações de quarto de ponte (uso de um

extensómetro num ramo da ponte), meia ponte (dois

extensómetros ) ou ponte completa (4 extensómetros).





Pedro V. Gamboa


48

4. Extensometria

Vejamos, agora, como se consegue

determinar um campo de extensões

através da técnica de extensometria.

Considere-se, pois, um corpo sujeito a

um carregamento arbitrário no qual se

instala um extensómetro do tipo roseta,

como o indicado na figura.

Podemos recorrer à equação (2.31)

simplificada, uma vez que o

extensómetro estando à superfície do

corpo é perpendicular ao eixo z (i.e.,

todos os cosenos diretores com subscrito

z são nulos).





Pedro V. Gamboa


49

4. Extensometria

Assim

Devemos fazer coincidir, alternadamente, a direção n com a

direção de cada extensómetro, de modo a que a extensão n

corresponda à extensão medida por cada extensómetro.

Isto resultará num sistema de 3 equações e 3 incógnitas.

(3.09)

2sin2

sincos 22 xy

yxn





Pedro V. Gamboa


50

4. Extensometria

4.1. Medição experimental de extensões

Como visto acima, as tensões num ponto na superfície de um

material podem ser obtidas através das extensões nesse ponto,

usualmente com extensómetros de resistência elétrica dispostos

na forma de uma roseta como mostra a figura 3.01.

Figura 3.01 Roseta de extensómetros.





Pedro V. Gamboa


51

4. Extensometria


Suponha-se que I e II são as extensões principais no ponto,

então se a, b e c forem as extensões medidas nas direções ,

+ e ++b relativamente a I, da relação geral das extensões

diretas planas da equação (3.09) tem-se

Uma vez que x fica I, y fica II e xy é zero pois as direções x e

y ficaram as direções principais.

Reescrevendo a equação (3.10) tem-se

ou

(3.10) 22 sincos IIIa

2

2cos1

2

2cos1

IIIa

(3.11)

2cos22

IIIIII

a





Pedro V. Gamboa


52

4. Extensometria


De forma idêntica

Assim, se a, b e c são medidas em direções dadas, isto é

ângulos e b conhecidos, então I, II e são as únicas

incógnitas nas equações (3.11)-(3.13).

As tensões principais são depois obtidas substituindo I e II nas

equações (2.52).

Logo

(3.12)

2cos

22

IIIIIIb

(3.13) b

2cos

22

IIIIIIc

(3.14) IIIIE

1





Pedro V. Gamboa


53

4. Extensometria


e

Resolvendo as equações (3.14) e (3.15) obtém-se

e

Uma roseta típica pode ter =b=45º pelo que as extensões

principais podem ser obtidas facilmente a partir do círculo de

Mohr.

(3.15) IIIIIE

1

(3.16) IIII

E

21

(3.17) IIIII

E

21





Pedro V. Gamboa


54

4. Extensometria


Suponha-se que o braço a da roseta está inclinado de um ângulo

desconhecido em relação ao eixo da extensão principal

máxima como na figura 3.01.

O círculo de Mohr das extensões está mostrado na figura 3.02.

As extensões de corte a, b e c não aparecem na análise e, por

isso, são omitidas.

Figura 3.02 Roseta de extensómetros.





Pedro V. Gamboa


55

4. Extensometria


Da figura 3.02

O raio do círculo é

Daqui

cabb

caa

ca

2

1OCCMQN

2

1OCCN

2

1OC

22 QNCNCQ

(3.18) 22

2

1

2

1CQ

cabca





Pedro V. Gamboa


56

4. Extensometria


que pode simplificar-se para dar

Então, I e II que são dados, respetivamente, por

ficam

(3.18) 22

2

1CQ bcba

círculodoraioOC

círculodoraioOC

II

I

(3.19)

22

22

2

1

2

1

2

1

2

1

bcbacaII

bcbacaI

(3.20)





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57

4. Extensometria


Finalmente, o ângulo é dado por

ou seja

Pode usar-se um procedimento idêntico para a roseta de 60º.

ca

cab

21

21

CN

QNtan2

(3.21) ca

cab

2tan2





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58

2. Tensões e rotações em eixos coordenado

2.3. Círculo de Mohr

Exemplo 3.01: Uma barra de secção circular maciça tem um

diâmetro de 50mm e suporta um binário, T, juntamente com

uma carga de tração axial, P. Uma roseta retangular de

extensómetros colocada na superfície da barra forneceu as

seguintes medições: a=1000x10-6, b=-200x10-6 e c=-300x10-6 em

que a e c estão alinhado e perpendicular ao eixo da barra,

respetivamente. Se o módulo de Young é E=70000N/mm2 e o

coeficiente de Poisson =0,3, calcular os valores de T e de P.





Pedro V. Gamboa


59

5. Corrosão

Estima-se que os custos diretos associados a problemas de

corrosão no setor da aviação nos EUA rondem os 2.2 biliões de

dólares.

Para além dos problemas económicos, a corrosão acarreta

problemas de segurança e ambientais sérios.

Há inúmeros casos históricos que ilustram bem a dimensão deste

problema:

– Estátua da Liberdade

– Falha do trem do Sea Harrier

– Acidentes com aeronaves

– Petroleiro Erika





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60

5. Corrosão

5.1. Conceitos gerais

Corrosão definida genericamente como desgaste ou

degradação superficial do material (metal) quando exposto a um

ambiente reativo adequado.

Oxidação – reação onde ocorre ganho de oxigénio por parte de

uma substância (agente redutor) com consequente perda de

eletrões.

Redução – reação onde ocorre perda de oxigénio por parte de

uma substância (agente oxidante) havendo um ganho de

eletrões.

Exemplo:

Oxigénio do redução : 22

1

Magnésio do oxidação : 2

2

2

2

OeO

eMgMg





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5. Corrosão


Assim, a corrosão pode ser redefinida como uma reação redox

heterogénea no interface metal/ambiente, onde o metal é

oxidado e o meio ambiente é reduzido.

A corrosão obedece a leis termodinâmicas, sendo a energia livre

(G) o fator determinante da ocorrência espontânea (ou não) das

reações de corrosão.

Naturalmente, um metal tem tendência para regressar ao estado

em que é encontrado na natureza, verificando-se uma variação

negativa de energia livre.

O potencial de equilíbrio de um metal é calculado através da

equação de Nernst, cuja forma geral é

(3.22) rd

oxeq

a

a

nF

RTEE log3.20





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5. Corrosão


onde

• Eeq: potencial de equilíbrio do metal

• E0: potencial de elétrodo padrão do metal

• R: constante dos gases perfeitos

• T: temperatura absoluta

• n: número de eletrões envolvidos

• F: constante de Faraday

• aox: atividade da espécie oxidada

• ard: atividade da espécie reduzida

rd

oxeq

a

a

nF

RTEE log3.20





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5. Corrosão


Pilha eletroquímica básica:

• Ânodo: sofre corrosão perdendo eletrões;

criam-se iões que formam produtos de

corrosão insolúveis, podendo funcionar

como bloqueadores de corrosão

(passivação);

• Cátodo: não sofre, habitualmente,

corrosão; as reações catódicas envolvem a

libertação de hidrogénio ou a formação de

iões hidróxido;

• Eletrólito: substância ou solução que

conduz os eletrões (a água/humidade é o

meio habitual);

• Conexão elétrica: deve haver um contacto

elétrico entre o ânodo e o cátodo.





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5. Corrosão


Tipos de pilhas:

• galvânicas: os elétrodos são metais diferentes

• ativa/passiva: formação de película protetora passivação

• concentração diferencial: mesmo eletrólito mas em diferentes

concentrações (o ânodo é o local com menor concentração)

• aeração diferencial: o ânodo corresponde ao local menos arejado

(menos concentração de oxigénio);

• variações de temperatura: ocorre a chamada pilha termogalvânica,

onde o ânodo é o local exposto a maior temperatura (caso dos

permutadores de calor);

• concentrações de tensão/carga mecânica (inclui corrosão

intergranular)

• ....





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5. Corrosão

5.2. Tipos de corrosão

Corrosão uniforme:

• Geralmente previsível e identificável não havendo grande risco de

falhas catastróficas;

• Degradação de toda a superfície do componente e diminuição das

suas dimensões (ex: espessura);

• Resulta da perda de efetividade dos revestimentos (pinturas, filmes,

etc.).





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5. Corrosão


Corrosão galvânica:

• Verifica-se entre dois metais diferentes (com diferentes potenciais

de corrosão) em contacto; forma-se, portanto, uma pilha galvânica;

• Deve-se atender à possibilidade de corrosão entre metais mais ou

menos nobres, ocupando posições extremas na série galvânica (ver

tabela);

• Pode ser facilmente evitável se houver um cuidado especial na fase

de projeto.





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5. Corrosão


Série Galvânica:





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5. Corrosão


Corrosão puntiforme (pitting):

• Forma de corrosão muito localizada

revelada sob a forma de pequenas

cavidades ou buracos (picadelas); estes

buracos funcionam como concentradores

de tensão;

• A pilha de corrosão é formada por

variações de concentração do eletrólito;

• A sua difícil deteção pode levar a falhas

catastróficas;

• É um processo auto-sustentável;

• Especial cuidado com aços inoxidáveis!

• Alta suscetibilidade a ambientes ricos em

cloro.





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5. Corrosão


Corrosão intergranular:

• Normalmente ocorre com a presença de

precipitados nas fronteiras de grão;

• Muitas vezes, existe segregação química que

altera a composição elementar na fronteira

dos grãos tornando esta zona numa área

anódica;

• As fronteiras são fragilizadas comprometendo a

resistência mecânica do material;

• Especiais cuidados são necessários com

materias ricos em crómio (ex: soldadura de

aços inoxidáveis – fragilização da zona afetada

pelo calor);





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5. Corrosão


• Algumas ligas de alumínio de alta resistência (ex: aeronáuticas)

podem sofrer corrosão intergranular pela precipitação de compostos

com cobre, criando micropilhas galvânicas.





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5. Corrosão


Corrosão por esfoliação:

• Forma particular de corrosão intergranular;

• Particularmente incidente sobre componentes em ligas de alumínio

laminadas ou extrudidas (microestrutura com grãos alongados e

planares);

• A corrosão nas fronteiras de grão pode levar ao aparecimento de

uma carga mecânica com ação delaminante.

Esfoliação de um

componente

aeronáutico em

alumínio 7075 –T6





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5. Corrosão


Corrosão por fretagem (fretting):

• Corrosão associada ao desgaste por

fretagem de duas superfícies em contacto

e sujeitas a um movimento relativo cíclico

e de pequena amplitude (ex: vibrações);

• Caracterizada por picadas ou fendas

originadas na zona de contacto,

principalmente quando exposta a cargas

de grande amplitude;

• Corrosão típica de maquinaria e órgãos

mecânicos sujeitos a vibrações (ex:

rolamentos e engrenagens); a falha

catastrófica acaba, muitas vezes, por estar

associada a uma combinação

fretting/corrosão/fadiga.





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5. Corrosão


Corrosão por aeração diferencial:

• Esta forma de corrosão é promovida devido

ao isolamento de certas partes do

componente relativamente ao ambiente;

• Promovida por zonas “estagnadas” ou

“ocultas” (ex: fendas, juntas, orifícios, ...);

• Heterogeneidades no eletrólito (diferentes

zonas de difusão do oxigénio) pode levar à

criação de iões complexos que alteram o pH

no interior das fendas tornando o meio,

aqui, extremamente agressivo;

• Esta é uma reação auto-sustentada;

• Cuidados na fase de projeto dos

componentes e estruturas podem minorar

ou solucionar o problema.





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5. Corrosão


Corrosão por solicitação mecânica:

• Ação combinada entre uma solicitação

mecânica (estática ou cíclica) e um meio

corrosivo;

• As tensões podem ser de caráter residual

resultantes de processos de fabrico

(tratamentos térmicos, soldaduras,

conformação de componentes, ...)

• A corrosão pontual pode promover a

nucleação de fendas que se propagarão de

um modo intergranular, transgranular ou

misto perante um cenário de carregamento

mecânico cíclico;





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5. Corrosão


• A fadiga elimina as películas passivas protetoras levando a uma

maior velocidade de oxidação do material; por sua vez, esta

oxidação favorece a propagação da fenda, que ocorre para menores

níveis de tensão;

• Problema de difícil deteção podendo resultar em ruínas

catastróficas.





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5. Corrosão

5.3. Corrosão em aeronaves

Formas de corrosão mais comuns:

• Aeração diferencial (rebites, juntas de paineis, tubagens, etc.);

• Corrosão galvânica por diferentes metais (uniões, conexões, etc.)

• Corrosão sob tensão.





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5. Corrosão


Fatores promotores:

• Ambientes agressivos (mar,

poluição atmosférica,

amplitudes térmicas);

• Solicitações mecânicas

exigentes (cargas cíclicas,

vibrações, manobras, ...);

• Idade avançada de algumas

frotas.





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5. Corrosão


Caso real:

• Corrosão numa bomba de combustível;

• Corrosão severa do corpo interior de uma bomba de combustível de

motor alternativo levou a falha de alimentação e ocorrência de

acidente.





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5. Corrosão


Algumas considerações de projeto podem minorar o problema da

corrosão em aeronaves:

Seleção de materiais:

• uso de novas ligas de alumínio mais resistentes à corrosão (7055-

T7751);

• uso cada vez maior das ligas de titânio;

• abandono dos componentes em magnésio em estruturas primárias;

• uso crescente de compósitos (cuidado com o carbono!);

• novas técnicas de fabrico (ex: grenalhagem);





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5. Corrosão


Acabamentos:

• Uso de filmes protetores (cadmiagens em aços inoxidáveis e ligas de

titânio) para evitar corrosão galvânica;

• recentemente, não aplicar selante aos painéis em alumínio

anodizado para melhorar a adesão do primário (pintura mais

resistente).

Drenagem:

• aplicar drenos a todas as cavidades;

Selagem:

• todas as juntas podem ser seladas recorrendo a um composto de

polisulfida que impede a corrosão por aeração diferencial (junções

de painéis, junta asa/fuselagem, etc);

• pode ser utilizado para evitar a corrosão galvânica em metais com

diferentes potenciais de corrosão;





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5. Corrosão


Facilidade de inspeção:

• devem ser contempladas portas e/ou outras zonas de acesso

destinadas à inspeção de áreas não visíveis da aeronave;

Aplicação de programas de controlo da corrosão

Alguns exemplos de projeto:





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5. Corrosão


Alguns exemplos de projeto:

MAU

BOM





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5. Corrosão

5.4. Processos de controlo de corrosão

Eletrodeposição

Consiste em promover um revestimento metálico fino (ex: ouro, prata,

cobre, níquel, cádmio, crómio, zinco, ...) para garantir a proteção

adequada da peça base.

Normalmente, faz-se passar uma corrente elétrica por um banho

contendo iões dissolvidos que irão ser atraídos para o substrato

(cátodo).

Para que o depósito seja cristalino, o processo deve ser lento, o que

garante uma boa adesão.





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5. Corrosão


Deposição auto-catalítica

Semelhante à eletrodeposição, mas dispensa a aplicação de uma fonte

de corrente elétrica externa.

A deposição do metal é feita por uma reação espontânea na superfície

do material dando origem a revestimentos de alta qualidade e muito

compactos.

Recomendado para peças com geometrias complexas e zonas de difícil

acesso.

Anodização

Formação de um filme de óxido passivo num metal (normalmente

alumínio) através de processos electrolíticos ou químicos.

Deve-se proceder à selagem desta camada de óxido que é porosa.





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5. Corrosão


Proteção Catódica

Utilização de ânodos de sacrifício (ex. magnésio) ou aplicação de

uma corrente impressa.

Proteção Anódica

Utilização de uma corrente elétrica externa suficientemente

elevada de modo a promover a passivação do material.

Pintura eletroforética

Processo de pintura de materiais condutores por tintas

poliméricas compostas por agregados com grande carga.

Ideal para zonas de difícil acesso.

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