Soluções — Grupo I

1. F — C45 é um aço de médio teor de carbono, utilizado em veios, eixos e engrenagens. As estruturas de construção civil usam aços de baixo teor em carbono como S235 ou S275.
2. V — CuSn10 (SAE 40) é um bronze estanhado com excelente resistência ao desgaste e à corrosão, muito utilizado em casquilhos e buchas industriais.
3. F — NBR tem excelente resistência a óleos minerais, mas fraca resistência a ácidos concentrados e solventes aromáticos. Para ácidos concentrados, utilizar FKM (Viton) ou PTFE.
4. F — Na têmpera o arrefecimento é rápido (em óleo, água ou polímero), não lento. O arrefecimento lento é característico do recozimento.
5. V — GFRP tem densidade 1,8–2,0 g/cm³ (vs. 7,85 para aço) e módulo E de 15–25 GPa (vs. 210 GPa para aço) — muito mais leve mas muito mais flexível.
6. F — CE > 0,60 indica difícil soldabilidade, requerendo pré-aquecimento > 250°C e pós-tratamento. CE < 0,35 é o intervalo de excelente soldabilidade sem pré-aquecimento.
7. V — PTFE é um dos polímeros mais inertes quimicamente; resiste a praticamente todos os ácidos e bases, excepto flúor elementar a alta temperatura.
8. V — 7075-T6: Rm = 572 MPa vs. 6061-T6: Rm = 310 MPa. Contudo, a 7075 tem baixa soldabilidade (risco de fissuração na ZAC) enquanto 6061 tem boa soldabilidade.
9. V — A corrosão galvânica é um processo electroquímico; o metal de menor potencial (menos nobre) é o ânodo e corrói-se preferencialmente.
10. V — GGG (grafite nodular) tem tenacidade de 7–15 MPa·m^0,5 vs. GG (grafite lamelar) com 3–5 MPa·m^0,5. A grafite em forma de nódulos não actua como concentrador de tensão.

Soluções — Problema 1

a) Bucha de deslizamento:

Material seleccionado: Bronze SAE 40 (CuSn10) ou Bronze SAE 64 (CuPb10Sn10)

Justificação: - Verificação p×v: p = F/(d×l) = 1500/(25×25) = 2,4 N/mm²; p×v = 2,4 × 0,5 = 1,2 N/mm²·m/s → dentro do limite do SAE 40 (p×v máx ≈ 12) - Resistência ao desgaste: bronze estanhado tem boa resistência ao desgaste por abrasão e adesão - Compatibilidade galvânica: compatível com veio de aço (diferença de potencial moderada) - Propriedade autolubrificante: o CuPb10Sn10 liberta Pb a temperaturas de operação, melhorando lubrificação em condições de falta de lubrificante

Alternativa para lubrificação esporádica: Bronze grafitado (auto-lubrificado, sem necessidade de lubrificante externo)

b) Vedante de êmbolo hidráulico (HFD-U, 130°C):

Material seleccionado: FKM (Viton) — não NBR

Justificação: - Compatibilidade química: HFD-U (éster fosfórico) é incompatível com NBR (o NBR incha e degrada). FKM resiste a todos os fluidos hidráulicos sintéticos - Temperatura: FKM suporta até 200°C (vs. NBR máx 120°C) — adequado para 130°C - Pressão: vedante de perfil chevron ou lábio em FKM aguenta 280 bar sem extrução (módulo de dureza Shore 70–90A)

c) Veio de bomba em água do mar:

Material seleccionado: Aço inoxidável 17-4 PH (1.4542) ou Duplex 2205 (1.4462)

Justificação: - Resistência mecânica: 17-4 PH H900: Rm = 1100 MPa (> exigido 700 MPa); 2205: Rm = 620 MPa (limite — verificar com margem de segurança) - Resistência à corrosão: ambos resistem a cloretos de água do mar (PREN > 30); aço C45 ou 42CrMo4 corroeriam rapidamente mesmo com revestimento - Maquinabilidade: 17-4 PH é maquinável com parâmetros moderados (Vc = 80–120 m/min, TiAlN)

Alternativa de menor custo: Bronze naval (CuSn10Ni) mas resistência mecânica limitada (~450 MPa)

d) Tampa de carcaça exterior:

Material seleccionado: GFRP (pré-impregnado ou RTM) ou Alumínio 5052-H32

Justificação para GFRP: - Leveza: densidade 1,8–2,0 g/cm³ (vs. 7,85 para aço, 2,7 para Al) - Resistência à corrosão: excelente em ambiente exterior; sem pintura necessária - Custo de fabrico: peças de geometria complexa económicas por RTM/SMC - Desvantagem: reciclabilidade limitada; não para componentes com carga estrutural elevada

Justificação para Al 5052-H32: - Boa resistência à corrosão marítima; maquinável; mais fácil de reparar/modificar

Soluções — Problema 2

a) Cálculo das tensões:

Flexão: $$\sigma_f = \frac{32 \times M}{\pi \times d^3} = \frac{32 \times 800\,000}{\pi \times 45^3} = \frac{25\,600\,000}{286\,479} \approx 89,4 \text{ MPa}$$

Torção: $$\tau = \frac{16 \times T}{\pi \times d^3} = \frac{16 \times 1\,200\,000}{\pi \times 45^3} = \frac{19\,200\,000}{286\,479} \approx 67,0 \text{ MPa}$$

Tensão de Von Mises: $$\sigma_{eq} = \sqrt{\sigma_f^2 + 3\tau^2} = \sqrt{89,4^2 + 3 \times 67,0^2} = \sqrt{7992 + 13467} = \sqrt{21459} \approx 146,5 \text{ MPa}$$

b) Avaliação do C45:

σ_adm = 305/2 = 152,5 MPa

σ_eq = 146,5 MPa < 152,5 MPa → C45 é tecnicamente adequado, mas com margem muito pequena (apenas 4%). Qualquer pico de carga ou vibração ressonante pode causar falha prematura.

A falha ao fim de 6 meses sugere que existiram cargas dinâmicas (fatores de choque) ou que o material não estava de acordo com a especificação. Recomenda-se verificar a dureza do veio falhado.

c) Novo diâmetro com 42CrMo4 (Rp0,2 = 650 MPa):

σ_adm_novo = 650/2 = 325 MPa

A tensão é proporcional a d³ (para carga constante):

$$d_{novo}^3 = d_{original}^3 \times \frac{\sigma_{adm,original}}{\sigma_{adm,novo}} = 45^3 \times \frac{152,5}{325} = 91\,125 \times 0,469 = 42\,738 \text{ mm}^3$$

$$d_{novo} = \sqrt[3]{42\,738} \approx 34,9 \text{ mm} \approx 35 \text{ mm}$$

Comparação: Com 42CrMo4, o diâmetro pode ser reduzido de 45 mm para 35 mm (redução de 22% no diâmetro, 40% na secção transversal, ~40% no peso). Vantagem adicional: maior resistência à fadiga (limite de fadiga ≈ 450 MPa vs. 220 MPa para C45).

Solução — Grupo III

a) SSCC (Sulfide Stress Corrosion Cracking):

O SSCC é um mecanismo de falha por fragilização por hidrogénio em ambiente de H₂S. O mecanismo é: 1. O H₂S em solução aquosa produz H⁺ na superfície do aço 2. Os átomos de H penetram na rede cristalina do aço 3. Em regiões de alta tensão (entalhes, raiz de filete), o H fragiliza a rede 4. Fenda inicia-se sem deformação plástica aparente (falha frágil súbita)

Aços de alta resistência (HRC > 22, Rm > 700 MPa) são particularmente vulneráveis porque: - O campo de tensão residual é maior - A difusividade do H aumenta com a densidade de deslocações - A energia de fractura intergranular é menor em martensita

Norma aplicável: NACE MR0175 / ISO 15156 — limita a dureza máxima dos materiais em serviço com H₂S (geralmente HRC ≤ 22 para aços carbono e baixa liga).

b) Tabela de selecção multi-critério:

Pontuação 1–5 (5 = melhor)

Cálculos: - 42CrMo4: 0,30×5 + 0,35×1 + 0,20×5 + 0,15×5 = 1,50 + 0,35 + 1,00 + 0,75 = 3,60 (corrigido) - Duplex 2205: 0,30×2 + 0,35×4 + 0,20×3 + 0,15×3 = 0,60 + 1,40 + 0,60 + 0,45 = 3,05 - Inconel 625: 0,30×4 + 0,35×5 + 0,20×1 + 0,15×2 = 1,20 + 1,75 + 0,20 + 0,30 = 3,45

c) Decisão final e riscos:

Material seleccionado: Inconel 625 (score 3,45; resistência SSCC crítica justifica custo)

Justificação: - O critério SSCC é eliminatório para o 42CrMo4 na dureza T&R: viola NACE MR0175 (HRC > 30) - O duplex 2205 não cumpre o requisito mínimo de Rm = 700 MPa (apenas 620 MPa) - Inconel 625 cumpre todos os requisitos técnicos e é certificado NACE MR0175

Riscos residuais: 1. Prazo: fornecimento de Inconel 625 pode exceder 6 semanas → solicitar stock de emergência a fornecedor especializado; confirmar disponibilidade antes de decidir 2. Custo: elevado custo unitário → justificar com análise de ciclo de vida (evita paragens não programadas de alto impacto) 3. Maquinagem: Inconel 625 é difícil de maquinar (Vc = 30–50 m/min, desgaste rápido de ferramentas) → usar carboneto submicron com refrigeração de alta pressão