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PMT 2501 – Seleção de Materiais e Análise de Falhas - 2011PMT 2501 – Seleção de Materiais e Análise de Falhas - 20111
Seleção de materiaisaulas 1 a 3
Cronograma
Temas de trabalhos
Divisão das aulas:
expositiva e prática
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Seleção de materiais
Bibliografia de seleção de materiais:
1. Ashby, M.F. Materials Selection in Mechanical Design. 3rd
Edition. U.K. Elsevier,2005. 2. Ashby, M.F. & Jones, R.H. Engineering Materials 2: An Introduction to Microstructures, Processing and Design. U.K. Perghamon,1994.3. Ferrante, M. Seleção de Materiais. Segunda edição. EdUFSCar, 2002.4. ASM Handbook V. 20 - Materials Selection and Design. 10th Ed. ASM Handbook, 1997.
Michael Ashby
Royal Society Research Professor at
Cambridge University (MecEng) and
Visiting Professor of Design at the Royal
College of Art, London, UK
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1- Seleção de materiais: introdução
O que é seleção de materiais?
Seleção de materiais ou de propriedades?
O que é mais comum na engenharia: seleção de materiais ou substituição?
Seleção de materiais versus seleção de processo: quem vem
primeiro? estão relacionados?
Quais são as suas expectativas de aplicar conceitos de seleção
de materiais: profissional e cotidiano?
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Número de materiais de engenharia e dos processos de
fabricação tem crescido de modo muito intenso ao longo
do século XX. Os desafios e oportunidades para a seleção
de materiais e processos são maiores do que nunca....
Durante a revolução industrial existiam aproximadamente uma centena de materiais. Sem polímeros, ligas leves e
materiais compósitos
E hj em dia? Mais do que 160.000 materiais
Como selecionar materiais e projetos tendo em vista objetivos e condições de contorno do projeto do
componente?
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Seleção de materiais: desafios atuais
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Seleção de materiais: evolução e opções
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Seleção de materiais: 100 anos de
aspiradores de pó
Por que evolui?
Quem comanda evolução/ inovação?
Eficiência, custo, design?
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Seleção de materiais em “engenharia”
� “Engenheiros” fazem produtos a partir de materiais e usando
processo de fabricação.
� O que os “engenheiros” precisam saber para executar o
produto com sucesso?
� Adquirir uma perspectiva do mundo dos materiais e processos;
� Entender as propriedades dos materiais e suas origens;
� Habilidade de selecionar os melhores materiais e processos de
acordo com os requerimentos do projeto;
� Acessar informações e ferramentas para comparação e seleção;
� Usaremos no curso o software CES EduPack – Cambridge Engineering Selector by GRANTA DESIGN.
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Granta – usuários da indústria
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Aerospace & defenseAermacchi, Airbus, ASCO Industries ,
Aubert & Duval , BAe Systems , Bennett Optical Research Inc Boeing IDS , Concurrent Technologies Corporation
DSTL, EADS Astrium Satellite , GE - Aviation Goodrich Controls , Honeywell Aerospace (Engines & Systems)
Ishikawajima-Harima Heavy Industries Lockheed Martin , MBDA UK LtdNASA Glenn Research Center
NASA Marshall Space Flight Center Northrop Grumman
Parker Aerospace, Pratt & Whitney Rocketdyne , Raytheon Rolls-Royce
US Army Research Laboratory, US Naval Surface Warfare CenterWilliams International
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Granta – usuários da indústria
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GRANTA MI was chosen as the best material data
management system to serve the design, construction, and
maintenance of the US naval fleet.
"The software system GRANTA MI was determined to be
the most appropriate given factors such as functionality, cost, and release timeline.“
Matthew Hayden, US Naval Surface Warfare Center
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Estrutura do CES-Edu Pack
The
database
Links
Links
Suppliersdata-table
Referencesdata-table
Materialsdata-table
Ceramics & glasses
Metals & alloys
Polymers
Hybrids
Processesdata-table
Joining
Shaping
Surfacing
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Organização de informações dos materiais
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Kingdom
Materialsdata-table
Family
• Ceramics
& glasses
• Metals
& alloys
• Polymers
& elastomers
• Hybrids
Structured
information
Unstructured
information
Class
Steels
Cu-alloys
Al-alloys
Ti-alloys
Ni-alloys
Zn-alloys
Member
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Material records
Attributes
Al 6463
Density
Mechanical props.
Thermal props.
Electrical props.
Optical props.
Corrosion props.
Documentation
-- specific
-- general
Al 6060
Density
Mechanical props.
Thermal props.
Electrical props.
Optical props.
Corrosion props.
Documentation
-- specific
-- general
Al 6061
Density
Mechanical props.
Thermal props.
Electrical props.
Optical props.
Corrosion props.
Documentation
-- specific
-- general
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Informações sobre os ensaios e propriedades
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Age hardening ALUMINUM ALLOYS The material The high-strength aluminum alloys rely
on age-hardening: a sequence of heat treatment steps that causes the precipitation
of a nano-scale dispersion of intermetallics that impede dislocation motion and impart strength.
General properties Density 2500 - 2900 kg/m^3 Price 1.423 - 2.305 USD/kg
Mechanical properties Young's modulus 68 - 80 GPa Elastic limit 95 - 610 MPa Tensile strength 180 - 620 MPa Elongation 1 - 20 % Hardness - Vickers 60 - 160 HV Fatigue strength at 10
7 cycles 57 - 210 MPa
Fracture toughness 21 - 35 MPa.m^1/2
Thermal properties Thermal conductor or insulator? Good conductor Thermal conductivity 118 - 174 W/m.K Thermal expansion 22 - 24 µstrain/°C Specific heat 890 - 1020 J/kg.K Melting point 495 - 640 °C Maximum service temperature 120 - 170 °C
Electrical properties Electrical conductor or insulator? Good conductor
Young’s modulus
Definition…….
…………………
………………….
………………….
Measurement
…………………………………….
………………….
Origins
…………………
………………….
………………….
Measurement of Young’s modulus
Origins of the modulus
Fatigue strength at 107 cycles
Definition……
…………………
………………….
………………….
Measurement
…………………………………….
………………….
Origins
…………………
………………….
………………….
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Processos de manufatura
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Joining
Welding
Primary
shaping Heater Screw
Granular PolymerMould
Nozzle
Cylinder
N o.8-C MYK -5 /01
Injection moulding
Secondary
shaping
Machining
Surface
treating
Painting
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Estrutura de organização dos processos
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Kingdom
Processesdata-table
Family
Joining
Shaping
Surfacing
Class
Casting
Deformation
Moulding
Composite
Powder
Rapid prototyping
Member
Compression
Rotation
Injection
RTM
Blow
Attributes
Process records
RTM
Material
Shape
Size Range
Min. section
Tolerance
Roughness
Economic batch
Documentation
-- specific
-- general
Blow molding
Material
Shape
Size Range
Min. section
Tolerance
Roughness
Economic batch
Documentation
-- specific
-- general
Injection Injection molding
Material
Shape
Size Range
Min. section
Tolerance
Roughness
Economic batch
Documentation
-- specific
-- general
Structured
information
Unstructured
information
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2- Seleção de materiais: o projetoProjeto: processo de traduzir uma idéia nova ou
necessidade de mercado em informaçõesdetalhadas de manufatura de um produto.
Cada etapa envolve decisões sobre materiais e
processo de fabricação.
Processo baseia-se na relação existente entre as
condições de uso do componente e aspropriedades desejadas para o material.
Projeto � Material (quem define o que?)
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Etapas do projeto
Figura 1: Fluxograma mostrando etapas da execução de um projeto. Informações a respeito dos materiais e
dos processos de fabricação são necessárias em cada etapa, sendo que de cima para baixo há um aumento
no número de detalhamento das propriedades do material
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Problemas de projeto não possuem uma única
solução, embora algumas soluções possam parecer claramente melhores do que outras ... Em função das
condições de contorno de uma determinada época ou ciclo industrial...
Primeira ferramenta que um projetista precisa é cabeça aberta: desejo em considerar todas as
possibilidades e criar uma peneira de restrições para selecionar as soluções excelentes.
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Seleção de materiais: existe solução única?
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Etapas do projeto
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Seleção de materiais: processo sistemáticoComo proceder a escolha?
• Experiência anterior.• Procedimento sistemático.
Redução no n° de materiais possíveis é proporcional ao aumento nas informações e detalhamento.
Figura 2: Estratégia de seleção agindo como funções de transferência, convertendo requisitos do projeto em
lista de materiais e processo escolhidos.
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Seleção de materiais: processo sistemático
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ProjetoAs condições de contorno do projeto são obtidas através da elaboração
da “tradução dos requisitos de projeto” (translation of design
requirements).
A elaboração desta tradução deve ser feita através das respostas:
• Qual a função do componente? (suportar momento fletor, conter uma pressão externa, transmitir calor, etc.);
•Quais condições essenciais devem ser atendidas? (o componente deve suportar as tensões sem falhar, possuir controle dimensional adequado, suportar faixas de temperaturas e diferentes ambientes);
•Quais os objetivos do projeto? (fazer produto o mais barato possível, ou mais leve, ou seguro talvez);
• Quais parâmetros que o projetista tem liberdade de alterar? (geometria, condições de uso).
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ProjetoAs respostas definem respectivamente:
função, restrições, objetivos e variáveis livres do projeto
• São a base para a quantificação índice de performance (desempenho) dos materiais.
• As restrições são divididas em geométricas e funcionais, estas últimas contêm os limites e valores desejáveis das propriedades dos materiais.
• A partir da definição das propriedades restritivas (quantitativas) do projeto (por exemplo: limite de escoamento, tenacidade à fratura, condutividade térmica, temperatura máxima de uso) e dos objetivos do projeto (eficiência, custo, meio-ambiente), criam-se condições para a seleção de materiais.
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Escolha dos materiais: objetivos do projeto
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Figura 9: Curvas de funções penalidades dentro de um mapa que minimiza a massa e o
custo no projeto de uma bicicleta, para diferentes valores de taxa de troca, mostrando a
tangência com a superficie trade-off.[7].
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Problema central da seleção de materiais
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A escolha do material não é feita de modo independente da escolha
do processo de produção, sendo baseada em eficiência e objetivos.
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Concepção do produto
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Figura 28 – Bicicleta com quadro de bambu comercializada por Calfee Design [23]
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Exemplo: abridor de garrafas de vinho
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Exemplo: abridor de garrafas de vinho“Uncork the amphora” Horacius 27BC
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Exemplo: abridor de garrafas de vinho
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Exemplo: abridor de garrafas de vinho
sistema articulado
eixoalavanca
alavanca
engrenagem
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3- Materiais de engenharia e suas propriedades
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Design por elasticidade ou rigidez
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E: módulo de Young – tração ou
compressão simples
G: módulo de cisalhamento
υ: coef. Poisson : deformação
lateral/ deformação tração
limite de escoamento
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Design por elasticidade
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Exemplo: Suporte do Espelho do
Telescópio
Custo (d = 5m) = US$ 200 milhões
Custo do espelho: 5% do total (~ peso2)
Vidro é usado por suas propriedades
mecânicas e não ópticas e serve de
suporte para uma camada de 100 nm
de prata.Objetivos primários do design:
• Minimizar distorção do material
suporte com seu próprio peso;
• Reduzir seu peso;
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Design por elasticidade
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• Minimizar distorção do material suporte com seu próprio peso (altera
distância focal e introduz aberrações) e minimizar massa;
• Manter espessura
• δ < 10 um (flecha por flexão)
Exemplo: Suporte do
Espelho do Telescópio
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Design por elasticidade
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δ < 3Mga2 / (4πEt3).......................eq. 1
M= π∗a2*t*ρ .................................eq. 2
δ= 10 um; 2a= 5 m; isolando t (espessura, variável livre) e substituindo, obtem-se:
massa = f(geometria)*f(carregamento).*f (material)
Onde, f(material) é dado pelo valor de
ρ/(E1/3). Para minimizar a massa,
maximizamos M1 = (E1/3)/ρ
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Exemplo: Suporte do
Espelho do Telescópio
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Design por elasticidade
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calcular massa ~ ρ/(E1/3)
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Exemplo: Suporte do
Espelho do Telescópio
Alguns materiais candidatos
CFRP: Carbon-fiber-reinforced polymer
GFRP: Glass-fiber-reinforced polymer
espessura
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Design por elasticidade
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M (indice de performace) = 1/ M1 = (E1/3)/ρ
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Exemplo: Suporte do
Espelho do Telescópio
Alguns materiais candidatos
CFRP: Carbon-fiber-reinforced polymer
GFRP: Glass-fiber-reinforced polymer
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Design por elasticidade
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M = (E1/3)/ρlog M = 1/3 logE –logρlogE = 3log M + 3logρ (slope 3)
Minimisar massa:Minimizar M1Maximizar MMaximisar EMinimisar densidade
Gráfico em log!
Linhas de iso-performance
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Exemplo: Suporte do
Espelho do Telescópio
Linhas de
iso-performance
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Design por elasticidade
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There are other things you can do about the design of the component...
The design criterion (σ < 1 0 µm) can be partially overcome by
engineering design without reference to the material used.
The 8.2 m Japanese telescope on Mauna Kea, Hawaii and the Very Large Telescope (VLT) at Cerro Paranal Silla in Chile each have a thin
glass reflector supported by an additional mechanical system.
While stiffness at minimum weight is the design requirement (not
minimum weight), the material-selection criteria remain unchanged.
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Exemplo: Suporte do
Espelho do Telescópio
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Design por elasticidade
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Many structures require that a beam sustain a certain force F without deflecting
more than a given amount.
In addition, the beam forms part of a transport system – a plane or rocket, or a
train - or something which has to be carried or moved, then it is desirable, also,
to minimise the weight.
Exemplo: Viga Cantilever
(contrução civil)
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Índicesalta rigidez e baixo peso
viga
eixo
cabo
coluna
painel
placa
cilindro
casca esférica
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Design por plasticidade
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Exemplo: Vaso de pressão
We shall now examine material selection for a pressure vessel
able to contain a gas at pressure p, first minimising the weight,
and then the cost.
We shall seek a design that will not fail by plastic collapse (i.e.
general yield). But we must be cautious: structures
can also fail by fast fracture, by fatigue, and by corrosion
superimposed on these other modes of failure.
Here we shall assume that plastic collapse is our only problem.
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Design por plasticidade
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σ= pr/(2t) ........ eq. 1
M= 4πr2tρ .........eq. 2
Isolando e substituindo t, r é fixo
M = 2pπr3 ∗(ρ/σy)
Exemplo: Vaso de pressão
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Design por plasticidade
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Massa ~ (ρ/σy)Exemplo: Vaso de pressão
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Índicesalta resistência e baixo peso
viga
eixo
cabo
coluna
painel
placa
cilindro
casca esférica
disco
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M= 1/massa ~ (σy/ρ)
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Vaso de pressão
M1 = (σy /ρ)
Mapa deAshby
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Design por plasticidade
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Preço = p(ρ/σy)Exemplo: Vaso de pressão
Limitações do método? Como resolver?
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etapas da seleção de materiais
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