Materiais de
Construção Mecânica – Seleção, Uso e Solução
“Materiais, pode-se dizer, são o alimento do
design. Um produto de sucesso - que funciona bem, que tenha um bom retorno de
valor investido, uma boa relação custo x benefício, que dá prazer para o
usuário – utiliza os melhores materiais para o trabalho, explora plenamente o
seu potencial e traz características vitais de rentabilidade e qualidade geral,
por assim dizer.”
George E. Dieter
A
Escolha
Olá, sejam todos bem vindos mais uma
vez ao Blog Carroceiros de Plantão.
Dando continuidade ao
desenvolvimento do artigo sobre Materiais de Construção Mecânica, iniciarei, de
uma forma mais generalizada, a separar as possibilidades de uso e escolha dos
materiais no desenvolvimento do produto. Mais a frente, nos próximos posts do
artigo, serei mais pontual nas classes de materiais usualmente aplicadas hoje
em dia na industria de manufatura de carrocerias automotivas.
Vamos lá então.
No desenvolvimento do produto, a
gama que encontramos para a escolha de uma material para um determinado produto
pode ser dividido em classes. As classes de materiais - metais, polímeros,
cerâmicas, e assim por diante - serão introduzidos mais a frente. Mas não é, no
final, um material que procuramos, é um determinado perfil de propriedades.
Figura 1: metais,
polímeros, elastômeros, cerâmicas, vidros e compósitos.
Os membros de uma classe tem
características em comum: propriedades semelhantes, rotas de processamento
semelhantes, e, muitas vezes, semelhantes aplicações.
Metais tem módulos relativamente
altos. Eles podem ser feitos por formação da liga por processos mecânicos,
ligas fortes por tratamento térmico, mas permanecem dúctil, o que lhes permite
ser formados por processos de deformação, conformação, usinagem, etc. Algumas
ligas de alta resistência (aço-mola, por exemplo) têm ductilidades baixas, mas
mesmo assim, suficiente para garantir que os rendimentos do material quanto a
fratura e deformação, e quando ocorre, é de um tipo dúctil. Em parte por causa
de sua ductilidade, os metais são materiais mais sujeitos à fadiga, e, de toda
a as classes de materiais, são os menos resistentes à corrosão.
Cerâmicas e vidros, também possuem
altos módulos, mas ao contrário de metais, eles são frágeis. Sua resposta a
tensão, torção e a resistência à ruptura é frágil. A cerâmica não tem
ductilidade, ela apresenta baixa tolerância a concentrações de tensão (como
furos ou rachaduras) ou para as tensões de contato (clamp) em pontos de fixação,
por exemplo.
Materiais dúcteis podem acomodar as
concentrações de tensão através da deformação de uma maneira que redistribui a
carga de maneira mais uniforme, e por isso, eles podem ser utilizados sob carga
estática dentro uma pequena margem de sua força de rendimento. Cerâmica e
vidros não podem.
Apesar disso, cerâmicas e vidros
possuem características atraentes. Eles são duros, resistente à abrasão (daí
seu uso em rolamentos e ferramentas de corte), eles mantêm a sua resposta a
altas temperaturas, e resistem à muito bem a corrosão. Eles devem ser
considerados como uma classe importante de material de engenharia.
Os polímeros e elastomeros estão no
outro extremo do espectro. Possuem módulos baixos, aproximadamente SO vezes
menos do que os de metais, mas eles podem ser bem resistentes, quase tão
resistentes quanto os metais. São os polímeros de engenharia. Consequência
disto é que as deflexões elásticas podem ser grandes. Suas propriedades
dependem da temperatura de modo que um polímero que é resistente e flexível a
20° C pode ser frágil à 4° C, ou ainda apresentar fluência a 100 ° C. Se estes
aspectos são permitidos no projeto, as vantagens dos polímeros podem ser
explorados. E há muitos deles.
Quando aspropriedades de polímeros
são combinadas, podemos ter materiais tão bons como os metais, com a vantagem
de serem bem mais leves. São fáceis de moldar, tornado a vida dos designers
mais descomplicada, pois podem apresentar forma complexa na qual um material
metálico jamais conseguiria chegar com os atuais métodos e processos de
manufatura. As deformações elásticas permitem a concepção de componentes de
plástico que se encaixam, tornando o processo de montagem, rápido e barato.
Podem apresentar textura, coloração, alto grau de tolerância e precisão,
comprometimento com tempo, etc. Os polímeros são resistentes à corrosão, e tem
baixos coeficientes de atrito. Um bom projetista, deve saber explorar essas
propriedades e potencialidades.
Compósitos combinam as propriedades
atrativas de classes de materiais, evitando alguns dos seus inconvenientes. Eles
são leves, rígidos e resistentes, e que pode ser difícil de encontrar numa
categoria isolada. A maioria dos
compostos atualmente disponíveis para o engenheiro tem uma matriz de polímero -
epóxi ou de poliéster, normalmente – reforçados por fibras de vidro, de carbono
ou de Kevlar. Eles não pode ser utilizado acima de 250° C, porque a matriz de
polímero suaviza, mas à temperatura ambiente o seu desempenho pode ser
excelente. Componentes em materiais compósitos são caros e relativamente
difíceis de formar. Portanto, apesar de suas propriedades atraentes a aplicação
se dará apenas quando o desempenho adicional justificar o custo adicional.
Figura 2: Utilização,
evolução e importância de materiais na engenharia em função dos anos (tempo em
escala não linear)
A classificação da Figura 2 tem a
vantagem de agrupar os materiais em termo de importância ao longo dos anos pelo
seu processamento e uso. Esse quadro tem como objetivo demontrar as
potencialidades e também os seus perigos, aos especialistas engessados (o
metalúrgico que não sabe nada de polímeros) e os de pensamento conservador
("vamos usar o aço porque nós sempre usaram aço).
Nos próximos capítulos vamos
examinar as propriedades de engenharia de materiais de uma perspectiva
diferente, comparando propriedades em todas as classes de materiais. É o
primeiro passo no desenvolvimento da liberdade de pensamento que o designer/projetista
precisa.
Ficarei muito grato se puderem me
dar um feedback sobre esse meu artigo, aqui mesmo no Blog no campo
COMENTÁRIOS.
Desejo a todos um bom fim de semana
e até a próxima.
Mauro Chilese Gobbi
CAE Specialist Engineer
Bibliografia
Archer, B. (1974). Design awareness and planned creativity in industry.
Toronto: Thorn Press Limited. ISBN 0-85072-016-8.
Hekkert, P., & Schifferstein, H. (2008). Product experience.
Amsterdam: Elsevier Science Limited. ISBN 978-0-08-045089-6.
Koberg, J, & Bagnell, J (1991). The universal traveler: A soft
systems guide to creativity, problem-solving and the process of reaching goals.
W. Kaufmann. ISBN 978-0-913232-05-7.
Morris, R. (2009). The fundamentals of product design. AVA Publishing.
ISBN 2-940373-17-5.
George E. Dieter (1997). "Overview of the Materials Selection
Process", ASM Handbook Volume 20: Materials Selection and Design.
