Cap. 4 - Michael Ashby - Seleção De Materiais No Projeto Mecânico PDF

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C A P ÍTU LO 4

Diagramas de propriedades de materiais

Uma fatia tridimensional do espaço de propriedades de materiais: a fatia módulo-resistência-densidade.

Materials Selection in Mechanical Design. DOI: 10.1016/B978-1-85617-663-7.00004-7 © 2011 Michael F. Ashby. Publicado por Elsevier Ltd. Todos os direitos reservados.

C A PÍTU LO 4:

Diagramas de propriedades de materiais

SUMÁRIO 4.1 Introdução e sinopse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.2 Explorando propriedades de materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.3 Os diagramas de propriedades de materiais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 O diagrama módulo-densidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 O diagrama resistência-densidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 O diagrama módulo-resistência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 O diagrama rigidez específica-resistência específica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 O diagrama tenacidade à fratura-módulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 O diagrama tenacidade à fratura-resistência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 O diagrama coeficiente de perda-módulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 O diagrama condutividade térmica-resistividade elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 O diagrama condutividade térmica-difusividade térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 O diagrama expansão térmica-condutividade térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 O diagrama expansão térmica-módulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 O diagrama de temperatura de serviço máxima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Atrito e desgaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Diagramas de barras de custo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 O diagrama módulo-custo relativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83 O diagrama resistência-custo relativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83

4.4 Resumo e conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.5 Leitura adicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.1 INTRODUÇÃO E SINOPSE Propriedades de materiais limitam o desempenho. Precisamos de um modo de pesquisá-los para ter uma ideia dos valores que as propriedades que limitam o projeto podem ter. Uma propriedade pode ser apresentada como uma lista classificada ou diagrama de barras, mas é raro que o desempenho de um componente dependa de apenas uma propriedade. Mais frequentemente o que importa é uma combinação de propriedades: a necessidade de rigidez com baixo peso, de condução térmica acoplada à resistência à corrosão, ou de resistência combinada com tenacidade, por exemplo. Isso sugere a ideia de construir gráficos de uma propriedade em relação a uma outra, mapeando as áreas no espaço da propriedade ocupadas por cada classe de material e as subáreas ocupadas por materiais individuais. Os diagramas resultantes são úteis de vários modos. Condensam um grande acervo de informações em uma forma compacta, porém acessível; revelam correlações entre propriedades de materiais que ajudam na verificação e estimativa de dados; e, como veremos em capítulos posteriores, tornam-se ferramentas para selecionar materiais, para explorar o efeito do processamento sobre as propriedades, para demonstrar como a forma pode realçar a eficiência estrutural, e para sugerir direções para mais desenvolvimento de materiais. 52

4.2 Explorando propriedades de materiais

As ideias que fundamentam os diagramas de seleção de materiais são descritas resumidamente no Item 4.2. O Item 4.3 apresenta os diagramas em si. Não é necessário ler tudo, mas é proveitoso persistir até o ponto de poder ler e interpretar os diagramas fluentemente, e entender o significado das diretrizes de projeto que aparecem neles. Se mais tarde você usar um determinado diagrama, deve ler os fundamentos que levaram a ele, dados aqui, para ter certeza de que o está interpretando corretamente. Como explicamos no Prefácio, os diagramas podem ser copiados e distribuídos para finalidades de ensino sem infringir os direitos autorais.1

4.2 EXPLORANDO PROPRIEDADES DE MATERIAIS Cada propriedade de um material de engenharia tem uma faixa de valores característica. A amplitude pode ser grande: muitas propriedades têm valores que abrangem cinco ou mais potências de dez. Um modo de apresentar isso é um diagrama de barras como o da Figura 4.1 para o módulo de Young. Cada barra descreve um material; seu comprimento mostra a faixa de módulos exibida pelo material em suas várias formas. Os materiais são segregados por classe. Cada classe mostra uma faixa característica: metais e cerâmicas têm módulos altos; polímeros têm baixos; híbridos têm uma faixa ampla, de baixa a alta. A faixa total é grande ! abrange um fator de aproximadamente 106 ! portanto, usamos escalas logarítmicas para apresentá-la. Mais informações são apresentadas por um gráfico alternativo, ilustrado no desenho esquemático da Figura 4.2. Aqui, uma propriedade (o módulo, E, nesse caso) é representada em gráfico em relação a uma outra (a densidade, Ε). A faixa dos eixos é escolhida de modo a incluir todos os materiais, desde as mais leves e mais tênues espumas até os metais mais rígidos e mais pesados, e é grande, o que exige, novamente, escala logarítmicas. Constata-se que dados para uma determinada família de materiais (polímeros, por exemplo) se aglomeram; a subfaixa associada a uma família de materiais é, em todos os casos, muito menor do que a faixa total dessa propriedade. Dados para uma família podem ser englobados em um envelope de propriedade ! envelopes são mostrados nesse desenho esquemático. Um diagrama ƺΕ real é mostrado na Figura 4.3. Os envelopes de família aparecem como ilustrado no desenho esquemático. Dentro de cada envelope encontram-se bolhas brancas que contêm classes e subclasses. Tudo isso é bem simples ! é apenas um modo útil de apresentar dados em gráficos. Porém, se escolhermos adequadamente os eixos e escalas, mais podemos acrescentar. A velocidade do som em um sólido depende de E e Ε; a velocidade de onda longitudinal v, por exemplo, é:

v= E

1/2

ou (tomando logaritmos): log E = log Ε + 2 log v ȳȱȱȱȱȱȱ¡ȱȱwww.grantadesign.com. Todos os diagramas mostrados neste capítulo foram criados com a utilização do software CES Edu Materials Selection da Granta Design. Com ele você pode fazer diagramas com qualquer par (ou combinação) de propriedades como eixos.

1

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Diagramas de propriedades de materiais

Aço de baixa liga Aço de alto teor de carbono

1.000

WC

Módulo de Young E (GPa)

Aço inoxidável Ligas de titânio

100 10

Ligas de Cu Ligas de Zn Ligas de Al

PS PC PP

1

Alumina Compósito de Al-SiC CFRP

Vitrocerâmica Vidro de sílica

Acetal, POM Poliéster, rígido

Ligas de Mg

Módulo de Young

BC SiC

Vidro de cal de soda

ABS PUR PE

GFRP Compensado de madeira

PTFE

10−1

Ionômero EVA

10−2 Poliuretano Borracha natural (NR)

−3

10

Neopreno

Metais

Polímeros

Cerâmicas

Híbridos

10−4

MFA, 09

FIGURA 4.1  Um diagrama de barras que mostra módulo para famílias de sólidos. Cada barra mostra a faixa de módulo oferecida por um material, alguns dos quais estão identificados.

1000

Módulo – Densidade

104 m/s

Cerâmicas Compósitos

100 Módulo de Young E (GPa)

3 × 103

Materiais naturais

103

10 Metais

3 × 102

1 Polímeros

102 m/s

10−1 Espumas Velocidade de onda longitudinal

10−2 10−3

Inclinação = 1 Elastômeros MFA, 09

10−4 10

100

1.000 Densidade ρ (kg/m3)

10.000

FIGURA 4.2  A ideia de um diagrama de propriedade de materiais: o módulo de Young E é representado em gráfico em relação à densidade Ε em escalas logarítmicas. Cada classe de material ocupa uma área característica. Os contornos mostram a velocidade de onda elástica longitudinal v = (E/Ε)1/2.

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4.2 Explorando propriedades de materiais

Módulo de Young – Densidade

Cerâmicas técnicas

1.000

Compósitos

Módulo de Young E (GPa)

10 Velocidade de onda longitudinal 104 m/s Espumas rígidas de polímeros

Couro

Ligas de Ni

PE

Ligas de Cu

Metais Ligas de chumbo Ligas de zinco

Cerâmicas não técnicas E1/3 ρ

PTFE

Polímeros

10−1

E1/2 ρ

Espumas EVA

3

10 m/s

10−2 Cortiça

E ρ Elastômeros de silicone Poliuretano

Isopreno Neopreno

10−3

Espumas flexíveis de polímeros 2

10−4 10 m/s 10

Borracha butílica

WC Ligas de W

Ligas de Al CFRP

Vidro Bambu Ligas de Mg GFRP Madeira // ao veio Poliéster PMMA Concreto Materiais PA PEEK naturais PET PS Madeira ⊥ Epóxis ao veio PC PP

100

1

B4C

Al2O3 Aços SiC Ligas de Ti Si3N4

Diretrizes para projeto de massa mínima

Elastômeros MFA, 09

100

1.000 Densidade ρ (kg/m3)

10.000

FIGURA 4.3  Gráfico do módulo de Young E em relação à densidade Ε. Os envelopes coloridos englobam dados para uma determinada classe de material. Os contornos diagonais mostram a velocidade de onda longitudinal. As diretrizes de E/Ε, E 1/2 /Ε e E 1/3 /Ε constantes permitem a seleção de materiais para projeto de peso mínimo, limitado por deflexão.

Para um valor fixo de v, o gráfico dessa equação é uma linha reta de inclinação 1 nas Figuras 4.2 e 4.3. Isso nos permite acrescentar contornos de velocidade de onda constante ao diagrama: são a família de linhas diagonais paralelas que ligam materiais nos quais as ondas longitudinais viajam com a mesma velocidade. Todos os diagramas permitem a apresentação de relações fundamentais adicionais desse tipo. E mais: parâmetros de otimização de projeto denominados índices de materiais também são representados como contornos nos diagramas (veja o Capítulo 5). Entre as propriedades mecânicas e térmicas, há 30, mais ou menos, que são de importância primordial, tanto para a caracterização do material quanto para o projeto de engenharia. São apresentadas na Tabela 3.1 e incluem densidade, módulos, resistência, dureza, tenacidade, condutividades térmica e elétrica, coeficiente de expansão e calor específico. Os diagramas apresentam dados para essas propriedades para as famílias e classes de materiais apresentadas na Tabela 4.1. A lista é derivada das seis originais da Figura 3.1 e ampliada pela distinção entre compósitos e espumas e materiais naturais, e pela distinção entre cerâmicas técnicas de alta resistência (por exemplo, carboneto de silício) e cerâmicas não técnicas de baixa resistência (por exemplo, concreto e tijolo). Dentro de cada família, os dados são representados em gráfico para um conjunto 55

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Diagramas de propriedades de materiais

Tabela 4.1 Família e classes de materiais Família Metais (os metais e ligas de engenharia)

Cerâmicas, cerâmicas técnicas (cerâmicas finas capazes de aplicações que suportam carga)

Classes

Abreviatura

Ligas de alumínio

Ligas de Al

Ligas de cobre

Ligas de Cu

Ligas de chumbo

Ligas de Pb

Ligas de magnésio

Ligas de Mg

Ligas de níquel

Ligas de Ni

Aços-carbono

Aços

Aços inoxidáveis

Aços inoxidáveis

Ligas de estanho

Ligas de Sn

Ligas de titânio

Ligas de Ti

Ligas de tungstênio

Ligas de W

Ligas de chumbo

Ligas de Pb

Ligas de zinco

Ligas de Zn

Alumina

Al2O3

Nitreto de alumínio

AlN

Carboneto de boro

B4C

Carboneto de silício

SiC

Nitreto de silício

Si3N4

Carboneto de tungstênio

WC

Cerâmicas, cerâmicas não técnicas (cerâmicas porosas de construção)

Tijolo

Tijolo

Concreto

Concreto

Vidros

Vidro de cal de soda

Vidro de cal de soda

Vidro de borossilicato

Vidro de borossilicato

Vidro de sílica

Vidro de sílica

Vitrocerâmica

Vitrocerâmica

Acrilonotrila butadieno estireno

ABS

Polímeros de celulose

CA

Ionômeros

Ionômeros

Epóxis

Epóxi

Polímeros (os termoplásticos e termofixos de engenharia)

Fenólicos

Fenólicos

Poliamidas (náilons)

PA

Policarbonato

PC

Poliésteres

Poliéster

Polieteretercetona

PEEK

Polietileno

PE

Polietileno tereftalato

PET ou PETE

Polimetilmetacrilato

PMMA

Polioximetileno (Acetal)

POM

Polipropileno

PP

Poliestireno

PS

Politetrafluoretileno

PTFE

Polivinilcloreto

PVC

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4.3

Os diagramas de propriedades de materiais

Tabela 4.1 continuação Família

Classes

Abreviatura

Elastômeros (borrachas de engenharia, natural e sintética)

Borracha butílica

Borracha butílica

EVA

EVA

Isopreno

Isopreno

Borracha natural

Borracha natural

Policloropreno (Neopreno)

Neopreno

Poliuretano

PU

Híbridos: compósitos

Híbridos: espumas Híbridos: materiais naturais

Elastômeros de silicone

Silicones

Polímeros reforçados com fibra de carbono

CFRP

Polímeros reforçados com fibra de vidro

GFRP

Alumínio reforçado com SiC

Al-SiC

Espumas flexíveis de polímeros

Espumas flexíveis

Espumas rígidas de polímeros

Espumas rígidas

Cortiça

Cortiça

Bambu

Bambu

Madeira

Madeira

representativo de materiais, escolhido tanto para abranger a faixa completa de comportamento para a classe, como para incluir os membros mais comuns e mais amplamente usados. Desse modo, o envelope para uma família engloba dados não somente para os materiais apresentados na Tabela 4.1, mas também para praticamente todos os outros membros da família. Os diagramas que vêm em seguida mostram uma faixa de valores para cada propriedade de cada material. Às vezes a faixa é estreita: o módulo do cobre, por exemplo, varia por apenas uma pequena porcentagem ao redor de seu valor médio, influenciado pela pureza, textura e assemelhados. Contudo, às vezes é larga: a resistência dos metais pode variar por um fator de 100 ou mais, influenciada pela composição e pelo estado de encruamento ou tratamento térmico. Cristalinidade e grau de reticulação influenciam muito o módulo de polímeros. Porosidade influencia a resistência de cerâmicas. Essas propriedades sensíveis à estrutura aparecem nos diagramas como bolhas alongadas dentro de envelopes.

4.3 OS DIAGRAMAS DE PROPRIEDADES DE MATERIAIS O diagrama módulo-densidade Módulo e densidade são propriedades bem conhecidas. Aço é rígido; borracha é flexível: são efeitos do módulo. Chumbo é pesado; cortiça flutua: são efeitos da densidade. A Figura 4.3 mostra a faixa de módulos de Young, E, e densidade, Ε, para materiais de engenharia. Dados para membros de uma família particular de materiais aglomeram-se e podem ser englobados por um envelope colorido. Os mesmos envelopes de família aparecem em todos os diagramas: correspondem aos títulos principais da Tabela 4.1. 57

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Diagramas de propriedades de materiais

A densidade de um sólido depende do peso atômico de seus átomos ou íons, de seus tamanhos, e do modo como estão empacotados. O tamanho dos átomos não varia muito: a maioria tem um volume dentro de um fator de dois de 2 × 10ƺŘş m3. Frações de empacotamento também não variam muito ! um fator de dois, a mais ou a menos. Empacotamento compacto dá uma fração de empacotamento de 0,74; redes abertas como as da estrutura cúbica do diamante dão aproximadamente 0,34. A dispersão da densidade vem principalmente da dispersão do peso atômico, na faixa de 1 para hidrogênio a 238 para urânio. Metais são densos porque são feitos de átomos pesados, empacotados compactamente; polímeros têm baixas densidades porque são feitos, em grande parte, de carbono (peso atômico: 12) e hidrogênio (peso atômico: 1) em empacotamentos amorfos ou cristalinos mais abertos. A maioria das cerâmicas tem densidades mais baixas do que metais porque contêm átomos leves de O, N ou C. Mesmo os mais leves dos átomos, empacotados do modo mais aberto, dão sólidos com densidade de aproximadamente 1.000 kg/m3, a mesma da água. Materiais com densidades mais baixas do que essa são as espumas ! materiais compostos por células que contêm uma grande fração de espaço de poros. Os módulos da maioria dos materiais dependem de dois fatores: rigidez da ligação e número de ligações por unidade de volume. A ligação é como uma mola, e, como uma mola, tem uma constante de mola, S (unidades: N/m). O módulo de Young, E, é aproximadamente:

E= S ro

(4.1)

onde ro é o "tamanho do átomo# (ro3 é o volume atômico ou iônico médio). A larga faixa de módulos é em grande parte causada pela faixa de valores de S. A ligação covalente é rígida (S = 20!200 N/m); a metálica e a iônica um pouco menos (S = 15!100 N/m). O diamante tem módulo muito alto porque o átomo de carbono átomo é pequeno, o que dá alta densidade de ligação, e seus átomos estão unidos por fortes molas covalentes (S = 200 N/m). Metais têm módulos altos porque o empacotamento compacto dá alta densidade de ligação e as ligações são fortes, embora não tão fortes quanto as do diamante. Polímeros contêm ligações covalentes fortes, parecidas com as do diamante, bem como ligações fracas de hidrogênio ou Van der Waals (S = 0,5!2 N/m). São as ligações fracas que se estiram quando o polímero é deformado, dand...