Selecao de Materiais

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Capitulo introdução da disciplina de Seleção de Materiais

Text of Selecao de Materiais

Seleo de Materiais

Seleo de MateriaisEngenharia Mecnica IPRJ / UERJ

Captulo IMateriais, processos e escolha2Eng.Mec. IPRJ / UERJCaptulo I: Materiais, processos e escolhaOs materiais tm que suportar cargas, isolar ou conduzir calor e eletricidade, aceitar ou rejeitar fluxo magntico, transmitir ou refletir luz, sobreviver em ambientes muitas vezes hostis, e fazer tudo isso sem prejudicar o ambiente e sem custar muito.Para fazer algo com um material, necessrio escolher tambm escolher um processo. No apenas um processo qualquer aquele que for escolhido tem de ser compatvel com o material que se deseja utilizar. A escala de evoluo dos materiais no linear, quase todos os materiais que usamos hoje foram desenvolvidos nos ltimos cem anos h, pelo menos, mais de 160.000 tipos de materiais disponveis para o engenheiro nos dias atuais.Problema: Seleo tima do materialDesempenho, economia, eficincia e o imperativo ambiental explorao imaginativa das propriedades oferecidas pelos materiais (projeto inovador). 3Eng. Mec. IPRJ / UERJCaptulo I: Materiais, processos e escolhaHoje em dia temos o armazenamento e a manipulao digital de informaes. O projeto auxiliado por computador uma parte padro do treinamento de um engenheiro, e apoiado por pacotes amplamente disponveis para modelagem de slidos, anlise de elementos finitos, otimizao e seleo de materiais e processos. Os softwares disponveis para a seleo de materiais e processos recorrem a bancos de dados de atributos de materiais e processos, que documentam sua compatibilidade mtua e permitem que sejam pesquisados e apresentados de modo a habilitar selees que melhor cumpram os requisitos de um projeto. 4Eng. Mec. IPRJ / UERJCaptulo I: Materiais, processos e escolha5Eng. Mec. IPRJ / UERJ

Desenvolvimento dos materiais ao longo do tempoMetaisPolmerosCermicas e vidrosHbridosCaptulo I: Materiais, processos e escolhaPropriedades dos materiaisAlgumas, como a densidade (massa por unidade de volume) e o preo (custo por unidade de volume ou massa) so bastante conhecidas, mas outras no, e o essencial que sejam definidas corretamente.Propriedades mecnicasExemplo rgua de ao fcil deformar elasticamente elstica significa que, quando liberada, ela volta, como uma mola, sua posio original. A rigidez elstica da rgua (resistncia flexo) determinada em parte por sua forma ( fcil flexionar tiras finas) e em parte por uma propriedade do prprio ao (mdulo de elasticidade, E). Materiais que tm alto E, como o ao, so intrinsecamente rgidos; o que tm baixo E, como o polietileno, no so. A rgua de ao se curva elasticamente, mas se for boa, difcil lhe dar uma curvatura permanente. Deformao permanente tem a ver com resistncia, e no com rigidez. A facilidade com que uma rgua pode ser permanentemente curvada depende, novamente, de sua forma e de outra propriedade do ao sua tenso de escoamento - y. 6Eng. Mec. IPRJ / UERJCaptulo I: Materiais, processos e escolhaMateriais que tm grande y, como as ligas de titnio, so difceis de deformar permanentemente, ainda que sua rigidez, dada por E, possa no ser alta; os que tm baixa y, como o chumbo, podem ser deformados com facilidade.Quando os metais se deformam, em geral ficam mais resistentes (isso denominado encruamento), mas h um limite definitivo, denominado resistncia trao, ts, alm do qual o material falha (o quanto ele pode ser tracionado antes de se romper denominado ductilidade).

7Eng. Mec. IPRJ / UERJCaptulo I: Materiais, processos e escolhaSe a rgua no fosse feita de ao, mas de vidro ou de PMMA (Plexiglas, Perspex), como so feitas as rguas transparentes, no haveria absolutamente nenhuma possibilidade de curv-la permanentemente. A rgua sofreria uma ruptura sbita, sem aviso, antes de adquirir uma curvatura permanente. Damos o nome de frgeis aos materiais que sofrem ruptura desse tipo, e de rgidos, a materiais que no sofrem tal ruptura. Nesse caso, no h nenhuma deformao permanente, portanto y no a propriedade correta. A resistncia dos materiais a trincas e fraturas medida, por sua vez, pela tenacidade fratura, Klc. Aos, em sua maioria, so rgidos - embora seja possvel transform-los em frgeis tm alta K1c. O vidro o exemplo da fragilidade, tem K1c muito baixa. 8Eng. Mec. IPRJ / UERJCaptulo I: Materiais, processos e escolhaA densidade, em uma rgua, irrelevante. Porm, para quase qualquer coisa que se mova, a multa paga por peso o combustvel, modesta para automveis, maior para caminhes e trens, maior ainda para aeronaves e enorme para veculos espaciais. Minimizar o peso tem muito a ver com projeto inteligente, porm igualmente com a escolha do material. O alumnio tem baixa densidade (2697 kg/m3), por outro lado a densidade do chumbo elevada (11340 kg/m3).9Eng. Mec. IPRJ / UERJCaptulo I: Materiais, processos e escolha10Eng. Mec. IPRJ / UERJ

Anlise das propriedades mecnicas Projeto: Asa de um avioCaptulo I: Materiais, processos e escolhaPropriedades trmicasAs propriedades de um material mudam com a temperatura, em geral para pior. Sua resistncia cai, e ele comea a fluir (ceder ou escorregar vagarosamente com o tempo), pode se oxidar, degradar ou decompor. Isso significa que h uma temperatura-limite denominada temperatura de servio mxima, Tmx, acima da qual sua utilizao impraticvel.O ao inoxidvel tem alta Tmx pode ser usado at 800C; a maioria dos polmeros tem baixa Tmx e raramente so usados acima de 150C.A maioria dos materiais se expande quando aquecida, porm as quantidades so diferentes, dependendo de seu coeficiente de expanso trmica, . A expanso pequena, mas suas consequncias podem ser grandes. Se, por exemplo, uma haste estiver restringida e for aquecida, as foras de expanso da haste contra o que a restringe a fazem encurvar. Alguns materiais metais, por exemplo so frios ao toque; outros como as madeiras so mornos ao toque. Essa percepo tem a ver com duas propriedades trmicas do material: condutividade trmica e capacidade trmica.

11Eng. Mec. IPRJ / UERJCaptulo I: Materiais, processos e escolhaA primeira, condutividade trmica, , mede a taxa de propagao do calor pelo material quando um lado est quente e outro frio. Materiais que tm alta so os que queremos quando desejamos conduzir calor de um lugar a outro, como em panelas, radiadores e trocadores de calor. Porm, baixa tambm til materiais que tm baixa isolam residncias, reduzem o consumo de energia de refrigeradores e freezers, e permitem a reentrada de veculos espaciais na atmosfera terrestre.Essas aplicaes tm a ver com fluxo de calor constante, de longo prazo. Quando o tempo limitado, a capacidade trmica (capacidade calorfica), Cp, tem importncia. Ela mede a quantidade de calor necessria para provocar uma determinada quantidade de elevao da temperatura do material.A capacidade trmica caracteriza o corpo, e no a susbtncia que o constitui. A capacidade trmica uma propriedade extensiva, ou seja, proporcional quantidade de material presente no corpo. Com isso, dois corpos compostos pela mesma substncia porm com massas diferentes possuem diferentes capacidades calorficas.Grandezas derivadas que especificam a capacidade trmica como uma propriedade intensiva existem, sendo ento uma caracterstica da substncia. Essas so: o calor especfico, que a capacidade trmica por unidade de massa da substncia, e o calor especfico molar, resultante da relao entre a capacidade trmica e o nmero de mols presentes. Ocasionalmente, pode ser usado o calor especfico volumtrico (por unidade de volume).12Eng. Mec. IPRJ / UERJCaptulo I: Materiais, processos e escolhaExemplo: Qual a quantidade de calor necessria para elevar em 1C uma quantidade de 1 g de zinco? Calcule o mesmo valor para o caso do material ser madeira. QZn = 1 g x 0,093 cal/g.C x 1C = 0,093 calQm = 1 g x 0,42 cal/g.C x 1C = 0,42 cal 13Eng. Mec. IPRJ / UERJQm = 4,5 x QZn Materiais metlicos necessitam receber pouca quantidade de calor para elevarem sua temperatura. Por outro lado, materiais como a madeira necessitam de uma quantidade bem maior. A difusividade trmica indica como o calor se difunde atravs de um material. Isto depende, por um lado, da condutividade () ou da velocidade de conduo da energia trmica no interior do material e, por outro lado, do calor especfico volumtrico ou da quantidade de energia trmica necessria para aumentar a temperatura de determinado volume do material.Considerando-se a mesma rea e a mesma espessura, uma parede de cobre aquecida em uma das faces se aquecer mais rapidamente na outra face do que uma parede de concreto celular, pois a difusividade do Cu maior.

Captulo I: Materiais, processos e escolha14Eng. Mec. IPRJ / UERJ

Propriedades trmicasCaptulo I: Materiais, processos e escolhaPropriedades eltricas, magnticas e ticasSem a conduo eltrica no teramos fcil acesso luz, ao calor, energia, ao controle e comunicao que hoje damos como certos. Metais conduzem bem cobre e a alumnio so os melhores. No entanto, nem sempre a conduo algo bom. Caixas de fusveis, miolos e carcaas de interruptores, torres de suporte de linhas de transmisso de energia eltrica exigem isoladores e, alm dos que podem transportar alguma carga, toleram algum calor e sobrevivem a um raio ou fasca eltrica, caso algum ocorra. A propriedade de interesse a resistividade eltrica, e, o inversos da condutividade eltrica, e. A maioria dos plsticos e dos vidros tem alta resistividade; eles so usados como isoladores. 15Eng. Mec. IPRJ / UERJCaptulo I: Materiais, processos e escolhaUm material isolante uma substncia em que os eltrons e ons no podem se mover em distncias macroscpicas, como nos condutores. Nenhum material um isolante perfeito. No entanto, muitos materiais apresentam um deslocamento de eltrons desprezvel. Um material isolante, quando submetido a um campo eltrico, tem seus eltrons deslocados de distncias microscpicas (moleculares) polarizao.Quando nos referimos aos fenmenos relacionados polarizao dos materiais isolantes, os chamamos de materiais diel