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SMM0333 - SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA PROJETO MECÂNICO
Ref.: Materials Selection for Materials Design Michael F. Ashby
Prof. Dr. José Benedito Marcomini
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2(ASM METALS HANDBOOK, VOL.20)
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4(ASM METALS HANDBOOK, VOL.20)
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METAIS CERÂMICA POLIMERO
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MAPAS DE PROPRIEDADES
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Mapas (diagramas) de Propriedades dos Materiais
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As propriedades dos materiais delimitam o desempenho do componente. Estas possuem um intervalo de valores.
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• É raro que o desempenho de um componente dependa apenas de
uma propriedade;
• Quase sempre é uma combinação (ou várias combinações) de
propriedades: ideia do mapa de propriedades para facilitar a
seleção;
• Cada material de engenharia tem uma faixa de propriedades que
pode ser colocada em gráfico;
• Esses materiais podem ser divididos em classes de acordo com
suas propriedades;
• Essas classes podem ser devidamente “envelopadas”.
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• Mais informações podem ser obtidas se as propriedades foremcolocadas em gráficos uma contra as outras
O mapa permite a inclusão de retas de velocidade de propagação do som, unindo
materiais nos quais ondas longitudinais se propagam com a mesma velocidade
Velocidade de
propagação de onda
longitudinal:
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CEDRO
CARVALHO
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Mapa de Módulo - Densidade
• Densidade depende do peso atômico (1 a 238), do tamanho e do
empacotamento;
• O Módulo depende: rigidez das ligações (covalente de 20 a 200 N/m; iônica
15- 100) e da densidade delas por unidade de volume.
r
SE
0
r0 = raio atômico
S= Const.de mola, N/m
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• Metais são densos: átomos “pesados” empacotados densamente.
• Os metais possuem alto módulo de elasticidade por que o
empacotamento compacto fornece alta densidade de ligações e as
ligações são fortes.
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Os materiais cerâmicos possuem densidade mais baixa do que os metais
porque contêm O, N ou C.
Possuem maior rigidez. O diamante possui alto módulo porque os átomos de
carbono são pequenos (dando alta densidade de ligações) e seus átomos são
unidos por “molas” muito fortes (S=200N/m).
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• Os polímeros possuem baixa densidade porque eles são basicamente feitos
de carbono e hidrogênio, em um arranjo amorfo ou cristalino de baixa
densidade;
• Os polímeros possuem ligações covalentes como as do diamante e ligações
entre cadeias fracas por pontes de hidrogênio ou Forças de Van der Waals
(S= 0,5 a 2 N/m).
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COMPÓSITOS
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MADEIRA
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Mapa de Resistência - Densidade
sf :-Met. e Pol. =resistência ao
escoamento.
-Cer. = Módulo de Ruptura,
MOR
- Elastômero = resist. ao
rasgamento
- Compósitos = resist. a
tração
- O grande espalhamento
vertical é devido aos diversos
processos de endurecimento.
- Este grande intervalo está
associado com a resistência
ao cisalhamento: trat.
Térmicos, conformação,
carregamento de polímeros,
tratamento de vidros e
cerâmicas,etc.
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Para alguns polímeros este valor é próximo, mas para a maioria dos
sólidos não:
• Ligações não localizadas não são quebradas quando a estrutura
é cisalhada;
• Existência de defeitos;
• O caso de dos elastômeros é anômalo porque o módulo não é
derivado do alongamento das ligações, mas das cadeias
moleculares.
Mapa de Módulo-Resistência
Resistência Normalizada –linhas paralelas
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Propriedades mecânicas: módulo de Elasticidade
O módulo de elasticidade é
proporcional à derivada da curva
em r=r0: quanto maior a
inclinação da curva, ligações
mais fortes, maior módulo de
elasticidade. Material a tem maior
módulo que material b!
PARA ELASTÔMEROS É MAIS COMPLEXO:
LIGAÇÃO ENTRE AS CADEIAS!!!
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10
1
10100
10
0
2
0
E
ESF
SF
f
f
rr
r
ss
Uma ligação pode ser rompida por tensão, quando atinge
aproximadamente 10% da distância entre os átomos. Então,
considerando S a rigidez (força de ligação) da ligação e r0 a distância
interatômica, a força (F) necessária para quebrar a ligação seria:
Como tensão é força sobre
área e, neste caso, a área é
proporcional à distância
interatômica...
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Mapa de Módulo-Resistência
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Mapa de Módulo Específico – Resistência Específica
Muitos projetos
requerem materiais que
possuem elevada
rigidez e resistência,
porém leve. Para tanto
utiliza-se módulo
específico (rigidez
específica) ou
resistência específica:
E/massa (kg) ou
σ/massa(kg)
-Compósitos aparecem
como um grande
atrativo.
- Cerâmicas tem
excepcional relação
rigidez específica e
resistência específica
tão boa quanto dos
metais.
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Os materiais
cerâmicos
apresentam uma
rigidez específica
excepcionalmente
alta
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Ligas metálicas
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Polímeros
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Compósitos
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Mapa da Tenacidade à Fratura – Módulo Elástico
O aumento de resistência de um material é útil
enquanto ele permanece plástico e não falha por
fratura instável.
2/1
2/1
2
2
)(
EK
K
G
EG
2/1
0
0
20
20
r
r
EK
E
2/16
2/1
0min
6
0
10320
102
mxE
mx
rK
r
IC
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EESC – USP Prof.Dr. Cassius Terra Ruchert 42
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Trinca ideal
Trinca real Polímero
Zona plástica
Metal Cerâmica
A tensão tenderia ao infinito mas é limitada pelo
limite de escoamento: existe a formação da zona
plástica, que depende do tipo de material.
Mapa da Tenacidade à Fratura – Resistência
K1
d
2r
2
f
ICy
yd
s
s
yy
KI
2rRaio e diâmetro da zona plástica
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Mapa da Tenacidade à Fratura – Resistência
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Mapa de Coeficiente de Perda – Módulo
Coeficiente de Perda: atrito interno altera as propriedades. EX:sino-vibração.
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Mapa de Condutividade Térmica – Resistividade Elétrica
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Mapa de Condutividade Térmica – Difusividade Térmica
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Mapa de Expansão Térmica – Condutividade Térmica
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Mapa de Expansão Térmica – Módulo Elástico
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Mapa de Resistência – Máxima Temperatura em Serviço
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Mapa de Coeficiente de Atrito
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Mapa de Taxa de Desgaste – Dureza
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Mapa de Módulo Elástico – Custo
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Mapa de Módulo Elástico – Custo Relativo/vol
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Mapa de Resistência – Custo Relativo/vol
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FIM
EESC – USP Prof.Dr. Cassius Terra Ruchert 62