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Introdução ao Projeto de Aeronaves

Aula 32 – Materiais Aeronáuticos

Tópicos Abordados

� Materiais Empregados na Indústria Aeronáutica.

� Definições e Propriedades Mecânicas.

Aula 32 Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

Principais Materiais Utilizados na Indústria Aeronáutica� Alumínio.

� Titânio.

� Madeira.

� Fibra de Vidro.

� Fibra de Carbono.

� Aço.

� Ligas Metálicas em Geral.

� Materiais Compostos.


Alumínio

� O alumínio possui uma combinação única de propriedades que o tornam um material de construção versátil, altamente utilizável e atrativo.

� Propriedades do Alumínio:

� Leve e com baixa densidade

� Resistência

� Elasticidade

� Plasticidade

� Fácil de trabalhar

� Fácil de soldar

� Fácil de montar

� Resistente à corrosão

� Bom condutor


Propriedades Mecânicas do Alumínio


958255–290T6Al Mg Si1,06351

9010240–260T6–6262

9010225–265T6–6261

788172–200T6E-Al Mg Si0,56101

608105–145T5Al Mg Si0,56063

65 95

16 8

110 240

––

180 260

T4 T6

Al Mg Si Cu6061

608105–145T5Al Mg Si0,56060

47 68

17 4

65 180

215 285

170 235

O H34

Al Mg2,55052

28 41 –

19 2 –

35 115 137

145 185 –

105 145 157

O H14 H19

Al Mg1,05005

28 40

19 2

35 125

145 200

95 150

O H14

Al Mn0,5 Mg0,53105

28 40

22 3

35 115

130 180

95 140

O H14

Al Mn Cu3003

–100

16 10

125 275

––

275 370

T4 T8

Al Cu Pb Bi2011

2030

223

--

95130

55 95

OH14

E-Al1350

23 32

22 3

25 95

105 145

75 110

O H14

Al 99,01200

23 32

22 3

25 95

105 145

75 110

O H14

–1100

2026

22 3

15 70

95 130

5595

OH14

Al 99,51050

DurezaBrinell(HB)

AlongamentoMínimo

"50mm"(%)

Limite deEscoamento

Mpa (N/mm²)Mín.

Limite deResistênciaà Tração

Mpa (N/mm²)Máx.

Limite deResistênciaà Tração

Mpa (N/mm²)Mín.

TêmperaDINLigaABNTASTM

Nomenclatura da Tabela


1) Os valores indicados não implicam garantia formal.

2) Os dados de tensão são expressos na unidade megapascal (Mpa), equivalente a 1N/mm2.

3) Classificação das Têmperas:

O - Recozido: Aplica-se a produtos acabados, no estado em que apresentam o menor valor de resistência mecânica.

H - Encruada: Aplica-se a produtos de ligas não tratáveis termicamente, ou seja, ligas onde o aumento da resistência mecânica se consegue apenas por deformação plástica a frio (encruamento).

F - Como Fabricada: Aplica-se aos produtos obtidos através de processos de conformação em que não se emprega qualquer controle especial sobre as condições térmicas ou de encruamento. Não se especificam limites para as propriedades mecânicas.T - Tratada Termicamente: Aplica-se aos produtos que sofrem tratamento térmico com ou sem deformação plástica complementar, que produz propriedades físicas estáveis e diferentes das obtidas com "F", "O" e "H".

4) Para as ligas com têmpera H114, utilizar os limites especificados na têmpera "O".5) Para as ligas com têmpera H154, utilizar os limites especificados na têmpera "H14".6) Para maetriais laminados, os valores de alongamento correspondem às espessuras de 0,63 a 1,20mm.

Propriedades do Alumínio Comparadas a Outros Materiais


SimSimSimSimSoldável

SimNãoSimSimNão-magnético

60-100121724Coeficiente de expansão linear x10-6

/ oC

0,1576400200Conductividade térmica W/m oC

-75529Conductividade eléctrica m/Ohm-mm2

-50-80-50-500-200-300-250–150Amplitude da temperatura de trabalho oC

8015001080660Ponto de fusão oC

1.4007.8008.9002.700Densidade kg/m3

3.000210.000125.00070.000Elasticidade/Módulo de Young MPa

25202515Ductibilidade/Alongamento %

50400250250Resistência/Tensão de ruptura N/mm2

PlásticoAço371

CobreAlumínio

Ligas de Alumínio


Ligas de alumínio-lítio8XXX

Ligas de alumínio-zinco-magnésio7XXX

Ligas de alumínio-magnésio-sílica6XXX

Ligas de alumínio-magnésio5XXX

Ligas de alumínio-sílica4XXX

Ligas de alumínio-manganês3XXX

Ligas de alumínio-cobre2XXX

Alumínio com no mínimo 99% de pureza1XXX

ComposiçãoClassificação

Alumínio Aeronáutico

� As ligas de alumínio das séries aeronáuticas

(2XXX e 7XXX) possuem como características

principais os elevados níveis de resistência

mecânica que, aliadas a baixa densidade do

metal e a facilidade de conformação e usinagem,

transformam o alumínio em uma das melhores

opções para a fabricação de dispositivos e

estruturas aeronáuticas.


Alumínio Aeronáutico Série 2XXX

� As ligas de alumínio da série 2XXX são ligas com cobre 1,9-6,8% e muitas vezes contêm adições de manganês, magnésio e zinco.

� Seu endurecimento por precipitação tem sido amplamente estudado.� Elas são usadas para aplicações tais como, forjamento, extrusão e

tanques de armazenamento de gás liquefeito de transporte civil e aeronaves supersônicas.

� Essas ligas têm menores taxas de crescimento de trinca e, portanto, têm melhor desempenho em fadiga do que as ligas da série 7XXX.

� Portanto, estas são utilizadas nas asas e na parte inferior da fuselagem.

� As ligas utilizadas são 2224, 2324 e 2524 (ambas as versões modificadas de 2224). Estas ligas são geralmente compostas por 99,34% de alumínio puro para maior resistência à corrosão.


Alumínio Aeronáutico Série 7XXX

� O sistema Al-Zn-Mg oferece o maior potencial de endurecimento por precipitação (de ligas de alumínio).

� O cobre muitas vezes é adicionado para melhorar a resistência à corrosão sob tensão (com o inconveniente de reduzir a soldabilidade).

� Fissuração por corrosão diminui a resistência com o aumento da relação Zn:Mg.

� A fissuração por corrosão têm sido a maior restrição sobre o uso dessas ligas, mas eles ainda têm sido usados em, vagões, aeronaves militares e civis.


Aplicações de Alumínio em Aeronaves


Características do Titânio

� Por ser um metal leve, é usado em ligas para aplicação na indústria aeronáutica e aeroespacial.

� Foi escolhido para essa função por suportar altas temperaturas, característica indispensável em mísseis e naves espaciais.


Propriedades do Titânio

� Algumas importantes propriedades físicas do titânio comercialmente puro (sem elementos de liga) estão relacionadas na tabela a seguir.

� Note que a densidade deste metal é de aproximadamente 56% da maioria dos aços liga, e que seu módulo de elasticidade da aproximadamente 50%.

� A expansão térmica é também de aproximadamente 50% em relação ao aço inoxidável e um pouco menor do que a do aço carbono.

� A condutividade térmica é aproximadamente a mesma do aço inox.


Propriedades Físicas do Titânio

� Propriedades físicas do titânio sem elementos de liga� Densidade: 0,163 lbs/in³ (4,51 g/cm3)� Fusão: 3000 – 3100°F 164°C à 170°C� Temperatura de transição Beta: 1675°F +_ 25°F 898°C à 926°C� Estrutura molecular à temperatura ambiente: HCP� Estrutura molecular acima da temperatura Beta: BCC� Módulo de elasticidade ( tensão ): E = 14,9 x 10 6 PSI� Módulo de elasticidade (compressão): E = 13,0 x 14,0 x 10 6 PSI� Módulo de elasticidade (torção): G = 6,5 x 10 6 PSI� Razão de Poisson: 0,34� Dureza: BHN 190 (~= 192 Vickers)


Aplicação de Titânio no Trem de Pouso do Boeing 787


Madeira Aeronáutica - Freijó

� Aplicações em hélices e estruturas aeronáuticas, tanto de aeronaves experimentais (substituindo a sitka e o "spruce" comum nos EUA) como reposição de componentes de aeronaves antigas. Seu uso aeronáutico é homologado pelo CPT. Algumas aeronaves tradicionais brasileiras como o paulistinha têm largo emprego de freijó em sua estrutura.


Propriedades Mecânicas - Freijó� Físicas� Densidade de massa (ρ):

aparente verde: 920 kg/m³

aparente a 15% de umidade: 590 kg/m³

básica: 480 kg/m³

� Mecânicas� Flexão� Resistência - FM:

Madeira verde: 79,9 MPaMadeira seca (15% de umidade): 93,7 MPa

� Módulo de Ruptura:

� verde: 65,0 MPa

� seca: 95,2 MPa� Módulo de elasticidade:

verde: 8.500 MPa

seca: 11.101 MPa

� Limite de proporcionalidade:

� verde: 34,4 MPa� Compressão� Resistência – Fc0:

Madeira verde: 36,6 MPa

Madeira seca (15% de umidade): 27,9 MPa

� Módulo de elasticidade: � verde: 14.631 MPa


Aplicações de Madeira na Construção de Aeronaves


Materiais Compósitos

� Fibra de vidro: é o material compósito produzido basicamente a partir da aglomeração de finíssimos filamentos flexíveis de vidro com resina poliéster (ou outro tipo de resina) e posterior aplicação de uma substância catalisadora de polimerização. o material resultante égeralmente altamente resistente, possui excelentes propriedades mecânicas e baixa densidade.

� Permite a produção de peças com grande variedade de formatos e tamanhos, tais como placas para montagem de circuitos eletrônicos, cascos e hélices de barcos, fuselagens de aviões, peças para inúmeros fins industriais em inúmeros ramos de atividade, carroçarias de automóveis, e em milhares de outras aplicações.


Materiais Compósitos

� Fibra de carbono: as fibras carbônicas ou fibras de carbono são matérias-primas que provém da pirólise de materiais carbonáceos que produzem filamentos de alta resistência mecânica usados para os mais diversos fins, entre estes motores de foguetes (naves espaciais).

� Estes materiais compósitos, também designados por Materiais plásticos reforçados por fibra de carbono ("CFRP - Carbon Fiber Reinforced Plastic)" estão neste momento a assistir a uma demanda e um desenvolvimento extremamente elevados por parte da indústria aeronáutica, na fabricação de peças das asas.


Propriedades da Fibra de Carbono


Aplicações de Materiais Compósitos em Aeronaves


Materiais Compósitos no EMB-314


Aplicação dos Materiais Compósitos na Estrutura do Boeing 757-200


Aplicação dos Materiais Compósitos na Estrutura do EMB-170


Materiais Aplicados na Construção do F-14


Principais Materiais Utilizados no Aeromodelismo� Isopor

� Alumínio.

� Madeira Balsa.

� Compensado Aeronáutico.

� Películas de Entelagem.

� Colas.


Aplicação dos Materiais Mais Comuns Utilizados na Estrutura de um Aeromodelo


Entelagem – Película Termo-Ativa

Asa – Balsa e Compensado

Aeronáutico

Fuselagem – Balsa e

Compensado

Aeronáutico

Trem de Pouso – Alumínio

Estrutura de um Aeromodelo - Peças


Estrutura de um Aeromodelo - Colas


Estrutura de um Aeromodelo - Madeira


Estrutura de um Aeromodelo - Revestimento


Principais Materiais Utilizados no AeroDesign� Alumínio.

� Madeira Balsa.

� Compensado Aeronáutico.

� Fibra de Carbono.

� Ligas Metálicas em Geral.

� Materiais Compostos.

� Colas.


Aplicação dos Materiais Mais Comuns Utilizados na Estrutura de um AeroDesign














Tema da Próxima Aula

� Cálculo Estrutural das Asas.

� Cálculo Estrutural da Empenagem.


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