GRA0839 - Materiais para engenharia mecânica (Apostila 4)

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16/04/2023, 22:20 Unidade 4 - Materiais para engenharia mecânica
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MATERIAIS PARAMATERIAIS PARA
ENGENHARIA MECÂNICAENGENHARIA MECÂNICA
UNIDADE 4 – METAIS NÃOUNIDADE 4 – METAIS NÃO
FERROSOS E CARACTERIZAÇÃOFERROSOS E CARACTERIZAÇÃO
DE MATERIAISDE MATERIAIS
Autor: Ronaldo Gomes de Castro MedeirosAutor: Ronaldo Gomes de Castro Medeiros
Revisor: Gustavo Tressia de AndradeRevisor: Gustavo Tressia de Andrade
INICIAR
4.1 Ligas de alumínio
Introdução
Caro(a) estudante,
As ligas não ferrosas possuem uma enorme importância para o Brasil e para o mundo. O engenheiro
mecânico deve conhecer não somente as ligas ferrosas, mas também deve ter um conhecimento das ligas
não ferrosas devido às suas diversas aplicações.
Outro fator importante que um engenheiro mecânico deve saber é escolher o tipo de material adequado
para cada aplicação. Ao longo desta unidade, estudaremos os tipos de critérios mais utilizados na seleção
de materiais.
Destaca-se como principais critérios que serão estudados: custos, fabricação, impacto ambiental, projeto,
restrições e propriedades.
Estudaremos, também, as propriedades mecânicas e tratamentos térmicos de algumas ligas não ferrosas,
e também analisaremos os principais critérios utilizados na seleção de materiais.
Bons estudos!
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As ligas de alumínio, devido às suas diversas propriedades, são consideradas ligas muito versáteis em
aplicações. As principais aplicações dessas ligas envolvem utilizações onde necessita-se de baixo peso e
boa resistência a corrosão. Porém, destaca-se que antes de começarmos a entender as ligas de alumínio,
devemos analisar em qual categoria essas ligas encontram-se classificadas.
4.1.1 Conceitos
As ligas são classificadas de acordo com o metal base ou de acordo com as características da liga. As
ligas ferrosas apresentam o ferro como principal elemento constituinte da liga. Já as ligas não ferrosas não
apresentam o ferro como elemento principal. Alguns exemplos de ligas não ferrosas são as de alumínio,
de cobre, de magnésio e de titânio. Além dessas ligas citadas, existem diversos outros tipos de ligas não
ferrosas, por exemplo, as de níquel, de estanho, de zircônio, entre outras. Nesse sentido, no Diagrama 1,
há uma apresentação com a classificação das ligas ferrosas e das ligas não ferrosas.
Diagrama 1 – Esquema de classificação para as várias ligas não ferrosas
Fonte: CALLISTER, 2016, p. 436. (Adaptado).
Assim, as ligas não ferrosas estudadas serão as de alumínio; cobre; magnésio; e titânio, cada qual com
suas principais propriedades, aplicações e tratamentos térmicos aplicados.
As ligas de alumínio se destacam por conseguirem se unir, ou seja, formar liga com praticamente todos os
tipos de elementos, podendo formar materiais com uma ampla gama de propriedades, como baixo peso,
boa resistência à corrosão, facilidade de ser reciclada e baixo custo de fabricação quando comparadas
com outras ligas não-ferrosas, como cobre e titânio, por exemplo. As ligas de cobre se destacam por sua
alta condutividade térmica e elétrica; as ligas de magnésio se destacam pela baixa relação entre seu peso
e sua resistência e, por fim, as ligas de titânio se destacam pela sua capacidade em serem utilizadas
como biomateriais, além de diversas outras aplicações.
4.1.2. Alumínio e suas ligas
O alumínio puro possui baixa resistência mecânica, fazendo com que ele possua pouca aplicabilidade.
Com isso, são realizados procedimentos para que se consiga um aumento de resistência, e com isso uma
maior variabilidade de aplicações. É comumente utilizado o trabalho a frio para aumentar a resistência
mecânica desses materiais. Além disso, são utilizados tratamentos térmicos, como por exemplo o
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envelhecimento, para aumentar a sua resistência, porém, na maioria das vezes, acabam diminuindo a
resistência à corrosão do alumínio.
A grande vantagem do alumínio é o fato dele conseguir se combinar em ligas com praticamente todos os
elementos metálicos utilizados na engenharia, fazendo com que seja possível obter uma grande gama de
propriedades mecânicas para essas ligas. Os principais elementos de liga utilizados em ligas de alumínio
são: cobre, manganês, silício, magnésio e zinco.
Elementos de liga utilizados em ligas de alumínio
» Clique nas abas para saber mais sobre o assunto
O alumínio e suas ligas têm como uma de suas principais características o baixo peso específico,
principalmente em comparação com as ligas de aço. Seu peso é, aproximadamente, 35% menor do que o
peso dos aços, e 30% menor quando comparadas com as ligas de cobre. Além disso, destaca-se que
essas ligas possuem boa resistência à corrosão, boa condutividade elétrica e térmica.
Outra propriedade que concerne a esses materiais ótimas aplicações é a sua boa ductilidade, proveniente
da sua estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC), que proporciona boa ductilidade ao alumínio
mesmo a baixas temperaturas.
No que diz respeito às suas principais desvantagens, destaca-se o fato do alumínio possuir baixo ponto de
fusão, aproximadamente 660 °C, limitando assim seu uso a altas temperaturas.
As ligas de alumínio podem ser endurecidas ou não por tratamento térmico. Com isso, também podem ser
classificadas como ligas endurecíveis e não endurecíveis por tratamento térmico.
Elementos de liga utilizados em ligas de alumínio
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Os principais tratamentos térmicos utilizados nas ligas de alumínio são:
Solubilização;
 Cobre Manganês Silício Magnésio Zinco
Ligas de alumínio endurecíveis por tratamento térmico
Ligas de alumínio não endurecíveis por tratamento térmico
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Homogeneização;
Recozimento;
Alívio de tensões;
Envelhecimento.
A homogeneização tem, como principal objetivo, aumentar a trabalhabilidade da liga de alumínio. Esse
tratamento ocorre em temperaturas de aproximadamente 500 ºC, diminuindo a presença de segregações
e aumentando propriedades como ductilidade e melhorando a trabalhabilidade da liga.
O recozimento tem, como principal objetivo, recuperar as propriedades das ligas que foram encruadas por
meio do trabalho a frio. Destaca-se que a aplicação do recozimento diminui a resistência das ligas de
alumínio, pois por meio desse tratamento térmico, a liga recupera suas propriedades iniciais e, com isso,
ocorre uma diminuição da resistência.
O alívio de tensões é realizado com objetivo de eliminar as tensões internas às ligas de alumínio. A
temperatura desse tratamento deve atingir no máximo 340 ºC, e o tempo de tratamento deve ser
determinado pela espessura da peça.
A solubilização consiste no aquecimento da liga até uma determinada temperatura em que ocorra a
dissolução dos solutos na matriz e, logo após, a liga é resfriada rapidamente, para que esses precipitados
permaneçam dissolvidos na matriz. Além disso, a solubilização é essencial para que o envelhecimento
aconteça de modo controlado. Destaca-se que quanto maior for a temperatura de solubilização e maior o
tempo que a liga permanecer nesse tratamento, maior deve ser a quantidade de grãos recristalizados e,
consequentemente, menor deve ser a resistência mecânica da liga.
O envelhecimento tem como objetivo obter precipitados que tenham como função agir como barreiras para
as discordâncias, com isso endurecendo o material.
As classificações das ligas de alumínio, de acordo com a AluminumAssociation, para os dois tipos de ligas
(ligas para fundição e trabalhadas) são especificadas por um número com quatro dígitos ( XXXX ).
O primeiro X representa o elemento de maior composição da liga, como é possível analisar de acordo com
a classificação:
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condutividade elétrica, todavia, baixa resistência mecânica. Destaca-se que a resistência
mecânica dessas ligas pode ser melhorada por meio do encruamento. As principais
li õ ã t íli d é ti d t lét i fl t t t
2XXX – LIGAS DE AL-CU
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aplicações são em utensílios domésticos, condutores elétricos, refletores, entre outros;
São tratáveis termicamente e podem, após o tratamento térmico, obter resistência
equivalente aos aços baixo carbono. Essas ligas possuem resistência à corrosão baixa
quando comparadas com as outras ligas de alumínio. As principais aplicações dessas
ligas estão ligadas à indústria aeronáutica e a componentes utilizados na suspensão de
automóveis.
3XXX – LIGAS DE AL-MN
Possuem boa ductilidade e resistência mecânica razoável. São ligas aplicadas em
fabricações de latas de alumínio. Suas principais aplicações são em produtos
estampáveis, latas de bebidas, utensílios domésticos de cozinha;
4XXX – LIGAS DE AL-SI
Possuem propriedades semelhantes as ligas 3XXX. O silício é acrescentado para
diminuir a temperatura de fusão da liga, entretanto, não provocando fragilidade
excessiva. As principais aplicações são em arames de solda;
5XXX – LIGAS DE AL-MG
Que possuem boas propriedades mecânicas, consequência da introdução de magnésio
na liga. São muito utilizadas em aplicações que exigem boa resistência mecânica, como
peças de navios e componentes de guindastes;
6XXX – LIGAS DE AL-MG-SI
Possuem seu endurecimento por precipitação e são tratáveis termicamente. Possuem
boa resistência e podem ser soldadas e, com isso, tem como principal aplicação a
fabricação de quadros de bicicletas e estruturas soldadas;
7XXX – LIGAS DE AL-ZN
São ligas tratáveis termicamente que possuem excelente resistência à tração e boa
resistência à corrosão. Possuem grande aplicação na indústria aeronáutica;
8XXX
Ligas destinadas a outros elementos químicos.
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Já o segundo X indica se houve modificações na liga original ou não, sendo que o zero representa se a
liga é original. O terceiro e quarto X diferenciam as ligas do grupo. Para os grupos 1XXX , os últimos dois
X representam a pureza da liga, por exemplo, liga 1045, sendo uma liga com 99,45% de alumínio.
Já para as ligas fundidas, para os dois últimos dígitos é acrescentado um ponto decimal. Após os quatro
dígitos, deve existir um hífen contendo uma letra ou um número contendo entre um e três dígitos, que
deve especificar o tratamento mecânico ou tratamento térmico ao qual a liga foi submetida.
A letra F representa as ligas como fabricadas. A letra O representa que a liga foi submetida ao
recozimento para eliminar o encruamento. Já a letra H representa que a liga sofreu endurecimento por
encruamento. A letra T representa que a liga sofreu tratamento térmico.
As principais ligas de alumínio para fundição são as ligas de alumínio-silício, alumínio-silício-magnésio e
alumínio-cobre.
As ligas de Al-Si para fundição possuem excelentes propriedades, como excelente fluidez em seu estado
líquido e boa resistência no que se refere à formação de trincas a quente, fazendo com que essas ligas
tenham uma vasta aplicação industrial. Além disso, destaca-se que o silício não diminui a resistência à
corrosão tão apreciada no alumínio, e aumenta a sua resistência à corrosão em ambientes com acidez
moderada.
As ligas Al-Si-Mg para fundição possuem boa resistência mecânica devido à adição de magnésio. A adição
de silício aumenta a capacidade de fundição dessa liga.
As ligas Al-Cu para fundição estão sendo substituídas pelas ligas Al-Si-Mg para fundição, devido à sua
baixa resistência à corrosão, baixa resistência mecânica e maior peso quando comparadas com as ligas
Al-Si-Mg para fundição.
Por fim, destaca-se que as ligas de alumínio possuem grande versatilidade em suas propriedades
mecânicas e aplicações. Além disso, conseguimos ver que os tratamentos térmicos nessas ligas são muito
importantes, pois por meio deles é possível conseguir ligas com propriedades desejadas.
Teste seus conhecimentos
Atividade não pontuada.
4.2 Ligas de cobre, magnésio e titânio: características mecânicas
As ligas de cobre, magnésio e titânio são exemplos de ligas não ferrosas muito utilizadas em diversos
setores industriais. Essas ligas se diferenciam de acordo com suas propriedades mecânicas, fazendo com
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que, consequentemente, essas ligas possuam diversos tipos de aplicações, tendo como principal
diferenciação as propriedades mecânicas desejadas.
As propriedades mecânicas das ligas de cobre, magnésio e titânio são de extrema importância para as
aplicações finais dessas ligas. Destaca-se que cada liga possui características e propriedades diferentes
devido às suas respectivas composições químicas.
» Ligas de cobre
O cobre foi o primeiro metal utilizado pela espécie humana, utilizado para substituir a pedra como
instrumento de trabalho. As ligas de cobre apresentam uma vasta combinação de propriedades, fazendo
com que sua utilização seja ampla e diversa, conseguindo ser aplicado em diversos setores.
A utilização do cobre pode ser em sua forma pura ou unindo-o com outros elementos metálicos, formando
as ligas de cobre. Isso depende das propriedades desejadas, consequentemente, resultando em
diferentes aplicações. Os elementos adicionados permitem a obtenção de melhorias em propriedades
mecânicas, como aumento da dureza e da resistência, mudança de cor, maior usinabilidade e até mesmo
maior resistência à corrosão. Uma das principais propriedades do cobre e suas ligas é a condutividade
elétrica. Essa propriedade pode mudar de acordo com alguns fatores, tais como: a temperatura e os
elementos de liga.
Influência temperatura e elementos de liga na condutividade das ligas de cobre
» Clique nas abas para saber mais sobre o assunto
No cobre puro, não há obstáculos/barreiras para a passagem dos elétrons, ocasionando em uma
condutividade elétrica mais alta quando comparados com ligas de cobre com impurezas. A presença de
elementos de liga na forma de impurezas diminui a condutividade elétrica do cobre. Quando se adiciona
elemento de liga, seja por solução sólida ou partículas de segunda fase, deve ocorrer alteração no arranjo
atômico, pois deve haver uma impureza substitucional ou intersticial atrapalhando a passagem de
elétrons, diminuindo a condutividade elétrica.
As ligas de cobre possuem diversas combinações, sendo as principais delas:
Ligas de cobre e zinco;
Ligas de cobre e estanho;
Ligas de cobre e alumínio;
Ligas de cobre e silício;
 Temperatura Elementos de liga
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Ligas de cobre e níquel;
Ligas de cobre e ouro.
As ligas de cobre-zinco (Cu-Zn) têm o zinco como elemento principal e pertence ao grupo dos latões. A
quantidade de zinco pode variar entre 5% e 45%. Essas ligas possuem razoável resistência à corrosão,
resistência mecânica e dureza altas quando comparadas ao cobre puro. Todavia, possuem condutividade
elétrica e térmica mais baixas quando comparadas ao cobre puro. Destaca-se que essas ligas possuemboa conformabilidade. Suas principais aplicações são na fabricação de moedas, ferragens, componentes
estampados, medalhas, tubulações e aplicações em sanitários, como por exemplo em torneiras e
conexões.
As ligas de cobre-estanho (Cu-Sn) têm o estanho como elemento principal, formando o grupo dos
bronzes. A porcentagem de estanho nessas ligas pode chegar até 20%.
O estanho nas ligas de cobre possui como efeito a diminuição do ponto de fusão. Pode aumentar,
entretanto, a resistência da liga quando comparadas ao cobre puro. Além disso, destaca-se que essas
ligas possuem melhor fluidez em moldes e resistência à corrosão bem próxima ao do cobre puro. Destaca-
se que os bronzes apresentam maior dureza e menor ductilidade quando comparados com os latões.
As principais aplicações das ligas de Cu-Sn são em engrenagens, torneiras, buchas, tubos que
necessitam de flexibilidade, entre outras aplicações.
As ligas de cobre-alumínio (Cu-Al) têm o alumínio como elemento principal, formando o grupo conhecido
popularmente como bronzes de alumínio que, entretanto, não são bronzes, já que não possuem estanho.
A porcentagem de alumínio nessas ligas é inferior a 14%. As principais aplicações das ligas Cu-Al são
soluções ácidas, embarcações, trocadores de calor etc.
As ligas de cobre-silício (Cu-Si) têm o silício como elemento principal, formando o grupo conhecido
popularmente como bronzes de silício, entretanto, não são bronzes, pois não possuem estanho. A
porcentagem de silício nessas ligas varia entre 1% e 4%. As ligas Cu-Si possuem excelentes propriedades
de corrosão, ótima resistência mecânica e elevada dureza. As principais aplicações dessas ligas são em
tubulações, parafusos, ganchos, construção naval, entre outras.
As ligas de cobre-níquel (Cu-Ni) têm o níquel como elemento principal, formando o grupo conhecido como
cuproníquel. A porcentagem de níquel nessas ligas varia entre 10% e 18%. Essas ligas costumam ser
confundidas com prata, devido à sua coloração. Suas principais aplicações são em fabricação de chaves,
componentes fotográficos, relojoaria, entre outros.
» Ligas de magnésio
As ligas de magnésio têm como principais características mecânicas sua baixa relação de resistência com
seu peso, bom módulo de elasticidade, boa resistência e baixo peso, fazendo com que essas ligas sejam
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muito aplicadas em aplicações estruturais. Além disso, destaca-se que o magnésio possui boa resistência
à temperatura, boa condutividade elétrica e usinabilidade. Um dos principais pontos negativos delas é o
baixo ponto de fusão e a baixa resistência à corrosão em ambientes marinhos.
Alguns elementos químicos são adicionados às ligas de magnésio com a finalidade de melhorar suas
propriedades mecânicas. O alumínio, por exemplo, tem como função dar fluidez à liga, além de melhorar
sua resistência à corrosão e sua resistência mecânica, o zinco melhora a ductilidade da liga e o manganês
melhora a resistência à corrosão.
As ligas de magnésio possuem, como principal aplicação, a indústria automobilística, no entanto, devido à
sua baixa resistência a corrosão, essas ligas possuem algumas restrições em seu uso, não sendo
aplicadas em ambientes em que se necessita de boa resistência à corrosão.
Ligas de titânio
As ligas de titânio, apesar de relativamente recentes, são muito utilizadas na indústria, devido às suas
diversas propriedades. Destaca-se que as ligas de titânio possuem excelente resistência, ótima relação
resistência/peso, boa resistência a altas temperaturas e boa resistência à corrosão em meios corrosivos.
Apesar disso, essas ligas têm como desvantagem o fato de possuírem um custo elevado.
VOCÊ SABIA?
Atualmente, o titânio é muito utilizado na indústria médica. Por ser biocompatível e por sua excelente
propriedade de peso/resistência, essas ligas são cada vez mais utilizadas na medicina, como por
exemplo, em próteses. Além disso, destacam-se diversas aplicações em que é necessária uma ótima
resistência à corrosão, como em materiais de estruturais navais.
O titânio puro, ou seja, sem elementos de liga, apesar de sua baixa resistência, costuma ser aplicado
onde a resistência à corrosão se faz necessária. Um dos modos de aumentar a resistência dessas ligas é
adicionando oxigênio. Entretanto, é importante destacar que os efeitos positivos que o oxigênio traz para
as ligas de titânio é perdido em temperaturas acima de 300°C. Com isso, o alumínio é o elemento mais
utilizado para trazer resistência para essas ligas.
Um dos principais pontos negativos das ligas de titânio é o fato de serem muito reativas a outros
elementos de liga quando submetidos a temperaturas elevadas. Todavia, em temperatura ambiente o
titânio possui excelentes propriedades, como foi destacado anteriormente, destacando-se a sua excelente
resistência à corrosão, sendo praticamente livre de corrosão ao ar em temperatura ambiente.
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VAMOS PRATICAR
Experimente montar uma lista com as principais propriedades de cada liga não ferrosa citada ao
longo da unidade, sendo elas:
Ligas de alumínio;
Ligas de cobre;
Ligas de magnésio;
Ligas de titânio.
Ao terminar a lista, elabore um mapa conceitual que estruture essas propriedades.
4.3 Ligas de cobre, magnésio e titânio: tratamentos térmicos
Os tratamentos térmicos são de extrema importância para as ligas de cobre, magnésio e titânio, pois por
meio deles é possível melhorar e controlar diversas propriedades mecânicas dessas ligas. Além disso,
destaca-se que a escolha ideal do tratamento térmico deve acarretar as aplicações finais das ligas, pois,
como dito, pode haver consequências nas propriedades finais desses materiais. As ligas de cobre-zinco
(Cu-Zn) têm como grupo os latões. Os tratamentos térmicos dos latões são:
Recozimento;
Têmpera;
Revenido.
O recozimento é realizado nos latões, principalmente para o alívio de tensões. Já a têmpera é realizada
em latões bifásicos após o trabalho a quente, ou em peças fundidas com o objetivo de precipitar a fase
mais resistente, ou seja, a fase beta. Porém, devido a fase beta ser pouco trabalhável a frio, por ser uma
fase muito dura, esse tipo de tratamento é pouco utilizado em latões na indústria.
Destaca-se que não se realiza a têmpera em latões monofásicos, pois, por possuírem somente uma única
fase, não deve haver precipitação de uma fase mais resistente e, com isso, não pode haver nenhum
ganho de propriedade.
Durante o revenimento ocorre a precipitação de finas partículas da fase alfa, e com o aumento do tempo e
da temperatura, cresce a precipitação de alfa, aumentando a fluidez do material.
O latão não é elegível para envelhecimento por precipitação, pois, para realizarmos o envelhecimento, é
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necessária uma solubilidade baixa entre as fases, entretanto o limite de solubilidade do Zn no Cu não cai
consideravelmente com a redução da temperatura.
Classificação ligas cobre-estanho (Cu-Sn) – Bronze
» Clique nas abas para saber mais sobre o assunto
Nas ligas cobre-alumínio (Cu-Al), a martensita referente à têmpera não é dura, ela só endurece durante o
tratamento térmico de revenimento por meio do endurecimento por precipitação. O recozimento é
realizado nessas ligas para homogeneizar a microestrutura e restaurar as propriedades do trabalho a frio.
Nas ligas de magnésio, o endurecimento é realizado por meio dos tratamentos térmicos de solubilização e
envelhecimento. Destaca-se que o tempo é um dos principais fatores, pois caso o tratamento seja muito
curto, a resistência mecânicada liga de magnésio deve permanecer baixa.
Os tratamentos térmicos nas ligas de titânio têm como objetivo reduzir as tensões causadas pelos
processos de fabricação por meio do tratamento de recozimento, além de aumentar a resistência
mecânica por meio do tratamento de solubilização e envelhecimento. Destaca-se que os tratamentos
térmicos nas ligas de titânio dependem das propriedades finais desejadas, sendo possível realizar um
tratamento para elevar a resistência mecânica, melhorar a resistência à corrosão ou, até mesmo, melhorar
a soldabilidade da liga.
Por fim, conseguimos ver que os tratamentos térmicos possuem uma grande importância nas aplicações
das ligas de cobre, magnésio e titânio, pois por meio deles as ligas possuem propriedades mecânicas
específicas e isso pode determinar suas respectivas aplicações.
4.4 Considerações gerais caracterização de materiais
A seleção de materiais é realizada levando-se em consideração diversos aspectos, como propriedades
mecânicas, elétricas, térmicas, dentre outras. Além das propriedades dos materiais são levados em
consideração a facilidade de fabricação desses materiais, custo, aplicação desejada e impacto ambiental.
Um material, para ser escolhido pela seleção de materiais, deve obedecer aos critérios citados acima ou
aos critérios exigidos pelo cliente. Destaca-se que se deve escolher o material que mais se adeque aos
critérios exigidos. Vale ressaltar que a escolha do material adequado é complexa, pois depende da
interpretação do engenheiro em escolher o material ou os materiais que mais se adequem aos critérios de
seleção exigidos.
Ligas trabalháveis Ligas para fundição
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Principais critérios de seleção de materiais
O custo de fabricação do material é, muitas vezes, o principal critério utilizado pelas empresas na seleção
dos materiais, pois, se não for viável financeiramente para as empresas, esses materiais não podem ser
fabricados. O processo de fabricação do material também é um critério a ser levado em consideração na
escolha dos materiais, pois, caso o processo de fabricação não seja viável ou possua um custo muito
elevado, fazendo com que o material tenha seu custo aumentado, esse material não pode ser escolhido.
VOCÊ SABIA?
O critério econômico é um dos principais fatores quando se deseja escolher um material, pois não basta
que o material possua todas as propriedades desejadas, baixo impacto ambiental e uma fabricação de
fácil reprodução, se esse material possuir um custo elevado para a empresa.
Economia Fabricação Impacto ambiental Propriedades
O critério ambiental, nos últimos anos, tem sido muito importante para as empresas, que consideram cada
vez mais os impactos ambientais. Empresas que não focam seus produtos em impactos ambientais
possuem uma imagem ruim no mercado e, consequentemente, têm sua arrecadação diminuída. Além
disso, destaca-se que está cada vez mais visível que a Terra é um sistema fechado e que seus recursos
são finitos, portanto, caso nada venha a ser feito, os recursos no futuro se tornarão cada vez mais
escassos. O Diagrama 2 ilustra o ciclo dos materiais.
Diagrama 2 – Representação esquemática do ciclo total dos materiais
Fonte: CALLISTER, 2016, p. 887. (Adaptado).
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Estima-se que praticamente metade da energia gerada pelas indústrias é gasta na fabricação de
materiais. Com isso, faz-se necessário repor as energias em cada estágio dos ciclos de produção dos
materiais, desde as matérias-primas até a aplicação final e a geração de resíduos.
Como dito anteriormente, na etapa de seleção dos materiais, devem ser avaliados diversos fatores,
destacando-se: o projeto de fabricação dos materiais, disponibilidade, custo e fabricação dos materiais e
as propriedades finais desejadas para cada aplicação dos materiais.
O Diagrama 3 ilustra uma visão geral sobre esses parâmetros e como cada um pode afetar os demais.
Com isso, sabe-se que o projeto pode afetar a produção dos materiais e suas propriedades.
Diagrama 3 – Esquema da relação integral entre os materiais, seu processamento e projetos de
engenharia
Fonte: SHACKELFORD, 2008, p. 466. (Adaptado).
No que se refere às propriedades dos materiais, diversos fatores devem ser considerados para se
determinar as suas propriedades finais. As propriedades são um elo entre os aspectos fundamentais da
ciência de materiais e os desafios práticos da engenharia de materiais. O Diagrama 4 destaca alguns
desses fatores.
Diagrama 4 – Esquema do papel central desempenhado pelas propriedades na seleção de
materiais
Fonte: SHACKELFORD, 2008, p. 466. (Adaptado).
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Como sabemos, ligações atômicas, estrutura cristalina, defeitos, microestrutura e macroestrutura fazem
parte da estrutura do material como um todo. Por meio da mudança dessas estruturas, o material sofrerá
consequências negativas ou positivas em suas propriedades finais.
Sendo assim, para se analisar propriedades específicas de diferentes classes de materiais da engenharia,
são muito utilizados os chamados mapas de Ashby. Esses mapas auxiliam na determinação de qual ou
quais materiais mais se adequam às propriedades exigidas, conforme o Gráfico 1, que mostra os módulos
elásticos e os dados de densidade de vários materiais para que assim seja possível realizar a melhor
escolha dentro dos critérios e parâmetros desejados para cada tipo de aplicação.
Gráfico 1 - Mapa de propriedades com visão global do desempenho relativo dos materiais
Fonte: SHACKELFORD, 2008, p. 468. (Adaptado).
O mapa de Ashby apresenta uma relação às propriedades de módulo de Young e densidade de diversos
materiais. Destaca-se que os materiais cerâmicos possuem maior densidade e maior módulo de Young.
Os compósitos de engenharia apresentam ótimo módulo de Young, porém densidade menor que os
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materiais cerâmicos. Os polímeros apresentam um módulo de Young mais baixo que dos materiais
cerâmicos e materiais compósitos de engenharia. Em relação à densidade, os polímeros possuem uma
densidade menor que dos materiais cerâmicos, porém bem próxima dos compósitos de engenharia. Os
elastômeros possuem densidade próxima à dos polímeros, porém possuem menor módulo de Young. As
madeiras possuem módulo de Young intermediário, porém possuem baixa densidade. As cortiças
possuem baixa densidade e baixo módulo de Young.
Destaca-se que em diversos projetos de engenharia são utilizados esses mapas com a finalidade de
escolher os melhores materiais para as aplicações exigidas de acordo com cada propriedade
especificada.
Resumidamente, a primeira ação a ser feita é identificar as restrições do projeto, fazendo com que um
filtro inicial seja colocado para uma primeira seleção dos materiais que mais se adequem. Em seguida, é
realizado um ranking, colocando-se os materiais em determinadas posições por meio das propriedades
exigidas. Logo após, é necessário analisar quais materiais se encaixam na seleção de fabricação, custo e
impacto ambiental do projeto e, com isso, identificar as restrições, objetivos e variáveis do projeto.
Destaca-se que em cada etapa é realizada a seleção de materiais.
Vale ressaltar que uma classe de material como os materiais compósitos pode ser utilizada em diversos
tipos de aplicações dentro de um mesmo projeto e, com isso, esses materiais necessitam de propriedades
específicas.Um exemplo em que uma mesma classe de material é utilizada de diferentes formas em uma
mesma aplicação é ilustrado na Figura 2.
Figura 2 – Esquema das aplicações estruturais de compósitos para a superfície exterior de uma aeronave boeing.
Fonte: SHACKELFORD, 2008, p. 473. (Adaptado).
Assim, na Figura 2 é possível analisar os materiais compósitos aplicados em diversas partes de um avião.
Devemos analisar em qual parte do avião o material será aplicado, pois, para cada tipo de aplicação,
serão necessárias propriedades diferentes. Sendo assim, o material utilizado no nariz do avião deverá ter
propriedades diferentes e completamente específicas se comparado aos materiais utilizados, por exemplo,
nas portas do trem de aterrissagem.
Nesse sentido, para a escolha dos materiais é importante identificar o perfil das exigências necessárias
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Síntese
Nesta unidade, vimos a importância das ligas não ferrosas, destacando as principais propriedades
mecânicas e tratamentos térmicos utilizados em algumas dessas ligas, tais como: ligas de alumínio, de
cobre, de magnésio e de titânio. Além disso, vimos a importância dos critérios de seleção de materiais.
Foi possível observar, por meio dos critérios de seleção de materiais, que não basta os materiais
atenderem somente a um critério, é necessário escolher os materiais que melhor atendem às exigências,
sendo que essa escolha é uma das atribuições do engenheiro e depende de diversos fatores.
Por fim, destacamos que é de extrema importância para o engenheiro mecânico entender o
comportamento não somente das ligas ferrosas, mas também das ligas não ferrosas, entendendo,
inclusive, como é realizada a seleção de materiais e quais são os principais parâmetros utilizados para
melhor atender às solicitações exigidas.
SAIBA MAIS
Título : Caracterização microestrutural e comportamento mecânico das ligas de alumínio
AA2139 T3 e T8 soldadas por fricção rotativa com mistura
Autor : Vinícius Toledo Saccon e colaboradores
Ano : 2010
Comentário : O trabalho buscou analisar algumas ligas de alumínio quando submetidas ao
processo de soldagem por fricção rotativa. Foi realizada uma análise microestrutural e do
comportamento mecânico com objetivo de avaliar as juntas soldadas.
para, então, comparar os materiais para encontrar a melhor combinação de todas as propriedades e
exigências. Com isso, entendemos que não é necessário apenas saber quais serão os critérios a serem
levados em consideração na escolha do melhor ou dos melhores materiais, mas deve-se saber interpretá-
los, a fim de realizar a melhor escolha.
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Atividade não pontuada.
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Onde encontrar : < https://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0104-
92242010000400006&script=sci_abstract&tlng=pt >
Título : Desenvolvimento, comportamento mecânico e microestrutural de uma prótese
mandibular em liga de titânio produzida por sinterização direta a laser de metal (DMLS)
Autor : Rafael Ferreira Gregolin
Ano : 2013
Comentário : O trabalho mostra que com o avanço e desenvolvimento de diversos
softwares é possível, a cada dia mais, a reprodução de qualquer parte do corpo humano,
fazendo com que seja possível a fabricação de próteses e implantes de forma mais
precisa.
Onde encontrar: < https://repositorio.unesp.br/handle/11449/94477 >
Título : Seleção de materiais no projeto mecânico
Autor(a) : Michael Ashby
Ano : 2012
Comentário : O livro mostra os principais critérios para seleção de materiais. Além disso,
descreve como é realizada a seleção dos materiais, levando em consideração critérios
como propriedades, impactos ambientais, custos, projeto, fabricação e restrições de
projeto.
Onde encontrar? <
https://www.academia.edu/26790382/Sele%C3%A7%C3%A3o_de_Materiais_no_Projeto_Mec%C3
%A2nico >
Referências bibliográficas
https://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0104-92242010000400006&script=sci_abstract&tlng=pt
https://repositorio.unesp.br/handle/11449/94477
https://www.academia.edu/26790382/Sele%C3%A7%C3%A3o_de_Materiais_no_Projeto_Mec%C3%A2nico
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ASHBY, M. Seleção de materiais no projeto mecânico . 1. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012.
CALLISTER JR, W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia de materiais – uma introdução. Rio de
Janeiro: LTC, 2016.
GARCIA, A.; SPIM, J. A.; SANTOS, C. A. Ensaios dos materiais . Rio de Janeiro: LTC, 2000.
GREGOLIN, R. F. Desenvolvimento, comportamento mecânico e microestrutural de uma prótese
mandibular em liga de titânio produzida por sinterização direta a laser de metal (DMLS) . 107 f.
2013. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia, Universidade
Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Ilha Solteira, 2013. Disponível em: <
http://hdl.handle.net/11449/94477 >. Acesso em: 07 jan. 2021.
SACCON, V. T. et al. Caracterização microestrutural e comportamento mecânico das ligas de alumínio
AA2139 T3 e T8 soldadas por fricção rotativa com mistura. Soldag. insp ., v. 15, n. 4, p. 289-297.
Disponível em: < https://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0104-
92242010000400006&script=sci_abstract&tlng=pt >. Acesso em: 07 jan. 2021.
SHACKELFORD, J.F. Ciência dos materiais . São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2008.
http://hdl.handle.net/11449/94477
https://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0104-92242010000400006&script=sci_abstract&tlng=pt
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