Parte I – INTRODUÇÃO (Duração prevista – 1 aula)

1.1 - Apresentação

1.1.1 - Modo de funcionamento da disciplina

1.1.2 - Critérios de avaliação

1.1.3 - Bibliografia recomendada

1.2 - Introdução ao conteúdo programático

1.2.1 - A necessidade da selecção de materiais versus a sua disponibilidade no mercado

1.2.2 - A interacção entre o projecto e a selecção de materiais para um componente mecânico

1.2.3 - Tipos de projecto

1.2.4 - Procedimentos para a realização do projecto

1.2.5 - Ferramentas a utilizar e dados sobre materiais

1.2.6 - Factores a considerar na selecção de materiais: material, função, forma e tecnologia de processamento

1.2.7 - Exemplo de aplicação

COMENTÁRIO

A finalidade da introdução é apresentar sucintamente o programa, indicar os elementos de estudo e fazer referência ao método de avaliação. Ainda, é abordada a calendarização referente às aulas teórico-práticas e realização dos casos estudo. As datas de frequência são definidas (as datas de exame normal e exame de recurso são marcadas pela Comissão Pedagógica), assim como a data limite para entrega dos trabalhos finais.

Estas informações são complementadas pela descrição do conteúdo programático da disciplina, tendo o cuidado de justificar a necessidade da sua inserção no plano de curso da Licenciatura em Engenharia Mecânica. É referida a sua interacção com as diferentes disciplinas do plano curricular, em particular com a disciplina de Projecto. As fases determinantes na execução de um projecto de Engenharia Mecânica são apresentadas e feito o paralelismo com a metodologia que é adoptada na leccionação da disciplina de Selecção de Materiais.

No que se refere ao processo de selecção, são definidos os factores determinantes a serem analisados, material, função, forma e tecnologia de processamento. Para cada um deles são discutidas a sua importância e dificuldade de análise no processo de selecção. Neste contexto, é chamada a atenção para o elevado número de materiais disponíveis no mercado e a necessidade de encontrar uma metodologia adequada que permita reduzir o seu número progressivamente até se alcançar a solução óptima. Nesta metodologia são considerados, sistematicamente, os outros factores que contribuem para o sucesso do procedimento. Esta matéria termina com a apresentação de um caso representativo e demonstrativo de todas as interacções referidas no decorrer da exposição.

Parte II – ANÁLISE INTEGRADA DOS MATERIAIS TÉCNICOS E PROPRIEDADES (Duração prevista – 2 aulas )

2.1. - Materiais

2.1.1 - Metálicos

2.1.1.1 - Ferrosos (ferro, aços, aços ligados e ferro-fundidos)

2.1.1.2 - Não-ferrosos (metais e ligas leves, cobre e suas ligas, niquel e cobalto, ligas refractárias, ligas de baixo ponto de fusão, ligas preciosas)

2.1.2 - Não-metálicos orgânicos

2.1.2.1 - Termoplásticos (de uso geral, de engenharia)

2.1.2.2 - Termoendurecíveis (resinas epóxido, poliester, fenólica, silicone)

2.1.2.3 - Elastómeros

2.1.3 - Não metálicos inorgânicos

2.1.3.1 - Cerâmicos (tradicionais, de engenharia)

2.1.3.2 - Cimentos

2.1.3.3 - Vidros

2.1.4 - Compósitos

2.1.4.1 - Plásticos (termoendurecíveis, termoplásticos) reforçados com fibras (vidro, carbono, kevlar)

2.1.4.2 - Outros materiais compósitos (metálicos reforçados com cerâmicos, metálicos reforçados com metálicos)

2.1.5 - Outros materiais com interesse em aplicações de Engenharia (madeiras, fibras, materiais celulares – cortiça e polímeros expandidos)

2.2 - Denominações dos materiais

2.2.1 - Científica

2.2.2 - Comum

2.2.3 - Comercial

2.2.4 - Exemplos de aplicação

2.3 - Propriedades dos materiais

2.3.1 - Função do tipo de solicitação

2.3.1.1 - Mecânicas (módulo de elasticidade longitudinal e transversal, coeficiente de Poisson, tensão limite elástico, tensão de rotura, dureza, tensão limite de fadiga, tensão limite de fluência, ductilidade, resiliência, tenacidade, tenacidade à fractura, coeficientes de atrito e desgaste)

2.3.1.2 - Térmicas (ponto de fusão, temperatura de transição vítrea, temperatura máxima de serviço, condutividade térmica, calor específico, coeficiente de expansão térmica)

2.3.1.3 - Eléctricas (resistividade, constante dieléctrica, resistência dieléctrica, factor de perda)

2.3.1.4 - Físicas (densidade, velocidade de propagação do som)

2.3.1.5 - Químicas (resistência à corrosão, resistência à oxidação, resistência ao meio ambiente)

2.3.1.6 - Ópticas (transparência, cor, índice de refracção)

2.3.1.7 - Uso (preço, tempo de vida)

2.3.2 - Modo de exprimir o valor de uma propriedade (quantitativa e qualitativamente)

2.3.3 - Interrelação entre propriedades

2.3.3.1 - Resistência ao desgaste como função dos valores de dureza, tenacidade à fractura, limite de fadiga, resistência à oxidação

2.3.3.2 - Resistência ao impacto como função dos valores da tenacidade, tenacidade à fractura, temperatura de transição vítrea, temperatura de transição dúctil/frágil

2.3.4 - Análise de alguns conceitos relacionados com as propriedades mecânicas

2.3.4.1 - Resistência mecânica - de que modo é que pode ser definida a resistência mecânica em diversas classes de materiais (através da tensão limite elástico, da tensão limite elástico à compressão, da tensão de rotura, do módulo à flexão)

2.3.4.2 - Rigidez – o problema do factor tempo nos materiais com comportamento elástico e visco-elástico

2.4 - Apresentação sistemática dos valores das propriedades dos materiais

2.4.1 - Gráficos

2.4.1.1 - Simples

2.4.1.2 - De dupla entrada (E-r; s-r, E/r-s/r; KIC -r; KIC-E, KIC-s; h-E; l-a; a-E; a-s, s-T, E-$, s-$)

2.4.2 - Tabelas

COMENTÁRIO

O objectivo destas aulas é rever de um modo integrado alguns tópicos de Ciência dos Materiais, relacionando-os com os conhecimentos adquiridos noutras disciplinas ao longo da licenciatura. Por questões temporais inerentes à própria estrutura do curso, as matérias são leccionadas muitas vezes de um modo circunscrito à área da disciplina. Assim, nas disciplinas afectas à Ciência dos Materiais é feito um esforço no sentido de interrelacionar a composição química, a estrutura atómica e a microestrutura com as propriedades dos materiais. No entanto, é preciso realçar que nesta fase do curso (primeiros anos da licenciatura) os alunos não possuem a maturidade necessária que lhes permita relacionar os conceitos associados às propriedades e sua interrelação com a escolha de materiais. A noção de dimensionamento é incipiente e para eles quase incompreensível. Além disso, os materiais são frequentemente designados pelos seus nomes comerciais, o que dificulta posteriormente a sua identificação pelos alunos. A avaliar pela reacção dos alunos, é notório que não há a preocupação, nessas disciplinas, de realçar o comportamento das diversas classes de materiais e salientar os casos particulares que se afastam do comportamento comum. Por exemplo, no simples dimensionamento mecânico de uma estrutura, não são apresentados os casos particulares dos materiais poliméricos, que apresentam um comportamento visco-elástico, cuja principal consequência é a variação das suas características mecânicas ao longo do tempo quando a solicitação se mantém aplicada continuamente. Além disso, também não é abordado o caso específico dos materiais cerâmicos, em que os valores tabelados se referem essencialmente a valores correspondentes à resistência à compressão, o que determina consequentemente a aplicação correcta desses valores. De notar que neste último caso a reprodutibilidade das propriedades deve ser evidenciada pelo recurso à estatística de Weibull.

Assim, pretende-se relacionar os conhecimentos adquiridos de um modo integrado, alertando os alunos para os cuidados a ter na análise dos problemas. Com a apresentação dos valores das propriedades em gráficos de dupla entrada é pretendido chamar a atenção dos alunos para o facto de, muitas vezes, não ser só o valor absoluto da propriedade de um material que pode determinar a sua opção sobre outro, mas sim a combinação de valores de duas ou mais propriedades. Tal é o caso, em muitas aplicações, em que é mais importante a resistência mecânica específica, ou seja a tensão limite elástico por unidade de massa, do que o valor absoluto desta propriedade. Ou então, a minimização da energia calorífica perdida através de um material não depende só da minimização da condutividade térmica desse material, mas também da sua capacidade calorífica e densidade. Estes gráficos permitem ainda realçar que propriedades usualmente associadas ao comportamento mecânico, como por exemplo a tensão limite elástico ou o módulo de elasticidade, podem ter gamas de variação, para uma certa classe de materiais, substancialmente diferentes. É o caso dos aços em que o valor do módulo de elasticidade varia na gama de 180 a 230 GPa, enquanto que o valor da tensão limite elástico pode variar de mais de uma ordem de grandeza [200-2500MPa].

Parte III – METODOLOGIA DE SELECÇÃO DE MATERIAIS

3.1 - Introdução

3.1.1 - Dos índices de eficiência até às matrizes de decisão

3.1.2 - Etapas a cumprir no procedimento de selecção de materiais – selecção preliminar e selecção final

3.1.3 - Relação especificações-propriedades dos materiais

COMENTÁRIO

Embora a metodologia genérica do procedimento de selecção de materiais já tenha sido apresentada, neste ponto pretende-se especificar de que modo é que ela vai ser levada à prática. É referido que o procedimento consistirá de duas fases; a primeira com a qual se pretende reduzir o número total de materiais disponíveis no mercado a um valor restrito, pertencentes a classes bem definidas; numa segunda fase, obtém-se a solução ideal trabalhando exclusivamente com materiais cujas características e propriedades têm valores perfeitamente definidos, ou seja, com materiais “reais”.

Nesta fase realça-se também a diferença entre a análise feita ao componente relativamente às selecções preliminar e final. Assim, na selecção preliminar deve trabalhar-se exclusivamente com as especificações mais importantes referentes ao bom desempenho do componente mecânico. Por exemplo, se o componente em causa é uma peça estrutural de um avião, a análise deve recair no peso específico e na resistência mecânica do material. Outras propriedades tais como, a resistência à corrosão/oxidação, o custo,... devem ser devidamente contabilizadas na selecção final. Para que os alunos compreendam esta aproximação, é necessário introduzir o modo de expressar as especificações e solicitações a que o componente está submetido através de propriedades ou características de um material.

Duração prevista – 0,5 aulas

3.2 - Selecção preliminar

3.2.1 - Restrições primárias

3.2.2 - Relação material-função

3.2.2.1 - Índice de eficiência

3.2.2.2 - Função objectivo

3.2.2.3 - Parâmetros que determinam a função objectivo (funcionais, geométricos, propriedades dos materiais)

3.2.2.4 - Critérios de maximização da eficiência

3.2.2.5 - Determinação dos índices de eficiência para diferentes casos envolvendo dimensionamento mecânico com minimização da massa do componente

3.2.2.6 - Representação dos índices de eficiência nos gráficos de dupla entrada

3.2.2.7 - Selecção preliminar de grupos de materiais através da análise dos gráficos de dupla entrada

3.2.2.8 - Exercícios de aplicação

COMENTÁRIO

O primeiro passo a efectuar na selecção de materiais é a redução progressiva do número total de materiais disponíveis no mercado, através da análise das restrições primárias, ou seja, condições impostas pelo projecto que eliminam imediatamente uma maior ou menor quantidade de materiais. Assim, se é pretendido seleccionar um material para um tubo de um forno que deve trabalhar até uma temperatura máxima de 1200ºC, é imediatamente possível estabelecer uma restrição primária que elimina todos os materiais que não sejam estáveis termicamente até temperaturas desta ordem de grandeza, independentemente de poder constituir uma excelente alternativa relativamente a todas as outras solicitações a que o componente está submetido.

O passo seguinte na selecção preliminar é baseado na utilização dos gráficos de dupla entrada anteriormente apresentados. Nesta fase, é considerada exclusivamente a relação material-função, ou seja, não é contemplada qualquer análise referente à forma da sua secção transversal, nem tão pouco há preocupação em saber qual o processo de fabrico que irá ser utilizado para a sua produção. O objectivo é definir uma relação entre as principais propriedades ou características, definidas como prioritárias para a aplicação do componente (função objectivo). A partir desta relação é determinado o denominado “Índice de eficiência”, cuja maximização permite encontrar os materiais que apresentam o melhor compromisso entre as propriedades. Quando aplicado nos gráficos de dupla entrada, é possível através do gráfico seleccionar o(s) grupo(s) de materiais que apresentam índices de eficiência mais elevados e, dentro de cada grupo, quais os valores das propriedades que eles devem possuir. Tendo em consideração a importância da minimização do peso, em muitos sectores da indústria metalomecânica, é utilizado este critério para exemplificar a determinação do índice de eficiência em situações em que o componente se encontra sujeito à flexão e à torção, e em que o dimensionamento é feito às tensões e às deformações. Esta parte da matéria é concluída com a resolução de alguns casos exemplificativos.

Duração prevista – 1,5 aulas

3.2.3 - Procedimento para a selecção de materiais considerando a relação entre o material, a função e a forma do componente

3.2.3.1 - Importância da forma da secção transversal no dimensionamento do componente mecânico

3.2.3.2 - Factores de forma à flexão e à torção para o dimensionamento mecânico às deformações e às tensões

3.2.3.3 - Cálculo do índice de eficiência de acordo com o factor de forma

3.2.3.4 - Como aplicar o índice de eficiência, com inclusão do factor de forma, nos gráficos de propriedades

3.2.3.5 - Exemplos de aplicação

COMENTÁRIO

Esta parte do programa estabelece o passo seguinte a contemplar no processo de selecção. Refere-se quase exclusivamente aos casos em que a resistência mecânica, como um todo, é o objectivo principal de análise. O âmago desta matéria é leccionada noutras disciplinas da Licenciatura em Engenharia Mecânica e está relacionada com a influência da forma da secção transversal de um componente na sua resposta mecânica. Nestas aulas é pretendido sistematizar esta influência para diversos casos de flexão e torção, quando está em causa o dimensionamento quer às tensões quer às deformações.

A aproximação adoptada permite integrar no processo referido anteriormente, relativo aos índices de eficiência, um “factor de forma” que é calculado com base nos conhecimentos já adquiridos de “resistência dos materiais”. Este índice de eficiência modificado pelo factor de forma pode, então, ser tratado de um modo similar ao atrás explicitado. Com este procedimento, é possível integrar num só índice as relações material-função-forma. Este assunto termina com a apresentação de casos exemplificativos sobre a utilização do factor de forma.

Duração prevista – 1 aula

3.2.4 - Procedimento para a selecção dos processos de fabrico

3.2.4.1 - Comparação do método com o adoptado para a selecção de materiais

3.2.4.2 - Definição de atributos e paridades com as propriedades no método de selecção de materiais: forma, secção, espessura, superfície, complexidade, dureza, temperatura de fusão, acabamento superficial, tolerância

3.2.4.3 - Principais métodos de processamento de materiais – primários (fundição, moldação sob pressão, enformação plástica, pulverometalurgia, métodos especiais) e secundários (maquinagem, processos de ligação, acabamento)

3.2.4.4 - Gráficos de dupla entrada (atributos) explicitando as zonas abrangidas pelos métodos de processamento

3.2.4.4 - Exemplos e interpretação destes gráficos – forma versus espessura das peças; complexidade versus volume total da peça; dureza versus temperatura de fusão do material da peça; tolerância dimensional versus rugosidade superficial da peça

3.2.4.5 - Exemplo de aplicação da selecção de uma técnica de fabrico para um componente mecânico

COMENTÁRIO

No processo de selecção de materiais é fundamental definir o processo de fabrico do componente em estudo. Na maioria das vezes o custo é uma das especificações determinantes na selecção final. Como é sabido, para a execução de uma peça podem ser propostos diferentes métodos de fabrico, cuja selecção depende do material que irá ser produzido. Então, os custos de produção, para o mesmo componente, podem ser substancialmente diferentes dependendo do material. Por outro lado, o processo de fabrico pode constituir um factor eliminatório na selecção de materiais. Para a fabricação de alguns componentes podem ser necessários processos de fabrico específicos que não sejam aplicáveis a certos grupos de materiais, permitindo a sua eliminação liminar no processo de selecção.

Tendo em consideração o grande desenvolvimento tecnológico das últimas décadas no que se refere a processos de fabrico, existe presentemente uma vasta panóplia destes processos disponível no mercado. Para que os alunos possam incluir no estudo da selecção de materiais o seu processo de fabrico, é então necessário adoptar um procedimento que permita de um modo sistemático proceder à escolha do processo mais adequado para a fabricação do componente. Esse procedimento é semelhante ao apresentado para a selecção de materiais. Este método consiste na representação gráfica de domínios de utilização das mais variadas técnicas de processamento, em função dos denominados “atributos”. Os atributos são as especificações do componente que incluem, dimensões, acabamento superficial, tolerâncias e o próprio material, ou seja as suas propriedades (p.ex. dureza, ductilidade, temperatura de fusão,...). Em função destes atributos são construídos gráficos que apresentam os domínios de funcionamento dos diferentes processos de fabrico. O processo de selecção do processo de fabrico passa pela representação gráfica dos pontos referentes aos atributos de um determinado componente, e pelo estudo das intersecções dos domínios que contenham as técnicas comuns a todos os gráficos. A matéria finaliza com a apresentação de alguns exemplos de aplicação.

Duração prevista – 1 aula

3.2.5 - Custo de um componente

3.2.5.1 - Custo do material – disponibilidade no mercado, tempo de vida e manutenção, segurança, reciclagem

3.2.5.2 - Custo da mão de obra

3.2.5.3 - Custo de fabrico – disponibilidade de equipamento de produção, quantidade de peças a fabricar, custo de utilização, taxa de produtividade

3.2.5.3 - Interrelação entre os custos parciais dos componentes e o modo como podem determinar a selecção de um método de processamento.

3.2.5.3 - Exemplo de aplicação para o cálculo do custo de um componente em função do número total de peças a fabricar.

COMENTÁRIO

A cada vez maior importância do custo nas decisões tomadas para a aquisição de um produto, justifica a leccionação de uma aula dedicada à importância deste factor no processo de selecção de materiais. A sua importância reflecte-se imediatamente nas fases preliminares de análise, pois permite rapidamente eliminar um grande conjunto de materiais, em particular quando o componente em estudo pertence à classe dos produtos de elevado consumo. Efectivamente, neste caso, o preço é quase sempre o factor de maior importância para a peça, sobrepondo-se a todas as outras especificações. Considerando que muitos materiais têm preços excepcionalmente elevados, podem ser eliminados sem sequer serem objecto de análise no procedimento acima descrito. Contudo, o problema do preço não pode ser tratado exclusivamente no que se refere ao material. Com efeito, em muitos casos o custo do material é quase desprezável relativamente ao preço final do componente, embora o material em si determine o valor final. Por exemplo, o custo do componente é, como já foi referido, afectado pelo processo de fabrico. Assim, um material até pode ser mais barato do que outro, mas os elevados custos do seu processamento pode levar a preteri-lo em relação ao outro. Problemas como a manutenção do componente, disponibilidade no mercado, tempo de vida, segurança, reciclagem, podem modificar significativamente o preço final do componente em relação ao custo do material.

Duração prevista – 1 aula

3.3 - Selecção final

3.3.1 - Estudo detalhado do componente e das suas funções – definição dos requisitos e solicitações

3.3.1.1 - Ponderação da importância de cada requisito/solicitação no desempenho global da peça

3.3.1.2 - Imputação de propriedade(s)/característica(s) de um material a cada requisito ou solicitação

3.3.1.3 - Classificação ponderada da importância de cada propriedade/ característica para o componente em estudo

3.3.1.4 - Exemplo de aplicação

3.3.2 - Ponderação dos valores de cada propriedade/característica dos materiais em análise

3.3.2.1 - Ponderação qualitativa (classificação ordenada)

3.3.2.2 - Ponderação quantitativa (classificação numérica)

3.3.2.3 - Análise de casos particulares de propriedades/características – tempo de vida, escalas de dureza, soldabilidade, maquinabilidade,...

3.3.3 - Matriz de decisão

3.3.3.1 - Não ponderada

3.3.3.2 - Ponderada

3.3.3.3 - Exemplo de aplicação

COMENTÁRIO

A metodologia adoptada para a fase preliminar permite seleccionar os grupos ou sub-grupos de materiais que melhor cumprem as especificações julgadas como mais importantes para o componente em estudo. Além disso, recorrendo aos índices de eficiência, dentro de cada grupo é também possível ter uma ideia do tipo de materiais, a ele pertencentes, que apresentam valores optimizados do índice de eficiência. Por exemplo, se o índice de eficiência é traduzido pela relação s/r (o objectivo é maximizar esta relação) e os aços foram seleccionados, como um grupo que apresenta valores elevados deste índice, considerando que o valor de r não varia significativamente de aço para aço, uma escolha adequada deverá incidir num aço de elevada resistência (s muito elevado). Então, nesta fase final pretende-se que os alunos definam materiais “reais” disponíveis no mercado, ou seja, que com as informações já obtidas na selecção preliminar escolham um ou mais materiais de cada grupo ou sub-grupo que devem ser sujeitos a uma classificação final.

A selecção final é realizada com recurso às matrizes de decisão. Este método permite tomar uma decisão final, na selecção de materiais, baseada em dados quantitativos. Para tal, é conveniente que a matriz de decisão seja construída com base em dados ponderados, mais do que simplesmente classificados. Na matriz de decisão entram dois tipos de dados, os que traduzem o caso em estudo e os referentes aos valores das propriedades/características dos materiais.

Os primeiros, resultam da análise da importância das especificações do componente. Esta, é algo subjectiva e requer uma grande experiência do executante. Com efeito, em muitos casos práticos, não é fácil decidir qual das especificações dum componente é a mais importante para o seu desempenho final. Além disso, se ordenar as especificações pela sua importância já se torna difícil, o problema é ainda mais complicado se é pretendido ponderá-la, ou seja quantificar quantas vezes é que a especificação X é mais importante que a Y, ou que a Z. Este facto é realçado nas aulas, embora seja dado aos alunos uma certa liberdade de actuação, tendo em consideração que tal experiência só se adquire com o decorrer dos tempos. É sugerido, no entanto, que os alunos tentem justificar as opções que tomaram nesta matéria. As especificações são em seguida traduzidas por propriedades/características cujos valores são analisados para os diferentes materiais.

A análise dos valores das propriedades/características dos materiais em causa é bastante mais fácil. Os materiais previamente seleccionados devem ser classificados propriedade a propriedade. Do mesmo modo que anteriormente, esta classificação pode também ser ponderada ou não, isto é, do tipo: para a propriedade X, o material A é o melhor, o B a seguir, etc..., ou então, para esta propriedade o material A é 2,3 vezes melhor que o B, 1,4 vezes melhor que o C, etc... A classificação ponderada pode ter algumas dificuldades de realização, em particular para propriedades que são traduzidas por valores qualitativos (ex. resistência à corrosão, soldabilidade, ...), escalas de valores não lineares (ex. dureza) ou que apresentam diferentes valores em função do método experimental utilizado para as avaliar (ex. resistência ao desgaste). Os alunos são alertados para este facto e são propostas algumas soluções para ultrapassar o problema.

Finalmente, na posse das classificações determinadas para as especificações e para os materiais, é construída a matriz de decisão que pode ser ponderada ou não. No último caso, atribui-se, para cada material, uma soma de valores resultantes do produto da importância da especificação/propriedade pela classificação deste material relativamente a essa propriedade. O material seleccionado será aquele que apresentar um valor final mais baixo. Na matriz ponderada, procede-se similarmente, mas neste caso as importâncias das especificações e os valores relativos da propriedade para cada material são normalizados a 1. A maior importância ou o melhor material assumem os valores mais elevados. Assim, na matriz de decisão será seleccionado o material que apresentar o maior valor total final.

Duração prevista – 1 aula

Parte IV – CASO-ESTUDO

4.1 - Apresentação e distribuição dos casos-estudo

4.2 - Realização do trabalho

4.3 - Apresentação e discussão final

Duração prevista – Tempo remanescente até à data definida como data-limite de entrega dos trabalhos