Aula 02 - Seleção de Materiais

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Seleção de materiais 
Aula 02Aula 02
Prof. Everaldo B. CarvalhoProf. Everaldo B. Carvalho
Processos de Conformação Mecânica
Seleção de materiais 
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Prof. Everaldo B. CarvalhoProf. Everaldo B. Carvalho
Processos de Conformação Mecânica
Motivos para seleção
Para seleção de um material a equipe de projeto deve 
levar em conta:levar em conta:
- Aplicação (propriedades requeridas e modos de falha 
a serem evitados)
- Propriedades mecânicas,- Propriedades mecânicas,
material
- Custo (vida útil requerida e mercado existente)
Motivos para seleção
Para seleção de um material a equipe de projeto deve 
Aplicação (propriedades requeridas e modos de falha 
mecânicas, quimicas e fisicas domecânicas, quimicas e fisicas do
Custo (vida útil requerida e mercado existente)
Modos de falha em serviço
As principais causas de falha em serviço são classificadas 
conforme a origem do problema em:conforme a origem do problema em:
i) Erros de projeto
Mal dimensionamento de um componente
ii) Defeitos inerentes ao material selecionado
Defeitos de fundição em materiais fundidos
Modos de falha em serviço
As principais causas de falha em serviço são classificadas 
conforme a origem do problema em:conforme a origem do problema em:
Mal dimensionamento de um componente
ii) Defeitos inerentes ao material selecionado
Defeitos de fundição em materiais fundidos
Modos de falha em serviço
iii) Defeitos introduzidos durante a fabricação
Tratamentos térmicos mal controlados ou soldas mal 
feitas
IV) Deterioração em serviçoIV) Deterioração em serviço
Ataques químicos e desgastes
Modos de falha em serviço
iii) Defeitos introduzidos durante a fabricação
Tratamentos térmicos mal controlados ou soldas mal 
IV) Deterioração em serviçoIV) Deterioração em serviço
Ataques químicos e desgastes
Mecanismos de falha
Alguns exemplos são:
Fratura dúctil
Fratura frágil
Fadiga 
Fluência
Corrosão sob tensão, Corrosão sob fadiga, Corrosão
Fragilização por hidrogênio Fragilização por hidrogênio 
Processos de desgaste
Flambagem ou outra forma de instabilidade
Mecanismos de falha
Corrosão sob tensão, Corrosão sob fadiga, Corrosão-erosão
Flambagem ou outra forma de instabilidade
Fratura dúctil
Geralmente ocorre em função de
um erro de projeto ou influência
momento de concepção e implementaçãomomento de concepção e implementação
Em relação a forma de propagação
- Intercristalina ou intergranular:
Geralmente está associado com a
- Transcristalina ou transgranular:
Geralmente é associado a elevada
taça-cone com elevada estricção
de sobrecarga de um material em função de
influência de variáveis externas não previstas no
implementação do projetoimplementação do projeto
propagação a fratura pode ser:
a presença de partículas de segunda fase
:
elevada deformação plástica e fratura do tipo
no material.
Fratura frágil
Em relação a forma de propagaçãoEm relação a forma de propagação
- Intercristalina ou intergranular:
Não apresenta deformação macroscópica
a heterogeneidades, precipitações
- Transcristalina ou transgranular:- Transcristalina ou transgranular:
Fratura plana com aparência
associado a marcas de estrias no
como fratura por clivagem
propagação da fratura pode ser:propagação da fratura pode ser:
macroscópica visível. Geralmente está associado
precipitações e segregações nos contornos dos grãos
::
aparência granular ou cristalina freqüentemente
no local de iniciação. Também conhecido
Fadiga
Tipo de fratura que pode vir
mesmos estão sujeitos a cargasmesmos estão sujeitos a cargas
geralmente ocorre a uma carga
a ocasioná-la quando o mesmo
estática
Este tipo de fratura é considerada
indicação óbvia que a propagação
o momento do inicio da propagaçãoo momento do inicio da propagação
As principais fases até a ruptura
crescimento e propagação de uma
vir a ocorrer em materiais quando os
cargas cíclicas. A falha no materialcargas cíclicas. A falha no material
carga muito menor que a requerida para vir
mesmo material é submetido a uma carga
considerada traiçoeira pois não há nenhuma
propagação de uma trinca está ocorrendo desde
propagação até a ruptura final do materialpropagação até a ruptura final do material
ruptura do material consistem em nucleação,
uma trinca
Fadiga 
Fadiga
Fatores decisivos para se evitar este tipo de fratura
> Durante a fase de concepção do projeto deve
- Geometrias complexas ou irregulares
- Mudanças bruscas de secção
- Junções parafusadas e soldadas
> Durante a fase de fabricação busca-
- Bom acabamento superficial
- Induzir tensões compressivas na peça
- Eliminar tensões internas no material
- Endurecimento de camada superficial
- Captar defeitos e trincas que podem vir a gerar algum dano futuro
Fatores decisivos para se evitar este tipo de fratura
> Durante a fase de concepção do projeto deve-se evitar:
Geometrias complexas ou irregulares
-se:
Induzir tensões compressivas na peça
Eliminar tensões internas no material
Endurecimento de camada superficial
Captar defeitos e trincas que podem vir a gerar algum dano futuro
Fadiga
Demais pontos de importância correlacionados a fadiga
- Existência das curvas S-N 
- Importância da tenacidade
- Métodos de ensaio para determinação da energia de impacto 
- Existência da mecânica da fratura linear elástica
Demais pontos de importância correlacionados a fadiga
Métodos de ensaio para determinação da energia de impacto 
Existência da mecânica da fratura linear elástica
Curvas de fadiga
Fluência
Deformação que ocorre em um
Geralmente a deformação estáGeralmente a deformação está
em alguns caso pode ser resultante
A temperatura de trabalho
aparecimento deste fenômeno
menor o tempo necessário para
fluência
As principais fases de uma curva
ou transiente, secundaria ou estacionária
um material após um período de tempo.
está associada a alguma carga externa, masestá associada a alguma carga externa, mas
resultante do próprio peso do material.
do material tem papel decisivo no
fenômeno. Quanto maior a carga e a temperatura
para que o material venha a se romper por
curva de fluência são a fluência primaria
estacionária e terciária ou acelerada
Fluência
Mecanismos utilizados para se elevar a resistência fluência de um material
- deformação a frio
processo de laminaçãoprocesso de laminação
- endurecimento por solução sólida substitucional ou intersticial
adição de elementos de liga
- endurecimento por precipitação de uma segunda fase
uso de tratamentos térmicos e de mudanças de faseuso de tratamentos térmicos e de mudanças de fase
- endurecimento por controle do tamanho do grão
Mecanismos utilizados para se elevar a resistência fluência de um material
endurecimento por solução sólida substitucional ou intersticial
endurecimento por precipitação de uma segunda fase
uso de tratamentos térmicos e de mudanças de faseuso de tratamentos térmicos e de mudanças de fase
endurecimento por controle do tamanho do grão
Fluência
Demais pontos de importância correlacionados a fluência
- Exerce papel decisivo para temperatura
- Existência de curvas deformação x tempo,
- Existência de metodologias matemáticas
através de correlações e interpolações
- Ligas mais resistentes a fluência possuem- Ligas mais resistentes a fluência possuem
maiores Tf
super ligas e materiais refratários
- Industria siderúrgica e aeronáutica
Demais pontos de importância correlacionados a fluência
temperatura de trabalho > 0,4 Tf
tempo, para diferentes temperaturas
matemáticas para se chegar a curvas de fluência
interpolações
possuem módulo de elasticidade mais elevado epossuem módulo de elasticidade mais elevado e
são mais susceptíveis ao fenômenoCorrosão sob tensão
Fenômeno de deterioração deFenômeno de deterioração de
de tensões estáticas internas
corrosivos. Também conhecida
Ação sinergética entre a tensão
fratura em um tempo mais curto
tensão e corrosão
Uma característica importante
praticamente não se observa perda
materiais dúcteis apresentam rupturas
Corrosão sob tensão
de um material devido a ação combinadade um material devido a ação combinada
internas (residuais) ou externas e meios
conhecida como corrosão sob tensão fraturante
tensão e o meio corrosivo ocasionando
curto do que a soma das ações isoladas de
importante da corrosão sob tensão é de que
perda de massa no material e que mesmo
rupturas frágeis
Tempo necessário para ocorrer a corrosão sob tensão depende:
- tensão aplicada
Quanto maior a tensão menor será o tempo para se atingir a fratura
- concentração ou natureza do meio corrosivo
Latão pode sofrer fratura rápida na presença de amônia 
- temperatura
Em geral tende a acelerar a corrosão (> condutividade
dos íons). Em alguns casos pode retardardos íons). Em alguns casos pode retardar
água)
- estrutura e composição do material
Grãos menores são mais resistentes 
Estrutura C.C.C são mais resistentes que estruturas C.F.C (aços ferriticos e austeniticos 
expostos ao cloreto)
Tempo necessário para ocorrer a corrosão sob tensão depende:
Quanto maior a tensão menor será o tempo para se atingir a fratura
concentração ou natureza do meio corrosivo
Latão pode sofrer fratura rápida na presença de amônia 
condutividade do eletrólito > velocidade na difusão
a corrosão pois diminui a solubilidade do O naa corrosão pois diminui a solubilidade do O2 na
Estrutura C.C.C são mais resistentes que estruturas C.F.C (aços ferriticos e austeniticos 
Corrosão sob tensão
Demais pontos de importância correlacionados a corrosão sob tensãoDemais pontos de importância correlacionados a corrosão sob tensão
- Fratura pode ser intergranular e transgranular
- Realização de ensaios visam estimar o dano em serviço
- Materiais de maior resistência estão mais sujeitos a este problema- Materiais de maior resistência estão mais sujeitos a este problema
- Industria petrolífera é mais susceptível a este tipo de falha, 
principalmente na presença do 
Corrosão sob tensão
Demais pontos de importância correlacionados a corrosão sob tensãoDemais pontos de importância correlacionados a corrosão sob tensão
Fratura pode ser intergranular e transgranular
Realização de ensaios visam estimar o dano em serviço
Materiais de maior resistência estão mais sujeitos a este problemaMateriais de maior resistência estão mais sujeitos a este problema
Industria petrolífera é mais susceptível a este tipo de falha, 
principalmente na presença do H2S
Corrosão sob fadiga
Fenômeno de deterioração de
de solicitações mecânicas cíclicas
Fratura ocorre de maneira repentina
frágil
Existência de ação sinergética
fratura em um tempo mais curtofratura em um tempo mais curto
tensão e corrosão
As fraturas mecânicas sucessivas,
fadiga, rompem continuamente
material a ação do ambiente corrosivo
Corrosão sob fadiga
de um material devido a ação combinada
cíclicas e meios corrosivos
repentina e freqüentemente possui aspecto
entre a corrosão e a fadiga ocasionando
curto do que a soma das ações isoladas decurto do que a soma das ações isoladas de
sucessivas, durante a propagação da trinca de
continuamente as camadas protetoras, expondo o
corrosivo
Métodos para se reduzir a corrosão sob fadiga:
- uso de inibidores para diminuir a corrosividade do meio
- revestimentos metálicos anódicos ou de sacrifício como o zinco e o 
cádmio eletrodepositados no aço (se formam sob compressão)
- jateamento na superfície do metal (shot peening)
- tratamentos de endurecimento superficial- tratamentos de endurecimento superficial
- alterações de projeto eliminando
Métodos para se reduzir a corrosão sob fadiga:
uso de inibidores para diminuir a corrosividade do meio
revestimentos metálicos anódicos ou de sacrifício como o zinco e o 
cádmio eletrodepositados no aço (se formam sob compressão)
jateamento na superfície do metal (shot peening)
tratamentos de endurecimento superficialtratamentos de endurecimento superficial
alterações de projeto eliminando-se areas concentradoras de tensão
Corrosão sob fadiga
Demais pontos de importância correlacionadosDemais pontos de importância correlacionados
- Alterações nas curvas S-N onde
- Trincas em geral são transgranulares,
intergranular
- Influencia da freqüência de vibrações- Influencia da freqüência de vibrações
freqüências representam tempo distintos
- Industria petrolífera (tubulações
trocadores de calor são mais susceptíveis
da água salgada, variações de
bombas, respectivamente
Corrosão sob fadiga
correlacionados a corrosão sob fadiga:correlacionados a corrosão sob fadiga:
o limite de fadiga é de difícil obtenção
transgranulares, havendo casos de propagação
vibrações mecânicas, pois ciclos a diferentesvibrações mecânicas, pois ciclos a diferentes
distintos de exposição ao meio corrosivo
(tubulações de perfuração) e tubulações de vapores e
susceptíveis a este tipo de problema em função
de temperatura e vibrações impostas pelas
Fragilização por hidrogênio
Fenômeno de interação entre o hidrogênioFenômeno de interação entre o hidrogênio
em modificações das propriedades mecânicas
rupturas frágeis e altamente danosas
Hidrogênio penetra nos metais na sua
pequeno volume atômico é capaz
cristalina, mesmo a temperaturas baixas
A fragilização por hidrogênio podeA fragilização por hidrogênio pode
- reversível: exposição ao hidrogênio
- irreversível: exposição ao hidrogênio
Fragilização por hidrogênio
hidrogênio e a maioria dos metais, resultandohidrogênio e a maioria dos metais, resultando
mecânicas e por conseqüência acarretando
danosas
sua forma atômica (H+) e devido ao seu
capaz de se difundir rapidamente na malha
baixas
ser:ser:
hidrogênio simultânea a tensão
hidrogênio simultânea ou anterior a tensão
Processos que podem gerar o hidrogênio:
Fragilização por hidrogênio
- Processo de aciaria 
- Proteção catódica
- Processos de solda e tratamento térmico 
- Decapagem ácida- Decapagem ácida
- Processos de eletrodeposição como a cadmiação
Nos dois casos acima é necessário a desidrogenação a temperatura em torno de 
190°C durante período de 4 a 8 horas
Processos que podem gerar o hidrogênio:
Fragilização por hidrogênio
Processos de solda e tratamento térmico 
Processos de eletrodeposição como a cadmiação
Nos dois casos acima é necessário a desidrogenação a temperatura em torno de 
C durante período de 4 a 8 horas
Demais pontos de importância
hidrogênio:
- materiais de maior resistência
problema com redução acentuada
- aços martensiticos são especialmente vulneráveis a este tipo de 
falha
- problema é mais acentuado na indústria petrolífera devido a - problema é mais acentuado na indústria petrolífera devido a 
presença de compostos a base de enxofre como o H
exemplo: Campo de TUPI - Petrobras
importância correlacionados a fragilização por
resistência mecânica são mais susceptíveis a este
acentuada de tenacidade e ductilidade
aços martensiticos são especialmente vulneráveis a este tipo de 
problema é mais acentuado na indústria petrolífera devido a problema é mais acentuado na indústria petrolífera devido a 
presença de compostos a base de enxofre como o H2S
Petrobras
Corrosão-erosão
Fenômeno que provoca a aceleraçãoFenômeno que provoca a aceleração
por causa do movimento relativo entre
e sólidas, e a superfície do metal
Metal é arrancado a partir da superfície
da corrosão sólidos que são mecanicamente
Existência de ação sinergética entre
em materiais que formam filmes passivantes
maiorresistência a corrosão ao material
duplex e o aço inoxidável austenitico
aceleração na taxa de deterioração ou ataque a um metalaceleração na taxa de deterioração ou ataque a um metal
entre o fluido corrosivo, contendo partículas duras
superfície como íons dissolvidos, ou se forma produto
mecanicamente arrancados da superfície do metal
entre a corrosão e a erosão é notado principalmente
passivantes em sua camada superficial, conferindo
material. Como exemplos podem ser citados o aço
austenitico
Principais fatores que influenciam a taxa de corrosão
- Natureza do metal ou liga
- Ambiente ou meio corrosivo de exposição - Ambiente ou meio corrosivo de exposição 
- Condições de escoamento
- Propriedades das partículas erosivas
- Filme na superfície
capacidade de repassivação e resistência ao dano mecânico e ao desgaste
- Efeito galvânico
É acentuado quando algum movimento está presente
Principais fatores que influenciam a taxa de corrosão-erosão:
Ambiente ou meio corrosivo de exposição Ambiente ou meio corrosivo de exposição 
Propriedades das partículas erosivas
capacidade de repassivação e resistência ao dano mecânico e ao desgaste
É acentuado quando algum movimento está presente
Indústria mineral e petrolífera
problema,
Corrosão-erosão
problema,
Abaixo são citados alguns equipamentos
fenômeno:
- válvulas
- sistemas de tubulação - sistemas de tubulação 
- bombas
- agitadores
- laminas de turbinas
- reservatórios agitados
petrolífera são mais susceptíveis a este tipo de
equipamentos onde se pode observar este
Formas de se combater a corrosão-erosão:
- Escolha de material adequado
- Alterações de projeto
Inserção de filtros, mudanças de
estrangulamentos em tubulações entre
- Alterações do ambiente
Desaeração e uso de inibidoresDesaeração e uso de inibidores
- Uso de revestimentos
- Proteção catódica
erosão:
de velocidade de escoamento, eliminação de
entre outros
Processo de desgaste
Definição de desgaste Definição de desgaste 
O desgaste ocorre quando uma superfície
(perda de material) e conseqüentemente
diminuindo a precisão ocorrendo vibrações
o desgaste
Um método de se reduzir o atrito,
lubrificação (o próprio oxigênio e o
O mesmo divide-se em:
- Desgaste por partículas duras
Desgaste abrasivo e desgaste erosivo
- Desgaste por deslizamento
Desgaste por fretting
Processo de desgaste
superfície move-se sobre a outra causando dano
conseqüentemente aumentando a liberdade de movimento e
vibrações. Quanto maior a carga, mais rápido será
atrito, e conseqüentemente o desgaste é através da
vapor d’ água funcionam como lubrificantes)
erosivo
Desgaste erosivo
É o desgaste causado por colisão
um material, sendo que as partículas
de gás ou por um liquido
O mesmo divide-se em:
- Erosão por partículas sólidas em
- Erosão por partículas sólidas em- Erosão por partículas sólidas em
- Erosão devido a ação de liquido
- Erosão por cavitação
- Erosão por ação térmica
- Corrosão-erosão
colisão de partículas duras contra a superfície de
partículas duras são carregadas por uma corrente
em meio gasoso
em meio liquidoem meio liquido
liquido
Taxa de erosão (Rt)
Pode ser medida como a perda de massa do material por unidade de área e por 
unidade de tempo (g/mm2.min)unidade de tempo (g/mm2.min)
Usado para se monitorar equipamentos
útil e programando paradas de manutenção
Taxa de erosão (Rm)
Pode ser medida como a perda de massa do material por unidade de área e por 
unidade de massa das partículas que estejam impactando contra a amostra 
(g/mm2.g)
Usado quando o dano individual provocado pelo impacto das particulas é o 
interesse primário do estudo
Pode ser medida como a perda de massa do material por unidade de área e por 
equipamentos de engenharia em serviço estimando vida
manutenção
Pode ser medida como a perda de massa do material por unidade de área e por 
unidade de massa das partículas que estejam impactando contra a amostra 
Usado quando o dano individual provocado pelo impacto das particulas é o 
Principais variáveis que afetam a taxa de erosão R
contendo liquido e partículas sólidas sendo agitado 
- Velocidade de impacto da partícula
- Concentração da partícula
- Ângulo de impacto da partícula
- Tamanho da partícula
- Forma da partícula
- Densidade e dureza da partícula
- Natureza do liquido em suspensão- Natureza do liquido em suspensão
- Natureza do escoamento no meio
- Natureza do material base
Principais variáveis que afetam a taxa de erosão Rt em um tanque 
contendo liquido e partículas sólidas sendo agitado (slurries):
Velocidade de impacto da partícula
Ângulo de impacto da partícula
Densidade e dureza da partícula
Natureza do liquido em suspensãoNatureza do liquido em suspensão
Natureza do escoamento no meio
Flambagem e outras formas de 
instabilidade
Fenômenos naturais:
- terremotos
- maremotos
- furacões
- tempestades
A rigidez estática (E) e a tenacidade são propriedades 
extremamente importantes 
Flambagem e outras formas de 
A rigidez estática (E) e a tenacidade são propriedades 
extremamente importantes 
Custo
Alguns fatores que infuenciam no custo são:
- Abundância na natureza
- Estabilidade do composto e complexidade metalúrgica
- Oferta e procura
- Variações do mercado
- Custo da liga- Custo da liga
- Processo de fabricação
- Custos logísticos (transporte e estocagem)
Alguns fatores que infuenciam no custo são:
Estabilidade do composto e complexidade metalúrgica
Custos logísticos (transporte e estocagem)
Bibliografia
Charles e Crane, Selection
Materials, Ed. Butterworth,
William Callister Jr.
Materiais: Uma Introdução,
Edição
Vicente Gentil, Corrosão
Selection and Use of Engineering
Butterworth, 1994, 2a ed.
. Ciência e Engenharia De
Introdução, Ed. LTC Quinta
Corrosão