Seleção de Materiais para Engenharia

Prévia do material em texto

Tecnologia dos Materiais 
Aula 6 
 
 
Professor Marcos Baroncini Proença 
 
Conversa Inicial 
Nessa aula, usaremos os conceitos abordados nas aulas 1 a 5 para que, com 
técnicas adequadas, possamos fazer a seleção de materiais para diversos casos 
de engenharia. 
Confira no material on-line a videoaula com os comentários iniciais do professor 
Marcos. 
Contextualizando 
A adequada seleção de materiais é um dos mais importantes fatores para 
determinar a competitividade de um produto de engenharia, tanto em termos de 
custo e preço final ao consumidor quanto em termos de confiabilidade. 
Técnicas como os gráficos de seleção de materiais de Ashby, a matriz decisão 
e o índice de mérito se tornaram ferramentas decisivas para essa importante 
etapa, tanto no desenvolvimento de um novo produto quanto na otimização de 
um já existente, visando uma maior competitividade. 
 
Tema 1: Introdução à Seleção de Materiais 
Seleção de Materiais é o conjunto de técnicas usadas para a escolha dos 
materiais, nas mais diversas dimensões do desenvolvimento ou otimização de 
um produto, visando o atendimento a uma série de pressupostos de 
propriedades, de processos de fabricação, econômicos, ambientais, de 
ergonomia e de confiabilidade. 
Assim, os elementos dessa escolha envolvem a decisão dos limites e das 
restrições do projeto e, a partir desses limites, são estabelecidos critérios que 
possam ser utilizados para a maximização do desempenho do material 
selecionado . 
Veja o detalhamento desse tema nos anexos 1A e 1B, disponíveis no material 
on-line. 
Assista ao vídeo do professor Marcos Proença, disponível no material on-line, a 
respeito da Seleção de Materiais. 
Tema 2: Gráfico de Ashby 
Mapas ou Diagramas de Ashby são 
gráficos (mapas) onde se 
representa uma propriedade ou 
característica contra a outra de 
diversos materiais. 
São construídos a partir da 
compilação de dados tabelados e 
apresentados na literatura na forma 
gráfica, facilitando a visualização e a 
pré-seleção dos materiais mais 
adequados. 
São usados para uma pré-seleção 
de materiais que atenda a quesitos 
técnicos considerados como 
fundamentais para o projeto. 
 
Veja mais sobre o Gráfico de Ashby no Anexo 2 e na videoaula do professor 
Marcos, ambos disponíveis no material on-line. 
 
Fig. 2. Mapa de Ashby. Fonte: Ashby, 2015. 
Tema 3 - Índices de Mérito 
O Índice de Mérito (IM) é uma fórmula algébrica que expressa um compromisso 
entre duas características ou propriedades. Em sua forma mais simples, é 
geralmente uma fração, tendo no numerador a propriedade que se quer 
maximizar e no denominador a que se deseja minimizar. 
O material mais adequado será aquele que exibir o máximo valor dessa fração: 
Equacionamento: 𝑰𝑴 =
𝑷𝒓𝒐𝒑.𝒎𝒂𝒙𝒊𝒎𝒊𝒛𝒂𝒓
𝑷𝒓𝒐𝒑.𝒎𝒊𝒏𝒊𝒎𝒊𝒛𝒂𝒓
 
É usado para uma pré-seleção de materiais que atendam a quesitos técnicos 
considerados como fundamentais para o projeto. 
Veja mais dados desse tema no Anexo 3 e na videoaula, ambos disponíveis no 
material on-line. 
Tema 4 - Matriz Decisão 
Nos projetos de engenharia, devemos empregar diversos critérios para a seleção 
de materiais mais adequados. A Matriz Decisão, ao levar em consideração 
múltiplos critérios a serem satisfeitos, atribui de forma matricial pesos aos 
critérios, estabelecendo assim a melhor relação de seleção através da maior 
média ponderal dos pesos. 
É usada para uma seleção final de materiais que atendam a quesitos técnicos, 
de fabricação, de logística e de custos considerados como estratégicos para o 
projeto. 
Veja mais dados desse tema no Anexo 4 e na videoaula, ambos disponíveis no 
material on-line. 
 
Tema 5 - Seleção de Materiais 
Uso das Ferramentas 
No primeiro momento, é feita uma pré-seleção, primeiramente usando o Mapa 
de Ashby e, em seguida, o Índice de Mérito. Após pré-selecionar os materiais 
que atendam às principais necessidades do projeto, faz-se uso da Matriz 
Decisão para a Seleção do Material. 
Estudo de caso 
O caso proposto na conversa inicial visto na aula 1 é a história real de uma 
montadora. No caso, um compósito de fibra de vidro foi definido como material. 
Para isso, foram usados os conhecimentos de tecnologia dos materiais e 
adotadas as técnicas de seleção de materiais que vimos ao longo das aulas 
Para mais informações sobre a Seleção dos Materiais, assista no material 
on-line ao vídeo do professor Marcos B. Proença. 
Na Prática 
É necessário selecionar um material para a esteira de uma câmara de secagem 
de um floculador de grãos. Esta esteira tem que permitir a circulação de ar 
quente em sua malha e deve trabalhar a uma temperatura de 200 ºC, para uma 
vazão mássica de grãos de 810 kg/h, tendo então uma tensão limite de trabalho 
entre 105 MPa e 120 MPa. 
 
Para a seleção usar o gráfico de Ashby e a tabela fornecidos: 
 
Mapa de Ashby. Fonte: Ashby, 2015. 
 
Mapa de Ashby. Fonte: Ashby, 2015. 
 
Primeiro usamos o gráfico de Ashby para fazer a seleção de materiais que 
possam atender às necessidades do projeto. Conforme apresentado no gráfico 
de Ashby por meio de uma seta AZUL, temos a região do gráfico de interesse, 
envolvendo Ligas de Cobre (Cu alloys), Ligas de Magnésio (Mg alloys), Ligas de 
Alumínio (Al alloys) e Polímeros Reforçados com Fibras de Vidro (GRFP). 
Aplicando o índice de mérito temos o seguinte: 𝐼𝑀 =
𝜎
𝑇𝑚á𝑥
 
Para temperatura de trabalho de 200 °C: 
Para ligas de Cobre – 105< σ < 120 MPa → 0,52 < IM < 0,60. 
Para ligas de Alumínio – 105< σ < 120 MPa → 0,52 < IM < 0,60. 
Para ligas de Magnésio – 105< σ < 120 MPa → 0,52 < IM < 0,60 
Para GRFP – 105< σ < 110 MPa → 0,52 < IM < 0,55. 
Ou seja: na liga de Cobre temos: IMmin= 105/200 = 0,52 e IMmax= 120/200 = 0,60. 
Pelo Índice de Mérito, temos a pré-seleção de Ligas de Alumínio, Ligas de Cobre 
e Ligas de Magnésio (lembrando que a escolha se dá pelo maior IM). 
Agora, devemos aplicar a técnica da Matriz Decisão para selecionar o material 
da esteira: 
 
 
 
 
 Liga de 
Alumínio 
Liga 
de 
Cobre 
Liga de 
Magnésio 
Temperatura 
de Trabalho 
1 1 1 
Tensão 
Limite de 
Trabalho 
1 1 1 
 Custo 9 7 5 
 
Aplicando a média ponderal para as opções temos: 
Liga de Alumínio: 𝑀𝑃𝐴𝑙 = 
(1𝑥7)+(1𝑥7)+(9𝑥9)
7+7+9
 = 4,13 
Liga de Cobre: 𝑀𝑃𝐶𝑢 = 
(1𝑥7)+(1𝑥7)+(7𝑥9)
7+7+9
 = 3,35 
Liga de Alumínio: 𝑀𝑃𝑀𝑔 = 
(1𝑥7)+(1𝑥7)+(5𝑥9)
7+7+9
 = 2,56 
Logo, a esteira deverá ser feita com fibras na forma de malha de Liga de 
Alumínio. 
Síntese 
Após esta aula, você adquiriu conhecimentos sobre a técnica de Seleção de 
Materiais, com uso do Mapa de Ashby, do Índice de Mérito e da Matriz Decisão. 
Confira no material on-line a videoaula de síntese do professor Marcos. 
Referências 
ASHBY, Michel F. Materials Selection in Mechanical Design. 3. ed. Rio de 
Janeiro: Elsevier, 2015. 
SHACKELFORD, J. F. Ciência dos Materiais. 6 ed. São Paulo: Pearson 
Education do Brasil, 2008.