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Capítulo 3 - PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS

PHILPOT, Timothy A. Grupo Gen PDF Criptografado

3

PROPRIEDADES

MECÂNICAS

DOS MATERIAIS

3.1 O ENSAIO DE TRAÇÃO

Para projetar adequadamente um componente estrutural ou mecânico, o engenheiro deve entender e trabalhar respeitando as características e as limitações do material usado no componente. Materiais como aço, alumínio, plástico e madeira respondem de maneiras diferentes a cargas aplicadas e a tensões. Para determinar a resistência e as características dos materiais como esses são exigidos ensaios laboratoriais. Um dos ensaios de laboratório mais simples e mais eficientes para obter informações

úteis aos projetos de engenharia sobre um material é denominado ensaio de tração.

O ensaio de tração é muito simples. Um corpo de prova do material, normalmente uma haste cilíndrica ou uma barra plana, é submetida a uma força de tração controlada. Na medida em que a força é aumentada, o alongamento do corpo de prova é medido e registrado. A relação entre a carga aplicada e o alongamento resultante pode ser observada em um gráfico de dados. No entanto, esse diagrama carga-alongamento tem utilidade direta limitada porque só se aplica ao corpo de prova específico (ou seja, ao diâmetro específico ou às dimensões da seção transversal) usado no procedimento do ensaio.

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Capítulo 7 - Falha superficial

Robert L. Norton Grupo A PDF Criptografado

7

FALHA SUPERFICIAL

Use-o até o fim, gaste-o completamente; faça-o fazer, ou faça sem ele.

MÁXIMA DA NOVA INGLATERRA

7.0

INTRODUÇÃO

Existem apenas três maneiras segundo as quais peças ou sistemas podem “falhar”: obsolescência, quebra ou desgaste acentuado. O meu velho computador ainda funciona bem, mas está obsoleto e não serve mais para mim. O vaso favorito da minha esposa está em pedaços, pois eu o deixei cair no chão, e é irrecuperável. No entanto, meu automóvel com 123.000 milhas rodadas ainda é aproveitável e útil, apesar de mostrar alguns sinais de desgaste. A maior parte dos sistemas está sujeita aos três tipos possíveis de falha. A falha por obsolescência é de alguma maneira arbitrária – minha meta está agora fazendo bom uso do velho computador. A falha por quebra é frequentemente repentina e pode ser permanente. A falha por desgaste geralmente é um processo gradual e, em alguns casos, reparável. Em último caso, qualquer sistema que não seja vítima de um dos dois outros modos de falha irá inevitavelmente falhar por desgaste se mantido em serviço por um tempo suficientemente longo. Desgaste é o modo final de falha ao qual nada escapa. Assim, deve-se perceber que não se pode projetar para evitar completamente todos os tipos de desgaste, somente adiá-los.

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Capítulo 8 - Análise por elementos finitos

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8

ANÁLISE POR ELEMENTOS

FINITOS

Se você colocar lixo em um computador, nada sairá além de lixo. Mas esse lixo, tendo passado por uma máquina cara, é, de alguma forma, enobrecido, e ninguém se atreve a criticá-lo.

ANÔNIMO

8.0

INTRODUÇÃO

Todas as análises de tensões e deflexão apresentadas nos capítulos anteriores foram resolvidas utilizando técnicas clássicas de solução analítica, que são o foco principal deste livro. Essas técnicas são principalmente aplicáveis em componentes de geometria simples, como cilindros, prismas retangulares, etc. Contudo, muitos componentes de máquinas têm formas geométricas mais complexas, tornando o cálculo de tensões e deflexão difícil ou mesmo impossíveis de ser feito pelo método analítico. Considere, por exemplo, a complexa forma do virabrequim mostrado na Figura 2-14. Para analisar as tensões e a deflexão em uma peça com tal complexidade, pode-se dividir o seu volume em um conjunto finito de elementos contíguos e discretos e resolver um conjunto (grande) de equações, cada uma das quais aplicadas sobre um elemento e seus nós, que conectam os elementos entre si. A Figura 8-1 mostra os modelos para elementos finitos de um virabrequim, um pistão e uma biela de motor.

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Apêndice D - Respostas dos problemas selecionados

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APÊNDICE

RESPOSTAS DOS

PROBLEMAS

SELECIONADOS

O manual de soluções em PDF e um conjunto completo dos arquivos do Mathcad para solução dos problemas estão disponíveis para professores que adotarem esta obra cadastrados no site da Bookman Editora (www.bookman.com.br).

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO AO PROJETO

1-4 1 000 lbf, 31,081 slug, 2,59 blob, 453,592 kg, 4 448,2 N.

1-5 25,9 lbf.

1-6 220,5 lbf, 220.5 lbm, 6,85 slug, 0,571 blob, 980,7 N.

CAPÍTULO 2

MATERIAIS E PROCESSOS

2-6 E = 207 GPa, U = 2,7 N-m, aço.

2-8 E = 207 GPa, U = 1,3 N-m, magnésio.

2-9 E = 16,7 Mpsi, Uel = 300 psi, titânio.

2-12 UT = 82,7 MPa, UR = 0,41 MPa.

2-14 Sut = 170 kpsi, 359HV, 36,5HRC.

2-16 Ferro e carbono, 0,95% carbono, podem ser endurecidos completamente ou superficialmente sem carbonização.

2-27 Sy = 88,1 kpsi, Sy = 607 MPa.

2-34 O metal mais comumente usado é o zinco. O processo é chamado

“galvanização” e é feito por eletrorrecobrimento ou imersão a quente.

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Capítulo 2 - Materiais e processos

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2

MATERIAIS E PROCESSOS

Não existe assunto tão antigo que não se possa dizer algo novo sobre ele.

DOSTOIÉVSKY

2.0

INTRODUÇÃO

O que quer que se projete, tem que ser feito de algum material e deve ser possível fabricá-lo. Uma sólida compreensão das propriedades, dos tratamentos e dos processos de fabricação dos materiais é essencial para se realizar bons projetos de máquinas. Presume-se que o leitor já tenha cursado uma disciplina em ciência dos materiais. Este capítulo apresenta uma rápida revisão de alguns conceitos metalúrgicos básicos e um breve resumo das propriedades dos materiais utilizados na engenharia para servir de suporte para o conteúdo que o seguirá. Este capítulo não tem a intenção de substituir um livro sobre ciência dos materiais, sendo o leitor incentivado a consultar referências, como as listadas na bibliografia deste capítulo, para informações mais detalhadas. Os capítulos posteriores deste livro explorarão mais detalhadamente algumas das formas comuns de falha dos materiais.

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Capítulo 4 - Tensão, deformação e deflexão

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4

TENSÃO, DEFORMAÇÃO

E DEFLEXÃO

Não é conhecer muito, mas o que é útil, que torna um homem sábio.

THOMAS FULLER, M.D.

4.0

INTRODUÇÃO

Você provavelmente já cursou uma disciplina de análise de tensões (talvez chamada de Resistência dos Materiais ou Mecânica dos Materiais) e, portanto, deve entender os fundamentos desse assunto. Entretanto, este capítulo apresenta uma revisão dos princípios básicos, de modo a servir de preparação prévia para o tópico de análise de fadiga dos capítulos posteriores. Tensão e deformação foram discutidas no Capítulo 2 com relação às propriedades dos materiais, mas foram parcialmente definidas naquela conjuntura. Neste capítulo, apresentaremos uma definição mais precisa sobre o que significam os termos tensão, deformação e deflexão.

A Tabela 4-0 mostra as variáveis utilizadas neste capítulo e faz referência

às equações, tabelas ou seções nas quais elas são usadas. No final do capítulo, uma seção de resumo é incluída, a qual agrupa as equações significativas deste capítulo para fácil referência e identifica a seção na qual podem ser encontradas.

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Apêndice B - Tabelas de vigas

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APÊNDICE

TABELAS DE VIGAS

Funções de carregamento, cisalhamento, momento, inclinação e deflexão para uma coleção de configurações comuns de vigas e carregamentos são apresentadas nestas tabelas. São definidas as vigas biapoiadas, em balanço e vigas com sobrebalanço, quer com uma carga concentrada em qualquer ponto ou uma carga uniformemente distribuída ao longo de qualquer porção do vão. Um conjunto geral de equações é derivado para cada viga. Casos especiais, como aqueles com a carga no centro do vão, são acomodados pela escolha apropriada das dimensões nas fórmulas gerais. Em todos os casos, funções de singularidades são usadas para escrever as equações de viga, o que nos dá, para cada função, uma única expressão para o vão completo. Ver a Seção 3.9 para uma discussão acerca das funções de singularidade. As equações para os casos de viga neste apêndice foram codificadas em arquivos, que estão disponíveis no CD que vem com este livro. Em alguns casos, os arquivos permitem que múltiplas cargas sejam aplicadas a diferentes posições na viga, mas as derivações neste apêndice correspondem a apenas um carregamento por viga. Use superposição para combinar diversos casos de vigas quando mais de um tipo de carga estiver presente em uma viga. Para uma coleção mais completa de fórmulas de vigas, veja Roark e Young, Formulas for Stress and Strain, 6th ed., McGraw-Hill, New York, 1989.

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Capítulo 5 - Teoria das falhas estáticas

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5

TEORIA DAS FALHAS

ESTÁTICAS

Toda ciência nada mais é que o refinamento de pensamentos cotidianos.

ALBERT EINSTEIN

5.0

INTRODUÇÃO

Por que as peças falham? Essa é uma pergunta que tem ocupado cientistas e engenheiros por séculos. Hoje em dia, compreende-se muito mais sobre vários mecanismos de falha do que algumas décadas atrás, em grande parte devido a testes e técnicas de medições aperfeiçoados. Se a você fosse pedido para responder a pergunta acima baseado no que aprendeu até agora, você provavelmente diria algo como “peças falham porque suas tensões excederam sua resistência”, e você estaria certo até certo ponto. A pergunta subsequente é fundamental: que tipo de tensão causa a falha: Tração? Compressão? Cisalhamento? E a resposta

é a clássica, “depende”. Depende do material em questão e da sua relativa resistência na compressão, na tração e no cisalhamento. Também depende do tipo de carregamento (se estático ou dinâmico) e da presença ou não de trincas no material.

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Capítulo 6 - teorias de falha por fadiga

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6

TEORIAS DE FALHA

POR FADIGA

A ciência é uma peça de mobília de primeira qualidade para o andar superior de um homem, se ele tiver bom senso no térreo.

OLIVER WENDELL HOLMES

6.0

INTRODUÇÃO

A maioria das falhas em máquinas acontece devido a cargas que variam no tempo, e não a esforços estáticos. Essas falhas ocorrem, geralmente, em níveis de tensão significativamente inferiores aos valores da resistência ao escoamento dos materiais. Assim, a utilização única das teorias de falha estática do capítulo anterior pode levar a projetos sem segurança quando as solicitações são dinâmicas.

A Tabela 6-0 mostra as variáveis utilizadas neste capítulo e faz referência

às equações, tabelas ou seções nas quais elas são usadas. No fim do capítulo, é fornecido um resumo que também reúne as equações mais significativas do capítulo para facilitar a consulta e identifica a seção do capítulo correspondente à discussão da equação desejada.

História da falha por fadiga

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Capítulo 9 - Estudos de caso de projeto

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9

ESTUDOS DE CASO DE

PROJETO

Aqui, o conhecimento de homem algum pode ir além de sua experiência.

JOHN LOCKE

9.0

INTRODUÇÃO

Este capítulo introduzirá e apresentará diversos estudos de caso de projeto em escala maior que aqueles apresentados nos capítulos anteriores. Esses estudos de caso serão usados até o final do livro para ilustrar a aplicação do processo de projeto para vários aspectos de cada problema de projeto. Em cada capítulo subsequente se explorará um elemento diferente, como eixos, engrenagens, molas, etc., que são encontrados em geral em maquinarias. Essa coleção de elementos não pode ser exaustiva, mas ela ilustrará a maneira como os princípios da primeira parte do livro podem ser aplicados a problemas práticos de projeto. Os elementos de máquina selecionados para estudo foram escolhidos parte por causa de seu uso comum e parte por causa de sua capacidade de exemplificar alguns dos critérios de projeto e falha discutidos na Parte I do livro. A Tabela 9-0 mostra as variáveis usadas neste capítulo e faz referência aos casos típicos em que elas são usadas.

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Apêndice C - Fatores de concentração de tensão

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APÊNDICE

FATORES DE

CONCENTRAÇÃO DE

TENSÃO

Fatores de concentração de tensão para 14 casos comuns são apresentados neste apêndice como listado abaixo. Todos os diagramas foram retirados de R. E.

Peterson, “Design Factors for Stress Concentration, Parts 1 to 5”, Machine Design, February-July, 1951, Penton Publishing, Cleveland, Ohio, com autorização.

Equações aproximadas para esses diagramas foram inseridas e definidas em cada figura. Estas equações foram codificadas como funções (indicadas abaixo), que podem ser incorporadas em outros modelos para permitir geração automática de fatores de concentração de tensão aproximados durante os cálculos. Lembre-se de que o sistema decimal americano utiliza ponto em vez de vírgula.

Figura Caso

Nome do arquivo

C-1

Eixo com rebaixo arredondado em tensão axial

APP_C-01

C-2

Eixo com rebaixo arredondado em flexão

APP_C-02

C-3

Eixo com rebaixo arredondado em torção

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Capítulo 17 - Embreagens e freios

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17

EMBREAGENS E FREIOS

Um livro grande é um grande aborrecimento.

CALLIMACHAS, 260 A.C.

17.0

INTRODUÇÃO

Embreagens e freios são essencialmente o mesmo dispositivo. Cada um deles provê uma conexão de atrito magnética, hidráulica ou mecânica entre dois elementos. Se os elementos conectados podem rodar, então é chamada de embreagem. Se um dos elementos roda, enquanto o outro é fixo, é chamada de freio.

Uma embreagem fornece então uma conexão que se pode interromper entre dois eixos que rodam, como, por exemplo, o eixo de manivelas de um motor de automóvel e o eixo de entrada de sua transmissão. Um freio fornece uma conexão não permanente entre um elemento que roda e um plano de chão que não roda, como, por exemplo, a roda de um automóvel e seu chassi. O mesmo dispositivo pode ser utilizado tanto como embreagem quanto como freio, fixando o seu elemento de saída a um eixo que pode rodar ou fixando-o ao chão.

Freios e embreagens são utilizados extensivamente em máquinas de produção de todos os tipos, não apenas em aplicações envolvendo veículos nos quais são necessários para parar o movimento e permitir que o motor de combustão interna possa continuar rodando (marcha lenta) quando o veículo está parado.

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Capítulo 1 - Introdução ao projeto

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1

INTRODUÇÃO AO

PROJETO

Aprendizado sem reflexão é trabalho perdido; reflexão sem aprendizado é perigoso.

CONFÚCIO, SÉCULO VI a.C.

1.1

PROJETO

O que é projeto, ou “design”§? O papel de parede é criado (“designed”). Você pode estar usando roupas de um estilista (“designer”). Os automóveis são desenhados (“designed”) em termos de sua aparência externa. O termo projeto (“design”) claramente engloba uma grande variedade de significados. Nos exemplos acima, “design” refere-se principalmente à aparência estética do objeto. No caso do automóvel, tudo com relação a seus outros aspectos envolve projeto. Suas peças mecânicas (motor, freios, suspensão, etc.) devem ser projetadas por engenheiros, não desenhadas por artistas, muito embora o engenheiro consiga expressar sua arte quando está projetando peças mecânicas.

A palavra “design” provém da palavra latina designare, que significa “designar ou escolher”. O dicionário Webster oferece várias definições da palavra design, a mais aplicável delas é “esboçar, traçar ou planejar como ação ou trabalho (...) para conceber, inventar, produzir”. Estamos mais preocupados aqui com o projeto de engenharia do que com o desenho artístico. Projeto de engenharia pode ser definido como: “O processo de aplicação das várias técnicas e princípios científicos com o intuito de definir um dispositivo, um método ou um sistema suficientemente pormenorizado para permitir sua realização”.

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Capítulo 14 - Projeto de molas

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14

PROJETO DE MOLAS

Não saber é ruim; não querer saber é pior.

PROVÉRBIO NIGERIANO

14.0

INTRODUÇÃO

Praticamente qualquer parte feita de um material elástico possui alguma “mola” dentro de si. O termo mola no contexto deste capítulo se refere a partes construídas em configurações particulares para prover um intervalo de força dentro de um espaço significativo de deflexão e/ou para armazenar energia potencial.

Molas são projetadas para prover uma força de tração, compressão ou um torque, ou principalmente para guardar energia, e podem ser dividas nessas quatro categorias gerais. Dentro de cada categoria, muitas configurações de molas são possíveis. Molas podem ser feitas de fio redondo ou retangular dobrado em alguma forma adequada como de espira, ou de uma barra plana carregada como uma viga. A foto de abertura deste capítulo mostra algumas configurações de molas. Muitas configurações padronizadas para molas estão disponíveis como itens de estoque em catálogos de fabricantes de molas. É geralmente mais econômico para o projetista utilizar uma mola de catálogo, se possível. Algumas vezes, contudo, a tarefa requer uma mola projetada segundo as necessidades do cliente. Essas molas podem desenvolver funções secundárias, como localização ou montagem de componentes. Em todos casos, o projetista deve entender e utilizar apropriadamente a teoria de molas a fim de que possa especificar ou projetar a peça. A Tabela 14-0 define as variáveis utilizadas neste capítulo e faz referência

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Apêndice A - Propriedades dos materiais

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APÊNDICE

PROPRIEDADES DOS

MATERIAIS

As tabelas a seguir contêm valores aproximados para as resistências e outras especificações de uma variedade de materiais de engenharia compilados de várias fontes. Em alguns casos, os dados são valores mínimos recomendados e, em outros casos, eles são obtidos de um único corpo de ensaio. Esses dados são apropriados para uso em exercícios de engenharia contidos neste texto, mas não devem ser considerados como representações estatisticamente válidas de especificações para qualquer liga ou material. O projetista deve consultar os fabricantes de materiais para informações mais precisas e atualizadas da resistência de materiais usadas em aplicações de engenharia, ou conduzir testes independentes dos materiais selecionados para determinar a conveniência definitiva deles para qualquer uso.

Mais informações sobre propriedades de materiais estão disponíveis na web.

Alguns sites úteis são: http://www.matweb.com http://metals.about.com

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