ENGENHARIA CIVIL SELECAO DE MATERIAIS MECANICOS CONTEUDO EBOOK COMPLETO

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SELEÇÃO DE MATERIAIS MECÂNICOS
SELEÇÃO DE MATERIAIS: PROPRIEDADES MECÂNICAS E ELÉTRICAS
Autor: Dra. Roberta Paye Bara
Revisor: Allan Berbert
INICIAR
introdução
Introdução
A seleção de materiais envolve conhecer a evolução dos materiais ao longo da história da humanidade, bem como compreender as propriedades mecânicas dos materiais metálicos e as propriedades elétricas.
O objetivo é evitar acidentes e também garantir que o produto não quebre ou sofra uma fratura (porque fratura pode ser só uma trinca) por falta da análise das propriedades mecânicas ligadas à tensão, deformação e dureza.
Os acidentes que envolvem essas propriedades incluem choques elétricos em produtos em que isso não deveria ocorrer, ou o produto pode quebrar e os pedaços da peça gerar ferimentos nas pessoas que estavam manuseando o produto.
Esses assuntos serão aprofundados nesta unidade. Veremos o que é a base para a escolha de materiais em projetos e que isso depende do conhecimento prévio sobre materiais, da definição de materiais metálicos, poliméricos e cerâmicos.
Introdução à Seleção de Materiais
A seleção de materiais envolve compreender que é necessário relacionar viabilidade econômica no desenvolvimento do produto com as propriedades que o produto deverá possuir para atender às necessidades de utilização e outros critérios que por ventura sejam exigidos, por exemplo, limitações de fornecedores, exigência de clientes ou respeito a alguma legislação ambiental.
Materiais em Projeto
O desenvolvimento de produtos possui diversas etapas de projeto, desde verificar o portfólio de produtos quanto à viabilidade de mercado, incluindo a análise de maquinário necessário para criação do produto e passando pela análise dos materiais que serão utilizados no desenvolvimento do produto, até a embalagem.
Os materiais são avaliados no projeto considerando aspectos econômicos, como disponibilidade de fornecedores locais, visto que quanto maior a distância do fornecedor, maior será a chance de encarecer o valor. Ainda dentro dos aspectos econômicos, são considerados os processos de fabricação que o material exige e as propriedades mecânicas. Por exemplo, para um determinado produto é verificado que três tipos de ligas metálicas atendem às necessidades de resistência mecânica do produto final, porém a primeira liga possui um preço muito elevado em comparação com as outras e a segunda necessita que seja processada por uma técnica que exige um maquinário cujo preço é muito elevado. Assim, nesse caso, a melhor escolha será a terceira liga, pois possui preço mais acessível e não exige um processamento oneroso.
Além das questões econômicas, é fundamental analisar o material conforme suas características mecânicas, ou seja, se a escolha do material contempla o uso para qual o produto será submetido. Para isso, devem-se incluir as condições de resistência a intempéries locais. Quando não há um minucioso trabalho de pesquisa para identificar as condições em que o material estará submetido, podem ocorrer acidentes. Um exemplo é o desabamento de parte do viaduto da BR 116 (Régis Bittencourt), em 2005. Esse acidente resultou na morte de um caminhoneiro que passava no local no momento em que a estrutura cedeu. Na imagem a seguir, é possível observar que esse trecho da rodovia possuía dois viadutos paralelos, sendo que parte do viaduto sentido Paraná desabou na encosta da represa do Capivari (CENACID, 2005).
Figura 1.1 - Vista da parte do viaduto da BR 116 que desabou em 2005
Fonte: CENACID (2005).
No estudo sobre materiais, temos a ciência dos materiais e a engenharia de materiais. Em resumo, a ciência dos materiais contempla os conhecimentos básicos sobre estrutura interna dos materiais, bem como as propriedades e as formas de processamento. Já a engenharia de materiais consiste na aplicação da ciência dos materiais no desenvolvimento de produtos. A maioria dos materiais utilizados na engenharia de materiais pode ser catalogada em materiais metálicos e materiais não metálicos, sendo que os materiais não metálicos podem ser materiais cerâmicos ou materiais poliméricos (SMITH; HASHEMI, 2012). Vale lembrar que materiais poliméricos são todos os materiais compostos por polímeros.
Figura 1.2 - Relação entre as ciências dos materiais e outras áreas
Fonte: Adaptado de Smith e Hashemi (2012, p. 4).
A partir da Figura 1.2, percebemos a relação entre engenharia e ciência dos materiais com outras áreas. A ciência dos materiais pode ser aplicada, por exemplo, na medicina, com os biomateriais e os materiais que compõem equipamentos médicos, e também na geologia, com o aperfeiçoamento dos materiais utilizados para fazer as brocas de perfuração geológica.
A Evolução dos Materiais
O homem pré-histórico utilizava os materiais disponíveis na natureza, como pedras, conchas e madeira, para sobreviver. Há indícios de pedras lascadas com formato pontiagudo que indicam que, em alguns momentos, houve um interesse em aperfeiçoar o material disponível para atender a uma necessidade (nesse caso, a necessidade da caça).
Figura 1.3 - Pedra lascada exposta no Museu da Natureza na Serra da Capivara (Piauí)
Fonte: Mario Cesar Mendonça Gomes / Wikimedia Commons.
Historicamente, o desenvolvimento das civilizações se sustentou no desenvolvimento de ferramentas para o trabalho humano (no trabalho com animais, na agricultura ou demais atividades econômicas) e na fabricação de armas. Conforme resultado de indícios arqueológicos encontrados até o presente momento,  temos as idades dos metais como a última fase da pré-história. A partir desse início da metalurgia, a humanidade aperfeiçoou técnicas e materiais. Veja a seguir o infográfico sobre os materiais ao longo da história.
IDADE DA PEDRA
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Quando o homem primitivo utilizava pedras para criar suas ferramentas, sendo denominada de “Nova idade da pedra” o período em que havia um trabalho de lascar e polir as pedras, aproximadamente de 8.000 a. C.
IDADE DO COBRE
Marca o início da idade dos metais aproximadamente 6.500 a.C.
IDADE DO BRONZE
O bronze é uma liga metálica resultante da união entre estanho e cobre aproximadamente 3.000 a. C.
IDADE DO FERRO
Aproximadamente 1200 a. C., a partir do trabalho com ferro que surgiu o aço.
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Fonte: (Britannica Escola, 2020).
Ao longo da história da humanidade ocorreram várias tentativas de aperfeiçoar processos de fabricação e de tratamento dos materiais. Nas últimas décadas, com o advento da internet, que facilitou o acesso à informação e o compartilhamento rápido de pesquisas, houve uma maior difusão de pesquisas voltadas à evolução dos processos de criação e processamento dos materiais. Isso é evidenciado em linhas de pesquisa voltadas para os biomateriais e materiais compósitos.
Os biomateriais são materiais que precisam ser biocompatíveis com o organismo humano, como os que são utilizados para implantes. O termo biocompatível define os materiais que não produzem substâncias tóxicas quando em contato com fluidos e tecidos vivos; não são necessariamente inertes. Um exemplo são os fios de sutura para cirurgias internas que são absorvidos com o tempo (há uma reação, mas ela não é tóxica).
Já os compósitos são um grupo de materiais que podem ser aplicados em diversas áreas. Eles consistem na associação de dois ou mais tipos de materiais, por exemplo, o compósito plástico e fibra de coco, que é utilizado atualmente para criar vasos de plantas.
saiba mais
Saiba mais
Explore as linhas de pesquisa, as imagens do laboratório e as publicações. É uma área muito importante da engenharia mecânica com aplicações médicas e odontológicas, cujos ensaios de caracterização das amostras incluem testes que simulam o desempenho dos materiais no organismo humano.
Para saber mais sobre biomateriais, acesse o site a seguir do Laboratório de Biomateriais e Eletroquímica do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Paraná.
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Na evolução dos materiais, há um grupo conhecido como materiais inteligentes, que alteram suas propriedades (mecânicas, elétricas ou de forma) conforme os estímulosque recebem. Esses estímulos podem ser alteração na temperatura, tensão, luz, umidade, campo elétrico ou magnético. Um exemplo são os metais memória que, em função de algum estímulo pré-programado, retornam ao formato da programação. Uma aplicação de metal memória de forma são os stents , reforço expansível. Trata-se de estruturas metálicas utilizadas para desobstruir artérias ou conter aneurismas. O stent é um metal com memória de forma que, na temperatura ambiente, apresenta-se linear (normalmente como uma estrutura tubular) e, em contato com a temperatura corporal, muda a sua forma para o formato de uma mola, desobstruindo a artéria. Isso só é possível porque a liga metálica com memória de forma (por exemplo, a liga cromo-cobalto e o nitinol, que é uma liga de níquel com titânio) foi programada para reagir assim com relação ao estímulo da temperatura corporal (SMITH; HASHEMI, 2012) e (AL-MUBARAK et al ., 2004).
Há materiais que geram um campo elétrico quando estimulados por uma força mecânica. Essa característica é denominada piezeletricidade, e os materiais que a possuem são conhecidos como materiais piezelétricos. Essa reação pode ser estimulada inversamente, ou seja, ao submeter esses materiais a um campo elétrico externo, haverá uma resposta mecânica (SMITH; HASHEMI, 2012). Um exemplo são os buzzers (transdutores piezoelétricos), mecanismos que podem ser utilizados em uma placa de arduino que, ao receber o estímulo externo de um campo elétrico, cria uma vibração gerando um som.
Os nanomateriais são estruturas com dimensões da ordem do nanômetro (10−9m10−9�) e podem ser compostos de metais, polímeros, cerâmicos ou compósitos. A utilização de estruturas tão pequenas possibilita o aperfeiçoamento de propriedades mecânicas, elétricas e magnéticas, como no caso dos grãos magnéticos que são utilizados no drivers de discos rígidos (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018).
praticar
Vamos Praticar
Leia o trecho a seguir.
“Os materiais inteligentes são um grupo de novos materiais de última geração que estão sendo atualmente desenvolvidos e que terão uma influência significativa sobre muitas das nossas tecnologias. O adjetivo inteligente implica que esses materiais são capazes de sentir mudanças nos seus ambientes e, assim, responder a essas mudanças segundo maneiras predeterminadas – características que também são encontradas nos organismos vivos”.
CALLISTER JR, W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia de materiais : uma introdução. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018. p. 11.
Ao longo da história da humanidade foram aprimoradas as técnicas de utilização dos materiais, incluindo aperfeiçoamento da fabricação. Considerando a evolução dos materiais, assinale a alternativa que apresenta corretamente a nomenclatura utilizada como característica dos materiais que não liberam substâncias tóxicas quando em contato com fluidos corporais.
Parte superior do formulário
a) Compósito.
b) Memória de forma.
c) Biomaterial.
d) Biocompatível.
e) Piezeletricidade.
Parte inferior do formulário
Propriedades Mecânicas dos Metais
As  propriedades mecânicas dos metais descrevem como cada material metálico reage em relação a estímulos externos, como mudança de temperatura, de umidade, de pressão, de ph ou em caso de impacto. A época da Segunda Guerra Mundial foi um momento em que se buscou construir navios de forma mais rápida, sem uma criteriosa análise científica, a fim de combater as tropas alemãs. O problema foi que os primeiros navios da Classe Liberty apresentaram falhas catastróficas, visto que trincas nos navios se propagaram tão rapidamente e de forma tão severa que eles se partiram ao meio.
Figura 1.4 - Fratura do navio Liberty
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 5).
Após uma sequência de ocorrências catastróficas, foram buscar entender o que poderia ter afetado a estrutura. Os navios da classe Liberty foram construídos no Atlântico Norte, onde as chapas metálicas do casco ficavam na transição dúctil para frágil, ou seja, a temperatura em que estava submetido o navio facilitava a fragilidade e a consequente formação de trincas. Além disso, as chapas foram soldadas em vez de rebitadas para agilizar o processo de fabricação dos navios e os cantos das escotilhas tinham um formato que fazia com que se tornassem pontos de concentração de tensões facilitando a geração de trincas (CALLISTER JR; RETHWISCH, 2018).
Existem diversos ensaios para definir propriedades mecânicas dos materiais, todos conforme normas ASTM ( American Society for Testing and Materials ), para que, independentemente do local, do laboratório e das barreiras linguísticas, exista a possibilidade de serem repetidos da mesma forma e mantendo os mesmos padrões. Os principais ensaios realizados nos metais são ensaios de: tração, compressão, flexão, dureza, fluência, impacto, fadiga e envelhecimento acelerado.
Conceito de Tensão-Deformação
Quando uma estrutura metálica é tracionada (tensionada positivo, que é o mesmo que esticada) em um único sentido, ocorre uma deformação da estrutura, mas o que é analisado é se essa deformação continua após a retirada da força que estava tracionando, pois se a estrutura retorna às dimensões iniciais (antes de ser submetida à força de tração), é denominada deformação elástica. Quando a estrutura metálica não retorna às dimensões iniciais, é denominada deformação plástica (SMITH; HASHEMI, 2012). Essa característica de deformação plástica de alguns metais é utilizada na estampagem (processo de fabricação), em que chapas metálicas são pressionadas em formas para se obter o formato desejado (como paralamas ou portas de veículos).
Figura 1.5 - Gráfico de resistência à tração
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 7).
O ensaio de tração consiste em submeter um corpo de prova do material que se deseja testar, de forma que suas extremidades estejam fixadas e sejam esticadas gradativamente até a ruptura do material. Os parâmetros tensão de engenharia (σ�) e deformação de engenharia (ϵ�) dependem da área transversal da seção da amostra (A0�0), da força instantânea aplicada na direção perpendicular à seção transversal (F), do comprimento inicial do corpo de prova (l0�0) e do comprimento durante a aplicação da força de tração (l�). Onde,
Tensão da engenharia é σ=FA0�=��0
Deformação de engenharia é ϵ=l−l0l0=Δl (variaa~o do comprimento da amostra)l0 (comprimento inicial da amostra)�=�−�0�0=Δ� (������~� �� ����������� �� �������)�0 (����������� ������� �� �������)
Na prática, os valores de deformação de engenharia são multiplicados por 100, sendo descritos como deformação percentual ou alongamento percentual.
Figura 1.6 - Corpo de prova para ensaio de tração
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 158).
O corpo de prova, conforme a descrição da figura 1.6, é colocado no equipamento de ensaio de tensão-deformação por tração, conforme representado a seguir.
Figura 1.7 - Modelo de equipamento para ensaio de tensão-deformação sob tração
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 158).
Por exemplo, considere um corpo de prova de alumínio comercialmente puro, com 1,30 mm de largura, 0,10 cm de espessura e 20,3 mm de comprimento, que foi submetido a uma força de 11.120 N. São marcados dois pontos no centro da amostra no sentido longitudinal (o mesmo sentido onde será aplicada a força). A distância entre esses dois pontos é de 5,0 mm inicialmente e, depois de aplicada uma força de tração, a distância entre as marcas passa para 6,5 mm. Calcule a deformação e a tensão de engenharia.
Solução: primeiro é importante destacar que nem todas as medidas estão com a mesma unidade, então vamos reescrever usando todas as medidas em milímetros e identificar quais são os valores das variáveis:
Tensão da engenharia é σ=FA0�=��0 e deformação de engenharia é ϵ=l−l0l0�=�−�0�0. Sabendo que  A0=(1,30 mm ×1,0 mm)=1,30 mm2�0=(1,30 �� ×1,0 ��)=1,30 ��2, F=11.120 N�=11.120 �, l=6,5 mm�=6,5 �� e l0=5,0 mm�0=5,0 ��, a tensão da engenharia é σ=FA0=11.120 N1,30mm2=8.553,85 N/mm2�=��0=11.120 �1,30��2=8.553,85 �/��2. A deformação de engenharia é ϵ=l−l0l0=6,5mm − 5,0 mm 5,0 mm=1,5 mm5,0 mm=0,3, �=�−�0�0=6,5 �� − 5,0 �� 5,0 ��=1,5 ��5,0 ��=0,3, sendo o alongamento percentual =0,3 ×100=0,3 ×100.
Usualmente, esses dados são fornecidos em forma de tabela (são dados das ligas metálicas conhecidas) e são calculados dessa forma por ensaios nos casos do desenvolvimento de novos materiais, como compósitos.
Os resultados obtidos no ensaio são descritos na forma de gráfico de tensão-deformação, que pode ser observado a seguir. Observe que, ao longo da curva, são representadas as mudanças no corpo de prova, desde a deformação elástica, passando pela deformação plástica até o ponto de fratura.
Figura 1.8 - Gráfico de tensão-deformação até o ponto de ruptura do corpo de prova
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 166).
Como as forças aplicadas nas extremidades do corpo de prova são iguais, há um estrangulamento no centro do corpo de prova até a fratura. Veja que só uma região central é deformada. Essa ocorrência é denominada estricção, o que, em algumas referências, é chamada de “pescoço”. É nessa área que ocorrerá a fratura.
A ductilidade descreve o grau de deformação plástica (aquela deformação irreversível, que não volta após a redução da carga de tensão) que ocorre no material no momento da fratura, e é medido em função do alongamento percentual. A ductilidade aumenta com o aumento da temperatura, enquanto que o limite de resistência à tração diminui (CALLISTER; RETHWISCH, 2018). Por isso, a ductilidade pode ser descrita como alongamento percentual  ou na forma de redução percentual na área , onde Af�� é a área da seção transversal no ponto de fratura e A0�0 é a área da seção transversal inicial.
A maioria dos metais e ligas metálicas apresenta uma relação linear entre tensão e deformação na área elástica do diagrama de tensão-deformação de engenharia. Essa relação é definida pela lei de Hooke na forma de σ=Eϵ�=��, sabendo que σ� é tensão da engenharia, ϵ� é deformação de engenharia e E�  é o módulo de elasticidade (também conhecido como módulo de Young). A medida E� descreve a rigidez de um material. Por exemplo, o módulo de elasticidade do aço é de 207 GPa (independente do tratamento térmico ou teor de carbono). Quando a tensão aplicada resulta em uma deformação plástica significativa, é denominada tensão de escoamento. Quando não há um ponto bem definido entre a deformação elástica e a deformação plástica no gráfico de tensão-deformação, é feita a opção de utilizar um ponto no início da  tensão de escoamento. Quando já ocorreu uma certa deformação plástica, geralmente 0,2% de deformação plástica (mas isso varia, por exemplo no Reino Unido o limite convencional é 0,1%).
Figura 1.9 - Diagrama de tensão-deformação de latão
Fonte: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 167).
A tensão de escoamento a 0,2% é conhecida como tensão limite convencional de elasticidade a 0,2%, que é definida no diagrama de tensão-deformação de engenharia. Para obter a tensão de escoamento a partir do diagrama de tensão-deformação, primeiro é necessário traçar uma reta paralela à região elástica passando pelo ponto correspondente a 0,2%, ou seja, 0,2100=0,0020,2100=0,002 m/m, que é igual a 0,002 mm/mm. O local onde essa reta interceptar o gráfico será o ponto no qual deverá ser traçada uma perpendicular para obter o valor de tensão de escoamento, que, nesse caso, corresponde a  250 MPa.
Outro fator importante é o coeficiente de Poisson (v�), que representa a razão negativa das deformações transversal e longitudinal, em que v= −ϵxϵz= −ϵyϵz�= −����= −����. Os valores do coeficiente de Poisson são tabelados e de fácil consulta. Os materiais metálicos, por exemplo, ficam na faixa de 0,25 e 0,35.
A resiliência consiste na habilidade dos materiais de absorver a energia quando são deformados elasticamente. Após a retirada da carga, é possível recuperar essa energia. O módulo de resiliência corresponde à energia de deformação por unidade de volume necessária para tensionar o material desde o estado sem carga até sua resistência ao escoamento.
A tenacidade consiste na habilidade de um material absorver a energia e se deformar plasticamente antes de fraturar. É a propriedade que é analisada nos ensaios de impacto.
A tensão verdadeira é definida por σV=FAi��=���, pois corresponde à carga instantânea (F�) aplicada, dividida pela área instantânea da seção transversal (Ai��). Já a deformação verdadeira, ϵV=ln lil0��=�� ���0 ou ϵV=ln A0Af��=�� �0��,  corresponde ao logaritmo natural da razão entre os comprimentos instantâneo (li��) e original (l0�0) do corpo de prova (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018) e (NEWELL, 2010).
Por exemplo, um corpo de prova de aço é testado sob tração até sua fratura, tendo sido determinado que ele tem resistência à fratura, expressa em tensão de engenharia, σf�� de 460 MPa. Considerando que A0=128 mm2�0=128 ��2 e Af=89 mm2��=89 ��2, determine a tensão verdadeira σv�� e a deformação verdadeira ϵV��.
Solução: Primeiro, é preciso identificar os valores que serão utilizados. Vamos obter F, �, que é F=σf⋅A0=(460×106 N/m2)(128 mm2)(1 m2106 mm2)=58.800 N�=��⋅�0=(460×106 �/�2)(128 ��2)(1 �2106 ��2)=58.800 �
Observe que Af�� corresponde à área instantânea no momento da ruptura.
Agora, vamos definir a tensão verdadeira: σv=58.800 N(89 mm2)(1 m2106 mm2)=660×106 N/m2��=58.800 �(89 ��2)(1 �2106 ��2)=660×106 �/�2
Vimos que a deformação verdadeira é ϵV=ln lil0��=�� ���0, contudo ela também pode ser escrita como ϵV=ln A0Af��=�� �0��, logo ϵV=ln 12889=ln 1,4=0,36.��=�� 12889=�� 1,4=0,36.
Há também o ensaio de tensão-deformação sob compressão, similar ao de tração, porém o sentido da força é contrário, comprimindo o corpo de prova.
Dureza
A dureza de um material depende da resistência à abrasão (desgaste por fricção), ou seja, consiste na resistência da superfície do material à penetração de um material conhecido como indentador. Existem alguns tipos de ensaio de dureza em que o cálculo para dureza do material dependerá do formato do indentador, que poderá ser esférico, piramidal ou cônico e de material cuja dureza seja conhecida, com alta dureza, como carboneto de tungstênio ou diamante. O ensaio consiste em aplicar, lentamente, uma carga ao indentador sobre a amostra de metal e depois analisar a marca para calcular a dureza. Quanto mais macio, mais profunda será a marca formada (NEWELL, 2010) e (SMITH; HASHEMI, 2012). Como é realizada uma marca com o indentador na amostra, não ocorre dano catastrófico (não há fratura), ou seja, é um ensaio mecânico não destrutivo.
O ensaio Rockwell consiste na possibilidade de uso de vários indentadores combinados com várias possibilidades de cargas, que podem ser aplicadas em ligas metálicas e alguns tipos de polímeros. O cálculo de dureza é definido pela diferença na profundidade do indentador com uma carga inicial baixa e uma carga final maior.
Figura 1.10 - Máquina de ensaio de dureza Rockwell
Fonte: Smith e Hashemi (2012, p. 169).
No ensaio Brinell, o indentador é uma esfera de aço ou carboneto de tungstênio com 10 mm de diâmetro. No ensaio Vickers, o indentador é uma pirâmide de base quadrada. No ensaio de microdureza Knoop, o indentador é de diamante, com uma forma piramidal, com base em forma de losango (SMITH; HASHEMI, 2012). Os ensaios de microdureza são utilizados para medir a dureza de amostras muito pequenas e de materiais muito frágeis, como materiais cerâmicos.
Variabilidade nas Propriedades dos Materiais
A variabilidade nas propriedades dos materiais trata do fato de que algumas propriedades aferidas para os materiais não são exatas. Isso ocorre porque podem haver pequenas imprecisões de calibração ou falhas na homogeneidade das amostras. Quando ocorre essa variação, é realizada uma média e calcula-se o desvio-padrão (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018).
Fatores de Projeto e Segurança
Os fatores de projeto e segurança envolvem procedimentos de projeto para proteção contra falhas, considerando a variação das propriedades mecânicas dos materiais, para que não ocorram falhas e consequentes acidentes ambientais ou que possamvitimar pessoas. Ao longo do século XX, o procedimento consistia em reduzir a tensão aplicada por um fator de segurança de projeto, que ainda é considerado um procedimento aceitável em alguns casos estruturais. No geral, quanto mais o produto pode interferir na vida das pessoas, maior será o coeficiente de segurança (um fator de segurança) aplicado aos materiais que compõem o produto (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018). Por exemplo, o elevador cujos cabos são projetados para receber uma tração de sete vezes o peso recomendado (ou mais), nesse caso, possui um coeficiente de segurança mínimo de 7 (MACHADO, 2016).
reflita
Reflita
Em todos os projetos de produto é necessário considerar a viabilidade econômica, contudo, em alguns projetos, é utilizado um fator de segurança em que o produto é projetado para atender a uma demanda muito maior à qual será submetido. Isso é considerado um desperdício? Por quê? Por definição, um coeficiente de segurança é um fator de segurança para garantir um desempenho seguro.
Fonte: Panitz (2003, p. 75).
As incertezas nas propriedades mecânicas aferidas e nas tensões aplicadas em serviço resultam nos fatores de projeto e segurança.
Em situações estáticas e menos críticas utilizando materiais dúcteis, é utilizada a tensão de projeto σp=N′×σc��=�′×��, em que σc�� é o nível de tensão calculado e N′�′ é o fator de projeto (o valor varia conforme a aplicação do material, mas sempre é maior que 1). Já a tensão de trabalho, σt=σlN��=��� (também conhecida como tensão admissível), pode ser utilizada no lugar da tensão de projeto. Ela depende da resistência ao escoamento do material, em que N� é o fator de segurança. Os valores de N� variam conforme a aplicação do produto, considerando diversos aspectos de projeto, mas, principalmente, o risco de perdas de vida em função de possíveis falhas.
praticar
Vamos Praticar
Considere um corpo de prova de uma liga metálica com 1,30 mm de largura, 0,10 cm de espessura e 20,3 mm de comprimento que foi submetido a uma força de 10.000 N. São marcados dois pontos no centro da amostra no sentido longitudinal (o mesmo sentido em que será aplicada a força). A distância entre esses dois pontos é de 4,0 mm inicialmente e, depois de aplicada uma força de tração, a distância entre as marcas passa para 6,4 mm. Qual o valor da ductilidade dessa liga metálica?
Parte superior do formulário
a) 7.692,3 N/mm27.692,3 �/��2.
b) 8.553,85 N/mm28.553,85 �/��2.
c) 0,3.
d) 60%.
e) 0,6.
Parte inferior do formulário
Propriedades Elétricas
As propriedades elétricas dos materiais estudam o comportamento dos materiais quando submetidos a um estímulo externo correspondente a um campo elétrico, por exemplo. Dentro das propriedades elétricas dos materiais, são avaliadas as características relacionadas à condutividade elétrica, à ferroeletricidade e à piezoeletricidade.
Condutividade Elétrica
A condutividade elétrica é a capacidade do material de permitir o transporte de cargas elétricas. São chamados de condutores os materiais em que esse transporte ocorre facilmente, o que, por sinal, é uma característica dos metais. São denominados isolantes os materiais em que não há transporte de carga elétrica; e semicondutores os materiais que possuem valores intermediários para transporte de cargas elétricas (entre isolantes e condutores) (SANTOS, 2015). Na maioria dos materiais, os elétrons livres são agitados na presença de uma corrente elétrica.
A banda de energia eletrônica do material define o número de elétrons livres, por isso que esta depende de como se dá o arranjo das bandas mais externas com as demais bandas. Para compreender o conceito de bandas, é necessário relembrar a distribuição eletrônica conforme o diagrama de Linus Pauling, com os subníveis s�, p�, d� e f�. Os elétrons nos níveis mais baixos são firmemente ligados e formam o grupo dos elétrons centrais.
Figura 1.11 - (a) níveis de energia em um único átomo de sódio; (b) configuração eletrônica em um átomo de sódio
Fonte: Santos (2015, p. 541).
Nos materiais isolantes, os elétrons são fortemente ligados ao átomo através de ligações iônicas ou covalentes, não há elétrons livres para permitir a condução de eletricidade. “Uma banda eletrônica é uma série de estados eletrônicos com espaçamento próximo uns dos outros em termos de energia, e pode existir uma dessas bandas para cada subcamada eletrônica encontrada no átomo isolado.” (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018, p. 710)
Quanto mais os átomos se aproximam, cada um dos estados atômicos 1s1� e 2s2� se divide para formar a banda de energia eletrônica, que consiste em 12 estados.
Figura 1.12 - Energia dos elétrons em função da separação interatômica para um agregado de 12 átomos
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 668).
Para os metais, há dois tipos de banda possíveis quando são ocupados os estados eletrônicos antes e depois de uma excitação dos elétrons.
Figura 1.13 - Em um metal, a ocupação dos estados eletrônicos pode ocorrer antes (a) e depois (b) de uma excitação dos elétrons
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 671).
Nos semicondutores e nos isolantes, as estruturas das bandas são semelhantes, pois em ambos os casos existe uma zona proibida em que há um espaçamento acima do normal entre as bandas. Esse espaçamento é estreito nos semicondutores e nos isolantes é relativamente grande. Esses espaços, ou “buracos” de ausência de elétrons na camada de valência, também podem participar do processo de condução.
Os semicondutores podem ser classificados como intrínsecos e extrínsecos. Nos intrínsecos, as propriedades elétricas dependem do fato do material se apresentar na forma pura, sendo iguais as concentrações de elétrons e espaçamentos (buracos). Já nos semicondutores extrínsecos, o comportamento elétrico depende da presença de impurezas. A classificação destes depende de os elétrons (extrínseco tipo n�) ou os espaçamentos (extrínseco tipo p�) serem os portadores da carga dominante. Há classificação para as impurezas: as que contribuem para um excesso de elétrons são as impurezas doadoras; e as que introduzem um excesso de espaçamentos (buracos) são classificadas como impurezas receptoras. O aumento da temperatura e o aumento do teor de impurezas diminuem a mobilidade dos elétrons e buracos nos semicondutores extrínsecos.
A condutividade elétrica de um semicondutor intrínseco é σ=n|e|μe +p|e|μb�=�|�|�� +�|�|��, em que p� é o número de buracos por metro cúbico, μb�� é a mobilidade dos buracos, μe�� é a mobilidade dos elétrons, n� é a concentração e e� é a carga elétrica (1,6 ×10−19C1,6 ×10−19�).
Nas temperaturas baixas, a concentração dos elétrons cai drasticamente e essa ocorrência é conhecida como freeze out :
Em baixas temperaturas, abaixo de aproximadamente 100 K, a concentração de elétrons cai drasticamente com a diminuição da temperatura e se aproxima de zero em 0 K. Ao longo dessas temperaturas, a energia térmica é insuficiente para excitar os elétrons do nível doador do P para a banda de condução. Essa é denominada região de temperatura de congelamento (freeze out), uma vez que os portadores carregados (isto é, os elétrons) estão “congelados” junto aos átomos de dopagem (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018, p. 710).
Por meio de duas placas metálicas é possível criar um capacitor de placas paralelas, aplicando uma voltagem, sendo que uma placa será carregada negativamente e a outra positivamente. A capacitância será C=QV�=�� (em coulomb por volt = farad), em que Q� é a quantia de carga armazenada em cada placa e V� a voltagem aplicada no capacitor. Contudo, existe uma constante universal denominada permissividade que está relacionada com a susceptibilidade elétrica de um material, ou seja, à habilidade de um material se polarizar em função do estímulo de um campo elétrico. A constante dielétrica de um material é como a característica em resistir à polarização a partir do estímulo de um campo elétrico, por isso é propriedade dos materiais isolantes. Também conhecida como permissividade relativa (ϵr��), a constante dielétrica é definida como ϵr=ϵϵ0��=��0, em que ϵ0�0 é a permissividade no vácuo (valor constante igual a 8,85 × 10−12 F/m8,85 × 10−12 �/�) e ϵ� é a permissividade do material.
Caso seja inserido algum material entre as placas, a capacitância será alterada, podendo diminuir ou aumentar dependendo do material entre elas, se for condutor ou isolante. Essa é a base para criação de sensores capacitivos.
A característica dos materiais aumentarem a capacidade de armazenamento de cargas dos capacitores ocorre em decorrência da polarização (que consiste no deslocamento reversível das nuvens eletrônicas pelo material em decorrência de um estímulo externo), que pode ser eletrônica (ocorre para todo o átomo), iônica (ocorre somente em materiais iônicos) ou de orientação (ocorre somente em substâncias que apresentam dipolos permanentes).
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No vídeo “Tema 05 – Materiais Condutores | Experimentos – Condutividade elétrica”, do canal “Física Universitária” da Universidade Virtual do Estado de São Paulo, são apresentadas algumas experiências para exemplificar e definir os conceitos de condutividade elétrica.
Para saber mais, assista ao vídeo a seguir.
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Ferroeletricidade e Piezoeletricidade
Ferroeletricidade é o nome da característica também conhecida como polarização espontânea, em que um material se polariza sem a presença de um campo elétrico. Existem materiais como o titanato de bário que, quando aquecidos acima de 120 °C, perdem o comportamento de ferroelétricos. Alguns outros materiais ferroelétricos são: niobato de potássio, sal de Rochelle e zirconato-titanato de chumbo.
Já a característica de piezoeletricidade corresponde ao fenômeno de, ao receber um estímulo externo de um campo elétrico, o material reagir com um comportamento mecânico de vibração. É função que vale a recíproca, ou seja, quando recebe o estímulo externo de uma vibração mecânica (como um toque), responde com um campo elétrico. Um exemplo são os buzzers , que normalmente são utilizados em placas de arduino. Eles enviam o sinal elétrico que é convertido em som (pela vibração mecânica) e são utilizados nos mais diversos projetos de automação, tendo como função emitir som (com diferentes frequências). Alguns exemplos de materiais piezoelétricos são: zirconato de chumbo, titanato de bário, titanato de chumbo e niobato de potássio.
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Leia o trecho a seguir.
“Mais recentemente, o uso de dispositivos [...] cresceu drasticamente como consequência do aumento na automatização e da atração por parte dos consumidores em relação a aparelhos sofisticados modernos. Os dispositivos piezoelétricos estão sendo usados em muitas das aplicações atuais, incluindo nas indústrias: automotiva — balanceamento de rodas, alarmes de cinto de segurança, indicadores de desgaste da banda de rolamento de pneus, portas sem chave e sensores de air-bag ; computadores/eletrônica — microfones, alto-falantes, [...]”.
CALLISTER JR, W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia de materiais : uma introdução. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018. p. 708.
A citação apresentada trata de algumas das aplicações dos materiais que, ao receberem um estímulo externo de um campo elétrico, respondem com um comportamento mecânico, vibrando e gerando som, sendo que também ocorre o inverso. Assinale a alternativa que apresenta corretamente o nome dessa característica.
Parte superior do formulário
a) Polarização.
b) Condutividade.
c) Ferroeletricidade.
d) Piezoeletricidade.
e) Permissividade.
Parte inferior do formulário
indicações
Material Complementar
FILME
Piezoeletricidade
Ano: 2011
Comentário: É apresentada uma animação que esclarece o funcionamento da piezoeletricidade, com destaque para animação que representa o piezoelétrico invertido e a geração de ultrassom. Assista ao vídeo a seguir.
TRAILER
LIVRO
Materiais e Design
Editora: Elsevier
Autor: Michael Ashby e Kara Johson
ISBN: 978-85-352-3842-6
Comentário: Esse livro aborda diversas questões referentes à escolha de material quando se está desenvolvendo um produto, como as relações das propriedades mecânicas dos materiais com a aplicação do produto, análise da viabilidade econômica e até inclusão de perspectivas ambientais.
conclusão
Conclusão
Há muitos avanços na área de materiais, mas mesmo com todos esses avanços é imprescindível conhecer as propriedades dos materiais, em especial dos metálicos. Isso possibilita escolher qual utilizar em um projeto ou em um produto, pois suas características mecânicas e elétricas descrevem as respostas que darão em função dos estímulos externos. Com isso, podem ser evitadas falhas que venham a gerar aumento de custos operacionais, perda de insumos, inviabilidade do uso do produto ou o pior, que são as perdas humanas.
referências
Referências Bibliográficas
AL-MUBARAK et al . Carotid Artery Stenting : Current Practice and Techniques. Editora Lippincott Williams & Wilkins, 2004.
CALLISTER JR., W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia de materiais : uma introdução. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018.
CENACID. Deslizamento e queda de ponte sobre a represa Capivari-Cachoeira em Campina Grande do Sul – PR, 25 jan. 2005. Centro de Apoio Científico em Desastres , UFPR. Disponível em: http://www.cenacid.ufpr.br/portal/missao/deslizamento-e-queda-de-ponte-sobre-a-represa-capivari-cachoeira-campina-grande-do-sul-pr-250105/ . Acesso em: 8 abr. 2020.
IDADE do bronze. Britannica Escola , 2020. Disponível em: https://escola.britannica.com.br/artigo/Idade-do-Bronze/480850 . Acesso em: 9 abr. 2020.
MACHADO, L. C. Elevador para deslocamento de pequenas cargas . Projeto de Graduação, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal Fluminense, 2016. Disponível em: https://app.uff.br/riuff/bitstream/1/1785/1/LeonardoCardosoMachadoSemAssinatura.pdf . Acesso em: 10 abr. 2020.
NEWELL, J. Fundamentos da moderna engenharia e ciência dos materiais . Rio de Janeiro: LTC, 2010.
PANITZ, M. A. Dicionário técnico : português-inglês. Porto Alegre: EDIPUCRS, 2003.
SANTOS, G. A. dos. Tecnologia dos materiais metálicos : propriedades, estruturas e processos de obtenção. São Paulo: Érica, 2015.
SMITH, W. F.; HASHEMI, J. Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais . 5. ed. Editora McGraw-Hill, 2012.
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Seleção de Materiais Mecânicos
Propriedades Térmicas e Seleção de Materiais
SELEÇÃO DE MATERIAIS MECÂNICOS
PROPRIEDADES TÉRMICAS E SELEÇÃO DE MATERIAIS
Autor: Dra. Roberta Paye Bara
Revisor: Allan Berbert
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introdução
Introdução
Para iniciar uma seleção de materiais, é imprescindível compreender as propriedades dos materiais, incluindo propriedades térmicas. Dentre as propriedades térmicas, destacam-se a condutividade térmica e a expansão térmica, a qual definirá a dilatação ou a contração dos materiais com a alteração da temperatura.
Dessa forma, analisaremos as propriedades térmicas e, após isso, serão abordados os tópicos relacionados às diversas propriedades dos materiais, destacando-se as mais utilizadas e a representação destas por meio de diagramas, nos quais será possível identificar o comportamento dos materiais conforme suas propriedades. Por fim, serão apresentados os índices de materiais, a estratégia de seleção de materiais e como esses assuntos são aplicados à vida profissional de um engenheiro.
Propriedades Térmicas dos Materiais
É importante conhecer as propriedades térmicas dos materiais para: prever como vão reagir conforme os estímulos externos de mudança de temperatura; prever e controlar dilatação ou contração do material, ou condução de temperatura; e prever a possibilidade de fraturas em função da alteração de temperatura. Há materiais que sofrem choque térmico, ou seja, uma fratura frágil resultante de alteração rápida na temperatura.
A capacidade calorífica de uma substância descreve a quantidade de calor necessária para aumentar uma unidade da temperatura por um mol desse material. Quando é utilizada a unidade de massa, é conhecida como calor específico. O aumento da energia dos materiais sólidos está relacionado com a energiavibracional dos átomos. Um quantum de energia vibracional é intitulado fônon.
Condutividade Térmica
A condutividade térmica corresponde ao transporte do calor transmitido ao longo do material, da parte mais quente para a mais fria. Essa característica é denominada condutividade térmica (k)(�) e depende do fluxo de calor (q)(�) e do gradiente de temperatura através do meio de condução (▽T).(▽�). É dada pela seguinte relação:
q = −k . ▽T� = −� . ▽�, em que ▽T▽� possui parte da condução no eixo x� e parte da condução no eixo y.�. Para isso, vamos utilizar os versores correspondentes. Teremos então:
▽T = ∂T∂x i ˆ+∂T∂y j ˆ▽� = ∂�∂� � ^+∂�∂� � ^
Substituindo na equação de fluxo de calor:
q = −k (∂T∂x i ˆ+∂T∂y j ˆ)� = −� (∂�∂� � ^+∂�∂� � ^)
Vale lembrar que nos casos em que se tratar de um sólido, teremos a respectiva representação do gradiente para o eixo z� e seu versor k^�^, que não pode ser confundido com a condutividade térmica do material k�. Nesse momento, serão considerados materiais lineares, ou seja, vamos trabalhar apenas com a coordenada x�. Deixaremos a cargo do aprofundamento desse conteúdo a utilização das três coordenadas para a área de transferência de calor e massa.
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Os versores são os vetores unitários dos eixos cartesianos i^�^ para o eixo x�, j^�^ para o eixo y� e k^�^ para o eixo z�. Para mais informações sobre versores, acesse a página 67 do livro Álgebra Vetorial e Geometria Analítica , de Jacir Venturi.
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Essa equação é válida quando não há variação do fluxo de calor com o tempo, também denominado como transporte de calor em regime estacionário. Fraturas por choque térmico ocorrem com maior probabilidade em materiais cerâmicos e, no geral, os materiais metálicos são bons condutores térmicos, por exemplo, prata (Ag), cobre (Cu), alumínio (Al) e aço (liga de ferro).
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O gradiente de uma função é um vetor composto pelas derivadas parciais da função em relação a cada uma das variáveis independentes que a função contém. Vale ressaltar que para uma função de primeiro grau F(x), a variável independente é x, bem como para uma função F(x,y), temos que x e y são variáveis independentes. Para mais informações sobre gradiente, acesse o vídeo a seguir.
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Veja no quadro a seguir os valores de condutividade térmica de alguns materiais.
	Material
	Condutividade térmica  [Wm . K] [�� . �]
	Material
	Condutividade térmica  [Wm . K] [�� . �]
	Cobre
	398
	Vidro borossilicato (Pyrex)
	1,4
	Ouro
	315
	Polipropileno
	0,12
	Alumínio
	247
	Nylon 6,6
	0,24
Quadro 2.1 - Condutividade térmica de alguns materiais
Fonte: Adaptado de Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 726).
A condução do calor nos materiais sólidos ocorre através do transporte do calor pelos elétrons livres e por ondas vibracionais da rede, ou fônons. Por isso que nos metais puros a condutividade térmica é mais elevada, em função de uma maior presença de elétrons livres, por exemplo, o ouro, cuja condutividade térmica é 315 Wm . K�� . �. Vale a recíproca, ou seja, materiais com menor quantia de elétrons livres apresentam menor condutividade térmica, como é o caso dos polímeros, por exemplo, o nylon 6,6 com condutividade térmica de 0,24 Wm . K�� . � (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018) e (SMITH; HASHEMI, 2012).
A condutividade térmica descreve a habilidade dos materiais em transferir energia térmica após um estímulo externo de variação de temperatura. Sabendo que a relação de energia por tempo é joules por segundo, que é o mesmo que a unidade watts, temos que a unidade da condutividade térmica é a relação da transmissão da energia térmica considerando as dimensões do material e a temperatura. Dessa forma, sua unidade é watt por metro por kelvin (Wm.K)(��.�). Veja, no infográfico a seguir, a condutividade térmica das principais classes minerais:
CONDUTIVIDADE TÉRMICA (W/MK) DAS PRINCIPAIS CLASSES MINERAIS
120
19,0
11,8
6,0
4,0
3,8
3,3
2,1
0,8
É necessário compreender a condutividade térmica e a necessidade de analisá-la para evitar falhas por tensões térmicas no caso dos materiais cerâmicos ou metálicos, ou no caso dos polímeros por também não considerar a temperatura de fusão cristalina (Tm) e a temperatura de transição vítrea (Tg).
Coeficiente de Expansão Linear
O coeficiente de expansão linear de um material faz parte da compreensão da expansão ou contração de um material sólido, que dilata ao ser submetido a um aumento de temperatura e contrai quando resfriado. A expansão térmica pode ser analisada a partir de uma perspectiva atômica, utilizando um gráfico da energia potencial em função da separação interatômica, conforme podemos observar na figura seguir.
Figura 2.1 - Energia potencial em função da distância interatômica em um gráfico não simétrico (a) e em um gráfico simétrico (b)
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 728).
A energia cinética aumenta com a temperatura. Observe que o valor da separação interatômica varia entre os dois pontos da curva (o ponto médio entre esses dois pontos), definidos pela interseção de uma mesma reta horizontal, como no gráfico (a) onde r5�5 é maior que r1�1. Assim, ocorre a expansão térmica no gráfico (a), que não é simétrico.
Observe que no gráfico não simétrico a separação interatômica aumenta com a elevação da temperatura, ou seja, aumenta de r0�0 para r1�1, e assim sucessivamente. Enquanto que no gráfico simétrico da energia potencial em função da distância interatômica não ocorre nenhum aumento na separação interatômica em função do aumento de temperatura, ou seja, r0�0 é igual a r1�1, e assim sucessivamente (todos iguais).
Considerando um material no formato linear, essa alteração de temperatura resulta em uma mudança no comprimento do material, em que a variação do comprimento é proporcional à variação da temperatura na qual o material foi submetido. O coeficiente de expansão térmica (αl��) descreve essa proporcionalidade. O αl�� é também conhecido como coeficiente de expansão térmica linear. Em que αl(Tf − T0)=(lf − l0l0)��(�� − �0)=(�� − �0�0), considerando Tf�� a temperatura final, T0�0 a temperatura inicial, lf�� o comprimento final e l0�0 o comprimento inicial do material (CALLISTER JR. e RETHWISCH, 2018).
Por exemplo: qual é o comprimento final de uma haste de cobre, sabendo que αl= 17 ×10−6 ∘C−1��= 17 ×10−6 ∘�−1, ΔT = 50 ∘CΔ� = 50 ∘� e comprimento inicial de 20 mm20 ��?
Solução: Primeiro, identifique os valores, observe que a temperatura já foi dada em graus Celsius que corresponde com a unidade do coeficiente de expansão térmica linear, mas, se estivesse em Kelvin, precisaria converter. Além disso, como a variação da temperatura é positiva, então, teremos uma expansão do material porque ele dilatou com o aumento da temperatura.
A partir de αl(Tf − T0)=(lf − l0l0)��(�� − �0)=(�� − �0�0) , substituindo os valores dados no enunciado temos 17×10−6 ∘C−1. (50 ∘C)=(lf − 20 mm20 mm)17×10−6 ∘�−1. (50 ∘�)=(�� − 20 ��20 ��) = 17×10−6 ∘C∘C. (50).(20 mm)=lf −20 mm 17×10−6 ∘�∘�. (50).(20 ��)=�� −20 �� 
17 ×103×10−6=lf − 20 mm17 ×103×10−6=�� − 20 �� que é o mesmo que lf= 17 ×10−3+20 = 20, 017 mm��= 17 ×10−3+20 = 20, 017 ��
No quadro a seguir, podemos conferir os valores do coeficiente de expansão térmica linear αl�� de alguns materiais. Observe os valores e analise a relação entre o coeficiente e a expansão.
	Material
	αl [×10−6 ∘C−1]�� [×10−6 ∘�−1]
	Material
	αl [×10−6 ∘C−1]�� [×10−6 ∘�−1]
	Cobre
	17,0
	Vidro borossilicato (Pyrex)
	3,3
	Ouro
	14,2
	Polipropileno
	145 - 180
	Alumínio
	23,6
	Nylon 6,6
	144.
Quadro 2.2 - Coeficiente de expansão térmica linear de alguns materiais
Fonte: Adaptado de Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 726)
Observe que quanto maior o coeficiente maior é a expansão. As tensões térmicas ocorrem quando o material não tem espaço para dilatar ou contrair. Dessa forma, esses pontos de restrição se tornam pontos de tensão térmica que podem resultar em uma deformação plástica indesejável ou a uma ruptura do material.
Essas tensões surgem quando há mudança abrupta de temperatura, pois as alterações dimensionaisdo material não acompanham a velocidade da mudança de temperatura. Podendo resultar, inclusive, em fratura por choque térmico, que ocorre com maior frequência nos materiais cerâmicos (que são mais frágeis).
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Vamos Praticar
1Calcule o comprimento final de uma haste de vidro (Pyrex) utilizada para misturar sucos e batidas, que foi derrubada dentro de uma panela com água fervendo, sabendo que αl= 3,3 ×10−6 ∘C−1 ��= 3,3 ×10−6 ∘�−1  e  que seu comprimento inicial era de 150 mm150 ��. Para o cálculo, considere que o local estava em temperatura ambiente de 25°C.
Assinale a alternativa que apresenta a resposta correta para o cálculo realizado.
Parte superior do formulário
a) Aproximadamente 150,11150,11.
b) Aproximadamente 150,049150,049.
c) Aproximadamente 150,37150,37.
d) Aproximadamente 150,037150,037.
e) Aproximadamente 150,011150,011.
Parte inferior do formulário
Diagrama e Propriedades dos Materiais
Para compreender as propriedades dos materiais, é possível analisar os dados obtidos em ensaios mecânicos por meio da análise dos dados em tabelas ou estes mesmos dados representados em gráficos. Os diagramas das propriedades dos materiais apresentam as propriedades mecânicas dos materiais de forma gráfica, facilitando a interpretação dos dados e auxiliando na escolha de materiais conforme a aplicação.
A escolha dos materiais na criação de um produto irá definir a vida útil do produto. No geral, há outros aspectos a serem considerados durante a seleção de materiais do que quais possuem a melhor eficiência e durabilidade. Um exemplo de produto que foi criado a partir de materiais que propiciaram uma alta durabilidade é a lâmpada de mais de 100 anos nos bombeiros da Califórnia.
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Saiba mais
Na Califórnia, um prédio do Corpo de Bombeiros chama a atenção por possuir uma lâmpada que está acesa desde 1901. Essa lâmpada é tão famosa que possui página na internet onde é possível acompanhar seu brilho 24h por dia. No site da BBC, é possível encontrarmos todas as informações para entendermos melhor esse caso. O conteúdo está disponível no link a seguir.
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Para realizar a seleção de materiais para o desenvolvimento do produto, é necessário compreender quais propriedades deve se esperar deste e verificar quais materiais se enquadram no perfil desejado. Para isso, é importante saber quais são as propriedades que podemos analisar nos materiais.
Propriedades dos Materiais
As propriedades dos materiais descrevem como se comportam conforme os estímulos externos que recebem, seja de atrito, de flexão, capacidade de absorver energia durante um impacto, de deformação, mudança de temperatura ou presença de campo elétrico.
reflita
Reflita
O conhecimento sobre propriedades dos materiais proporciona o poder de seleção do melhor material para cumprir uma determinada função. Mas, em alguns casos, é escolhido o “menos pior dos materiais” para cumprir a função, de forma que possa ser programado o tempo em que o produto ficará obsoleto. Quais as vantagens e desvantagens desse processo de obsolescência programada? Quais produtos jamais deveriam ser submetidos a obsolescência programada?
As propriedades dos materiais são divididas em propriedades mecânicas, propriedades de fabricação, propriedades químicas, propriedades físicas, propriedades térmicas, propriedades elétricas, propriedades magnéticas,  propriedades ópticas e propriedades mecânicas.
Dentre todos esses grupos de propriedades dos materiais, seguem as mais analisadas de acordo com Callister Jr. e Rethwisch (2018), Smith e Hashemi (2012) e Santos (2015):
· Resistência mecânica: é a resistência à tração e à compressão;
· Tensão de ruptura: é o ponto de tensão, no qual ocorre a ruptura do corpo de prova;
· Módulo de Young: é a capacidade de um material em ser rígido (está relacionado com a elasticidade linear de um material);
· Soldabilidade: resistência à solda;
· Usinabilidade: capacidade de ser usinado;
· Elasticidade: característica do material de, após uma deformação, retornar à forma original;
· Dureza: característica em que o material resiste à penetração de outro;
· Ductilidade: capacidade do material de resistir a uma força sem se romper (resistência ao choque);
· Fragilidade: característica do material de se romper quando em contato com uma força (contrário, portanto, da ductilidade);
· Tenacidade: é a resistência a impacto, vibrações ou golpes.
· Temperatura de transição dúctil-frágil: é a temperatura na qual o material deixa de ser dúctil e se torna frágil;
· Resistência à corrosão: capacidade do material de resistir na presença de agentes corrosivos;
· Resistência à fadiga: capacidade de resistir à diversos ciclos de tração e compressão;
· Comportamento em alta temperatura: analisa o estado físico do material e sua resistência mecânica;
· Conformabilidade: capacidade do material de se conformar nos processos fabricação;
· Condutividade térmica: capacidade de transferir calor;
· Expansão térmica: característica relacionada à dilatação ou à contração em função de mudança de temperatura;
· Condutividade elétrica: capacidade de conduzir corrente elétrica;
· Resistividade: característica do material de resistir à passagem de corrente elétrica;
· Densidade: quantidade de massa que a substância ocupa por volume.
A escolha de quais propriedades serão analisadas em um projeto de desenvolvimento de produto dependerá dos objetivos que o produto deverá contemplar, conforme as condições em que estará submetido em sua condição de utilização (na sua aplicação durante a vida útil). Definindo as propriedades que o material deverá possuir fica mais fácil decidir qual material utilizar na fabricação do produto.
Diagramas de Propriedades
Há diagramas que representam várias propriedades para vários materiais como a Figura 2.2, que apresenta, a seguir, um mapa das propriedades: resistência ( strength ), densidade ( density ) e módulo de Young ( Young’s modulus ).
Figura 2.2 - Mapa das propriedades: densidade, resistência e módulo de Young
Fonte: Ashby (2011, p. 57).
Na figura apresentada anteriormente, os metais estão representados em vermelho, os cerâmicos em amarelo e os polímeros em azul. Diagramas como nesse mapa servem para exemplificar a interseção dos valores, mas dificultam a visualização.
O intervalo de desempenho de cada material é representado nos diagramas de propriedades, como podemos conferir a seguir no diagrama barras.
Figura 2.3 - Diagrama de barras do módulo de Young
Fonte: Ashby (2011, p. 60).
O nome dos materiais está representado no diagrama em correspondência aos seus respectivos valores de módulo de Young, mas observe que está separado em colunas conforme o tipo de material: metal ( metals ), polímeros ( polymers ), cerâmicos ( ceramics ) e compósitos ( hybrids ).
É possível representar duas propriedades de materiais no mesmo diagrama. Veja a seguir.
Figura 2.4 - Diagrama do módulo de Young pela densidade
Fonte: Ashby (2011, p. 60).
No diagrama de módulo de Young, pela densidade, temos a representação dos materiais cerâmicos em laranja ( ceramics ), os metais em vermelho, os compósitos ( composites ) em roxo, polímeros em azul-escuro e as borrachas em azul-claro (também denominadas de elastômeros e, em inglês, de elastomers ).
Observe que há áreas de interseção, como entre os cerâmicos e os metais (em laranja escuro). Isso significa que há materiais metálicos e cerâmicos com as mesmas propriedades de módulo de Young e de densidade. Nesse caso, se esses dois materiais fossem opções para o desenvolvimento de um produto, o critério de desempate para definir a seleção do material poderia ser o custo do material, sendo selecionado o mais barato.
É possível identificar os materiais nesse diagrama, como na imagem a seguir.
Figura 2.5 - Diagrama do módulo de Young pela densidade com indicação do material
Fonte: Ashby (2011, p. 61).
Observe que as ligas de titânio ( Ti alloys ) estão na área que corresponde à interseção entre materiais cerâmicos e materiais metálicos. Veja, também, que, para minimizar o peso dos objetos, pode-se basearpela linha de recomendação de design de massa mínima ( guide lines for minimum mass design ).
Diversas combinações de propriedades podem ser representadas nos diagramas, como na figura a seguir, em que temos resistência pela densidade.
Figura 2.6 - Diagrama resistência pela densidade
Fonte: Ashby (2011, p. 67).
Observe que, agora, as ligas de alumínio ( Al alloys ) estão na interseção entre metais e cerâmicos. Ou seja: há materiais cerâmicos com as mesmas propriedades das ligas de alumínio, quando se trata da relação densidade por resistência.
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Vamos Praticar
Há diversas propriedades dos materiais, sejam elas físicas, químicas, elétricas, ópticas, magnéticas, térmicas, mecânicas ou de fabricação. Algumas dessas propriedades possuem tantas especificidades que existem áreas de concentração específicas, como a condutividade térmica que é detalhadamente estudada na área conhecida como transferência de calor (transcal). Dessa forma, assinale a alternativa que apresenta a propriedade em que, ao submetida a um impacto, ocorre uma deformação plástica também conhecida como resistência a choque.
Parte superior do formulário
a) Ductilidade.
b) Usinabilidade.
c) Conformabilidade.
d) Resistividade.
e) Dureza.
Parte inferior do formulário
Seleção de Materiais - O Básico
O básico da seleção de materiais envolve a correlação de três fatores: conhecimento sobre propriedades dos materiais; índices dos materiais e aplicação de estratégias de seleção. Sempre visando atender aos objetivos que o produto deverá contemplar, para então ser realizada a seleção do material que será utilizado no produto, isto é: definir a escolha do material.
A Estratégia de Seleção
Diversos produtos já possuem bem definido o material que será utilizado em sua fabricação, por exemplo: o stent que é fabricado com material memória de forma. Pois o stent é utilizado em operações cardíacas muito delicadas, pela sua característica de retornar ao formato programado quando estabilizado com a temperatura corporal humana. Esse é um exemplo de produto onde o material utilizado já foi eleito como o melhor devido às pesquisas e resultados anteriores.
Contudo, quando se deseja atualizar o produto em decorrência do acesso a materiais que antes não estavam disponíveis ou quando estão sendo desenvolvidos novos produtos, é necessário aplicar uma estratégia de seleção de materiais. Também pode ocorrer a necessidade de seleção de materiais nos casos em que houve falhas no produto, com o objetivo substituir os materiais originais para evitar futuras falhas.
Os materiais são classificados em famílias, conforme suas propriedades e características. Podemos verificar, como exemplos de famílias de materiais: metais, cerâmica, polímeros, elastômeros (borrachas) e compósitos. É importante destacar que cada família pode ser dividida em classes. Os metais, por exemplo, se dividem em: aço, liga de cobre, liga de alumínio, liga de titânio, liga de zinco e liga de níquel.
Na seleção de materiais, ocorre a busca em definir qual material se encaixa como opção de escolha dentro de uma combinação de requisitos. É uma relação entre objetivos e restrições.
Para isso, primeiro são listados as restrições e os objetivos. Depois, é realizada uma triagem dos materiais que se encaixam nesses parâmetros. Em seguida, são listados os materiais conforme a classificação da capacidade de atender às exigências (objetivos e restrições). Finaliza-se o processo com uma pesquisa dos materiais aprovados nas etapas anteriores com a finalidade de verificar históricos de falhas.
Nem sempre essa estratégia de seleção de materiais é o suficiente para definir a escolha do material. Quando isso ocorre, a decisão final pode ocorrer após uma análise dos índices de materiais, que os classifica conforme suas funções.
Índices de Material
Os índices de materiais descrevem o quanto um material foi bem avaliado em uma das etapas de seleção de materiais. É uma forma de otimizar os dados obtidos na triagem e nas outras fases.
As características (ou mesmo a característica) que otimizam o desempenho dos materiais avaliados em um projeto é denominado de índice de material. Então, depende de cada projeto a construção de índice de material, pois ele segue os objetivos e as restrições do projeto e do produto.
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Vamos Praticar
Na seleção de materiais, todas as famílias de materiais poderão ser analisadas inicialmente. Na estratégia de seleção, ocorre uma análise dos objetivos e das restrições que o produto final deverá atender. Por isso, há uma correlação entre propriedades dos materiais, leitura de diagramas, aplicação de estratégia de seleção de materiais e compreensão do índice de material. Pensando nisso, assinale a alternativa que apresenta a correta classificação das famílias nos materiais.
Parte superior do formulário
a) Tenacidade, dureza, ductilidade, usinabilidade e fragilidade.
b) Cúbico de face centrada, cúbico de corpo centrado e ortorrômbico.
c) Aço, liga de cobre, liga de alumínio, liga de titânio, liga de zinco e liga de níquel.
d) Metais, cerâmica, polímeros, elastômeros e compósitos.
e) Metais, cerâmicos e polímeros.
Parte inferior do formulário
A estratégia para seleção de materiais é a união dos conceitos abordados nesta unidade, contudo, há casos em que se utiliza outra metodologia para seleção de materiais como a descrita no documentário Obsolescência programada .
indicações
Material Complementar
FILME
Obsolescência Programada
Ano : 2010
Comentário : Nesse documentário, é retratado o efeito da obsolescência programada na sociedade, no qual o conhecimento sobre as propriedades dos materiais é utilizado para programar a vida útil dos produtos comercializados, de forma que se tornem obsoletos após um determinado período obrigando, dessa forma, as pessoas a comprarem mais. Assista-o a seguir.
TRAILER
LIVRO
Ética para Engenheiros
Editora : Lidel
Arménio Rego e Jorge Braga
ISBN : 978-9897520655
Comentário : Em todas as profissões, é necessário ter ética, mas, no ambiente da Engenharia, a ética deve estar presente no desenvolvimento de produtos, pois, na maioria dos casos, eles interferem na vida das pessoas. Neste livro, são abordados diversos temas para essa reflexão, como pressões no trabalho, obsessão com alcance dos objetivos, responsabilidades como engenheiro, dentre outros. Sendo um dos temas mais polêmicos o “Engenheiros numa encruzilhada: entre a lealdade ao empregador, a segurança do público e os direitos individuais”.
conclusão
Conclusão
Sobre as propriedades térmicas dos materiais, vimos que a capacidade de conduzir calor de uma parte mais quente para uma parte mais fria do material influencia na expansão, ou dilatação de um material. Inclusive, quando a mudança de temperatura é abrupta, ou seja, mais rápida do que o material consegue conduzir (dilatando ou contraindo), temos a ruptura do material por choque térmico. Um material que é dúctil pode se tornar frágil em função da mudança de temperatura, por isso, também é importante conhecer a propriedade que corresponde à temperatura de transição dúctil-frágil. Sobre as propriedades dos materiais, diversas propriedades podem ser representadas em um diagrama, facilitando a interseção de respostas referentes às propriedades dos materiais. Esses diagramas auxiliam a seleção de materiais pois facilitam a interpretação dos dados que são utilizados na seleção de materiais definindo o índice de material.
referências
Referências Bibliográficas
ASHBY, M. F. Materials Selection in Mechanical Design . Burlington: Editora Elsevier, 2011.
CARVALHO, A. C. B. Assinatura térmica de rochas ígneas plutônicas e ortoderivadas da região Nordeste do Brasil . 2009. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Geofísica) – Instituto de Geociências, Universidade Federal da Bahia, 2009. Disponível em: http://www.cpgg.ufba.br/gr-geof/geo213/trabalhos-graducao/Augusto-Carvalho.pdf . Acesso em: 17 abr. 2020.
CALLISTER JR., W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e Engenharia de materiais : uma introdução. Rio de Janeiro: LTC, 2018.
SANTOS, G. A. dos. Tecnologiados materiais metálicos : propriedades, estruturas e processos de obtenção. São Paulo: Erica, 2015.
SMITH, W. F.; HASHEMI, J. Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais . Porto Alegre: Editora McGraw-Hill, 2012.
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Seleção de Materiais Mecânicos
Caracterização e Seleção de Materiais
SELEÇÃO DE MATERIAIS MECÂNICOS
CARACTERIZAÇÃO E SELEÇÃO DE MATERIAIS
Autor: Dra. Roberta Paye Bara
Revisor: Allan Berbert
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introdução
Introdução
Para desenvolver produtos utilizando novos materiais ou novas formas de tratamento superficial, é necessário caracterizá-los para verificar como irão se comportar. Nesta unidade, serão analisados dois estudos de caso: seleção de materiais para edifícios e seleção de materiais para volantes.
Na verificação das características dos materiais e dos objetivos que o produto deverá contemplar, podem ocorrer, durante a seleção de materiais, restrições múltiplas e objetivos conflitantes.
Além disso, dentro da seleção de um material, deve ser analisado o formato ao qual será submetido, pois dependendo desse formato o material se comporta de modo diferente. Assim sendo, é necessária uma análise dos fatores de forma e dos índices de materiais que incluem forma.
Técnicas de Caracterização de Materiais
A caracterização dos materiais consiste na realização de ensaios que irão definir as particularidades dos materiais. Caso eles sejam conhecidos, possuem suas características registradas nas fontes bibliográficas. No entanto, é preciso caracterizar se forem materiais novos, como materiais da natureza que ainda não foram caracterizados por falta de interesse em aplicações, ou novas ligas, novos compósitos ou, ainda, materiais conhecidos que passaram por novos tratamentos superficiais.
Segundo o Dicionário de Termos e Nomenclaturas em Nanotecnologia e Novas Ciências , de Lima (2013, p. 41), a caracterização é definida como:
técnicas físicas, químicas, mecânicas e outras para estudo e normalização das características morfológicas dos materiais. São técnicas físicas, químicas, biológicas e geológicas para descrever, nomear, detalhar um material, como por sua origem, propriedades físico-químicas, propriedades mecânicas, composição química, condutividade térmica e elétrica, e demais características próprias para determinado material.
Além dos ensaios de dureza, ensaio de tração ou compressão, é possível caracterizar os materiais por suas imagens ou por difratograma.
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Alguns cursos de graduação em universidades públicas e particulares desenvolvem atividades extracurriculares de consultoria como empresas júnior (atividades sem fins lucrativos regulamentadas por lei federal). Na UFRJ, a Fluxo Consultoria é uma empresa júnior com mais de duas décadas de atuação, que conta com a participação de alunos de todas as graduações que compõem a Escola Politécnica e a Escola de Química. Além de consultoria, são divulgadas informações técnico-científicas, incluindo informações sobre caracterização, conforme disponível no link a seguir.
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Microscopia
A microscopia é uma das técnicas de caracterização que podem ser aplicadas na análise de materiais. É fundamental compreender que existe a microscopia óptica e a microscopia eletrônica de varredura.
A microscopia óptica possui algumas limitações na ordem das grandezas da capacidade de ampliar as imagens em relação a um microscópio eletrônico de varredura. Contudo, há vantagens com relação à possibilidade de análise de amostras orgânicas e inorgânicas, úmidas ou não. As amostras são colocadas em placas de vidro (lâmina de vidro) e a combinação de lentes de aumento com luz abaixo das amostras permite a visualização delas.
Figura 3.1 - Microscópio óptico Olympus, modelo BX51 – PGMEC UFPR
Fonte: Adaptada de Bara (2011, p. 51).
A seguir, uma imagem em microscopia óptica:
Figura 3.2 - Imagens de fibras no microscópio óptico Olympus 100X: tapete de pelo de cachorro de raças diversas (a), poodle branco (b), paina (c) e algodão (d)
Fonte: Adaptada de Bara (2011, p. 71).
A microscopia eletrônica de varredura, pela própria definição, consiste na emissão de elétrons, sendo que a imagem é o resultado da reação dos elétrons com os metais. Não é possível analisar amostras úmidas e de materiais biológicos, elas precisam ser preparadas pelo processo de metalização. Na metalização, as amostras recebem um “banho” de ouro para que possam ter reação com os elétrons e, assim, gerar a imagem. Além da metalização, as amostras também precisam ser fixadas em uma estrutura específica (como uma base de fixação) que se encaixa no interior do microscópio.
Figura 3.3 - Microscópio eletrônico de varredura JEOL da Zeiss – UFPR
Fonte: Adaptada de Bara (2011, p. 51).
As imagens obtidas não apresentam cor, mas possibilitam uma visão tridimensional, o que proporciona uma análise mais profunda dos materiais. A seguir, uma imagem obtida no microscópio eletrônico de varredura:
Figura 3.4 - Imagem obtida no microscópio eletrônico de varredura JEOL: fibra de paina ampliada 4000 X
Fonte: Acervo pessoal (2011).
Observe que além da capacidade de ampliar ser maior que a de um microscópio óptico, é possível analisar, na imagem, detalhes como a rugosidade. Os softwares de análise de imagens podem ser utilizados para imagens obtidas tanto no microscópio óptico quanto no microscópio eletrônico de varredura, desde que as imagens tenham sido obtidas com escala (isso é realizado por quem está operando o microscópio). A partir da escala da imagem, o software é calibrado e, assim, é possível utilizar ferramentas similares a uma régua e um compasso, possibilitando o cálculo de medidas, como na imagem anterior, em que foi calculado o diâmetro da fibra. Também é possível determinar a porosidade e o diâmetro dos poros de uma superfície, por exemplo, amostras oxidadas de titânio analisadas para aplicação como biomateriais.
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A microscopia eletrônica de varredura é uma técnica de caracterização que exige a utilização de equipamentos e infraestrutura de alto custo. O Centro de Microscopia da Universidade Federal do Paraná disponibiliza, em seu site , informações sobre os equipamentos disponíveis, normas para utilização e até o link para baixar um software para análise de imagens.
Para conhecer mais sobre microscopia eletrônica, acesse o link a seguir.
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Os centros de microscopia eletrônica públicos estão ligados às universidades públicas brasileiras. Independente de existir vínculo ou não com a instituição pública, qualquer pessoa pode fazer a solicitação para utilização do equipamento, contudo o serviço é tarifado, tendo em vista que envolve despesas com preparação de amostras, manutenção e pessoal.
Difratograma
O difratograma é um equipamento que, a partir da emissão de ondas de raio X em uma amostra, resulta em um gráfico com picos. Cada material possui uma única representação de picos pelo difratograma, como uma identidade. Então, quando criada a amostra de uma nova liga metálica, o resultado obtido no difratograma é analisado comparando os “picos” obtidos dessa nova liga com as fichas já conhecidas e catalogadas dos materiais.
Por exemplo, um determinado tratamento aplicado no titânio resulta em uma estrutura porosa. Essa estrutura é analisada no difratograma para verificar os materiais que se formaram (se existe hidroxiapatita, por exemplo). Na pesquisa de Resende et al . (2007) sobre biomateriais, foi realizada uma análise com o difratograma em uma amostra de titânio (Ti), em que foi observada a presença de precipitação do fosfato octacálcio (OCP).
Figura 3.5 - Dados coletados em um difratograma de raio X
Fonte: Resende et al. (2007, on-line).
Para identificar a presença de um material em uma amostra, são analisados os picos e o respectivo ângulo (eixo 2θ), pois cada elemento possui uma resposta única no difratograma, uma identidade (definida nas fichas catalográficas de cada elemento). Ao comparar esses picos das fichas catalográficas, é possível identificar os elementos presentes,como na imagem anterior, em que foi verificada a presença de precipitação do fosfato octacálcio (OCP). Essa precipitação ocorreu após as amostras de titânio terem sido submersas em soluções que reproduzem os fluidos corporais humanos.
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O Brasil possui um acelerador de partículas no laboratório de Luz Síncrotron que possibilita o uso da mais alta tecnologia aplicada na análise de amostras orgânicas e inorgânicas. Nesse laboratório, há diversas pesquisas sendo realizadas pelos cientistas que, nesse local, desenvolvem suas teses e dissertações. Além disso, o laboratório fornece a possibilidade de ensaios para pesquisadores de outras instituições de pesquisa.
Para conhecer mais sobre o Sirius, acesse o vídeo a seguir.
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A caracterização dos materiais é necessária para sua descrição, seja para analisar um material conhecido após ter sido submetido a novas condições – como o biomaterial do trabalho de Resende et al . (2007) –, seja para analisar o comportamento de um novo material, como um compósito.
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Além de ensaios de tensão-deformação, dureza, microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura e difratograma, há o ensaio tribológico. Tribologia é a área de estudo que analisa o atrito dos materiais. Um ensaio tribológico consiste em definir os coeficientes de atrito de um material. Nesse sentido, assinale a alternativa que indica qual dos ensaios de caracterização necessita da metalização das amostras.
Parte superior do formulário
a) Ensaio de tração.
b) Raio X.
c) Microscopia óptica.
d) Microscopia eletrônica de varredura.
e) Difratograma.
Parte inferior do formulário
Estudos de Casos: Seleção de Materiais
Os estudos de caso possibilitam uma internalização dos conceitos de forma mais eficaz, pois apresentam a sua aplicação à realidade. Isso permite uma melhor compreensão dos assuntos teóricos e facilita a visualização das possibilidades envolvidas na vida profissional.
reflita
Reflita
Qual a importância dos estudos de caso? Quando se trata da análise de vários objetivos que um produto precisa contemplar, mais complexa é a seleção de materiais.
Não há como decorar todas as propriedades de todos os materiais, mas saber como utilizar as informações conhecidas pela sociedade (já descobertas) e aprender com erros do passado contribui para o processo de seleção de materiais.
Materiais para Edifícios
Em todas as áreas, bem como nas seleções de materiais, há uma preocupação quanto aos impactos ao meio ambiente. Essa preocupação também ocorre na construção civil, em específico, na seleção de materiais para construção de edifícios.
A pesquisa de Dias (2012) teve como objetivo a seleção de materiais mais sustentáveis para a construção de um edifício. Primeiro, foram revisados todos os fatores que definem a sustentabilidade na construção civil e, depois, foram utilizadas ferramentas para análise de sustentabilidade dos materiais. As ferramentas utilizadas para a análise da sustentabilidade foram métodos estrangeiros, como o “ NF Bâtiments Tertiaires – Démarche HQE ”, que é um método francês desenvolvido para a Associação Francesa de Normatização (AFNOR).
Alguns dos métodos puderam ser aplicados com o uso de ferramentas digitais. Algumas metodologias utilizadas permitiram a flexibilização dos critérios, como ajustar condições climáticas. Isso foi possível em ferramentas como a que utilizava a metodologia CASBEE, que é uma metodologia japonesa, desenvolvida em 2002, e atualizada periodicamente. Os possíveis materiais passaram pela análise de sustentabilidade (em que foram verificados fatores como durabilidade, reuso e geração de resíduos), bem como análise das necessidades conforme projeto arquitetônico e características do terreno.
O projeto arquitetônico contempla corredores que facilitam a circulação de ar e aberturas nas fachadas para aproveitar a luminosidade natural. A maior parte da estrutura que dá sustentação ao edifício foi projetada em aço. No que diz respeito aos critérios de sustentabilidade, o aço é totalmente reciclável, podendo ser reaproveitado diversas vezes sem perda das características mecânicas. Além disso, o fato de ser pré-fabricado reduz os resíduos na construção.
Nas estruturas de concreto armado, foi utilizado cimento Portland III, pois, de todas as opções, era o que permitia maior aproveitamento de resíduos. A cobertura em forma de abóbada foi construída com telha metálica termoacústica, que consiste na combinação de duas telhas metálicas preenchidas internamente com material isolante (nesse caso, foi utilizada lã de rocha). Sobre essa estrutura foi construída uma estrutura de telhado verde modular, o que resultou em melhoria do conforto térmico. A estrutura modular do telhado verde era composta de PET reciclado (polietileno tereftalato), de EVA reciclado (poliacetato de etileno vinil) e cimento Portland.
As paredes internas do edifício foram construídas utilizando tijolos de solo-cimento, que são produzidos por prensagem, sem a necessidade de gasto energético com seu cozimento. Além disso, é um modelo com vários tipos modulares, o que reduz os resíduos na construção. Devido ao seu design, facilitam a instalação elétrica e hidráulica. Os tijolos só foram revestidos nos banheiros com peças cerâmicas. Na fachada do prédio, eles foram tratados com pintura hidrofugante a base de água, para aumentar a vida útil e porque a pintura hidrofugante não emite substâncias poluidoras do meio ambiente.
Segundo Dias (2012, p. 59),
especificou-se o granilite como revestimento do piso [...] por alcançar longa vida útil, chegando a durar mais de 40 anos – muito acima do que a NBR 15575 estabelece como vida útil de projeto superior para revestimentos internos em edificações habitacionais –, de fácil manutenção e custo razoável. O granilite é composto por grânulos de minerais (mármore, granito, quartzo e calcário, misturados ou não), cimento (comum ou branco), somados a areia e água, e pode ser polido, com acabamento liso e camada de resina.
Já para os corrimões e os guarda-corpos da parte interna do piso superior foi selecionada a madeira certificada e tratada.
Materiais para Volantes
O volante que o usuário está acostumado a utilizar no cotidiano é aquele que permite a quem dirige um automóvel definir a direção a ser seguida. Esse volante pode ser confeccionado em diversos materiais que agregam estética e conforto ao usuário.
Na pesquisa de Tafarello (2013), foi avaliado o compósito híbrido na fabricação do volante para um protótipo de veículo para ambientes acidentados com obstáculos (Projeto Baja SAE). O compósito utilizado foi o carbono/aramida, com o reforço sendo a manta de fibra de carbono com fibras contínuas e teor de carbono de 94%. A escolha do compósito ocorreu para atender aos objetivos de reduzir a massa, proporcionar boa relação resistência/peso, contribuir para a ergonomia e proporcionar melhor desempenho e controle direcional. Foi utilizada a técnica de laminação com 80% de fibra de carbono e 20% de fibra de vidro, de forma que as camadas externas fossem sempre compostas por duas camadas de carbono, unidas por resina epóxi (cujo nome comercial é Araldite 5052). O material do núcleo do volante foi espuma expansiva de poliuretano. A escolha da espuma ocorreu em função de baixa condutividade térmica, baixa densidade e estabilidade dimensional.
A metodologia consistiu em utilizar um molde fêmea para facilitar a laminação manual em bolsa de vácuo. A cura durou 4 horas em estufa para materiais compósitos a 60° C. A bolsa de vácuo facilitou a impregnação da resina, por isso foi utilizada na cura das amostras.
Figura 3.6 - Laminação no molde fêmea para fabricação do volante com compósito
Fonte: Tafarello (2013, p. 36).
Utilizando o molde, foi realizada a laminação de duas partes para, depois, preencher o interior com a espuma de poliuretano. Em seguida, tudo foi unido utilizando resina. Após a cura, a peça foi lixada em água antes de ser encaminhada para a aplicação do verniz e finalização com aplicação de recortes de borracha para apoiodas mãos. Segundo Tafarello (2013, p. 38),
o processo de fabricação se mostrou eficiente, dentro dos recursos disponíveis para a equipe e o produto final atingiu seu objetivo de ergonomia, desempenho mecânico e redução de massa de 318,0 g do volante anterior, que era modelo comercial fabricado em alumínio. [...] O compósito vidro/carbono (20%80%) apresentou resultados satisfatórios atendendo às necessidades de projeto. A peça foi validada em 4 competições do protótipo Guará, somando mais de 14 horas de enduro, onde há constante solicitações de esforço.
Após todas as utilizações do volante nas competições, a peça não foi comprometida, não foram encontradas trincas nem delaminações no volante. Com isso, concluiu-se que a técnica e a seleção dos materiais utilizados atenderam às necessidades iniciais.
Os volantes podem ser produzidos por meio da combinação de vários materiais, como polímeros, aço, compósitos, fibra de carbono, alumínio, couro e até madeira. Além das funções técnicas, também são considerados os aspectos estéticos e de conforto. No que tange ao conforto, são considerados os aspectos técnicos relacionados à ergonomia, ou seja, que proporcionam ao usuário manobrar sem se cansar e sem desconforto.
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Vamos Praticar
Leia o trecho a seguir.
Segundo Fonseca (2016, p. 57), “o estudo de caso é uma das muitas maneiras de se fazer pesquisa. Experimentos, levantamentos, pesquisas históricas e análise de informações em arquivos são alguns exemplos de outras maneiras de se realizar pesquisa. O estudo de caso é a estratégia escolhida ao se examinarem acontecimentos contemporâneos”.
FONSECA, M. P. (Org.). Engenharia de Produção : coletânea de artigos científicos. V. 2. [S.l.]: Solapur (INDIA) & Lulu Books, 2016.
Assinale a alternativa que apresenta corretamente qual o principal fator da importância do estudo de caso.
Parte superior do formulário
a) Apresentar os erros recorrentes.
b) Restringir a área de estudo.
c) Mostrar as diversas opções de materiais como um catálogo.
d) Direcionar o estudo teórico para uma área específica.
e) Facilitar a compreensão de conceitos teóricos.
Parte inferior do formulário
Múltiplas Restrições e Objetivos Conflitantes
Quando se trata de seleção de materiais, há a possibilidade de que, dentro dos objetivos, ocorra a necessidade de avaliar múltiplas variáveis e, dentre essas variáveis, podem existir várias restrições. Pode haver a necessidade de atender a objetivos conflitantes, ou seja, aqueles que surgem com a análise das especificações dos materiais e que se contradizem de alguma forma.
Seleção com Múltiplas Restrições
A seleção de materiais para atender a um projeto que demanda múltiplas variáveis envolve múltiplas restrições, que dizem respeito aos valores que não podem ser ultrapassados para todos os objetivos definidos para o produto.
Existem diversas  técnicas sistematizadas que fornecem ferramentas para realizar uma avaliação sistematizada quando há uma seleção de materiais com múltiplas restrições (AMARAL, et al . 2006).
É importante destacar que:
As situações de projeto também são diferentes: o projeto de um produto novo ou o reprojeto de produto existente, e mesmo que a seleção de materiais e processos seja normalmente pensada em termos do desenvolvimento de um novo produto, existem muitas razões para se revisarem os tipos de materiais e processos usados em um produto existente. Essas razões incluem as vantagens obtidas com novos materiais e processos; a melhoria do desempenho em serviço, incluindo aumento de vida e confiabilidade mais elevada; o atendimento de novas exigências legais; mudanças nas condições de operação; redução de custo; melhora de desempenho e competitividade (AMARAL, et al. 2006, p. 267).
A seguir, veja um exemplo de sistematização da seleção de materiais segundo Amaral et al . (2006):
Figura 3.7 - Um exemplo de seleção de material sistematizada
Fonte: Adaptada de Amaral et al. (2006, p. 267).
Depois de definir os requisitos que o produto e o material deverão atender, essas condições são representadas em forma de variáveis críticas do material com definição dos valores máximos ou mínimos que serão admitidos. Existem vários materiais disponíveis no mercado. Após selecionar um conjunto de materiais para analisar de forma mais aprofundada, as múltiplas variáveis são averiguadas por meio de técnicas de otimização.
Otimização é uma área da matemática que utiliza conceitos como álgebra linear e álgebra não linear para obter respostas - como um processo de tomada de decisão em que se obtém o valor ótimo que atenda aos requisitos iniciais. Há diversos métodos para a aplicação de otimização que podem contribuir para a análise das múltiplas restrições, inclusive quando ocorrem objetivos conflitantes.
Objetivos Conflitantes
Objetivos conflitantes ocorrem quando um objetivo inicial do projeto é atendido anulando outro objetivo inicial. Quando isso ocorre, é necessário encontrar um ponto de equilíbrio, isto é, uma solução parcial para os dois critérios conflitantes. Dentre os métodos clássicos de otimização, destaca-se o método de Algoritmos Genéticos. Eles são práticos para analisar e otimizar casos com múltiplas funções/restrições com objetivos conflitantes.
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Os Algoritmos Genéticos podem ser aplicados em diversas áreas do conhecimento, principalmente nas que envolvem análise de um grupo com diversas características distintas. Para saber mais sobre esse método, como definições, exemplos e aplicações, acesse o link a seguir.
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Um exemplo de conflito de propriedades esperadas é quando se busca tenacidade e resistência mecânica ao mesmo tempo. Nesse caso, é necessário encontrar um ponto de equilíbrio, analisando quão tenaz e qual a resistência mecânica é aceitável que o material seja.
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Leia o trecho a seguir.
“Os fornecedores e compradores normalmente têm objetivos diferentes e conflitantes. Por exemplo, uma maior flexibilidade é um objetivo essencial quando os compradores terceirizam a fabricação de diversos componentes. Isto implica maior habilidade de equilibrar oferta e demanda por meio de um ajuste de taxas de produção, de acordo com a necessidade. Infelizmente, este objetivo está em conflito direto com os objetivos do fornecedor de compromisso estável de longo prazo com os compradores”.
SIMCHI-LEVI, D.; KAMINSKI, P.; SINCHI-LEVI, E. Cadeia de suprimentos projeto e gestão : conceitos, estratégias e estudos de caso. São Paulo: Editora Bookman, 2010. p. 336.
Diante do apresentado, assinale a alternativa que indica corretamente qual tipo de estratégia pode ser aplicada para solucionar problemas com múltiplas restrições e objetivos conflitantes.
Parte superior do formulário
a) Otimização.
b) Caracterização.
c) Estudo de caso.
d) Modularidade.
e) Pesquisa bibliográfica.
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Seleção de Material e Forma
Tratar da seleção de material e forma significa, além de analisar as características da peça, compreender que alguns materiais apresentam características de resistência diferentes, de acordo com o formato em que serão utilizados. Isso influenciará a escolha desse material em uma seleção de materiais.
Hoje em dia, é muito comum o uso de aço nas construções. Contudo, no início da utilização desse material, ocorreram alguns problemas - muitos, inclusive, nem tinham relação com o material utilizado, mas sim com as relações entre empresários e operários.
Fatores de Forma
Um material pode apresentar características diferentes, de acordo com o formato que é utilizado. Um exemplo disso é o aço utilizado para fabricar vigas para a construção civil. As vigas de aço podem ser fabricadas em diversos formatos. Realizando um corte transversal a viga apresentará um determinado formato denominado como “perfil da viga”.
O fator de forma f� depende do momento plástico Mp�� e do momento de escoamento My��, isso quando é analisada a flexão inelástica, em que: f=MpMy�=���� (UGURAL, 2009, p. 311).
O momento plástico descreve o escoamento do aço em todo o perfil da viga, ou seja, é o escoamentopassando por toda seção transversal.
O fator de forma é diferente para perfis diferentes de mesmo material, conforme representado no diagrama a seguir:
Figura 3.8 - Diagrama momento-curvatura para diferentes perfis com fator de forma
Fonte: Ugural (2009, p. 295).
Nesse diagrama, temos uma curva que representa o fator de forma para perfis circulares e outra curva para perfis retangulares. Observe que, após o início do escoamento, o fator de forma se comporta diferente em função da forma. Ressalta-se que, mesmo dentro de um mesmo formato, há variações conforme as dimensões. Por isso, existem tabelas que descrevem diversos índices do material conforme a forma.
Índice de Materiais que Incluem Forma
O estudo das tensões em vigas de aço utiliza o fator de forma, sendo considerado: o formato da seção transversal da viga e o perfil, que pode se apresentar de várias maneiras.
As vigas podem apresentar cinco tipos de perfis: perfil W (abas largas), perfil S, perfil C, perfil L (abas iguais) e perfil L (abas desiguais). Observe a figura a seguir com a representação dos perfis e suas respectivas orientações cartesianas:
Figura 3.9 - Perfis das vigas
Fonte: Adaptada de Ugural (2009, p. 600-609).
Para cada tipo de perfil, há uma tabela de valores correspondente. Em algumas fontes bibliográficas, as tabelas são apresentadas conforme o padrão americano, utilizando o sistema inglês de unidades (muito comum nos Estados Unidos), em que o perfil de abas largas é designado pela letra W�, seguida da altura nominal (em milímetros) e da massa (em quilogramas por metro). Nas tabelas de fator de forma, o momento de inércia está 106mm4106��4, considerando as unidades no Sistema Internacional de Unidades. A seguir, veja as propriedades dos perfis W� de vigas de aço com seções de abas largas, conforme o Sistema Internacional de Unidades.
	Propriedades dos Perfis W de aço, seções de Abas Largas (Unidades do SI)
	Designação
	Área, 10³ mm³
	Altura mm
	Abas
	Espessura das Abas, mm
	Eixo x-x
	Eixo y-y
	
	
	
	Largura mm
	Espessura mm
	
	I 106mm4106��4
	r mm��
	S 103 mm3103 ��3
	I 106mm4106��4
	r mm��
	W 920
	x 446
	57000
	933
	423
	42,70
	24,00
	8470
	385
	18200
	540
	97,3
	
	x 201
	25600
	903
	304
	20,10
	15,20
	3250
	356
	7200
	94,4
	60,7
	W 760
	x 257
	32600
	773
	381
	27,10
	16,60
	3420
	324
	8850
	250
	87,6
	
	x 147
	18700
	753
	265
	17,00
	13,20
	1660
	298
	4410
	52,9
	53,2
	W 610
	x 155
	19,7
	611
	324
	19,00
	12,70
	1290
	256
	4220
	108
	73,9
	
	x 125
	15,9
	612
	229
	19,60
	11,90
	985
	249
	3220
	39,3
	49,7
	W 530
	x 150
	19200
	543
	312
	20,30
	12,70
	1010
	229
	3720
	103
	73,2
	
	x 92
	11800
	533
	209
	15,60
	10,20
	552
	216
	2070
	23,8
	44,9
	W 460
	x 158
	20,1
	476
	284
	23,90
	15,00
	795
	199
	3340
	91,6
	67,6
	
	x 74
	9,48
	457
	190
	14,50
	9,00
	333
	188
	1457
	16,7
	41,9
	
	x 52
	6,65
	450
	152
	10,80
	7,60
	212
	179
	942
	6,4
	31
	W 410
	x 114
	14,6
	420
	261
	19,30
	11,60
	462
	178
	2200
	57,4
	62,7
	
	x 85
	10,8
	417
	181
	18,20
	10,90
	316
	171
	1516
	17,9
	40,6
	
	x 60
	7,61
	407
	178
	12,80
	7,70
	216
	168
	1061
	12
	39,9
	W 360
	x 216
	27,5
	375
	394
	27,70
	17,30
	712
	161
	3800
	282
	101,1
	
	x 122
	15,5
	363
	257
	21,70
	13,00
	367
	154
	2020
	61,6
	63
	
	x 79
	10,1
	354
	205
	16,80
	9,40
	225
	150
	1271
	24
	48,8
	W 310
	x 107
	13,6
	311
	306
	17,00
	10,90
	248
	135
	1595
	81,2
	77,2
	
	x 74
	9,48
	310
	205
	16,30
	9,40
	164
	132
	1058
	23,4
	49,8
	
	x 52
	6,65
	317
	167
	13,20
	7,60
	119
	133
	748
	10,2
	39,1
	W 250
	x 80
	10,2
	256
	255
	15,60
	9,40
	126
	111
	985
	42,8
	65
	
	x 67
	8,58
	257
	204
	15,70
	8,90
	103
	110
	803
	22,2
	51,1
	
	x 49
	6,26
	247
	202
	11,00
	7,40
	70,8
	106
	573
	15,2
	49,3
Tabela 3.1 - Tabela perfil W para cálculo do fator de forma
Fonte: Adaptada de Ugural (2009, p. 601).
A seguir, as propriedades dos perfis S� de vigas de aço conforme o Sistema Internacional de unidades:
	Propriedades dos Perfis S de aço, seções de abas largas (unidades do SI)
	Designação
	Área, 10³ mm³
	Altura mm
	Abas
	Espessura das Abas, mm
	Eixo x-x
	Eixo y-y
	
	
	
	Largura mm
	Espessura mm
	
	I 106mm4106��4
	r mm��
	S 103 mm3103 ��3
	106mm4106��4 I
	r mm��
	S 610
	x 180
	22,9
	622
	204
	27,70
	20,30
	1320
	240
	4240
	34,9
	39
	
	x 158
	20,1
	622
	200
	27,70
	15,70
	1230
	247
	3950
	32,5
	39,9
	
	x 149
	19
	610
	184
	22,10
	19,00
	995
	229
	3260
	19,9
	32,3
	
	x 119
	15,2
	610
	178
	22,10
	12,70
	878
	241
	2880
	17,6
	34
	S 510
	x 141
	18
	508
	183
	23,30
	20,30
	670
	193
	2640
	20,7
	33,8
	
	x 128
	16,4
	516
	179
	23,40
	16,80
	658
	200
	2550
	19,7
	34,4
	
	x 112
	14,3
	508
	162
	20,10
	16,30
	533
	193
	2100
	12,3
	29,5
	
	x 98,3
	12,5
	508
	159
	20,20
	12,80
	495
	199
	1950
	11,8
	30,4
	S 460
	x 104
	13,3
	457
	159
	17,60
	18,10
	385
	170
	1685
	10
	27,4
	
	x 81
	10,4
	457
	152
	17,60
	11,70
	335
	180
	1466
	8,66
	29
	S 380
	x 74
	9,5
	381
	143
	15,80
	14,00
	202
	146
	1060
	6,53
	26,2
	
	x 64
	8,13
	381
	140
	15,80
	10,40
	186
	151
	977
	5,99
	27,2
	S 310
	x 74
	9,48
	305
	139
	16,80
	17,40
	127
	116
	833
	6,53
	26,2
	
	x 60,7
	7,73
	305
	133
	16,70
	11,70
	113
	121
	741
	5,73
	26,8
	
	x 52
	6,64
	305
	129
	13,80
	10,90
	95,3
	120
	625
	4,11
	24,9
	S 250
	x 52
	6,64
	254
	126
	12,50
	15,10
	61,2
	96
	482
	3,48
	22,9
	
	x 38
	4,81
	254
	118
	12,50
	7,90
	51,6
	103
	406
	2,83
	24,2
	S 200
	x 34
	4,37
	203
	106
	10,80
	11,20
	27
	78,7
	266
	1,79
	20,3
	
	x 27
	3,5
	203
	102
	10,80
	6,90
	24
	82,8
	236
	1,55
	21,1
Tabela 3.2 - Tabela perfil S para cálculo do fator de forma
Fonte: Adaptada de Ugural (2009, p. 602).
Conforme o Instituto Americano  de Construção em Aço, uma viga de padrão americano é definida pela letra S�, em que A� é a área, I� é o momento de inércia, S� é o módulo de resistência e r� é o raio de giração, com r=IA−−√�=��.
A seguir, a tabela com os dados do perfil C:
	Propriedades dos Perfis C de aço, seções de abas largas (unidades do SI)
	Designação
	Área, 10³ mm³
	Altura mm
	Abas
	Espessura das Abas, mm
	Eixo x-x
	Eixo y-y
	
	
	
	Largura mm
	Espessura mm
	
	I 106mm4106��4
	r mm��
	S 103mm3103��3
	I 106mm4106��4
	r mm
	x−�− mm
	C 380
	x 74
	9,48
	381
	94
	16,50
	18,20
	168
	133
	883
	4,58
	22
	20,3
	
	x 60
	7,61
	381
	89
	16,50
	13,20
	145
	138
	763
	3,84
	22,5
	19,8
	
	x 50
	6,43
	381
	86
	16,50
	10,20
	131
	143
	688
	3,38
	23
	20
	C 310
	x 45
	5,69
	305
	80
	12,70
	13,00
	67,4
	109
	442
	2,14
	19,4
	17,1
	
	x 37
	4,74
	305
	77
	12,70
	9,80
	59,9
	113
	393
	1,86
	19,8
	17,1
	
	x 31
	3,93
	305
	74
	12,70
	7,20
	53,5
	117
	352
	1,62
	20,3
	17,7
	C 250
	x 45
	5,69
	254
	76
	11,10
	17,10
	42,9
	86,9
	338
	1,64
	17
	16,5
	
	x 37
	4,74
	254
	73
	11,10
	13,40
	38
	89,4
	299
	1,4
	17,2
	15,7
	
	x 30
	3,78
	254
	69
	11,10
	9,60
	32,8
	93
	258
	1,17
	17,6
	15,4
	C 230
	x 30
	3,8
	229
	67
	10,50
	11,40
	25,4
	81,8
	222
	0,997
	16,2
	14,7
	
	x 22
	2,84
	229
	63
	10,50
	7,20
	21,2
	86,4
	185
	0,796
	16,7
	14,9
	
	x 19,9
	2,53
	229
	61
	10,50
	5,90
	19,8
	88,5
	173
	0,708
	16,7
	15
	C 200
	x 28
	3,56
	203
	64
	9,90
	12,40
	18,3
	71,6
	180
	0,82
	15,2
	14,4
	
	x 21
	2,61
	203
	59
	9,90
	7,70
	15
	75,9
	148
	0,64
	15,6
	14,1
	
	x 17
	2,18
	203
	57
	9,90
	5,60
	13,6
	79
	134
	0,55
	15,9
	14,5
Tabela 3.3 - Tabela perfil C para cálculo do fator de forma
Fonte: Adaptada de Ugural (2009, p. 605).
A seguir, a tabela com os dados do perfil L com abas iguais:
	Dimensões e espessura mm
	Massa kg/m
	Área, 10³ mm³
	Eixos x-x ou y-y
	Eixo z-z
	
	
	
	I 106mm4106��4
	r mm��
	S 103 mm3103 ��3
	x−�− ou y−�− mm��
	r mm��
	L 203
	x 203
	x 25,4
	75,9
	9,68
	37
	61,80
	259
	60,2
	39,6
	
	
	x 19
	57,9
	7,36
	29
	62,80
	200
	57,9
	40,1
	
	
	x 12,7
	39,3
	5
	20,2
	63,60
	137
	55,6
	40,4
	L 152
	x 152
	x 25,4
	55,7
	7,1
	14,8
	45,60
	140,4
	47,2
	29,7
	
	
	x 15,9
	36
	4,59
	10,1
	46,80
	92,8
	43,9
	30
	
	
	x 9,5
	22,2
	2,8
	6,41
	47,80
	57,8
	41,7
	30,2
	L 127
	x 127
	x 19
	35,1
	4,48
	6,53
	38,20
	74,2
	38,6
	24,8
	
	
	x 12,7
	24,1
	3,07
	4,7
	39,20
	51,8
	36,3
	25
	
	
	x 9,5
	18,3
	2,33
	3,64
	39,50
	39,7
	35,3
	25,1
	L 102
	x 102
	x 1927,5
	3,51
	3,19
	30,10
	46
	32,3
	19,8
	
	
	x 12,7
	19
	2,42
	2,31
	30,90
	32,3
	30
	19,9
	
	
	x 6,4
	9,8
	1,25
	1,27
	31,80
	17,2
	27,7
	20,2
	L 89
	x 89
	x 12,7
	16,5
	0,21
	1,52
	26,90
	24,5
	26,9
	17,4
	
	
	x 9,5
	12,6
	1,6
	1,2
	27,30
	18,9
	25,7
	17,5
	
	
	x 64
	8,6
	1,09
	0,84
	27,70
	13
	24,6
	17,6
	L 76
	x 76
	x 12,7
	14
	1,77
	0,92
	22,80
	17,5
	23,7
	14,8
	
	
	x 9,5
	10,7
	1,35
	0,725
	23,20
	17,5
	22,5
	14,9
	
	
	x 6,4
	7,3
	0,93
	0,52
	23,60
	9,46
	21,4
	15
Tabela 3.4 - Tabela perfil L abas iguais para cálculo do fator de forma
Fonte: Adaptada de Ugural (2009, p. 607).
Observe que no perfil L com abas iguais, além das orientações para os eixos x e y, há, também, a orientação do eixo de rotação z (esse é o eixo de rotação e não o eixo cartesiano que representa profundidade), sendo o ângulo entre o eixo x e z igual a 45°.
A seguir, a tabela com os dados do perfil L com abas desiguais:
	Propriedades dos Perfis L de aço, cantoneira de abas desiguais (unidades do SI)
	Dimensões e espessura mm
	Massa kg/m
	Área, 10³ mm³
	Eixos x-x
	Eixo y-y
	
	Eixo z-z
	
	
	
	I 106mm4106��4
	r mm��
	S 103mm3103��3
	y− mm�− ��
	I 106mm4106��4
	r mm��
	x− mm�− ��
	r mm��
	tan θρ��
	L 203
	x 152
	x 25,4
	65,5
	8,39
	33,6
	63,30
	247
	67,3
	16,2
	43,9
	41,9
	32,5
	0,543
	
	
	x 19
	50,1
	6,38
	26,2
	64,10
	190
	65,1
	12,7
	44,6
	39,6
	32,7
	0,551
	
	
	x 12,7
	34,1
	4,35
	18,4
	65,10
	131
	62,7
	9,03
	45,6
	37,3
	33
	0,558
	L 152
	x 102
	x 19
	35
	4,48
	10,2
	47,70
	102,4
	52,8
	3,61
	28,4
	27,4
	21,8
	0,428
	
	
	x 12,7
	24
	3,06
	7,2
	48,50
	70,8
	50,3
	2,64
	29,4
	25,3
	22,2
	0,446
	
	
	x 9,5
	18,2
	2,33
	5,62
	49,10
	54,4
	49,3
	2,04
	29,6
	23,9
	22,3
	0,446
	L 127
	x 76
	x 12,7
	19
	2,42
	3,93
	40,30
	47,7
	44,5
	1,07
	21,1
	19,1
	16,5
	0,357
	
	
	x 9,5
	14,5
	1,84
	3,06
	40,80
	36,6
	43,3
	0,841
	21,4
	17,8
	16,6
	0,362
	
	
	x 6,4
	9,8
	1,25
	2,13
	41,20
	25,1
	42,2
	0,6
	21,9
	16,7
	16,8
	0,371
	L 102
	x 76
	x 12,7
	16,4
	2,1
	2,1
	31,60
	31
	33,8
	1,01
	21,9
	21
	16,2
	0,543
	
	
	x 9,5
	12,6
	1,6
	1,66
	32,20
	24
	32,8
	0,792
	22,2
	19,8
	16,3
	0,545
	
	
	x 6,4
	8,6
	1,09
	1,15
	32,50
	16,4
	31,5
	0,57
	22,8
	18,7
	16,5
	0,558
	L 89
	x 64
	x 12,7
	13,9
	1,8
	1,35
	27,60
	23,1
	30,5
	0,57
	17,9
	17,9
	13,6
	0,486
	
	
	x 9,5
	10,7
	1,36
	1,07
	28,00
	18
	29,5
	0,463
	18,5
	16,9
	13,8
	0,503
	
	
	x 6,4
	7,3
	0,93
	0,75
	28,40
	12,4
	28,2
	0,32
	18,7
	15,6
	13,8
	0,506
Fonte: fonte da tabela
Observe que no perfil L com abas desiguais, além das orientações para os eixos x e y, há, também, a orientação do eixo z, sendo o ângulo θ entre o eixo x e z. Com θ variando de valor, conforme a diferença entre o tamanho das abas.
Essas tabelas são utilizadas para o cálculo de fator de forma, dentre outras aplicações, como o cálculo de tensão de cisalhamento. Por isso, é importante compreender os valores representados.
· A inércia I refere-se às tensões e às deformações que aparecem por flexão, definindo a resistência estrutural sob flexão.
· Nas vigas de perfil W ou S, a inércia Ix�� é sempre maior que a Iy��, em função da diferença da altura e da quantidade de seção transversal que estão mais afastadas do eixo. Por isso, sempre se considera fletindo no eixo x por ter maior inércia. Isso porque, nos eixos das seções com menores momentos de inércia, as vigas tendem a sofrer flexões nesse eixo.
· O raio de giração é igual a raiz quadrada do momento de inércia pela área da superfície. Ele pode ser analisado para o eixo x com rx�� ou em relação ao eixo y com ry��.
As flexões tendem a ocorrer nos eixos das seções com menores momentos de inércia, como quando uma régua é comprimida. Nesse sentido, aparece o embarrigamento na seção da régua com menor inércia.
Dependendo da aplicação que surgir durante a atividade profissional, os valores das tabelas poderão ser aplicados em outras circunstâncias, utilizando os demais valores tabelados. Este é um assunto muito vasto, sendo aprofundado na área de estudo conhecida como resistência dos materiais.
praticar
Vamos Praticar
No estudo da seleção de materiais, temos que analisar a influência da forma na resistência do material, visto que alguns materiais apresentam resistência diferente conforme a forma em que são utilizados. Um exemplo disso é o caso das vigas de aço, que possuem variação de acordo com o formato (perfis) e as dimensões desses perfis. Nesse sentido, qual dos perfis de viga apresenta várias possibilidades de ângulo θ, entre o eixo x e o eixo de rotação z?
Parte superior do formulário
a) Perfil W.
b) Perfil S.
c) Perfil L de abas desiguais.
d) Perfil C.
e) Perfil L de abas iguais.
Parte inferior do formulário
indicações
Material Complementar
FILME
Gigantes da Indústria - Episódio 4
Ano : 2013
Comentário : O aço é um material que apresenta fator de forma e é muito utilizado como material na construção de edifícios. A série Gigantes da indústria apresenta, em seu episódio 4 (“Derramamento de sangue”), o início da construção de arranha-céus utilizando aço na estrutura. Ela mostra, ainda, como os conflitos entre os empresários da época influenciaram as tomadas de decisões.
Para conhecer mais sobre a série, acesse o trailer a seguir.
TRAILER
LIVRO
Elementos de Máquinas de Shigley
Editora : MC Graw-Hill
Richard G. Budynas e J. Keith Nisbett
ISBN : 9780073398204/0073398209
Comentário : Os materiais, em especial os com fatores de forma, são analisados em uma área específica que é denominada de “elementos de máquinas”, foco de estudo desta obra. Este livro teve sua 10ª edição lançada em 2016 e trata de diversas aplicações sobre materiais, incluindo o fator de forma. Ele apresenta exemplos e o conteúdo é desenvolvido de forma clara e precisa, facilitando, assim, o aprendizado dessa área tão complexa que é a dos elementos de máquinas.
conclusão
Conclusão
Novos materiais precisam ser devidamente caracterizados tanto para que seus atributos sejam conhecidos quanto para que se possa ter uma noção de como eles se comportarão. Além das características de composição e resistência do material, é necessário analisar a forma como ele será submetido para a criação do produto. Isso porque seu formato e dimensões também interferem no comportamento da peça. Há, inclusive, uma área de estudo voltada essencialmente para a análise dos fatores de forma dos materiais. Eles relacionam as dimensões e o formato para verificar como o objeto irá se comportar em situações de flexão, por exemplo. Todos esses aspectos são analisados na seleção de materiais, o que pode ser associado com diversos outros fatores, podendo acarretar uma análise de múltiplas restrições.
referências
Referências Bibliográficas
AMARAL, D. C. et. al . Gestão de desenvolvimento de produtos : uma referência para a melhoria do processo. São Paulo: Editora Saraiva, 2006.
BARA, R. P. Aplicação de materiais sorventes alternativos para a limpeza de águas contaminadas por óleos . Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica)   – Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2011.
DIAS, B. Z. Seleção de materiais mais sustentáveis : aplicação no edifício do núcleo de estudos multidisciplinares do centro de artes da UFES. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Arquitetura e Urbanismo) – Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, 2012. Disponível em: http://lpp.ufes.br/sites/lpp.ufes.br/files/field/anexo/pg20230230_0.pdf . Acesso em: 9 maio 2020.
FONSECA, M. P. (Org.). Engenharia de Produção : coletânea de artigos científicos. V. 2. [S.l.]: Solapur (INDIA) & Lulu Books, 2016.
LIMA, E. G. de. Dicionário de termos e nomenclaturas em nanotecnologia e novas ciências . Estudos Acadêmicos. Rio de Janeiro: Abril, 2005.
LOBO, G. 9 técnicas de caracterização de materiais . Disponível em: https://fluxoconsultoria.poli.ufrj.br/blog/projetos-mecanicos/9-tecnicas-de-caracterizacao-de-materiais/ . Acesso em: 16 maio 2020.
RESENDE, C. X.; PLATT, G. M., BASTOS, I. N.; SOARES, G. D. A. Estudo teórico e experimental da solução avaliadora de bioatividade (SAB). Revista Matéria , v. 12, n. 2, 2007. Disponível em: http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10907/. Acesso em: 7 maio 2020.
TAFARELLO, I. G. Processamento de peças em materiais compósitos para o projeto Baja SAE . Trabalho de conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Materiais) – Universidade Estadual Paulista, São Paulo, 2013. Disponível em: https://repositorio.unesp.br/bitstream/handle/11449/121505/000736372.pdf?sequence=1&isAllowed=y . Acesso em: 10 maio 2020.
UGURAL, A. C. Mecânica dos materiais . Rio de Janeiro: LTC, 2009.
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SELEÇÃO DE MATERIAIS MECÂNICOS
PROCESSOS, MATERIAIS COMPÓSITOS E MEIO AMBIENTE
Autor: Drª. Roberta Paye Bara
Revisor: Allan Berbert
INICIAR
introdução
Introdução
Na vida profissional de um engenheiro (de materiais, mecânico, de produção, de automação, automotivo, mecatrônico, civil, industrial mecânico e áreas afins) é necessário conhecer os processos envolvidos na fabricação de peças para analisar os aspectos logísticos e econômicos no momento do planejamento.
Além disso, é importante considerar os materiais que foram desenvolvidos nas últimas décadas, provenientes da combinação de outros, denominados compósitos. É uma tendência de pesquisa, inclusive com enfoque ambiental, pois alguns engenheiros utilizam materiais antes descartados, como a fibra de coco, que, quando utilizada na fabricação de compósitos, agrega aspectos mecânicos ao material e reduz resíduos, contribuindo para a preservação do meio ambiente.
Processos
No cotidiano profissional ligado à engenharia de materiais, ocorre, com frequência, a necessidade de adquirir um produto ou de ter que fabricar um produto, a partir de ligas metálicas. Dessa forma, é necessário atender a determinadas características mecânicas. Para isso, é importante compreender os processos envolvidos na fabricação da peça.
Classificação de Processos
Há diversos processos disponíveis para serem utilizados, sendo que a escolha fica a cargo da funcionalidade da peça, ou seja, de quais características ela deverá apresentar. Por exemplo, uma engrenagem com dentes pode ser criada a partir do processo de fundição em areia, ou fundição em molde permanente, ou conformação a frio, ou laminação a frio ou cortados com fresa (BUDYNAS, 2011).
Fundição em Areia
Esse processo consiste em moldes de areia onde é derramado o metal fundido. Esse molde de areia é confeccionado a partir de “um padrão” de metal ou madeira, como um protótipo do modelo da peça, que é utilizado para formar a cavidade na areia no formato da peça. Trata-se de um processo com baixo custo que permite moldes de diversos tamanhos (BUDYNAS, 2011).
Processos de Trabalho a quente
Todo o processo em que o metal é aquecido em alguma temperatura acima da de recristalização é considerado processo de trabalho a quente. Segundo Budynas (2011, p. 69), os processos de trabalho a quente são: laminação, forjamento, extrusão e prensagem.
A laminação a quente é comumente utilizada na fabricação de barras de aço, alumínio, ligas de cobre e magnésio, com formatos específicos de perfis, como semioval, redonda, hexagonal, em T, entre outras.
O forjamento é o processo em que é aplicada uma pressão no metal quente, por meio de ferramentas como martelo manual ou martelo pneumático. O forjamento é um processo que aumenta a resistência e a ductilidade do material.
A extrusão a quente consiste em pressionar o metal quente por uma matriz com orifícios no formato em que se deseja formar os perfis das hastes metálicas. É recomendada a extrusão para materiais com baixo ponto de fusão, por exemplo, alumínio, cobre, estanho e zinco.
Processos de Metalurgia do Pó
Consiste em utilizar materiais na forma de pó, que são pressionados em moldes e depois aquecidos (em temperaturas abaixo do ponto de fusão do principal ingrediente). Podem ser utilizados pós de um metal, de diferentes tipos de metais e até de misturas de metais e não metais. É um processo muito utilizado na reciclagem de metais. É considerado de baixo custo, contudo os moldes são caros.
Processos Térmicos do Aço
Os processos térmicos do aço modificam as propriedades de dureza, ductilidade e tenacidade. Os tratamentos térmicos do aço mais conhecidos e utilizados são: recozimento, têmpera, cementação e revenimento.
No recozimento, o metal é aquecido até superar a temperatura crítica para que o carbono das tensões residuais (provenientes de processos anteriores) se dissolva no material. O material é resfriado lentamente (geralmente deixado dentro do forno para esfriar).
Na têmpera, o material é resfriado rapidamente, de forma controlada, em água ou óleo. A água resfria mais rápido que o óleo, e isso pode gerar trincas no material.
Na cementação, o carvão puro é chamado de cemento, sendo adicionado no fundo de uma caixa metálica. Em seguida, são colocadas as peças que serão cementadas e, por último, tudo é coberto por mais carvão puro. A caixa é colocada no forno para aquecer. Nesse processo, há transferência de carbono para o material, deixando a camada externa mais dura.
Figura 4.1 - Exemplo de aço: faca com lâmina damasco (damascus steel)
Fonte: Tarmorlan / Wikimedia Commons.
No revenimento, o material é aquecido lentamente com o objetivo de reduzir as tensões residuais (como as que são geradas em corpos de prova). Depois disso, ele é deixado para esfriar lentamente ao ar.
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Aço damasco é o nome dado à combinação de aços de diferentes formatos, como pó e pregos. Antigamente, era difícil obter o aço puro, então, quando necessário, eram utilizados restos de outros materiais que, inseridos em uma estrutura (caixa), eram forjados. É possível criar padrões forjando pedaços ou sobrepondo pedaços com determinados formatos ou, ainda, torcendo o lingote. No aquecimento, os materiais se unem e formam padrões geométricos diferenciados.
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Seleção Sistemática de Processos
É possível associar mais de um processo para formar um material, por exemplo, uma faca pode ser forjada e depois passar por uma têmpera. Por isso, para poder escolher qual processo será utilizado (ou quais processos), é preciso ter clara a estrutura que se deseja formar no material ou quais propriedades se deseja alterar nele. Um corpo de prova que foi submetido a ensaios mecânicos, certamente irá apresentar tensões residuais que poderão ser aliviadas por meio do revenimento. Quando após a fabricação de um material é constatado que sua camada externa precisa ser mais dura, a cementação pode ser aplicada.
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Leia o trecho a seguir.
“A seleção efetiva de um material para determinada aplicação de projeto pode ser muito fácil, tomando-se como base, digamos, aplicações prévias (um aço 1020 sempre é um bom candidato em razão dos seus diversos atributos positivos) ou, pelo contrário, pode ser um processo complicado e de proporções enormes como acontece com qualquer problema de projeto envolvendo avaliação de muitos parâmetros físicos, de natureza econômica e de processamento dos materiais”.
BUDYNAS, R. G. Elementos de Máquinas de Shigley : Projeto de Engenharia Mecânica. Porto Alegre: AMGH, 2011. p. 82.
Considerando o processamento dos materiais, em qual processo é empregado o uso de martelos no metal quente?
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a) Forjamento.
b) Revenimento.
c) Têmpera.
d) Metalurgia do pó.
e) Extrusão.
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Compósitos
Os compósitos são materiais obtidos artificialmente pela união de dois ou mais materiais diferentes, de forma que a nível macroscópico é possível distinguir a separação entre eles. Os materiais compósitos são constituídos de duas fases, denominadas matriz e fase dispersa (também chamada de reforço). O reforço é a fibra que será utilizada; já a matriz é o que liga o reforço.
Principais Tipos de Compósitos
Os compósitos são classificados em: reforçados com partículas, reforçados com fibras, estruturais e nano. Os compósitos reforçados com partículas são subdivididos em: compósito reforçado com partículas grandes, em que a resistência mecânica é melhorada em função do reforço das partículas; e compósito reforçado por dispersão,em que quanto menor as partículas dispersas, melhor a resistência. O concreto é um exemplo de compósito com partículas grandes.
Figura 4.2 - Classificação dos compósitos
Fonte: Adaptada de Callister e Rethwisch (2018, p. 583).
Nos compósitos reforçados com fibras, a eficácia da melhoria das características mecânicas depende do comprimento da fibra, pois há uma descontinuidade nas extremidades desta.
Fase Matriz e Fase Reforço
Os materiais de natureza uniforme (isotrópicos) como os metais, possuem propriedades mecânicas como resistência e rigidez, são independentes da orientação dentro do material. Já nos compósitos a orientação das fibras altera as propriedades mecânicas. Essa alteração ocorre em função da combinação dos materiais da fase matriz e da fase de reforço, a fase matriz é a base normalmente onde são inseridas as fibras que são o reforço. A fase matriz geralmente precisa de uma cura, seja secando ou esfriando. Essa separação entre os materiais terá um comportamento similar a orientação de fibras e é essa orientação que influencia nas propriedades mecânicas dos materiais.
Há estudos específicos sobre a relação fibra-matriz, que analisam a força de ligação (resistência da ligação fibra-matriz τc��), comprimento, diâmetro (d�) e resistência da fibra (resistência à tração da fibra σf��). O comprimento crítico da fibra (lc��), definido por: lc=σf ⋅ d2τc��=�� ⋅ �2��.
A forma com que a fase dispersa está orientada na matriz determina sua classificação: fibras particuladas, fibras descontínuas aleatórias, fibras contínuas alinhadas e fibras contínuas entrelaçadas.
Figura 4.3 - Orientação das fibras da fase na matriz
Fonte: Adaptada de Budynas (2011, p. 82).
Nas fibras descontínuas aleatórias há algumas limitações na eficiência do reforço, mas, no geral, elas se comportam como um material isotrópico.
Nos compósitos com fibras contínuas e alinhadas, o reforço e a resistência são superiores quando estão na direção do alinhamento das fibras do reforço e os valores são mínimos quando submetidos a tensões na direção transversal ao alinhamento do alinhamento das fibras do reforço. Em função disso, alguns possuem várias camadas de fibras de reforço posicionadas em mais de uma direção. O módulo de elasticidade do compósito na direção do alinhamento Ecl��� (algumas referências apresentam como direção longitudinal) é definida pela relação com o módulo de elasticidade da matriz (Em��) e da fibra (Ef��), bem como da fração volumétrica da matriz (Vm��) e da fibra (Vf��), conforme a seguinte relação: Ecl=EmVm+EfVf���=����+���� (BUDYNAS, 2011; CALLISTER; RETHWISCH, 2018).
Por exemplo, considere o seguinte problema: um compósito reforçado com fibras de vidro contínuas e alinhadas, no qual a porcentagem volumétrica de fibra de vidro é de 35% v. Sabendo que o módulo de elasticidade da fibra de vidro é de 69 GPa (1 x 106106 psi) e que foi adicionado uma resina poliéster que seca e endurecida apresenta módulo de elasticidade igual a 3,4 GPa ( 1 x 106106 psi), qual o módulo de elasticidade desse compósito na direção do alinhamento?
Solução : Primeiro, é necessário verificar se temos todos os valores necessários para resolver a equação Ecl=EmVm+EfVf���=����+����. Temos que Em, Ef��, �� e Vf��. Mas se a porcentagem volumétrica da fibra é 35%v, a porcentagem volumétrica da matriz é o complementar para 100%, ou seja Vm�� = 65%v (porque só tem dois materiais).
Agora, basta substituir os valores na equação Ecl=EmVm+EfVf���=����+����.
Logo: Ecl= (3,4 GPa (1 ×106))(0,65)+(69 GPa (1 ×106))(0,35) =26,36 GPa (1 ×106psi)���= (3,4 ��� (1 ×106))(0,65)+(69 ��� (1 ×106))(0,35) =26,36 ��� (1 ×106���)
Segundo Callister e Rethwisch (2018), alguns compósitos de fibras descontínuas e alinhadas podem ter resistência de até 90% dos seus análogos com fibras contínuas. Por isso, cada vez mais tem-se utilizado e desenvolvido materiais nessa categoria. A resistência longitudinal em tração (σcd���) de compósitos com fibras descontínuas alinhadas é: σcd=σ∗f ⋅Vf(1 − lc2l)+σ′m(1 − Vf)���=��∗ ⋅��(1 − ��2�)+��′(1 − ��), na qual σ∗f��∗ é a resistência a ruptura da fibra, l� é o comprimento médio da fibra, lc ��  é o comprimento crítico da fibra, σ′m��′ é a tensão na matriz quando o compósito falha  e Vf�� é a porcentagem volumétrica da fibra no compósito.
Nos compósitos com matriz polimérica, destacam-se o uso de fibra de vidro ou fibra de carbono ou fibras de aramida.
Os compósitos com matriz polimérica reforçados por fibras de vidro apresentam resistência elevada. Por isso, são utilizados na fabricação de cascos de barcos e carrocerias de automóveis.
Os compósitos com matriz polimérica reforçados por fibras de carbono apresentam alto módulo de tração e são muito utilizados em equipamentos esportivos, como vara de pescar.
Os compósitos com matriz polimérica reforçados por fibras de aramida apresentam características mecânicas muito úteis, como o kevlar que é mais resistente que o aço e muito leve; por isso, é utilizado nos coletes a prova de bala.
Além de compósitos com matriz polimérica, é possível encontrar (ou desenvolver) compósitos com matriz metálica ou cerâmica. Os compósitos com matriz metálica não são inflamáveis como os de matriz polimérica e apresentam maior resistência à degradação por fluídos orgânicos. Segundo Callister e Rethwisch (2018, p. 604): “já os compósitos de matriz cerâmica apresentam maior tenacidade à fratura em função do reforço das fibras, apresentando também uma maior vida útil”.
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Vamos Praticar
Um compósito reforçado com fibras de carbono apresenta  porcentagem volumétrica da matriz de 70% v. Considerando que o módulo de elasticidade da fibra de carbono é de 190 GPa (1 x 106106 psi) e que a matriz é composta de uma resina de poliéster, que seca e endurecida apresenta módulo de elasticidade igual a 3,4 GPa ( 1 x 106106 psi), qual o módulo de elasticidade desse compósito na direção do alinhamento?
Solução : Primeiro, como a porcentagem volumétrica da matriz é de 70%v, então a porcentagem volumétrica da fibra de vidro só pode ser 30%v. Substituindo os valores na equação temos que Ecl=EmVm+EfVf���=����+����, ou seja:
Ecl= (3,4 GPa (1 ×106))(0,7)+(190 GPa (1 ×106))(0,3) =59,38 GPa (1 ×106psi)���= (3,4 ��� (1 ×106))(0,7)+(190 ��� (1 ×106))(0,3) =59,38 ��� (1 ×106���)
Parte superior do formulário
a) 32 GPa (1 ×106psi)32 ��� (1 ×106���)
b) 52 GPa 52 ��� 
c) 59,38 GPa (1 ×106psi)59,38 ��� (1 ×106���)
d) 134,02 GPa 134,02 ��� 
e) 49,32 GPa (1 ×106psi)49,32 ��� (1 ×106���)
Parte inferior do formulário
Materiais Híbridos
São considerados materiais híbridos os compósitos que resultam da combinação de uma matriz (polimérica, metálica ou cerâmica) com dois ou mais tipos de fibras ao mesmo tempo, o que garante características mecânicas especiais e aplicações em diversas áreas como engenharia espacial e biomédica.
Os materiais híbridos apresentam melhores propriedades mecânicas do que os compósitos tradicionais (com um único tipo de fibra), exatamente em função da fase de reforço associar mais de um tipo de fibra. Por exemplo: “o híbrido vidro-carbono que associa a fibra de vidro (mais econômica) com a fibra de carbono resultando em um material mais resistente e tenaz, com maior resistência ao impacto e mais econômico” (CALLISTER; RETHWISCH, 2018, p. 607).
Compósitos Estruturais
Os compósitos estruturais são compósitos multicamadas, ou seja: há uma sobreposição de camadas de materiais que garantem resistência à compressão, à tração, à torção e rigidez. Os compósitos estruturais são classificados em laminados ou painéis-sanduíche e suas propriedades mecânicas dependem dos materiais utilizados como matriz e fase reforço bem como de sua estrutura.
Os compósitos estruturais laminados são constituídos por camadas de placas planas de compósito que são coladas, podendo fazer combinações de direção das fibras entre as camadas, o que influencia nas propriedades mecânicas.
Figura 4.4 - Compósito estrutural laminado unidirecional (a), cruzado (b), camada em ângulo (c) e multidirecional (d)
Fonte: Adaptada de Callister e Rethwisch(2018, p. 611).
Nos compósitos estruturais tipo painel-sanduíche duas lâminas superficiais rígidas envolvem um núcleo como um sanduíche. Os núcleos mais utilizados são: espumas poliméricas, madeira de baixa massa específica (como por exemplo o MDF e o MDP) e estrutura de colmeia.
Figura 4.5 - Compósito estrutural painel-sanduíche (com núcleo em forma de colmeia)
Fonte: Adaptada de Callister e Rethwisch (2018, p. 612).
Segundo Callister e Rethwisch (2018, p. 618): “um exemplo de produto que constituído de compósitos de estrutura laminada e compósitos estruturais do tipo painel-sanduíche com núcleo colmeia é o Boeing 787”.
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Saiba mais
Já pensou em como são feitos os aeromodelos? Todos os anos, a SAE Brasil promove a competição de aerodesigns que ocorre no Instituto Tecnológico da Aeronáutica (ITA), onde estudantes universitários competem com aeromodelos desenvolvidos do zero, ou seja, os alunos elaboram projeto e constroem os aeromodelos o que garantem a experiência de lidar com várias partes de um projeto, incluindo o uso de compósitos estruturados laminados com ângulos diferentes na criação do aeromodelo.
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Estudo de Caso
Tanto as fibras de vidro quanto as fibras de carbono podem ser utilizadas para formar um compósito híbrido ou um compósito estrutural (multicamadas). No trabalho de Belão et al. (2019), foi desenvolvida uma metodologia de obtenção de compósito estruturado para aplicação em longarinas de modelos de aerodesigns utilizando fibra de carbono e resina epóxi.
Os materiais  utilizados foram tecido de carbono, resina Araldite LY 5052/Ardur 5052, cera desmoldante e desmoldante líquido PVA verde da Alltec.
Os métodos utilizados foram: laminação manual e laminação à vácuo. Foram confeccionadas amostras com 3, 5 e 8 camadas de fibra de carbono intercaladas com epóxi. Na laminação à vácuo, a cura do compósito foi realizada por 24h sobre pressão reduzida por meio da aplicação de uma bomba de vácuo e uma bolsa de vácuo.
As amostras foram confeccionadas no formato de corpos de prova e caracterizadas utilizando uma máquina universal de ensaios da Time Group (modelo WDW-100B), onde foram realizados ensaios de tração. As amostras também foram analisadas com microscopia eletrônica de varredura com EDX (análise de raio X).
Por meio da análise das amostras, percebe-se que foi possível controlar os valores das propriedades mecânicas em função do número de camadas da fibra de carbono, da metodologia de laminação e da temperatura de cura. Nas amostras onde a laminação foi realizada em temperatura acima da temperatura ambiente ocorreram descontinuidades e falhas. Pelo MEV, foi possível concluir a boa compatibilidade entre a fase e a matriz, ou seja, entre a resina epóxi e a fibra de carbono. Em todas as amostras confeccionadas à vácuo, houve redução da densidade em comparação com as outras amostras.
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Vamos Praticar
Leia o trecho a seguir.
“Os primeiros materiais híbridos orgânicos/inorgânicos foram sintetizados no contexto das indústrias de polímeros e tintas, dispersando pigmentos ou aditivos inorgânicos em componentes orgânicos como solventes, surfactantes e polímeros, de molde a melhorar as propriedades do material final”.
MELO, J. Sérgio de; MORENO, Maria João; BURROWS, Hugh D.; GIL, Maria Helena. Química de Polímeros : contribuições portuguesas. Coimbra: Imprensa da Universidade de Coimbra, 2004. p. 388.
Por que os materiais híbridos apresentam melhores propriedades mecânicas do que os compósitos tradicionais?
Parte superior do formulário
a) Porque utilizam fibras contínuas cruzadas.
b) Porque utilizam fibras contínuas alinhadas.
c) Porque utilizam fibras particuladas dispersas aleatórias.
d) Porque combinam duas ou mais fibras na fase de reforço.
e) Porque utilizam fibras contínuas desalinhadas.
Parte inferior do formulário
Materiais e Meio Ambiente
Com o desenvolvimento da indústria e da engenharia de materiais e com o desenvolvimento da população mundial, houve aumento do consumo de produtos industrializados e fabricados a partir de diversos materiais. Inicialmente, as preocupações industriais eram voltadas para o desenvolvimento do produto, depois, percebeu-se a necessidade de se analisar os aspectos de segurança do trabalho (essa preocupação é bem recente se comparada com o início do desenvolvimento industrial). A preocupação com o meio ambiente surgiu por último, e ainda há quem desconsidere os impactos da indústria no meio ambiente, nas mudanças climáticas e na saúde das pessoas.
reflita
Reflita
Por que há quem não acredite nos alertas dos cientistas sobre a falta de preservação do meio ambiente? Será que sempre existiram pessoas assim? Considerando que, historicamente muitos cientistas foram perseguidos pelo simples fato de pesquisarem, serem estudiosos e curiosos por respostas, temos o indicativo que sempre tivemos pessoas que desacreditassem os fatos e as evidências científicas. Talvez, a sensação de que agora seja maior, ocorra devido à globalização e das redes sociais, pois quem antes não tinha visibilidade pode, por meio da internet, expor suas teorias, mesmo sem nenhum embasamento teórico científico (e sem lógica), o que denominamos como “ fake news ”.
Fato é que a realidade bate na porta mesmo de quem não acredita em evidências e pesquisas científicas. Como quando a cidade alaga porque as pessoas não possuem a cultura de encaminhar os resíduos de forma correta ou quando os aterros sanitários das cidades chegam ao limite da capacidade e nenhuma cidade próxima aceita a construção de um novo aterro. Ou mesmo quando a ilha de lixo no oceano pacífico ultrapassa três vezes o tamanho do estado de Minas Gerais e fica destacada nas imagens de satélite como um novo continente que se forma. Esses são só alguns dos muitos exemplos dos impactos do que o descarte incorreto dos materiais pode resultar. Por isso, primeiro é necessário ter em mente o ciclo de vida das matérias primas, pois se não são recicladas e reutilizadas tornam-se resíduo, lixo.
Figura 4.6 - Ciclo de vida das matérias-primas
Fonte: Adaptada de Callister e Rethwisch (2018, p. 803).
Algumas cidades aboliram o uso de descartáveis plásticos, como sacolas, canudos e embalagens alimentícias. Alegaram que isso era para reduzir os impactos no meio ambiente. Mas o plástico pode ser reciclado várias vezes e pode, também, ser associado a outros materiais formando compósitos e melhorando suas características mecânicas. Então, qual é o problema em utilizar embalagens plásticas? É um conjunto de fatores, culturais e econômicos. Cultural porque muitos alegam se preocupar com o meio ambiente, mas jogam lixo no chão e descartam de forma incorreta os materiais recicláveis. Econômico, porque precisa de equipamentos para reciclar alguns produtos, como as embalagens acartonadas multicamadas (conhecidas pela marca Tetra Pak), que é possível separar o papel, do plástico e do metal, formando lingotes de metal, papelão e pelets (só de plástico ou do compósito plástico papel) que poderão ser injetados em moldes criando novos materiais. Outro aspecto econômico é a criação de novos produtos reutilizáveis com a propaganda de serem “ambientais” por substituírem os abolidos descartáveis de plástico, contudo, estes são mais caros e precisam de higienização individual (porque os descartáveis de plástico durante o processo de reciclagem são lavados em grupo e há reuso da água utilizada).
Independente das políticas locais de reciclagem e utilização de descartáveis plásticos, é fato que itens de plásticos, isopor, bituca de cigarro, componentes eletrônicos, vidro, metal, papel, madeira e borracha podem e devem ser reciclados.
Impacto no Meio Ambiente na Seleção de Materiais
Atualmente, além de todos os aspectos que envolvem o desenvolvimento de produtos e a construção de edifícios, há uma preocupação com o impacto ambiental no desenvolvimento do projeto e mesmo durante sua utilização. São considerados aspectos como emissão de gases, poluição do ar (que afetam no aquecimento global e na saúde das pessoas), bem como dos aspectos de eficiênciaenergética e descarte de resíduos.
Os resíduos no mundo e no Brasil são orgânicos (que podem ser compostados), inorgânicos recicláveis ou inorgânicos que não podem ser reciclados (como fraldas usadas). A maioria dos materiais inorgânicos demora mais de 30 anos para se decompor, por isso, é fundamental reciclar os que podem ser reciclados.
Figura 4.7 - Tempo estimado para decomposição de alguns materiais
Fonte: Adaptada de Senado Federal (2020, on-line).
Durante a seleção de material pode ocorrer que dois materiais tenham sido classificados e sejam candidatos para utilização, nesse caso um critério utilizado para o desempate é o aspecto ambiental. O aspecto ambiental considera a possibilidade de reuso ou reciclagem desse material, quando este se tornar obsoleto. Segundo Callister e Rethwisch (2018, p. 809):
A operação eficiente do ciclo dos materiais fica facilitada com o emprego de um inventário de entradas/saídas para avaliação do ciclo de vida de um produto. Os materiais e a energia são os parâmetros de entrada, enquanto as saídas incluem os produtos usáveis, os efluentes aquosos, as emissões para a atmosfera e os resíduos sólidos.
Muitas empresas estão aplicando diretrizes para redução do impacto ambiental em seus modelos de negócio, por isso, é importante considerar os atributos ecológicos dos materiais.
Os Atributos Ecológicos de Materiais
Os materiais podem ser recicláveis, biodegradáveis ou descartáveis (dejetos que podem apresentar toxicidade). Alguns metais possuem uma parcela biodegradável, que ocorre durante a oxidação e outros são descartáveis pelo seu caráter tóxico, nesse caso, são encaminhados para o fabricante para armazenamento em local próprio para evitar contaminação do solo ou dos ecossistemas aquáticos (que afetaria fauna e flora).
Dentre os cerâmicos, o vidro é o mais comum no descarte residencial, sendo um material reciclável.
Há trabalhos recentes que confirmam a possibilidade de reciclagem de materiais compósitos, como no trabalho de Jedyn (2018) que foram analisadas as propriedades mecânicas de compósito de matriz polimérica reforçada com fibras de serragem, após consecutivos processos de reciclagem.
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Há diversos grupos de pesquisa no Brasil que trabalham com compósitos, incluindo pesquisas sobre análise das propriedades mecânicas do material após a reciclagem. Jedyn (2018) realizou diversas análises para compósito de matriz polimérica avaliando as características mecânicas após suscetíveis reciclagens.
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Para cada processo e para cada material, é possível elaborar inventários de emissão de gases no efeito estufa (GEE). É necessário considerar todo o processo envolvido, desde a sede administrativas até todos os ambientes utilizados durante o projeto.
Figura 4.8 - Definição da abrangência do inventário de emissões de gases no efeito estufa
Fonte: Elaborada pela autora.
É fundamental considerar as fontes de emissão e o tempo de duração. Há recursos digitais que podem ser utilizados para elaboração do inventário, como planilhas eletrônicas e softwares .
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Considerando os aspectos relacionados à biodegradabilidade, decomposição, descarte e reciclagem de materiais, muitos projetos necessitam do desenvolvimento de inventários de emissão GEE, dentre outras análises, para utilizar mostrar qual foi o impacto ao meio ambiente o desenvolvimento do produto. Qual é o principal critério analisado no inventário GEE?
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a) O preço da matéria-prima.
b) O tempo que o material demora para se degradar.
c) Possibilidade de reciclagem do material quando se tornar obsoleto.
d) A poluição do ar.
e) As emissões de gases que contribuem para o efeito estufa.
Parte inferior do formulário
indicações
Material Complementar
LIVRO
Compósitos Estruturais: Ciência e Tecnologia
Editora : Blucher
Autor : Flamínio Levy Neto
ISBN : 978-85-212-1079-5
Comentário : Neste livro, são detalhados vários aspectos relacionados aos compósitos, com destaque para o enfoque na fabricação a partir de diversos exemplos de uso de fibras diferentes, como fibras naturais. Além disso, há um detalhamento sobre diversas características relacionadas aos compósitos híbridos.
WEB
Reciclagem Mostra um Final Feliz na Vida dos Veículos
Ano : 2015
Comentário : Em países como a Inglaterra e a Suécia, 100% dos materiais que compõe um automóvel antigo são recicláveis, mas, no território brasileiro, essa prática é recente. No Brasil, alguns itens são devolvidos para o fabricante providenciar o descarte correto, que pode ser um reuso ou uma reciclagem.
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conclusão
Conclusão
O entendimento sobre processos, compósitos (das diversas possibilidades de combinação de materiais como matrizes e fase de reforço), materiais híbridos e seus impactos no meio ambiente fazem parte da seleção de materiais. Ele influencia nas características mecânicas dos materiais (melhorando ou piorando as propriedades mecânicas) e/ou interfere nos aspectos econômicos, fundamentais na análise de viabilidade de um projeto e na administração de uma empresa. A seleção de materiais envolve muitas áreas, por isso, é importante ter ideia de cada aspecto para que, durante a vida profissional, se consiga gerir projetos buscando recursos tecnológicos que possibilitem auxiliar esse processo.
referências
Referências Bibliográficas
BELÃO, G. B. L.; CARNAVALLE, C. A; MOURA, M. R. de; AOUADA, F. A. Desenvolvimento de metodologia visando a obtenção de compósitos estruturais para aplicação em longarinas de Aerodesigns. Journal of Experimental Techniques and Instrumentation ,  V. 2, n. 1, 2019. Disponível em: https://periodicos.ufms.br/index.php/JETI/article/view/7607 . Acesso em: 3 maio 2020.
BUDYNAS, R. G. Elementos de máquinas de Shigley : Projeto de Engenharia Mecânica. Porto Alegre: AMGH, 2011.
CALLISTER JÚNIOR, W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia de materiais : uma introdução. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018.
JEDYN, F. G. Preparação e caracterização de compósitos reprocessados de matriz de polipropileno reforçados por serragem . Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2018.
SENADO FEDERAL. Infográfico - Nova Política de resíduos sólidos exigirá mudança de hábitos da população. Em discussão. Disponível em: http://www.senado.gov.br/NOTICIAS/JORNAL/EMDISCUSSAO/revista-em-discussao-edicao-junho-2010/infografico-nova-politica-de-residuos-solidos-exigira-mudana-de-habitos-da-populaao.aspx . Acesso em: 04 maio 2020.
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