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é - CENGAGE ** Learning Ciência e Engenharia dos Materiais RR E viii SUMÁRIO 3-3 Redes, Células Unitárias, Bases e Estruturas Cristalinas 50 3-4 Transformações Alotrópicas e Polimórficas 58 3-5 Pontos, Direções e Planos na Célula Unitária 59 3-6 Interstícios 69 3-7 Estrutura Cristalina dos Materiais lônicos 71 3-8 Estruturas Covalentes 74 39 Técnicas de Difração para a Análise de Estruturas Cristalinas 75 RESUMO 77 cm GLOSSÁRIO 77 cm PROBLEMAS GO Capítulo 4 Imperfeições nos Arranjos Atômicos e lônicos 04 Introdução 84 441 Defeitos Pontuais 85 4.2 Outros Defeitos Pontuais 91 43 Discordâncias 92 4.4 Importância das Discordâncias 99 4.5 Lei de Schmid 100 4-6 Influência da Estrutura Cristalina 101 ] 47 Defeitos Superficiais 103 4.8 Importância dos Defeitos 108 RESUMO NOS cm GLOSSÁRIO NO cm PROBLEMAS 112 Capítulo 5 Movimentos de Átomos e Íons nos Materiais 115 Introdução 115 5-1 Aplicações da Difusão 116 5-2 Estabilidade de Átomos e lons 118 5-8 Mecanismos de Difusão 120 5-4 Energia de Ativação para Difusão 122 5-5 Taxa de Difusão (Primeira Lei de Fick) 123 5-6 Fatores que Afetam a Difusão 126 5-7 Permeabilidade dos Polímeros 132 5-8 Perfil de Composição (Segunda Lei de Fick) 132 5-9 Difusão e o Processamento de Materiais 136 RESUMO 130 mm GLOSSÁRIO 138 cm PROBLEMAS 139 5> Capítulo 6 Propriedades Mecânicas: Fundamentos e Testes de Tração, Dureza é Impacto 143 Introdução 143 6-1 Importância Tecnológica 144 8-2 Terminologia das Propriedades Mecânicas 145 Teste de Tração: Uso da Curva Tensão-Deformação Propriedades Obtidas no Teste de Tração 154 Tensão e Deformação Verdadeiras 160 de Flexão para Materiais Frágeis 162 Dureza dos Materiais 165 tos da Taxa de Deformação e Comportamento sob Impacto 167 riedades Obtidas no Teste de Impacto 168 RESUMO 17 cm GLOSSÁRIO 17] mm PROBLEMAS 174 8-9 Capítulo 7 Mecânica da Fratura, Fadiga e Fluência 178 179 ecânica da Fratura 182 i ruturais de Fraturas 1 » 09 9) de Weibull para Análise de Resistência à Fratur 1 te) RESUMO 209 Capítulo 8 Encruamento e Recozimento 214 [8 o a Frio 221 5 Residuais 224 2a 3-q 2 RESUMO 240 mm GLOSSÁRIO 240 mm PROBLEMAS 242 o a Quente Capítulo 3 Princípios e Aplicações da Solidificação 246 RESUMO 363 mm GLOSSÁRIO 370 mm ses m EN Capítulo 13 Tratamento Térmico de Aços e Ferros Fundidos ki) 1 408 RESUMO 42 mm GLOSSÁRIO 413 cm PROBLEMAS 45 Capítulo 14 Ligas Não-Ferrosas 40] Introdução 421 14-1 Ligas de Alumínio 422 14-2 Ligas de Magnésio e Beriio 429 14-3 Ligas de Cobre 431 14-4 Ligas de Níquel e de Cobalto 434 14-5 Ligas de Titânio 438 14-6 Metais Refratários e Preciosos 444 RESUMO 445 mm GLOSSÁRIO MG um PROBLEMAS 447 Capítulo 15 Materiais Cerâmicos 490 Introdução 450 xii SUMÁRIO 15-1 Aplicações das Cerâmicas 451 15-2 Propriedades das Cerâmicas 453 15-3 "Síntese e Processamento de Pós Cerâmicos 454 15-4 Características das Cerâmicas Sinterizadas 459 15-5 — Vidros Inorgânicos 461 15-6 Vidro-cerâmicas 467 15-7 Processamento e Aplicações de Produtos de Argila 469 15-8 Refratários 470 1-9 Outros Materiais Cerâmicos 472 RESUMO 474 cm GLOSSÂRIO 45 cm PROBLEMAS 476 Capítulo 16 Polímeros 478 Introdução 478 16-1 Classificação de Polimeros 480 16-2 Polimerização por Adição e Condensação 483 16-3 Grau de Polimerização 486 ] 16-4 Termoplásticos Típicos 489 16-5 Relações entre Estrutura e Propriedades dos Termoplásticos 492 16-6 Efeito da Temperatura em Termoplásticos 496 | 16-7 | Propriedades Mecânicas dos Termoplásticos 501 16-8 Elastômeros (Borrachas) 507 16-9 Polímeros Termofixos 512 16-10 Adesivos 514 16-11 Processamento de Polímeros e Reciclagem 515 RESUMO 500 cm GLOSSÁRIO 500 PROBLEMAS Seg Capítulo 17 Compósitos: Cooperação € Sinergia em Materiais Sos Introdução 525 17-1 Compósitos Endurecidos por Dispersão 528 | 17-2 Compósitos Particulados 530 17-3 Compósitos Reforçados com Fibras 535 17-4 Características dos Compósitos Reforçados com Fibras 540 17-5 Fabricação de Fibras e Compósitos 547 17-6 Sistemas Reforçados com Fibras e Aplicações 551 17-7 Materiais Compósitos Laminares 558 17-8 Exemplos e Aplicações de Compósitos Laminares 559 17-9 Estruturas Sanduíches 561 RESUMO 562 mm GLOSSÁRIO S63 m PROBLEMAS 564 Apêndice A 569 ApêndicoB 57] Prefácio Esta edição condensada de Ciência e Engenharia dos Materiais resulta do sucesso da Quarta Edição americana de Ciência e Engenharia dos Materiais, publicada em 2003. Recebemos um retorno positivo tanto sobre o conteúdo como sobre a abordagem integrada que adotamos para desenvolver os fundamentos de ciência e engenharia dos materiais, ao apresentar aplica- ções e problemas reais ao estudante. O principal objetivo deste livro é fomecer uma visão ge- ral, porém concisa, sobre os princípios da ciência e da engenharia dos materiais aos estudantes universitários de várias disciplinas. O texto contém a mesma abordagem integrada da Quarta Edição, apresentando inicialmente aplicações reais, seguido dos fundamentos científicos e dos problemas relacionados a esta área. O conteúdo foi cuidadosamente selecionado, de modo que o leitor possa desenvolver idéias essenciais para uma sólida compreensão da ciência e engenharia dos materiais. Esta obra contém ainda novos exemplos de aplicações modernas com materiais avançados, como os utilizados em tecnologia da informação, em sistemas de energia, sistemas microeletrome- cânicos com nanotecnologia (MEMS) e tecnologia biomédica. A abordagem concisa aqui empregada permite que os professores ministrem um curso introdutório à ciência e engenharia dos materiais em um semestre. Acreditamos que, ao ler este livro, os estudantes perceberão o quanto o tema é interessante e entenderão claramente a relevância do que estão aprendendo. Incluímos vários exemplos das modernas aplicações de ciência e engenharia dos materiais que afetam a vida dos próprios estudantes. Em nossa opinião, se eles reconhecerem que muitas das maravilhas tecnológicas atuais dependem do desempenho dos materiais de engenharia, ficarão ainda mais motivados a aprender como aplicar os fundamentos aqui apresentados. Público-Alvo & Pré-Requisitos Este livro foi desenvolvido para atender às necessidades dos estudantes de outras disciplinas c formações em engenharia, que não a de ciência e engenharia dos materiais, tais como as en- genharias mecânica, industrial, de produção, química, civil, biomédica e elétrica. Ao mesmo tempo, fizemos um esforço consciente para que seu conteúdo fosse adequado aos universitá- rios que estão se especializando em ciência e engenharia dos materiais, e também nos cursos diretamente relacionados aos materiais, como metalurgia, cerâmica, polímeros e física aplica- da à engenharia. Neste sentido, a partir de uma perspectiva técnica e educacional, o conteúdo não foi “diluído” para atender a esse público extenso. Assim, os assuntos apresentados são o resultado de uma cuidadosa seleção de tópicos, com base em nossa análise das necessidades e xv xvi PREFÁCIO ntação de tópicos aprofundados referentes à no retorno obtido visores. Evitou-se a aprese: : dos revisores. Evitou-se a ap lo apropriado a um curso propriedades eletrônicas, magnéticas, térmicas e ópticas para manté- com uma abordagem essencial. fi i Este texto é pe de = estudantes de engenharia que há eauelneoo guias de fisica, química e cálculo. O conhecimento de uma introdução geral à Engenharia sa aa a) Engenharia poderá ser útil, mas não necessário. O conteúdo pode o Bi y id ES Sus dantes que ainda não tenham concluído disciplinas de RETRO mecânica dos materiais. Recursos Incluímos vários recursos exclusivos: Seção “Você já se perguntou?” - A ilustração de abertura de cada capítulo é seguida por uma seção “Você já se perguntou?”, que traz questões concebidas para despertar o interesse do leitor, contextualizar o assunto e definir o escopo do que o leitor aprenderá no capítulo em questão. Exemplos Acrescentamos muitos exemplos reais nos capítulos que abordam especificamen- te considerações de projeto, como temperatura de operação, presença de substâncias corro- sivas, considerações econômicas, reciclagem e restrições ambientais. Referem-se também a materiais teóricos e cálculos numéricos, como reforço adicional para a apresentação. Glossário Todos os termos do Glossário presentes no capítulo aparecem em negrito na pri- meira vez em que são incluídos no texto, o que permite uma fácil consulta às definições forne- cidas no Glossário final de cada capítulo. Respostas aos Problemas Selecionados As respostas aos problemas selecionados são forne- cidas no fim do livro, para ajudar o estudante na resolução dos exercícios de cada capítulo. Apêndices e Tabelas O Apêndice A fornece uma lista de propriedades fisicas selecionadas dos metais, enquanto o Apêndice B apresenta os raios atômicos e iônicos de alguns elementos. As tabelas no fim do livro incluem a Conversão SI e Propriedades Físicas Selecionadas dos elementos. Estratégias para o Ensino com este Livro E possivel abordar a maioria do conteúdo aqui apresentado em cursos típicos de um semestre. Ao selecionar os tópicos apropriados, porém, o professor poderá enfatizar alguns dos materiais (metais, ligas, cerâmicas, polímeros, compósitos ctc.), fornecer uma visão geral sobre eles, concentrar-se apenas no comportamento específico ou enfocar as propriedades físicas. Além disso, o texto oferece ao estudante uma referência útil Para cursos mais avançados de proces- samento, projeto e seleção de materiais. Para os que se especializarão em ciência c engenharia dos materiais ou habilitações afins, as seções referentes a síntese € processamento poderão ser discutidas com mais detalhes. PREFÁCIO xvii Suplementos Entre os suplementos para o aluno, podemos citar: Uma página em inglês para os estudantes: www.engineering.thomson.com. Agradecimentos E preciso ter uma equipe de muitas pessoas e trabalhar arduamente para criar um livro-texto de qualidade. Somos gratos a todos aqueles que ofereceram apoio, estímulo e críticas construtivas durante a preparação deste livro. Em primeiro lugar, gostaríamos de agradecer aos vários professores que forneceram um proveitoso retorno à nossa pesquisa inicial para a Quarta Edição do livro Ciência e Engenha- ria dos Materiais: C. Maurice Balik, North Caroline State University Deepak Bhat, University of Arkansas, Fayetteville Brian Cousins, University of Tasmania Raymond Cutler, Ceramatic Inc. Arthur F. Diaz, San Jose State University Phil Guichelaar, Western Michigan University Richard S. Harmer, University of Dayton | Prashant N. Kumta, Camegie Mellon University Rafael Manory, Royal Melbourne Institute of Technology Sharon Nightingale, University of Wollongong, Austrália Christopher K. Ober, Cornell University David Poirier, University of Arizona Ramurthy Prabhakaran, Old Dominion University Lew Rabenberg, The University of Texas, Austin Wayne Reitz, North Dakota State University John Schlup, Kansas State University Robert L. Snyder, Rochester Institute of Technology J. Rasty. Texas Tech University Lisa Friis, University of Kansas Blair London, California Polytechnic State University, San Luis Obispo Yu-Lin Shen, University of New Mexico Stephen W. Stafford, University of Texas, El Paso Rodney Trice, Purdue University David S. Wilkinson. MeMaster University Indranath Dutta, Naval Postgraduate School Certamente somos gratos a todos da Thomson Engineering por seu encorajamento, com- cia ao permitir que este livro se concretizasse: Julie Ruggiero, John More e preensão e pac Verno Boes. Gostaríamos ainda de agradecer a três pessoas em particular, por seus diligentes esforços: a Bill Stenquist, nosso editor, que determinou o tom de excelência c proporcionou visão, ex- Introdução à Ciência e Engenharia dos Materiais Você já se perguntou? E O que estudam os cientistas e engenheiros de materiais? EH | Comoo aço em chapas pode ser processado para gerar um material leve com elevada resistên- cia, absorvedor de energia! e maleável, empregado na fabricação de chassis de automóveis? E Podemos fazer circuitos eletrônicos leves e flexiveis utilizando plásticos? mM Oque é um “material inteligente”? Neste capítulo, vamos primeiro apresentar o campo da ciência e engenharia dos ma- teriais (CEMat), utilizando vários exemplos do mundo real. Em seguida, vamos for. necer uma introdução à classificação dos materiais. A ciência dos materiais é a base de todos os avanços tecnológicos, e uma boa compreensão dos fundamentos dos materiais e suas aplicações não só fará de você um engenheiro mais capacitado, como também poderá ajudá-lo na fase de proje to, Para ser um bom projetista, você deve aprender quais materiais são apropriados às diferentes aplicações. O aspecto mais im- portante dos materiais é serem facilitado- res, ou seja, tornarem as coisas viáveis. Na ! Um material que absorve muita energia antes de se romper é classificado como renaz, (NRT) Introdução à Ciência e Engenharia dos Materiais 3 * Qual é a capacidade Desempenho Es transpario de contas, —————— | elétricas? Custo * Qual é o custo de fabricação? A: Composição * YBazCu307.x * TIBazCasCu,01| * BizSr,CazCu3010 C: Síntese e processamento * Como é possível produzir pós com elevada pureza, homogêneos, com granulometria fina e estequiometria bem definida? * Como podemos fabricar fios longos? B: Microestrutura | * Que características | microestruturais limitam | a capacidade de transporte | de cargas elétricas? | * Qual é a textura do material? Figura |-| Aplicação do tetraedro de ciência e engenharia dos materiais aos supercondutores cos. Observe que os fatores microestrutura-sintese e processamento-composição estão acionados e afetam a razão desempenho-custo. vez você saiba que, em geral, os produtos cerâmicos não conduzem eletricidade. Cientistas descobriram, por acaso, que determinados compostos cerâmicos baseados em óxidos de ítrio, bário e cobre (conhecidos como YBCO?) podem, sob certas condições, transportar correntes elétricas sem qualquer resistência. Com o que se conhecia sobre os supercondutores metálicos e as propriedades elétricas das cerâmicas, não havia expectativa de que existissem materiais cerâmicos com comportamento supercondutor. Portanto, o primeiro passo nesse caso foi a descoberta do comportamento supercondutor em materiais cerâmicos. Porém, encontrou-se uma limitação nesses materiais: a de só apresentarem um comportamento supercondutor em baixas temperaturas (<150 K). O passo seguinte consistia em determinar como melhorar as propriedades desses mate- riais, Nesse caso, “melhorar” significa: Como podemos reter o comportamento supercondutor nesses materiais em temperaturas mais elevadas? Como podemos ter elevada densidade de andes distâncias? Isso envolve processamento de materiais e estudos aprofundados da correlação propriedades-estrutura. No caso, os cientistas queriam saber como a composição e a microestrutura afetavam o comportamento supercondutor, Assim, eles pre- cisavam descobrir também se outros compostos poderiam apresentar supercondutividade. Por meio de experimentação. os cientistas desenvolveram, então, uma síntese controlada de pós ultrafinos ou filmes finos, que são utilizados na produção de dispositivos. corrente em fios por g 2 YBCO = Virium Barium Ciência o Engenharia dos Materiais Pensando de ara possibilid queremos s, Confiável e Mínio, |: acordo com a engenharia dos materiais lade de produzir fios longos para transmi : T dd se é viável fabricar fic supercondutores de grandes extensões, de Odo feprodutível, que sejam superiores em desempenho ao E “cal. * Possível produzi-los com uma boa relação custo-benefício? E O próximo desafio Consiste, então, em fabricar grandes extensões de fios Cerâmicos u Percondutores, Como s supercondutores cerâmicos são frágeis, fios longos Fepresentam pro Verdadeiro des; fio. Portanto, é preciso desenvolver técnicas de proce. 'samento de Para criar esses novos fios. Uma forma bem-sucedida de produzi-los consiste em tubos de Prata com pós cerâmicos supercondutores e moldá-los no formato de fios, Embora a descoberta de supercondutores cerâmicos tenhá causado bastante tarefa de Converter esta descoberta em produtos úteis tem enfrentado muitos desa nados à Síntese e ao processamento de tais materiais. E 5 Algumas vezes, a descoberta de novos materiais, fenômenos ou dispositivos é classif; COMO revolucionária como a descoberta do transistor de silício, usado em chips Or Outro lado, os materiais aprimorados ao longo do tempo podem ser igualmente importantes; esses materiais são conhecidos como evolutivos. Muitas ligas à base de ferro e cobre, entre Outros, são exemplos de materiais evolutivos. Evidentemente, é importan nhecer que vários Materiais hoje considerados evolutivos, foram, na realidade, rev oluw No passado. É comum que materiais e fenômenos sejam descobertos em determinada época e que Os produtos e Processos comerciais relacionados a esses mater: S SO apareçam no Merca. do muitos anos depois. A transição entre o desenvolvimento de novos materiais ou Processos e suas aplicações Comerciais ou industriais úteis pode ser lenta e dificil. amos analisar outro exemplo, ainda empregando o tetraedro da ciência e materiais. Vamos considerar o “aço em chapas” usado na fabrica Como você prov mim; aber alvoro 0, a fios, relacio. de com pu. tadores, P, te reco. ClOnários engenharia dos ação de chassis de automóveis. avelmente sabe, o aço tem sido empregado na manufatura de Componentes há mais de cem anos, mas é provável que na Idade do Ferro, há milhares de ano: já existisse alguma forma rudimentar de aço. Na fabricação de chassis de automóveis é preciso > empregar material com resistência bastante elevada, mas que ainda possibilite a conformação de Super. fícies com propriedades aerodinâmicas. Outro aspecto a considerar é a economia de combus- tível, Portanto, o aço em chapas deve ser também fino e leve. Além disso, tais tipos de aço Precisam, em caso de colisão, absorver quantidades significativas de energia, elevando assim à Segurança do veículo. Em suma, são requisitos contraditórios. Portanto, nesse caso os cientistas preocupam-se com as se: em chapas: suntes caracteristicas do aço composição química: resistência m * peso; * propriedades de absorção de energia; e . maleabilidade (conformabilidade). Os cientistas de materiais examinam O aço com o auxílio de microscópios para determinar se suas propriedades podem ser alteradas, a fim de que que tais requisitos sejam atendidos. Assim, eles devem processar esse material sob a forma de chassis de automóveis atendendo ainda a requisitos de economia. O processo de fabricaç; e i do aço? Que tipos de recobrimento podem ser desen corrosão? Além disso, é preciso saber se tais aços po desta análise, é possível notar quantas questões devem ser consideradas durante o projeto ea seleção de materiais para qualquer produto. ho 6 Ciência e Engenharia dos Materiais 2.068,44 MPa 2.100 MP. Metais e Ligas a t iga de cobalto) —Compóstos | Aço de alta — | Epóxi- | resistênci My | carbono | mecã E 5 1379Mpa | | PR EIN LAOO MBA = co o o ca a A | | Ages-liga » Ê Keviar'! | | Ligade CoBe | s | + Liga de niquel 2 - Poliimida- | cri R ] E boro | ga de titânio ê z 689,5 MPa] su | | Poliimida- | + Latão Cu-Zn É COMP) ———SisNg carbono + Liga de aluminio Polímeros Papo + Liga de zinco | “PEEK' do 14. — Náilon — Chumbo o — Polietileno De pda à + Figura 1-2 Resistências representativas de várias categonas de mat Os materiais de cada um desses grupos apresentam estruturas & propriedades distintas As diferenças em resistência, mostradas na Figura 1-2, ilustram à gama de propriedades os engenheiros podem selecionar. Como os materiais metálico são amplamente usados em aplicações estruturais, suas propriedades mecânicas são de grande interesse prático. Vamos apresentá-las rapidamente a seguir. O termo “tensão” refere-se à carga mecânica ou k por unidade de área, ao passo que “deformação” gnifica o alongamento ou à alteração de dimensão dividida pela dimensão original. A aplicação de tensão causa detormação. Caso a de. formação desapareça após ser removida a carga ou a tensão aplicada, diz-se que à detormação é “elástica”. Se a deformação permanecer após ser remov ida a tensão, diz-se que a detormação é “plástica”. Quando a deformação é elástica, tensão e deformação estão linearmente relacio- nadas, e a inclinação da reta tensão-deformação neste trecho é conhecida como módulo de elasticidade ou módulo de Young. A tensão necessária para iniciar uma deformação plástica é denominada “limite de escoamento”. A deformação percentual maxima que se pode obter é uma medida da ductilidade de um material metálico. Esses conceitos são analisados mais profiun- damente no Capítulo 6. Metais e Ligas Incluem aços, alumínio, magnésio, zinco, ferro fundido, utânio, cobre, niquel etc. Em geral, os metais apresentam boa condutividade térmica e elétrica. Tanto os metais quanto as ligas têm resistência mecânica relativamente elevada, alta rigidez, ductilidade ou conformabilidade, e resistência a choques mecânicos. Eles são particularmente úteis em apl cações estruturais. Embora metais puros raramente sejam usados, combinações de metais — as chamadas ligas — permitem melhorar uma propriedade especifica desejada ou obter melhor combinação de propriedades. A vista em corte de uma turbina de avião, mostrada na Figu- ra 1-3, ilustra o uso de materiais metálicos em aplicações tecnológicas criticas. Cerâmicas Pode-se definir as cerâmicas como materiais cristalinos inorgânicos. As cerimi- cas podem ser consideradas os materiais mais “naturais” que existem. De fato, a areia das 3 PEEK é poli-éter-éter-cetona. (NRT) * Kevlar é o nome dado pela empresa DuPont? a um tipo de fibra polimérica sintética (NRT) Introdução à Ciência e Engenharia dos Materiais 7 Figura 1-3 Vista em corte de baixas a médias temperat traseira, porém, oper cápsula externa es! compósitos. ( de uma s em estado natural, As cerâmicas avançadas são naturais e por outros processos especiais. Essas cerâmicas são ads em substratos de chips de computadores. sensores e atuadores, capacitores, equipamentos para comunicações elétricos. Alguns tipos de cerâmica são utilizados como revestimento de proteção para substra- tos metálicos em turbinas. As cerâmic sem fio, velas de ignição, indutores e isoladores S também são empregadas em vários produtos de con- sumo, como tintas, plásticos e pneus, e em aplicações industriais, como placas isolantes para ônibus espaciais, suportes para catalisadores e sensores de oxigênio para automóveis. Quanto às cerâmicas tradicionais. ão empregadas em tijolos, louças de cozinha, louças sanitárias, re- fratários (materiais resistentes ao calor) e abrasivos. Em geral, devido à presença de porosida- de (pequenos orifícios), as cerâmicas não são boas condutoras de calor e devem ser aquecidas a temperaturas altíssimas antes de fundir. Além disso, as cerâmicas são resistentes e rígidas, mas também bastante frágeis. Normalmente são preparados pós finos de cerâmica, que serão moldados em diferentes formatos. Novas técnicas de processamento tornaram as cerâmicas suficientemente resistentes à fratura, a ponto de serem usadas em aplicações estruturais — tais Figura |-4 Componentes complexos feitos em cerâmica, incluindo rotores e lâminas, que permitem a operação mais eficiente de turbinas em temperaturas elevadas. (Cortesia da Certech, Inc) 
