Seleção de Materiais

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SELEÇÃO DE MATERIAIS 
 
Relaciona-se com processo e forma. 
 
Para obter uma forma, submete-se o material a processos, denominados coletivamente 
FABRICAÇÃO. 
Fabricação: processos primários de conformação, remoção de material, união, 
acabamento. 
A Função influencia a escolha do material. 
A escolha do material influencia os processos em razão da capacidade do material em 
sofrer determinados processos de fabricação. 
O processo de fabricação determina a forma, tamanho e o custo. 
 
Essas interações são de duas vias: A especificação da forma restringe a escolha do material 
e do processo de fabricação, enquanto a especificação do processo limita a escolha do material e 
as formas acessíveis. 
 
QUANTO MAIS SOFISTICADO O PROJETO, MAIS RIGOROSAS SERÃO AS ESPECIFICAÇÕES E 
MAIORES, AS INTERAÇÕES. 
 
Interação entre função, material, forma e processo de fabricação está no coração do 
processo de seleção de materiais. 
 
 
MATERIAIS DE ENGENHARIA E SUAS PROPRIEDADES 
 
Os materiais de engenharia estão classificados em seis famílias gerais: 
METAIS – CERÂMICAS – VIDROS – POLÍMEROS – ELASTÔMEROS – HÍBRIDOS 
 
 
 
Membros de uma mesma família compartilham algumas características: 
 Propriedades; 
 Rotas de processamento; 
 Aplicações (na maioria das vezes). 
 
 
 
METAIS 
 
Características principais: 
 Rígidos; módulos de elasticidade relativamente altos. 
 Quando Puros, são na maioria, macios e fáceis de deformar. 
 Podem ser fortalecidos com a adição de elementos de liga e por tratamento 
eletromecânico, permanecendo dúcteis, permitindo a conformação por processos de 
deformação. 
 Alta ductilidade: baixa resistência a fadiga; 
 Entre todas as classes de materiais, são as que apresentam menor resistência a corrosão. 
 
 
CERÂMICOS 
 
Características principais: 
 Apresentam alto módulo de elasticidade, porém são frágeis. 
 Resistência a tração = resistência a fratura frágil 
 Resistência a contração = resistência ao esmagamento 
 Apesar disso, Contração 15x(aprox.) maior do que a tração. 
 Não apresentam ductilidade, portanto baixa tolerância a concentração de tensões (poros e 
trincas) ou altas tensões de contato (por ex. pontos de fixação) 
 
Materiais frágeis apresentam ampla dispersão para a resistência, que em si, depende do 
volume do material sobre carga e do tempo de aplicação de carga. 
Maior dificuldade em projetar com cerâmicas. 
Apesar da fragilidade, cerâmicas são rígidas, duras, e resistentes a abrasão, mantém a 
resistência em alta temperatura e são bem resistentes a corrosão. 
 
 
VIDROS 
 
 São sólidos não cristalinos (amorfos) 
 A ausência de estrutura cristalina suprime a plasticidade e assim como as cerâmicas, são 
duros, frágeis e vulneráveis a concentradores de tensões. 
 
 
POLÍMEROS 
 
 Apresentam baixos módulos de elasticidade, aprox.. 50x menor do que o dos metais. 
 Podem apresentar-se quase tão fortes quanto os metais. 
 Grandes deflexões elásticas 
 Sofrem fluência, mesmo em temperatura ambiente. Ou seja, com o tempo, um polímero 
sob a aplicação de uma carga pode deformar-se plasticamente. 
 Propriedades são dependentes da temperatura: Um polímero tenaz e flexível a 20oC, pode 
ser frágil aos 4 oC ou sofrer fluência rápida aos 100 oC. 
 Acima dos 200 oC, poucos polímeros apresentam resistência útil. 
 Polímeros são fáceis de conformar, são resistentes a corrosão e tem baixo coeficiente de 
atrito. 
Alguns polímeros são cristalinos, amorfos ou uma mistura de cristalinos e amorfos. 
 
 
ELASTÔMEROS 
 
São polímeros de cadeia longa, na qual suas unidades estão ligadas covalentemente, 
enquanto as ligações entre uma cadeia e outra ocorre por ligações mais fracas, de Van der Waals e 
de hidrogênio. 
Apresentam baixo módulo de Young (até 10-3 GPa – 105x menores do que os módulos 
típicos de metais), que aumenta com a temperatura (ao contrário dos outros sólidos) 
 
 
HÍBRIDOS 
 
 São combinações de dois ou mais materiais em uma configuração e escala 
predeterminada. 
 As propriedades mais atraentes de outras famílias de materiais são combinadas, ao mesmo 
tempo que se evitam algumas desvantagens. 
 
Inclui os compósitos reforçados com fibras e com particulados, estruturas-sanduíche, 
espumas, cabos e laminados. 
Podem ser encontrados na natureza: osso, pele, folha – são híbridos. 
Entre os mais conhecidos, estão os compósitos reforçados com fibras (vidro, carbono ou 
aramida). 
São leves, rígidos e resistentes, podendo ser tenazes. 
Um polímero como um dos componentes limita uso até T. 250oC, devido ao amolecimento do 
polímero. 
São caros e relativamente difíceis de conformar e unir, limitando sua utilização quando o 
desempenho justificar o custo. 
 
 
INFORMAÇÃO DE MATERIAIS PARA O PROJETO 
 
Ao selecionar materiais, durante o desenvolvimento do projeto, são necessários dados das 
propriedades dos materiais. 
 
 
 
Para ter sucesso no mercado, um produto deve ser economicamente viável e bem 
sucedido, em termos de desempenho, atração (para o consumidor); custo; competição (com seus 
concorrentes). 
 
Tudo isso depende da escolha do material e do modo como ele é processado. 
 
 
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS E SUAS UNIDADES 
 
Cada material apresenta um conjunto de atributos ou propriedades. 
A combinação que caracteriza um dado material é o seu perfil de propriedades, que são 
montados através de ensaios sistemáticos. 
 
PROPRIEDADES GERAIS 
 
 DENSIDADE, ρ (kg/m3) é a relação entre massa e unidade de volume. 
 
 PREÇO, Cm ($/kg) apresenta uma ampla faixa de valores. Enquanto alguns materiais 
custam apenas alguns centavos/kg, outros podem custar até $1000/kg. Nos primeiros 
estágios da seleção de materiais é útil ter um preço aproximado. 
 
 PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 
- MÓDULO DE ELASTICIDADE, E (GPa) é a inclinação da parte linear inicial da curva tensão-
deformação. 
 
O Módulo de Young descreve a resposta ao 
carregamento sob tração ou compressão. 
O módulo de elasticidade transversal, G, 
descreve a resposta ao carregamento de 
cisalhamento. 
O Módulo de elasticidade volumétrico, k, 
descreve a resposta a pressão hidrostática. 
O módulo de Poisson, υ, é o negativo da razão 
entre a deformação lateral, ε2 e a deformação 
axial, ε1, sob carregamento axial. 
 
Em um material isotrópico, os módulos se relacionam das seguintes maneiras: 
E = 
 
 
 
 
 G = 
 
 
 k = 
 
 
 
Comumente, υ≈ 1/3 quando G ≈ 
3/8 E e K ≈ E 
Para os elastômeros: υ≈ 1/2 quando G ≈ 
1/3 E e K >> E 
 
- RESISTÊNCIA, σf 
 
Para metais, é a tensão de escoamento a 0,2% de formação σy. Ou seja, a tensão a qual a 
curva tensão-deformação para carregamento axial se desvia da linha elástica linear por uma 
deformação de 0,2%. É a mesma, tanto sob tração, quanto sob compressão. 
 
Para os polímeros é a tensão a qual a curva tensão-deformação torna-se notavelmente não 
linear, a uma deformação típica de 1% 
 
Pode ser causado pelo deslizamento irreversível de 
cadeias moleculares ou causadi pelo esgarçamento 
(formação de volumes de baixa densidade, parecidos 
com trincas que dispersam a luz, fazendo o polímero 
parecer branco. 
 
Polímeros são aprox.. 20% mais resistentes sob compressão do que sob tração. 
 
Para cerâmicas e vidros, a resistência depende fortemente do modo de carregamento. 
 
Sob tração a resistência é a resistência a fratura, 
σt. 
Sob compressão é a resistência ao 
esmagamento, σc, 
 
σc = 10 a 15 x σt 
 
Normalmente a resistência de um material cerâmico é medida sob flexão. 
 
 
A resistência a flexão, σflex ou módulo de 
ruptura, MOR (MPa) é a máxima tensão 
superficial em uma viga flexionada no 
instante da fratura. 
σflex= 1,3 σt, devido ao menor volume 
submetido a essa tensão máxima e a menor 
probabilidade de existir uma falha dentro 
dele. 
 
Sob tração simples, todas as falhas sofrem a mesma tensão. 
 
 
Para compósitos, a resistência é definida por um desvio em relação ao comportamento 
elástico linear, cerca de 0,5%. 
Compósitos que contém fibras (incluindo as naturais, como a madeira), são até 30% mais 
fracas sob compressão do que sob tração, devido ao efeito da flambagem sofrida pelas fibras. 
 
Portanto podemos dizer que a resistência depende da classe de material e seu 
carregamento. 
 
 
 
- LIMITE DE RESISTÊNCIA A TRAÇÃO σTS ou σu (MPa) é a tensão nominal a qual uma barra 
de secção redonda, carregada sob tensão se separa. 
 
 
Para materiais frágeis é igual à resistência a 
falha sob tração. 
Para metais, polímeros dúcteis e a maioria 
dos compósitos é maior do que a tensão de 
escoamento σy por um fator entre 1,3 e 1,5 
em razão do encruamento, ou no caso 
específico dos compósitos, da transferência 
de carga para o reforço. 
 
- CARREGAMENTO CÍCLICO é a nucleação e crescimento de trincas, levando a falha por 
fadiga 
 
- LIMITE DE FADIGA, σE (MPa) 
 
É a amplitude de tensão abaixo da qual 
não ocorre fratura, ou pode não 
ocorrer fratura após um número muito 
grande de ciclos (Nf > 10
7). 
 
- DUREZA: medida aproximada, não destrutiva, da resistência. 
 
Dureza = 
 
 
 
 
 
Relaciona-se com σf 
H ≈ 3. σf 
 
Dureza Vickers: 
Hv = 
 
 
 
 - TENACIDADE (GIC) e TENACIDADE A FRATURA (KIC) medem a resistência de um material à 
propagação de uma trinca. 
A Tenacidade a Fratura é medida mediante o carregamento de uma amostra que contém 
uma trinca introduzida deliberadamente, de comprimento 2c, e registrando a tensão de tração, σ* 
a qual a trinca se propaga. 
 
 
KIC = Y σ
*√ 
GIC = 
 
 
 
 
 
Onde Y é um fator geométrico, que depende de 
detalhes da geometria da amostra, E é o módulo 
de Young e υ é o índice de Poisson. 
 
A medição, através dessas equações para materiais frágeis, como cerâmicas, vidros e 
polímeros frágeis apresentam resultados satisfatórios. 
Para o caso de muitos materiais dúcteis, há o desenvolvimento de uma zona plástica na 
extremidade da trinca, modificando o modo de propagação da trinca, necessitando portanto de 
uma caracterização mais elaborada. 
 
- DESGASTE é a perda de material quando superfícies deslizam uma contra a outra. 
 
 
Quando sólidos deslizam, o volume de material 
perdido por uma superfície, por unidade de 
distância deslizada é chamada taxa de desgaste, 
W (m2) 
A resistência ao desgaste da superfície é 
caracterizada pela constante de desgaste, ou 
constante de Archard, kA (1/MPa) 
 
 
= kA P 
Onde A é a área de superfície do deslizador, P é a força normal que a pressiona contra a 
outra superfície 
kA é uma propriedade do par deslizante e não apenas de um componente. 
 
 
 PROPRIEDADES TÉRMICAS 
 
- TEMPERATURA DE FUSÃO (TM) de um sólido cristalino é bem definida, ao contrário da dos 
sólidos não cristalinos. 
 
- TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO VÍTREA (TG) caracteriza a transição de um sólido verdadeiro 
para um líquido muito viscoso. 
 
- TEMPERATURA MÁXIMA DE SERVIÇO indica a temperatura mais alta a qual o material pode 
ser razoavelmente usado sem que oxidação, mudanças químicas ou fluência excessiva tornem-se 
um problema. 
 
- TEMPERATURA MÍNIMA DE SERVIÇO é a temperatura abaixo da qual o material torna-se frágil 
ou inseguro de usar. 
 
- CALOR ESPECÍFICO ou CAPACIDADE TÉRMICA (CP) é a energia necessária para aquecer 
1kg de um material por 1K. Para o caso dos gases, mede-se a capacidade térmica volume 
constante (CV) 
 
Uma quantidade de energia medida é 
fornecida para uma amostra de material de 
massa conhecida. 
A elevação da temperatura é medida, 
permitindo o cálculo da energia/kg K 
 - CONDUTIVIDADE TÉRMICA (λ, W/mK) mede a taxa na qual o calor é conduzido 
através de um sólido em regime permanente (a temperatura não muda com o tempo). 
 
 
Na transmissão de calor transiente, o fluxo depende da difusividade térmica, α (m2/s) 
definida por: α = 
 
 
, onde ρ é a densidade e CP é a capacidade térmica. 
A distância x, a qual o calor se difunde em um tempo t é aproximadamente: x ≈ √ 
 
QUANDO AQUECIDOS, A MAIORIA DOS MATERIAIS SE EXPANDE. 
 
 
- COEFICIENTE DE EXPANSÃO TÉRMICA LINEAR (a) mede a deformação térmica por grau 
de mudança de temperatura. 
 
Para material termicamente isotrópico, o 
volume de expansão por grau é 3a. 
Para material anisotrópico, são necessários 
dois ou mais coeficientes e o volume de 
expansão torna-se a soma das principais 
deformações térmicas. 
 
- RESISTÊNCIA AO CHOQUE TÉRMICO (ΔT, K ou oC) é a máxima diferença de temperatura à 
qual um material pode ser resfriado rápida e repentinamente com água, sem dano. 
 
- FLUÊNCIA é a deformação lenta e dependente do tempo, que ocorre quando materiais 
são carregados acima de 1/3Tm ou 2/3 TG. 
 
 
 PROPRIEDADES ELÉTRICAS 
 
- RESISTIVIDADE ELÉTRICA (ρe, Ωm) é a resistência de um cubo unitário com diferença de 
potencial unitária entre um par de suas faces. 
 
 
- CONDUTIVIDADE ELÉTRICA (ke) é o inverso da resistividade. 
Quando um isolante ou dielétrico é colocado em um campo elétrico, torna-se polarizado, 
aparecendo em sua superfície cargas que tendem a proteger o interior contra o campo elétrico. 
 
- CONSTANTE DIELÉTRICA (εT) mede a tendência ao dielétrico se polarizar. 
Para espaços vazios e finalidades práticas da maioria dos gases, seu valor é 1. 
Para a maioria dos isolantes, apresenta valores entre 2 e 30. 
 
Duas placas condutoras separadas por um dielétrico formam um capacitor (armazenador 
de carga). A carga, Q (C) é diretamente proporcional à diferença de tensão entre as placas, V 
Q = C V, onde C (Farads) é a capacitância. 
 
Um capacitor de placas paralelas, de área A, separadas por um espaço vazio (ou por ar) 
têm capacitância: C = εoA/t, onde εo = 18,85.10
-12 F/m. 
Substituindo o espaço vazio por um dielétrico, a capacitância aumenta em razão de sua 
polarização. 
A POLARIZAÇÃO envolve pequenos deslocamentos de carga (tanto de elétrons quanto de 
íons) ou de moléculas que portam um momento de dipolo quando um campo elétrico é aplicado 
ao material. Esse movimento de cargas é como uma corrente elétrica que estaria defasada em 90o 
em relação a tensão, caso não houvesse nenhuma perda. Porém em dielétricos reais, a corrente 
dissipa energia, resultando em um pequeno deslocamento de fases, δ. 
 
- A TANGENTE DE PERDA (tg δ ) ou fator de dissipação (D) é a tangente do ângulo de perda. 
- O FATOR DE POTÊNCIA, Pf é o seno do ângulo de perda. 
Quando δ é pequeno, temos que: Pf ≈ D ≈ sen δ 
- O FATOR DE PERDA (L) mede a energia dissipada por um dielétrico quando em um campo 
oscilante. É a tangente de perda multiplicada pela constante dielétrica, L = εT tg δ 
O fator de perda é uma medida ideal para selecionar materiais visando minimizar ou 
maximizar a perda dielétrica. 
 
 
 PROPRIEDADES ÓPTICAS 
 
Todos os materiais permite alguma passagem de luz. Mesmo para o caso dos materiais 
metálicos, que é extremamente pequena. 
No interior de um material, a velocidade da luz (V) é sempre menor do que no vácuo (C). 
Um feixe de luz, atingindo a superfície a um ângulo de incidência, α, entrará no material a um 
ângulo β, chamado ângulo de refração. 
 
- O índice de refração, n = 
 
 
 
 
 
, relaciona-se com a constante dielétrica na mesma 
frequência: n ≈√ 
O índice de refração depende do comprimento de onda. 
Quanto mais denso o material, e maior a sua constante dielétrica, maior o índice de refração.Quando n = 1, toda a intensidade incidente entra no material. 
Quando n > 1 ocorre reflexão 
Se a superfície for lisa e polida, a luz é refletida como um feixe. Se a superfície for irregular, a 
luz é dispersada. 
 
- A porcentagem refletida, R = (
 
 
)
 
X 100. A medida que n aumenta, o valor de R se 
aproxima de 100%.