Trabalho Ensaios de Materiais

Universidade Federal de São Carlos Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia Departamento de Engenharia de Materiais 30708 Ensaios de Materiais 1º semestre de 2025 Professores Dra Danielle Cristina Camilo Magalhães Dra Andrea Madeira Kliauga TRABALHO DE RECUPERAÇÃO PAC Orientações iniciais Extensão 5 a 10 páginas sem contar capa e referências Fonte Arial ou Times New Roman tamanho 12 Inserir legendas e fonte de figuras e tabelas Lista de referências formatação segundo normas da ABNT para trabalhos acadêmicos Prazo de entrega 01092025 para os emails kliaugaufscarbr e dccamiloufscarbr Avaliação O trabalho será avaliado com base na clareza profundidade técnica correlação entre ensaios mecânicos e aplicações e a organização geral Se for detectado o uso de inteligência artificial plágio ou cópia o trabalho poderá ser zerado A média final será uma nota de 00 a 100 Enunciado Uma empresa de fabricação de componentes para a indústria automotiva está desenvolvendo três novos produtos 1 Um eixo de transmissão para veículos de alta performance 2 Um revestimento térmico para o sistema de escapamento de motores 3 Uma junta de vedação para sistemas hidráulicos expostos a fluidos agressivos Cada um desses componentes exige um material com propriedades mecânicas específicas e você foi contratado para avaliar o comportamento mecânico de um metal uma cerâmica e um polímero respectivamente para atender a essas demandas Para o eixo de transmissão escolha um metal ex aço liga alumínio ou titânio Para o revestimento térmico escolha uma cerâmica ex alumina zircônia ou carbeto de silício Para a junta de vedação escolha um polímero ex PTFE NBR ou EPDM Para o trabalho escrito sua tarefa é escrever um texto técnico embasado em normas técnicas e outras referências que forem pertinentes abordando Para cada material indique pelo menos três ensaios mecânicos que devem ser realizados para avaliar suas propriedades Explique quais propriedades mecânicas podem ser obtidas com cada ensaio ex resistência à tração dureza tenacidade módulo de elasticidade resistência ao impacto fadiga fluência ensaio de flexão ensaio de compressão etc Justifique a relevância dessas propriedades para a aplicação proposta Indicar as fontes pesquisadasreferênciasnormas pertinentes quando for o caso Espaço destinado a logo da instituição de ensino COORDENAÇÃO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS Se for outra engenharia trocar apenas o nome COMPONENTE CURRICULAR Ensaios de materiais Se a disciplina possuir outro nome por exemplo Ensaios mecânicos ciência dos materiais trocar o nome SELEÇÃO E AVALIAÇÃO DE MATERIAIS PARA COMPONENTES AUTOMOTIVOS Metais cerâmicas e polímeros Título escolhido para o trabalho se quiser pode realizar alterações Cidade Local onde está instalado a instituição de ensino 2025 1 INTRODUÇÃO A indústria automotiva é um dos setores onde a demanda por inovação no desenvolvimento de materiais têm sido cada vez mais requisitado Diante da necessidade de componentes para veículos modernos a seleção adequada dos materiais de modo que se atenda simultaneamente a critérios de segurança durabilidade desempenho resistência mecânica e eficiência se tornou um desafio para os profissionais responsáveis pela seleção e projeto desses novos componentes mecânicos Nesse contexto a busca por materiais que atendam a esses requisitos se transformou em uma tarefa essencial para o projetista pois a seleção do material para determinada aplicação irá influenciar diretamente no desempenho geral do sistema reduzindo falhas e consequentemente prolongando a vida útil dos componentes O trabalho em questão tem como objetivo avaliar o comportamento mecânico das três principais classes de materiais metais cerâmicas e polímeros quando aplicados em componentes da indústria automotiva Serão analisados três componentes sendo eles eixo de transmissão para um veículo de alta performance revestimento térmico para o sistema de escapamento de motores e uma junta de vedação para sistemas hidráulicos expostos a fluidos agressivos Para cada um dos componentes será utilizado na seleção uma classe distinta dos materiais sendo o eixo de transmissão composto por um material metálico o revestimento térmico por um cerâmico e a junta de vedação por um material polimérico A escolha desses materiais não está limitada apenas às suas propriedades intrínsecas mas também precisa atender os requisitos específicos de cada aplicação O eixo de transmissão exige que o material selecionado possua boa resposta a esforços cíclicos elevada resistência mecânica e que seja tenaz para o revestimento térmico as exigências é que o material possua resistência a altas temperaturas e ao choque térmico como também baixa condutividade térmica Já para a junta de vedação o material escolhido precisa resistir à ação de fluidos agressivos possuir boa estabilidade dimensional e um baixo coeficiente de atrito Para fundamentar a análise serão utilizados conceitos de ensaios mecânicos e desempenho para cada uma das classes de materiais de acordo com a respectiva aplicação de cada componente Para os metais ensaios de tração torção dureza e fadiga são comumente realizados quando se deseja entender como o material reage a tais solicitações Para as cerâmicas ensaios de compressão impacto e dureza são realizados com o intuito de determinar os limites de resistência desses materiais quando submetidos a certas condições de carga Para os materiais poliméricos os ensaios mais comuns são o de fluência e dureza mas como estaremos interessados em propor um material que suporte ação de fluidos agressivos outras características como por exemplo resistência química serão levadas em consideração na seleção do material Desejase dessa forma através dos resultados obtidos nos ensaios citados demonstrar de forma técnica a relevância de uma seleção criteriosa dos materiais para cada uma das aplicações alvo de estudo deste trabalho Por fim será realizada considerações de como a engenharia de materiais pode contribuir para inovação eficiência e a confiabilidade no projeto de veículos modernos 2 DESENVOLVIMENTO Nesta seção serão abordadas as análises necessárias para selecionar o material mais adequado para cada uma das três aplicações propostas onde será levado em consideração na escolha do material as suas propriedades mecânicas condições de uso do componente e seu desempenho A escolha de cada material estará fundamentada em critérios técnicos referências científicas e normas de modo que seja demonstrado as principais características do material selecionado quando sujeitos as condições propostas 21 Eixo de Transmissão para veículos de alta performance O eixo de transmissão é um dos componentes estruturais mais sujeito a solicitações mecânicas este é responsável pela transferência de torque e potência às rodas do veículo Durante sua operação o eixo é submetido a esforços de torção flexão e carregamentos cíclicos em altas rotações dessa forma o material selecionado deve apresentar alta resistência mecânica resistência à fadiga e boa tenacidade Figura 1 Eixo de transmissão Fonte Madearia 2025 Considerando as propriedades que este tipo de componente exige em seu funcionamento será selecionado o aço de baixa liga SAE 4140 Este tipo de aço é comumente utilizado na fabricação de eixos de transmissão pois possui uma combinação de propriedades mecânicas tal como elevada resistência e boa ductilidade além de ser um material bastante acessível no mercado e com um custo relativamente baixo quando comparamos a outras ligas como por exemplo o aço AISI 4340 O aço SAE 4140 também conhecido como açocromomolibdênio possui em sua composição pequenas porcentagens de cromo 08 a 11 e molibdênio 015 a 025 o que o torna resistente a corrosão A liga ainda possui outros elementos em sua composição de modo a aprimorar suas propriedades mecânicas elementos como o carbono manganês fósforo enxofre e silício também são adicionados em pequenas quantidades na sua composição Figura 2 Sistemas de especificações AISISAE e UNS e faixas de composições para açoscarbono comuns e vários aços de baixa liga Fonte Callister 2018 Para validação do desempenho do aço SAE 4140 será proposto alguns ensaios mecânicos que podem ser realizados para obtenção de suas propriedades mecânicas como proposto no escopo do problema Durante o funcionamento de um eixo de transmissão este estará sujeito a esforços de tração desta forma um ensaio mecânico que nos fornece várias propriedades úteis para validar a resistência do eixo quando sujeito a essas solicitações é o ensaio de tração O ensaio de tração consiste basicamente na aplicação de uma carga uniaxial de tração ao longo do eixo de um corpo de prova geralmente com seção transversal circular onde o mesmo é preso em suas extremidades A carga aplicada aumentará gradativamente até que ocorra a fratura do corpo de prova Este ensaio é realizado em uma máquina de tração este tipo de máquina é projetado para alongar o corpo de prova que é fixado por garras em suas extremidades em uma taxa constante enquanto isso realiza medições contínua e simultaneamente da carga instantânea que está sendo aplicado por meio de uma célula de carga enquanto o alongamento é medido por um extensômetro Como haverá fratura do corpo de prova este ensaio é considerado como destrutivo Figura 3 Representação esquemática de uma máquina de ensaio de tração Fonte Callister 2018 O ensaio de tração nos fornece propriedades mecânicas do material ensaiado tais como resistência ao escoamento módulo de elasticidade limite de resistência a tração resistência a ruptura Outras propriedades como ductilidade resiliência e tenacidade podem ser determinadas através de equações matemáticas por exemplo a tenacidade é a área abaixo da curva tensãodeformação Figura 4 Gráfico tensãodeformação para o aço SAE 4140 Fonte Turatti 2017 Outro ensaio que pode ser executado para a determinação da dureza propriedade importante para eixos de transmissão é o ensaio de dureza Rockwell Este ensaio é relativamente simples e consiste em aplicar uma carga sobre a superfície de uma peça do material de interesse a carga é aplicada por meio de um indentador podendo ser em formato esférico ou cônico utilizado para materiais mais duro Inicialmente uma carga menor é aplicada a profundidade é medida e logo em seguida é aplicado uma carga maior retirando novamente a medida da nova profundidade Após isso é feito a diferença entre as profundidades esta técnica de aplicar inicialmente uma carga menor aumenta a precisão dos resultados obtidos no ensaio Figura 5 Desenho esquemático de ensaio de dureza Rockwell Fonte Zwick Roell Ainda acerca do eixo de transmissão outro ensaio mecânico que pode ser realizado para determinar a resistência a esforços cíclicos fadiga do aço SAE 4140 é o ensaio de fadiga Neste tipo de ensaio um corpo de prova é submetido a cargas variáveis até sua falha onde o carregamento pode ser de tração compressão flexão e torção a depender da aplicação que o componente exige No caso do eixo de transmissão que está sendo analisado os esforços de torção serão mais relevantes já que o princípio de funcionamento é geração de torque e potência para as rodas do veículo Geralmente o ensaio de fadiga é feito para vários corpos de prova onde são aplicadas cargas distintas de modo que se obtenha um gráfico denominado SN Este gráfico mostra a relação entre tensão aplicada e o número de ciclos que o material suporta até falhar 22 Revestimento térmico para o sistema de escapamento de motores O sistema de escapamento de motores está sujeito constantemente a altas temperaturas que em alguns veículos podem chegar até mais de 800C Diante disso a utilização de um revestimento térmico tornase uma ferramenta indispensável para reduzir a dissipação de calor para o ambiente proteger os componentes que estão localizados próximos ao escapamento contra o superaquecimento além de contribuir também para a eficiência energética do motor pois ao manter os gases de exaustão a altas temperaturas acabará favorecendo o desempenho do sistema de póstratamento Figura 6 Sistema de escapamento de veículo Fonte OG 2025 Para o revestimento do sistema de escapamento o material cerâmico que será selecionado é a alumina Al2O3 A alumina possui baixa condutividade térmica alta estabilidade térmica elevada resistência ao desgaste e uma excelente resistência à corrosão em ambientes quentes As propriedades citadas presentes na alumina contribuem no funcionamento desejado para o revestimento térmico do escapamento de motores de veículos além de possuir também uma boa relação custobenefício Figura 7 Gráfico da relação temperaturacondutividadedifusividade térmica para a alumina Fonte Unipretec 2023 Para validar as propriedades mecânicas da alumina um primeiro ensaio que pode ser realizado é o de dureza Knoop Neste ensaio um indentador de diamante com formato geometria piramidal é forçado contra a superfície de um corpo de prova A carga aplicada é menor quando comparamos com os ensaios Rockwell e Brinell por este motivo o ensaio Knoop é mais indicado para materiais frágeis Ao realizar o ensaio destacado a propriedade que será obtida do material selecionado é a dureza Figura 8 Dureza Vickers e Knoop para alguns materiais cerâmicos Fonte Callister 2018 Um outro ensaio mecânico que conseguimos realizar para o material selecionado é o ensaio de flexão em três pontos Este consiste na aplicação na aplicação de cargas em três pontos de apoio no corpo de prova onde dois estão localizados na região de suporte enquanto o outro ponto é colocado no centro do corpo de prova Este ensaio nos fornece resultados acerca da resistência a flexão do material e sua rigidez que são propriedades importantes na aplicação que estamos realizando nossas análises Um terceiro ensaio que pode ser realizado para validação das propriedades da alumina é o de choque térmico Neste ensaio o corpo de prova é aquecido até temperaturas elevadas que são definidas de acordo com as condições reais que aquele material estará operando frente sua aplicação Em seguida o corpo de prova é resfriado rapidamente normalmente por imersão em água fria ou por exposição a jatos de ar comprimido O resfriamento súbito causará gradientes térmicos dentro do material Após este ciclo de aquecimento e resfriamento o corpo de prova será inspecionado visualmente onde em alguns casos é utilizado equipamentos de microscopia para verificar a ocorrência de trincas ou falhas estruturais Este processo pode ser repetido inúmeras vezes até que se observe a degradação do material O ensaio de choque térmico fornece para o projetista informações relevantes acerca da resistência do material quando exposto a choques térmicos 23 Junta de vedação para sistemas hidráulicos expostos a fluidos agressivos As juntas de vedação utilizadas em sistemas hidráulicos têm como principal função impedir o vazamento de fluidos sob alta pressão de modo a garantir eficiência e segurança operacional Quando o sistema hidráulico está exposto a fluidos agressivos como óleos sintéticos combustíveis ou soluções corrosivas o material selecionado para a junta de vedação necessita possuir alta resistência química mantendo boa estabilidade mecânica e térmica durante seu funcionamento Figura 9 Exemplos de juntas de vedação Fonte Kinner 2024 Considerando as propriedades que são exigidas para este tipo de componente o material que será selecionado na fabricação das juntas de vedação será o PTFE Politetrafluoretileno Este é um polímero bastante utilizado na fabricação de vedações nas mais diversas aplicações industriais e automotivas pois possui inércia química quase total o que lhe permite resistência ao ataque de fluidos agressivos Este polímero também é resistente a temperaturas elevadas de até aproximadamente 260C outro fator predominante para a escolha do PTFE é seu baixo coeficiente de atrito que acaba reduzindo o desgaste prolongando consequentemente a vida útil do componente Em casos de aplicações mais severas o PTFE pode ser reforçado com fibras de vidro ou carbono aumentando sua resistência mecânica e dimensional Figura 10 Propriedades mecânicas de alguns polímeros Fonte Callister 2018 Para a junta de vedação semelhantemente aos componentes anteriores será proposto alguns ensaios que podem ser realizados no PTFE para validar suas propriedades frente a aplicação desejada Um primeiro ensaio que pode ser realizado é o de compressão este é bastante semelhante ao ensaio de tração exceto pelo fato que a carga aplicada agora será compressiva de modo que o corpo de prova não irá mais alongar mas contrair Neste ensaio os resultados que podem ser obtidos são resistência à compressão módulo de elasticidade e limite de escoamento Este ensaio é útil nesta aplicação pois a junta estará exposta a pressões elevadas que tendem a comprimir o material portanto o ensaio de compressão irá validar a capacidade da junta em deformarse e manter a vedação Outro ensaio que pode ser proposto para o PTFE é o de fluência Este ensaio consiste em submeter um corpo de prova a uma carga ou tensão constante mantendo simultaneamente a temperatura constante A deformação do corpo de prova no ensaio de fluência é medida em função do tempo Entender como o polímero selecionado se comporta sobre efeito de fluência é um requisito importante na aplicação em juntas de vedações já que muitas vezes ela estará em contato com fluidos em altas temperaturas O ensaio de fluência nos fornece informações acerca de como o material se comporta quando submetido a tensões constantes em altas temperaturas que é um ponto importante a se considerar no projeto desses componentes veiculares Por fim um outro ensaio mecânico que pode ser realizado para o PTFE é o de fadiga este ensaio já foi detalhado em seções anteriores Com este ensaio conseguimos determinar a capacidade do material de suportar as cargas variáveis que estarão atribuídas no princípio de funcionamento das juntas de vedação O gráfico abaixo nos mostra o comportamento do PTFE e outros polímeros quando sujeito a um ensaio de fadiga Figura 11 Curvas de fadiga para alguns polímeros Fonte Callister 2018 3 CONSIDERAÇÕES FINAIS A engenharia dos materiais desempenha um papel importante na inovação e desenvolvimento de veículos modernos pois possibilita a escolha e desenvolvimento de materiais que atendam a condições operacionais bastante específicas Como foi mencionado e demonstrado tecnicamente no decorrer do trabalho o desafio de qualquer projetista é selecionar um material que atenda simultaneamente a critérios de eficiência durabilidade e confiabilidade Ao fazer a integração da ciência dos materiais com a engenharia aplicada torna se possível garantir o funcionamento seguro e eficiente dos sistemas veiculares Inovações tecnológicas na indústria automotiva como componentes mais leves resistentes e sustentáveis são fruto da integração de conhecimento entre a ciência e engenharia dos materiais o que acaba contribuindo na fabricação de veículos mais confiáveis de maior desempenho e capazes de atender às crescentes demandas de eficiência energética e redução de impactos ambientais Por fim podemos concluir a extrema importância dos estudos acerca das propriedades dos materiais tanto como a validação destas propriedades por meio de ensaios mecânicos Ainda é importante ressaltar que durante o trabalho todas as considerações técnicas ressaltadas foram levadas em considerações apenas aspectos presentes no esboço da proposta da atividade Portanto outras características deveriam ser levadas em consideração para seleção dos materiais Estas não foram realizadas de modo a simplificar a resolutiva da problemática 4 REFERÊNCIAS MADEARIA Transmission shafts types materials design and manufacture Disponível em httpswwwmadeariacomptblogtransmissionshaftstypesmaterials designandmanufacture Acesso em 1 set 2025 SOUZA R R de et al Avaliação do comportamento mecânico do aço SAE 4140 ResearchGate 2018 ZWICKROELL Ensaio de dureza Rockwell ISO 6508 Disponível em httpswwwzwickroellcomptbranchenmetallnormenmetallrockwellensaioiso6508 Acesso em 1 set 2025 OG AUTOMOTIVE Sistema de escapamento Disponível em httpsogcombrsistemadeescapamento Acesso em 1 set 2025 UNIPRETEC Alumina ceramic thermal conductivity Disponível em httpsptunipretecceramicscominfoaluminaceramicthermalconductivity 88954331htmltextA20cerC3A2mica20de20alumina20C3A9torna 20adequado20para20diversos20setores Acesso em 1 set 2025 KINNER Anel de vedação Disponível em httpswwwkinnercombranelde vedacao Acesso em 1 set 2025 CALLISTER William D RETHWISCH David G Ciência e engenharia de materiais uma introdução 9 ed Rio de Janeiro LTC 2018