Seleção de Materiais

Prévia do material em texto

Princípios básicos para seleção de materiais
� relacionar e estudar experiências prévias para o serviço em 
questão
� relacionar e colocar em ordem de prioridade os parâmetros que 
podem influenciar na escolha
� estabelecer as características que se deseja para o material de 
acordo com o serviço
� realizar testes, comparando os materiais que podem ser usados 
otimizando o custo total.
Etapas básicas
Grande variedade de materiais: características, vantagens e desvantagens.
Primeiro passo: definição da categoria do material: 
metal?
cerâmico?
polímero?
Princípios básicos
O serviço exige um material dútil? 
⇒⇒⇒⇒ não é possível usar material cerâmico 
O material trabalhará em altas temperaturas? 
⇒⇒⇒⇒ Material metálico? Material cerâmico? Metálico com 
revestimento cerâmico?
� METÁLICOS: bons condutores de calor e eletricidade; 
resistentes e deformáveis: extenso uso em aplicações estruturais
� CERÂMICOS: isolantes térmicos e elétricos; resistentes a 
altas temperaturas e a ambientes agressivos; frágeis.
� POLIMÉRICOS: baixa densidade; altamente deformáveis.
COMPÓSITOS: dois ou mais tipos de materiais unidos de 
forma a produzir um material com características específicas. 
Projetados para apresentar uma combinação das melhores 
características de cada um dos componentes.
NOVOS MATERIAIS: materiais com funções avançadas ou 
materiais convencionais com propriedades significativamente 
melhoradas.
DEFINIÇÃO DO MATERIAL
Vista global do comportamento relativo das diferentes classes de materiais 
de engenharia: gráficos que relacionam duas diferentes propriedades 
⇒ Mapas das Propriedades dos Materiais (M.F. Ashby)
� escalas logarítmicas (agrupamento das diferentes classes de materiais). 
� índices de mérito (IM): fórmula algébrica que expressa um compromisso 
entre duas características ou propriedades. 
Forma mais simples do IM: fração tendo como numerador a 
propriedade que se quer maximizar e como denominador a que se deseja 
minimizar. 
Material adequado: máximo valor dessa fração. 
Ex: situação de projeto regida por critério de resistência mecânica e 
como requisito ou objetivo principal o baixo peso do produto ou 
componente. 
Mapas das Propriedades dos Materiais
Quais fatores influenciam na 
escolha dos materiais para 
determinado serviço ou 
aplicação industrial?
Mecânicas: Limites de escoamento e de resistência, 
dutilidade, resistência à fadiga e fluência, temperatura 
de transição dútil-frágil, módulo de elasticidade.
Propriedades físicas dos materiais
� A natureza dos esforços mecânicos deve ser definida. Que 
forças atuarão sobre o material? Em que magnitude?
� O material sofrerá impactos, atritos ou haverá esforço 
cíclico, haverá tensão de tração ou de compressão?
� Em que temperatura a propriedade deverá ser avaliada?
Testes mecânicos usados para 
definição dos materiais
Tração: Ex: cordas e amarras
Compressão: ex: asfalto
Fadiga: Tensão constante. Ex: material usado em aeronaves
Impacto: resistência a choques abruptos. Ex: garrafas PET
Dureza: resistência a riscar. Ex: cerâmicas usadas como 
pisos 
Demais propriedades físicas
Ex: densidade, calor específico, expansão térmica, 
condutividade, propriedades magnéticas e elétricas.
� Há algum requisito ótico, magnético ou elétrico 
desejado?
�O material deve apresentar condutividade térmica ou 
elétrica?
Propriedades físicas dos materiais
� Resistência à degradação química e oxidação 
- corrosão dos materiais metálicos
- deterioração de cerâmicos (ex: degradação do concreto)
- degradação de materiais poliméricos
� Flamabilidade (facilidade com que um material entra em ignição)
� Toxicidade (efeito nocivo a um organismo vivo)
Ex: tintas, vernizes, amianto, materiais radioativos, tubulações de chumbo
Propriedades químicas dos materiais
� temperatura
Características do serviço
� Possibilidade de formação de fases 
vítreas em materiais cerâmicos 
usados em altas temperaturas.
�Temperaturas limites para os metais 
e ligas
Metal Meio 
Aço-Carbono Água do Mar 
Aço Inoxidável HCl, H2S, SO3 
Alumínio HCl, NaOH, SO3 
Magnésio HNO3 
Cobre HCl, NH3 
Titânio H2SO4, H2O2 conc, SO3 
Prata HCl concentrado 
Ouro FeCl3 
Platina HNO3 fumegante 
� Compatibilidade material/meio: composição química, concentração, 
pH, caráter oxidante ou redutor, presença de contaminantes, velocidade do 
fluido.
Necessário avaliar alterações em cada um destes fatores ao longo 
do tempo de serviço.
Características do serviço
Exemplo de danos em equipamentos 
em função do meio:
� Empolamento por hidrogênio
H2S = HS
- + H+
Fe + 2HS- = FeS + S-- + 2H
FeS + 6CN- = (FeSCN)6
4- + S--
em presença de CN-
Materiais poliméricos
�Custo/benefício: custo direto do material, tempo de vida útil e custos 
indiretos (paradas para reparos ou reposição dos equipamentos).
Ex: Aço inox 304 no lugar de aço-C.
Aço-carbono disponível em inúmeras formas de fabricação.
Fabricação, disponibilidade e custo
Tempo de vida útil deve ser compatível com tempo previsto de operação. 
⇒⇒⇒⇒ Relação direta com segurança (acidentes e falhas). 
Ex: furos em tubulações.
Fatores críticos na seleção: facilidade de obtenção, forma de 
apresentação (chapas grossas, chapas finas, tubos para condução, 
tubos para troca de calor, acessórios) e facilidade de fabricação.
Novas condições de serviço:
Aumento de pressão e temperatura em um equipamento de 
processo na indústria química. Ex: condições de exploração
em região do pré-sal.
Redução de peso: requisito de grande importância. 
Ex: polímeros substituindo aços na indústria automotiva -
conjunto de pedais em nylon reforçado com fibra de vidro
utilizado em automóvel, com metade do peso dos pedais de 
aço e 20% mais baratos. 
Uso de novos materiais: casos em que um novo material leva
ao reprojeto completo do produto ou componente. Ex: 
substituição de ímãs de ferrita por ímãs baseados em Terras
Raras. As dimensões dos ímãs diminuem sensivelmente com 
maximização da magnetização.
Alguns requisitos adicionais
Esquema de classificação das ligas metálicas
Ferrosas Não-ferrosas
aços
ferros 
fundidos
baixa liga alta liga
Teor de C: 
baixo (< 0,25%p)
médio (0,25 < 0,60%p)
alto (>>>> 0,60%p)
aço-ferramenta (alto C)
aço inoxidável
Ligas 
metálicas
Cinzento, 
dútil, branco 
ou maleável
Ligas metálicas
Ligas metLigas metáálicas ferrosas:licas ferrosas:
� Principal constituinte: Fe com quaisquer ouros metais (aços, ferro fundido)
Ligas metLigas metáálicas nãolicas não--ferrosas:ferrosas:
Al, Zn, Ti, Cu, Sn, etc
Ligas de alumínio: baixa densidade: 2,7 g/cm3 e 
elevadas condutividades térmica e elétrica
Característica importante para uso em engenharia: 
resistência específica:
limite de resistência à tração / densidade
resistência específica > aço
limite de resistência à tração < aço
Ligas metálicas não-ferrosas
� Cobre e ligas: latões, 
bronzes, ligas Cu-Ni
Resistência mecânica aprimorada por 
formação de ligas.
Latões:Latões: αααα até 35% Zn (cfc)
> 35% Zn: fases αααα e ββββ’ (ccc em T amb): 
mais duro e resistente
Bronzes: Bronzes: 
Cu + Sn, Al, Si, Ni
Formação de pátinas
Ligas metálicas não-ferrosas
�Titânio e ligas: alta dutilidade; alta 
resistência à compressão 
Importante aplicação: BIOMATERIAIS BIOMATERIAIS ⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒
biocompatibilidadebiocompatibilidade
Camada formada pela interação com o 
oxigênio (TiO, TiO2, Ti2O3, Ti3O4)
Espessura: 1µµµµm (impede contato 
osso/metal) 
Titânio comporta-se, bioquimicamente, 
como cerâmica.
10-100Å10-100Å < 10Å< 10Å
Met
al
Met
al
Óxid
o
Óxid
o
Ligas metálicas não-ferrosas
Outro importante uso: anodos inertes 
�Ligas de níquel:monel, inconel, incolloy,hastelloy
(altamente resistentes à corrosão)
Monel: liga Ni/Cu extremamente resistente à corrosão, em especial na 
água do mar, sendo utilizada na indústria naval e petrolífera. Por ser 
resistente a meios ácidos é também utilizada na indústria alimentícia.
�65% do níquel consumido está na fabricação de aço 
inoxidável austeníco e outros 12% em superligas de níquel. O 
restante na produção de outras ligas metálicas 
As ligas Inconel possuem ainda resistência à corrosão sob tensão em 
meios com cloretos devido ao alto teor de níquel. Esse elemento 
confere ainda resistência à meios básicos (como soda cáustica) e 
meios ácidos redutores diluídos 
Ligas metálicas não-ferrosas
� Ligas de zinco: 
ex de uso: anodos e aço galvanizado (pés de torres 
de linhas de transmissão, cercas, telas, telhados, 
parafusos)
Ligas metálicas não-ferrosas
Outras ligas com aplicações específicas
� Pb, Sn: baixa T fusão (T eutética); Sn usado em 
revestimentos finos em latas de aço-C (alimentos). Impede 
reação do alimento com o aço-C.
Superligas - Combinações de propriedades:
Ambientes extremos, T elevadas
Classificados de acordo com o principal constituinte: 
Co, Ni ou Fe
refratários: Nb, Mo, W, Ta, Cr, Ti
Reatores nucleares, turbinas de aeronaves, equipamentos 
da indústria petroquímica.
Ligas metálicas não-ferrosas
Materiais Cerâmicos
� Vidros
� Refratários
� Abrasivos
� Cimentos
� Cerâmicas avançadas
Grande diferença entre materiais metálicos e cerâmicos.
vidros
Principais constituintes:
• Sílica (SiO2 ) 70 a 72 %
Fundentes e refinadores 
(eliminação de bolhas de CO2)
• Óxido de Sodio (Na2O) 12 a 14 %
• Óxido de Cálcio (CaO) 9 a 11 %
• Óxido de Magnésio (MgO) 0 a 3 %
• Óxido de Potássio (K2O) 0 a 1 %
Aumento da resistência química
• Alumina (Al2O3) 1 a 2 %
• B2O3 SiO2Na2O
Materiais Cerâmicos
� Capacidade de resistir a altas temperaturas sem fundir ou 
decompor.
� Não reativos e inertes em ambientes severos.
� Isolamento térmico.
� Forma mais comuns: tijolos (revestimentos de fornos para 
beneficiamento de metais, fabricação de 
vidros, tratamentos térmicos metalúrgicos 
e geração de energia).
� Desempenho depende da composição: 
argila refratária, sílica, básica e refratários 
especiais.
Materiais Cerâmicos
Refratários