ELEMENTOS DE MÁQUINAS EXERCÍCIOS (1)

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Prof. Dr. Evaldo J. F. Soares 
CAPÍTULO V 
SELEÇÃO DE MATERIAIS 
EXERCÍCIOS 
Combinando os Materiais Adequados com os Requisitos de 
Aplicação: Métodos da Tabela de Dados Ordenados 
1. Usando a Tabela 3.1 a seguir como guia, em conjunto 
com os requisitos impostos pelas restrições operacionais 
ou funcionais, modos de falha conhecidos, fatores de 
mercado e/ou diretrizes gerenciais, estabelecer um 
conciso. Se as informações 
sobre a aplicação for superficial de tal forma que o 
relatório de especificação não possa ser executado, é 
sugerido que o aço 1020 seja experimentalmente 
selecionado como melhor material devido sua excelente 
combinação de resistência, rigidez, ductilidade, 
tenacidade, disponibilidade, custo e usinabilidade 
2. Baseado na informação do passo 1 e do relatório de 
especificação, identificar todas as 
para aplicação, como já discutido, escrevendo a resposta 
sim, não ou talvez no espaço correspondente a cada item 
na tabela 3.1. 
3. Para cada item que receber a resposta sim ou talvez, ir 
para a tabela 3.2 para identificar o 
 correspondente e consultar as tabelas 
ordenadas 3.3 a 3.20 para materiais candidatos potenciais 
(ou outra fonte). Utilizando essas fontes de dados, 
elaborar uma pequena lista dos materiais candidatos mais 
qualificados correspondendo a cada 
identificada. 
4. Comparando todas as listas de dados ordenados 
escritas no passo 3, determine os dois ou três melhores 
materiais candidatos, considerando aqueles próximos ao 
topo de todas as listas. Se um único candidato aparece no 
topo de todas as listas, este seria a escolha óbvia. Ajustes 
as vezes são necessários para selecionar dois ou três. 
5. A partir dos dois ou três melhores candidatos, faça uma 
tentativa de seleção para o material a ser usado. Isto pode 
requerer dados adicionais, pacotes de soft para seleção de 
materiais, técnicas de otimização que sejam mais 
qualitativas, discussão com especialistas em materiais ou 
cálculos adicionais de projeto a fim de confirmar a 
adequação da seleção 
Questão 01 Deseja-se selecionar um material 
para o projeto proposto de um eixo de manivela a 
ser utilizado em um compressor de ar, compacto, 
de um cilindro. O eixo de manivelas deve ser 
suportado por dois mancais principais que 
separam o mancal de conexão da biela. . As 
análises preliminares indicam que os modos mais 
prováveis de falha a considerar são fadiga, 
desgaste e escoamento. O volume de produção 
projetado é elevado o suficiente, de modo que o 
custo é uma consideração importante. Selecione 
um material preliminar para esta aplicação. 
Requisitos de aplicação do Eixo de Manivelas Necessidade Especial 
01 Relação resistência/volume 
02 Relação resistência/peso 
03 Resistência em temperatura elevada 
04 Estabilidade dimensional de longo termo em temperatura elevada 
05 Estabilidade dimensional sob variação de temperatura 
06 Rigidez 
07 Ductilidade 
08 Capacidade de armazenar energia elasticamente 
09 Capacidade de dissipar energia plasticamente 
10 Resistência ao desgaste 
11 Resistência a ambiente quimicamente reativo 
12 Resistência a ambiente com radiação nuclear 
13 Interesse de utilizar processo de fabricação específico 
14 Restrições de custo 
15 Restrições no tempo de obtenção 
Requisitos de aplicação do Eixo de Manivelas Necessidade Especial 
01 Relação resistência/volume Sim 
02 Relação resistência/peso Não 
03 Resistência em temperatura elevada Não 
04 Estabilidade dimensional de longo termo em temperatura elevada Não 
05 Estabilidade dimensional sob variação de temperatura Não 
06 Rigidez Sim 
07 Ductilidade Não 
08 Capacidade de armazenar energia elasticamente Não 
09 Capacidade de dissipar energia plasticamente Não 
10 Resistência ao desgaste Sim 
11 Resistência a ambiente quimicamente reativo Não 
12 Resistência a ambiente com radiação nuclear Não 
13 Interesse de utilizar processo de fabricação específico Não 
14 Restrições de custo Sim 
15 Restrições no tempo de obtenção Não 
Necessidade especial Índice de avaliação de performance 
 
Índice de avaliação 
Material candidato 
 
 
 
 
 
 
 
Necessidade especial Índice de avaliação de performance 
01 Relação resistência/volume Limite de escoamento ou resistência 
06 Rigidez Módulo de elasticidade 
10 Resistência ao desgaste Dureza 
14 Restrições de custo Custo/unidade de peso; usinabilidade 
Índice de avaliação 
Material candidato 
 
 
 
 
 
 
 
Seleção para Elevada Resistência Mecânica 
Aço de ultra-alta resistência Aço médio carbono 
Aço inoxidável (endurecível por precipitação) Aço inoxidável (austenítico) 
Aço de alto carbono Latão amarelo 
Compósito grafite-epóxi Bronze comercial 
Titânio Aço baixo carbono 
Cerâmica Bronze Fosforoso 
Liga de Níquel Ferro fundido cinzento 
Seleção para Elevada Rigidez 
Carbeto de tungstênio Aço 
Carbeto de titânio Aço inoxidável 
Molibidênio Ferro fundido 
Seleção para Elevada Dureza 
Diamante Aço baixo carbono cementado 
Safira Aço de ultra-alta resistência 
Carbeto de tungstênio Titânio 
Carbeto de titânio Ferro fundido cinzento 
Seleção para Baixo Custo do Material 
Ferro fundido cinzento Acrílico 
Aço baixo carbono Bronze comercial 
Aço de ultra alta resistência Aço inoxidável 
Ligas de zinco 
Seleção para Usinabilidade 
Ligas de alumínio Aço médio carbono 
Ligas de Magnésio Aço de ultra alta resistência 
Aço de usinagem fácil Ligas de aço inoxidável 
Aço baixo carbono Ferro fundido cinzento 
Materiais comum a todas as listas 
Aço de ultra alta resistência 
Aço baixo carbono (cementado) 
Ferro fundido cinzento 
Resumido na tabela material candidato a seguir 
Necessidade especial Índice de avaliação de performance 
01 Relação resistência/volume Limite de escoamento ou resistência 
06 Rigidez Módulo de elasticidade 
10 Resistência ao desgaste Dureza 
14 Restrições de custo Custo/unidade de peso; usinabilidade 
Índice de avaliação 
Material candidato 
 Aço de Ultra-alta 
resistência 
 Aço baixo-carbono 
(cementado) 
 Ferro fundido 
cinzento 
 Limite de resistência 287.000 61.000 50.000 
Limite de escoamento 270.000 51.000 - 
 Módulo de elasticidade 30x106 30x106 13-24x106 
 Dureza HB 560 650 262 
Custo dólar 0,65 0,50 0,30 
Índice de usinabilidade 50 65 40 
Resumo da Avaliação 
Em razão da lista de especificação, enfatizar um projeto 
curto e compacto, o aço de ultra-alta resistência 
significativamente mais resistente é, provavelmente, o 
melhor candidato; contudo, o aço baixo-carbono 
cementado é provavelmente digno de uma investigação 
mais detalhada, já que este tem uma dureza superficial 
maior (melhor resistência ao desgaste), é mais barato e 
mais facilmente usinado antes do tratamento térmico. So 
projeto compacto não fosse uma exigência, o ferro 
fundido provavelmente seria a melhor escolha. 
Combinando os Materiais Adequados com os Requisitos de 
Aplicação: Métodos do Gráfico de Ashby 
Uma versão simplificada é apresentada. É baseado no uso 
de gráficos de dois parâmetros apropriados, tais como 
mostrados a seguir. Nestes gráficos, materiais dentro de 
um dado subgrupo (metais, polímeros, etc.) tendem a se 
agrupar possibilitando delinear cada classe de materiais. 
Linhas de de são apresentadas para 
auxiliar na otimização. Cada linha de referência é 
relacionada com cada parâmetro de performance. 
Materiais na linha tem mesmo desempenho, acima 
melhores, abaixo piores. Serão candidatos os dois ou três 
melhores de todos os gráficos utilizados. 
O procedimento de Ashby paraidentificar bons materiais 
candidatos para qualquer aplicação específica pode ser 
resumido como segue: 
1. Utilizando a tabela 3.1 como referência, juntamente 
com os requisitos conhecidos impostos pelas restrições 
funcionais ou operacionais, modos de falha, fatores de 
orientação de mercado e/ou diretrizes de gerenciamento 
estabelecem uma concisa como 
discutido. Para informações resumidas sugere-se o aço 
1020 como melhor material. 
O procedimento de Ashby para identificar bons materiais 
candidatos para qualquer aplicação específica pode ser 
resumido como segue: 
2. Com base na informação do passo 1 e da lista de 
especificação, identifique todas as 
para aplicação como já discutido, registrando respostas 
sim, não, talvez na lacuna ao lado de cada item. 
3. Para cada item com as respostas sim ou talvez, vá para 
a tab. 3.2 para avaliar o correspondente 
 e consulte o gráfico de Ashby 
apropriado. Utilizando os gráficos identifique uma lista 
resumida de materiais candidatos altamente qualificados. 
O procedimento de Ashby para identificar bons materiais 
candidatos para qualquer aplicação específica pode ser 
resumido como segue: 
4. Comparando os resultados de todos os gráficos 
utilizados, determine os dois ou três melhores materiais 
candidatos. 
5. A partir desta lista faça uma seleção experimental para 
o material a ser usado. Isto pode exigir dados adicionais, 
pacotes de software para seleção de materiais e outras 
opções 
6. Caso seja desejada uma técnica de otimização mais 
quantitativa consulte a referência 3. 
Questão 02 Um projeto preliminar está sendo 
formulado para uma haste de tração cilíndrica sólida de 
diâmetro e comprimento fixo . A haste deve ser 
utilizada em uma aeronave onde peso, peso, resistência 
e rigidez são importantes considerações de projeto. A 
haste está sujeita a uma força estática, F. Um fator de 
segurança nd é desejado. A análise preliminar de 
projeto indica que os modos mais prováveis de falha 
são a deformação elástica e o escoamento induzidos 
pela força. Além disso, a gerência de engenharia indica 
que os materiais dúcteis sejam utilizados nesta 
aplicação. Utilizando os gráficos de Ashby selecione um 
material preliminar para esta aplicação. 
Requisitos de aplicação do Eixo de Manivelas Necessidade Especial 
01 Relação resistência/volume 
02 Relação resistência/peso 
03 Resistência em temperatura elevada 
04 Estabilidade dimensional de longo termo em temperatura elevada 
05 Estabilidade dimensional sob variação de temperatura 
06 Rigidez 
07 Ductilidade 
08 Capacidade de armazenar energia elasticamente 
09 Capacidade de dissipar energia plasticamente 
10 Resistência ao desgaste 
11 Resistência a ambiente quimicamente reativo 
12 Resistência a ambiente com radiação nuclear 
13 Interesse de utilizar processo de fabricação específico 
14 Restrições de custo 
15 Restrições no tempo de obtenção 
Requisitos de aplicação do Eixo de Manivelas Necessidade Especial 
01 Relação resistência/volume Sim 
02 Relação resistência/peso Sim 
03 Resistência em temperatura elevada Não 
04 Estabilidade dimensional de longo termo em temperatura elevada Não 
05 Estabilidade dimensional sob variação de temperatura Não 
06 Rigidez Sim 
07 Ductilidade Não 
08 Capacidade de armazenar energia elasticamente Não 
09 Capacidade de dissipar energia plasticamente Não 
10 Resistência ao desgaste Não 
11 Resistência a ambiente quimicamente reativo Não 
12 Resistência a ambiente com radiação nuclear Não 
13 Interesse de utilizar processo de fabricação específico Não 
14 Restrições de custo Não 
15 Restrições no tempo de obtenção Não 
Necessidade especial Índice de avaliação de performance 
1 Relação resistência/volume Limite de resistência ou de escoamento 
2 Relação resistência/peso Limite de resistência ou de escoamento/densidade 
6 Rigidez Módulo de elasticidade 
P = [(A(r.aplic)).(G(r.geo)).(M(prop. mat)] 
P = f1(A).f2(G).f3(M) 
m = ( d2/4).L. 
f3 = esc / 
3(M) = E/ 
Índice de avaliação 
Material candidato 
 
 
 
 
Seleção para Densidade x Módulo de Yong (Fig. 2A) 
Aço Alumínio 
Titânio Cerâmicos 
Molibdênio Compósitos 
Tungstênio 
Seleção para Resistência X Densidade (Fig. 2B) 
Cements Alumínio 
Aço Cerâmicos 
Níquel Compósitos 
Titânio 
Materiais comum a todas as listas 
Aço 
Titânio 
Alumínio 
Cerâmicos* 
Compósitos 
* Como a gerência de Engenharia pede materiais 
dúcteis, os Cerâmicos serão retirados desta lista. 
Índice de avaliação 
Material candidato 
 
Aço 
Titânio 
Alumínio 
Compósitos 
Bibliografia: 
Collins J. A. Projeto Mecânico e Elementos de Máquinas, cap. III, 
LTC 
Ashby M. Materiais Engenharia, Ciência e Projeto, Campus 
Ashby M. Seleção de Materiais no Projeto Mecânico, Campus 
Ferrante, M. Seleção de Materiais, Edufcar 
Budynas R. Elementos de Máquinas de Shigley, cap. II.21 
McGrawHill