Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução, 9ª edição

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A partir de um enfoque capaz de levar os leitores a compreender, desenvolver e usar diferentes matérias-primas, a nona edição de Ciência e Engenharia de Materiais — Uma Introdução foi primorosamente elaborada para que profissionais e estudantes possam verificar a importância das diferentes tecnologias de utilização e aprimoramento de materiais. Com uma didática que propicia a aplicação da teoria na prática, este livro apresenta aos leitores estudos detalhados de casos a fim de contribuir para a iniciação e o desenvolvimento de habilidades na investigação de propriedades da Engenharia de Materiais somadas aos das ciências nas áreas de Química, Física, Metalurgia, entre outras. Esta obra proporcionará os conhecimentos básicos para propor soluções e inovações aos problemas de aplicações técnicas, econômicas e ambientais da indústria com a utilização de materiais nos processamentos e composições necessários à fabricação de produtos. Materiais suplementares da obra estão disponíveis no site da LTC Editora – GEN | Grupo Editorial Nacional mediante cadastro.

29 capítulos

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1. Introdução

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1 Introdução

© blickwinkel/Alamy

© iStockphoto/Mark Oleksiy

Capítulo

U

© iStockphoto/Jill Chen

m objeto familiar que pode ser fabricado a partir de três tipos de

materiais diferentes é o vasilhame de bebidas. As bebidas são comercializadas em latas de alumínio (metal, foto superior), garrafas de vidro

© blickwinkel/Alamy

© iStockphoto/Mark Oleksiy

(cerâmica, foto central) e garrafas plásticas (polímero, foto inferior).

• 1

01capitulo01.indd 1

25/04/2016 21:03:38

Objetivos do Aprendizado

Após estudar este capítulo, você deverá ser capaz de fazer o seguinte:

. �Listar seis diferentes classificações das propriedades dos

1

materiais, as quais determinam sua aplicabilidade.

2. �Citar os quatro componentes que estão envolvidos no projeto, na produção e na utilização dos materiais, e descrever sucintamente suas possíveis inter-relações.

3. �Citar três critérios que são importantes no processo de seleção de materiais.

 

2. Estrutura Atômica e Ligação Interatômica

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Capítulo

2 �Estrutura Atômica e

Ligação Interatômica

A

fotografia na parte inferior desta página é de uma

lagartixa.

Cortesia de Jeffrey

Karp, Robert Langer e

Alex Galakatos

Cortesia de Jeffrey Karp,

Robert Langer e Alex Galakatos

As lagartixas, que são lagartos tropicais inofensivos, são animais muito fascinantes e extraordinários. Elas possuem patas extremamente aderentes (uma das quais está mostrada na terceira fotografia), que se grudam praticamente a qualquer superfície. Essa característica torna possível a esses animais subirem rapidamente por paredes verticais e se deslocarem ao longo do lado de baixo de superfícies horizontais. De fato, uma lagartixa pode suportar a massa do seu corpo com um único dedo! O segredo para essa habilidade marcante é a presença de um número extremamente grande de pelos microscopicamente pequenos em cada uma das plantas dos seus dedos. Quando esses pelos entram em contato com uma superfície, são estabelecidas pequenas forças de atração (ou seja, forças de van der Waals) entre as moléculas dos pelos e as moléculas da superfície. O fato de esses pelos serem tão pequenos e tão numerosos explica o porquê de as lagartixas se grudarem tão fortemente às superfícies. Para soltar sua pegada, a lagartixa simplesmente dobra seus dedos, deslocando os pelos da superfície. sintéticos ultrafortes. Um desses é uma fita adesiva (mostrada na segunda fotografia), que é uma ferramenta especialmente promissora para uso em procedimentos cirúrgicos como alternativa às suturas e aos grampos para fechar ferimentos e incisões. Esse material retém sua natureza adesiva em ambientes molhados, é biodegradável e não libera substâncias tóxicas ao se dissolver durante o processo de recuperação. As características microscópicas dessa fita adesiva estão mostradas na fotografia de cima.

 

3. A Estrutura dos Sólidos Cristalinos

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Capítulo

3 �A Estrutura dos

Sólidos Cristalinos

(a) Fotografia de difração de raios X [ou fotografia

Feixes difratados

Laue (Seção 3.16)] para um monocristal de magnésio.

Feixe incidente

(b) Diagrama esquemático que

Fonte de raios X

Cortesia de J. G. Byrne

Monocristal

ilustra como são produzidos os pontos (isto é, o padrão de difração) em (a). A barreira

Barreira de chumbo

de chumbo bloqueia todos

Chapa fotográfica

os feixes gerados pela fonte

(b)

de raios X, exceto um feixe estreito que se desloca em

(a)

uma única direção. Esse feixe incidente é difratado por planos cristalográficos

Direção [0001]

individuais no monocristal

Plano

(0001)

(que possuem diferentes orientações), o que dá origem aos vários feixes difratados

Plano de

átomos

(0001)

que incidem sobre um filme

© William D. Callister, Jr.

fotográfico. As interseções

 

4. Imperfeições nos Sólidos

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Capítulo

4 Imperfeições nos sólidos

o

(a) Desenho esquemático

s defeitos atômicos

mostrando a localização do con-

são responsáveis pelas

versor catalítico no sistema de

reduções nas emissões de

exaustão de um automóvel.

gases poluentes dos motores dos automóveis atuais.

(a)

Um conversor catalítico é o dispositivo de redução de poluentes, o qual está localizado no sistema de exaustão dos automóveis.

Corpo em

Aço Inoxidável

Emissões pelo Cano de Descarga:

:

Água

Dióxido de Carbono

Nitrogênio

Invólucro de

Isolamento

As moléculas dos gases poluentes ficam presas a defeitos na superfície de materiais metálicos cristalinos

(b) Desenho

no conversor catalítico.

esquemático de um

enquanto presas nesses

conversor catalítico.

sítios, as moléculas sofrem reações químicas que as convertem em outras substâncias não poluentes ou

Substrato

 

5. Difusão

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Capítulo

A

5 D

� ifusão

primeira fotografia nesta página é de uma engrenagem de aço

durecida seletivamente por meio de um tratamento térmico a alta temperatura. Durante esse tratamento térmico o carbono da atmosfera circundante se difundiu para dentro da superfície. A “superfície endurecida” aparece como a borda escura daquele segmento da engrenagem que foi seccionado. Esse aumento no teor de carbono eleva a dureza da superfície (como será explicado na Seção 10.7), o que por sua vez leva a uma melhoria na resistência da engrenagem ao desgaste. Além disso, são introduzidas tensões residuais compressivas na região superficial; essas tensões residuais melhoram a resistência da engrenagem a uma falha por fadiga durante sua operação (Capítulo 8).

Engrenagens de aço com endurecimento superficial são usadas nas transmissões de automóveis, semelhantes à que está mostrada na fotografia diretamente abaixo da engrenagem.

© Brian Kersey/upI/Landov LLC

 

6. Propriedades Mecânicas dos Metais

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Capítulo

6 P

� ropriedades Mecânicas dos Metais

2.000

LRT

(a)

sl

1.000

Tensão (MPa)

Tensão (MPa)

Máquina Universal de Testes Modelo H300KU por Tinius Olsen

2.000

E

1.000

0

0

0,000

0

0,010

Deformação

0,040

0,080

Deformação

A

(b)

figura (a) mostra um aparelho que mede as propriedades me-

cânicas dos metais usando a aplicação de forças de tração (Seções

6.3, 6.5 e 6.6). A figura (b) é um gráfico que foi gerado a partir de um ensaio de tração realizado em um aparelho como esse em uma amostra de aço. Os dados marcados são a tensão (eixo vertical — uma medida da força que é aplicada), tendo em vista a deformação (eixo horizontal — relacionada com o grau de alongamento da amostra). As propriedades mecânicas do módulo de elasticidade (rigidez, E), a resistência ao escoamento (sl) e o limite de resistência à tração (LRT) são determinados, conforme está apresentado no gráfico da figura (b).

 

7. Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência

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Capítulo

7 �Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência

A

fotografia mostrada na figura (b) é de uma lata de bebida, de alumínio, parcialmente

conformada. A micrografia associada na figura (a) representa a aparência da estrutura dos grãos de alumínio — isto é, os grãos são equiaxiais (tendo aproximadamente as mesmas dimensões em todas as direções).

Uma lata de bebida totalmente conformada está mostrada na figura (c). A fabricação dessa lata é feita por meio de uma série de operações de estiramento profundo. Durante essas operações, as paredes da lata são deformadas plasticamente (isto é, são estiradas).

Os grãos de alumínio nessas paredes mudam de forma — isto é, eles se alongam na

(a)

direção do estiramento. A estrutura resultante dos grãos é semelhante à mostrada na micrografia anexa, figura (d). A ampliação das figuras (a) e (d) é de 1503.

(b)

(c)

(As micrografias nas figuras (a) e (d) são de W. G. Moffatt, G. W. Pearsall e J. Wulff, The

 

8. Falha

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Neal Boenzi/New York Times Pictures/Redux Pictures

8 F� alha

© William D. Callister, Jr.

Capítulo

V

(a)

ocê já teve o incômodo de

gastar um esforço considerável para rasgar e abrir uma pequena embalagem plástica contendo amendoins,

(b)

balas ou algum outro confeito?

Provavelmente também notou que quando um pequeno rasgo (ou corte) é feito na aresta, como aparece na fotografia (a), uma força mínima é necessária para rasgar e abrir a embalagem. Esse fenômeno está relacionado com uma das características básicas da mecânica da fratura: uma tensão de tração que esteja sendo aplicada é amplificada na extremidade de um pequeno rasgo ou entalhe.

A fotografia (b) é de um navio-tanque que fraturou de maneira frágil como resultado da propagação de uma trinca ao redor do casco. Essa trinca iniciou como algum tipo de pequeno entalhe ou defeito afilado. Quando o navio-tanque foi submetido a turbulências no mar, as tensões resultantes foram amplificadas na extremidade desse entalhe ou defeito, e uma trinca se formou e rapidamente se propagou, o que ao final levou a uma fratura completa do navio-tanque.

 

9. Diagramas de Fases

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Capítulo

O

9 �Diagramas de Fases

gráfico abaixo é o diagrama de fases para a água pura. Os parâmetros no gráfico são a pressão

externa (eixo vertical, em escala logarítmica) em função da temperatura. Em certo sentido, esse diagrama é um mapa em que são delineadas as regiões para as três fases familiares — sólida (gelo), líquida

(água) e gasosa (vapor). As três curvas representam as fronteiras entre as fases, as quais definem as regiões. Uma fotografia localizada em cada região mostra um exemplo da sua fase — cubos de gelo,

água líquida sendo despejada em um copo, e vapor saindo de uma chaleira. (As fotografias, da esquerda para a direita: © AlexStar/iStockphoto, © Canbalci/iStockphoto, © Ijzendoorn/iStockphoto.)

1000

Pressão (atm)

100

10

Líquido

(Água)

Sólido

(Gelo)

1,0

0,1

Gás

(Vapor d’água)

0,01

0,001

20

0

20

40

60

80

100

 

10. Transformações de Fases: Desenvolvimento da Microestrutura e Alteração das Propriedades Mecânicas

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Capítulo

10 �Transformações de Fases:

Desenvolvimento da

Microestrutura e Alteração das Propriedades Mecânicas

D

ois diagramas de fases pressão-temperatura são mostrados: para H2 O (acima) e para

CO2 (abaixo). Ocorrem transformações de fases quando são cruzadas as fronteiras entre as fases (curvas) nesses gráficos como consequência de uma variação na temperatura e/ou

SuperStock

pressão. Por exemplo, o gelo derrete (transforma-se em água líquida) quando aquecido, o que corres-

Pressão

ponde a cruzar a fronteira entre as fases sólido-líquido, como representado pela seta no diagrama de

Líquido

(Água)

Sólido

(Gelo)

fases para água pura. De maneira semelhante, ao cruzar a fronteira entre as fases sólido-gás do diagrama de fases do CO2, o gelo-seco (CO2 sólido) sublima-se

(transforma-se em CO2 gasoso). Novamente, uma

Gás

(Vapor)

seta delineia essa transformação de fase.

Temperatura

 

11. Aplicações e Processamento de Ligas Metálicas

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11 A

� plicações e Processamento de Ligas Metálicas

© William D. Callister, Jr.

Capítulo

(a)

(a)

(a) A lata de alumínio para bebidas em vários a partir de uma única lâmina de uma liga de alumínio. As operações de produção incluem estiramento, conformação do domo, recorte de aparas, limpeza, decoração e conformação do pescoço e do flange.

(b) Um trabalhador inspecionando um rolo de lâmina de alumínio.

Daniel R. Patmore/© AP/Wide World Photos.

estágios da sua produção. A lata é conformada

(b)

(b)

• 373

11capitulo11.indd 373

09/05/2016 22:46:44

POR QUE ESTUDAR Aplicações e Processamento de Ligas Metálicas?

Com frequência, os engenheiros estão envolvidos em decisões que compreendem a seleção de materiais. Tais decisões exigem que esses profissionais tenham alguma familiaridade com as características gerais de uma ampla variedade de metais e suas ligas (assim como outros tipos de materiais). Além disso, é necessário o acesso a bases de dados contendo os valores das propriedades para um grande número de materiais.

 

12. Estruturas e Propriedades das Cerâmicas

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Capítulo

12 �Estruturas e Propriedades das Cerâmicas

A

Cortesia de Amir C. Akhavan

s ilustrações mostradas apresentam a estrutura do quartzo

(SiO2) a partir de três perspectivas dimensionais diferentes.

As esferas brancas e escuras representam, respectivamente, os

átomos de silício e de oxigênio.

(a) Representação esquemática da unidade estrutural mais básica para o quartzo (assim como para todos os silicatos). Cada átomo de silício está ligado e envolvido por quatro átomos de oxigênio,

(a)

(a)

cujos centros estão localizados nos vértices de um tetraedro.

Cortesia de Amir C. Akhavan

Quimicamente, essa unidade é representada como SiO442 .

(b) Esboço de uma célula unitária do quartzo, a qual é composta por vários tetraedros de SiO442 interconectados.

(b)

(b)

Cortesia de Amir C. Akhavan

(c) Diagrama esquemático mostrando um grande número de tetraedros de SiO442 interconectados.

 

13. Aplicações e Processamento das Cerâmicas

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Capítulo

13 Aplicações e Processamento das Cerâmicas

Quartzo

(a

(a)

Mistura

Adição de água

Conformação

Secagem

Queima

Argila

(b

(b)

Feldspato

(c

(c)

Porcelana

(d

(d)

(e)

(e)

(f)

M

icrografias mostrando partículas de (a) quartzo, (b) argila e (c) feldspato — os principais

constituintes da porcelana. Para produzir um objeto de porcelana, esses três componentes são misturados nas proporções corretas, adiciona-se água, e o objeto é conformado com a forma desejada (ou por fundição em suspensão ou por conformação hidroplástica). Em seguida, a maior parte da água é removida durante uma operação de secagem, e o objeto é queimado a uma temperatura elevada para melhorar sua resistência e gerar outras propriedades desejáveis.

A decoração dessa peça de porcelana é possível pela aplicação de um esmalte sobre sua superfície.

(d) Micrografia eletrônica de varredura de uma porcelana queimada. (e) e (f) Objetos de arte em porcelana queimada e esmaltada.

 

14. Estruturas dos Polímeros

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Capítulo

14 E

� struturas dos Polímeros

(a) Representação esquemática do arranjo das cadeias moleculares para uma região cristalina do polietileno. As esferas de cor preta e de cor cinza representam, respectivamente, os átomos de carbono e hidrogênio.

(a)

(b) Diagrama esquemático de um cristalito com cadeias poliméricas dobradas — uma região cristalina em forma de lâmina na qual as cadeias moleculares (linhas/curvas de cor vermelha) se dobram repetidamente sobre elas

(b)

mesmas; essas dobras ocorrem nas faces do cristalito.

(c) Estrutura de uma esferulita encontrada em alguns polímeros semicristalinos

(esquemático). Os cristalitos com cadeias dobradas irradiam para fora a partir de um centro comum. Regiões de material amorfo separam e conectam esses cristalitos; nessas regiões as cadeias moleculares (curvas de cor vermelha) assumem configurações

(c)

desalinhadas e desordenadas.

(d) Micrografia eletrônica de transmissão mostrando a estrutura esferulítica. Cristalitos lamelares com cadeia dobrada (linhas brancas), com aproximadamente 10 nm de espessura, estendem-se em direções radiais a partir do centro. Ampliação de 12.0003.

 

15. Características, Aplicações e Processamento dos Polímeros

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Capítulo

15 C

� aracterísticas, Aplicações e

Processamento dos Polímeros

A

fotografia (a) mostra bolas de bilhar feitas a partir de fenol-formaldeído (baquelite). O texto

Materiais de Importância que segue a Seção 15.15 discute a invenção do fenol-formaldeído e seu uso, em

© William D. Callister, Jr.

substituição ao marfim, em bolas de bilhar. A fotografia (b) mostra uma mulher jogando bilhar.

© RapidEye/iStockphoto

(a)

(b)

530  •  

15capitulo15.indd 530

04/07/2016 15:58:20

POR QUE ESTUDAR Características, Aplicações e Processamento dos Polímeros?

Existem várias razões pelas quais um engenheiro deve saber algo sobre as características, as aplicações e o processamento dos materiais poliméricos. Os polímeros são usados em uma ampla variedade de aplicações, tais como em materiais de construção e no processamento de microeletrônicos. Dessa forma, a maioria dos engenheiros terá que trabalhar com polímeros em algum ponto de sua carreira. A compreensão dos mecanismos pelos quais os

 

16. Compósitos

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Capítulo

Cortesia de Black Diamond Equipment, Ltd.

16 Compósitos

Lâmina superior. Polímero à base de poliamida que possui uma temperatura de transição vítrea relativamente amente baixa e que resiste r

à formação de lascas.

Invólucro da caixa de torção. torção Compósitos reforçados com fibras as que usam fibras fibr de vidro, o, de aramida ou de carbono.

Uma variedade ariedade de tramas tr de tecidos e de pesos de reforço

é possível para par “ajustar” as características de flexão do esqui.

Núcleo Espuma, laminados verticais de madeira,

Núcleo. laminados de espuma de madeira, madeira, colmeia, e outros materiais. Entre as madeiras comumente usadas inclui-se materiais a madeira madeir de álamo,, o bambu, a balsa e o vidoeiro. para vibrações ações. A borracha é

Material par a absorção de vibr normalmente utilizada.

Camadas de reforço. Compósitos reforçados com fibras as que normalmente usam fibras de vidro. Uma variedade v de tramas amas de tecidos e pesos de reforço r

 

17. Corrosão e Degradação dos Materiais

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Capítulo

17 C

� orrosão e Degradação dos Materiais

(a) Um Ford Sedan Deluxe 1936 que possui uma carroceria feita inteiramente em aço inoxidável não pintado. Seis desses carros foram fabricados para prover um teste definitivo quanto à durabilidade e resistência à corrosão dos aços inoxidáveis.

Cada automóvel rodou centenas de milhares de quilômetros por dia. Embora o acabamento da superfície no aço inoxidável permanecesse essencialmente o mesmo de quando o carro deixou a linha de montagem do fabricante, outros componentes em materiais que não o aço inoxidável, tais como motor, amortecedores, freios, molas, embreagem, transmissão e engrenagens, tiveram que ser substituídos; por exemplo, um

Cortesia de Dan L. Greenfield, Allegheny

Ludlum Corporation, Pittsburgh, PA

carro teve três motores.

(b) Em contraste, um automóvel clássico do mesmo período que o apresentado em (a), que está enferrujando em um campo em Bodie, Califórnia. Sua carroceria é feita em açocarbono comum, que um dia foi pintada. Essa tinta oferecia uma proteção limitada para o aço, que é suscetível à corrosão em ambientes atmosféricos normais.

 

18. Propriedades Elétricas

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18 P

� ropriedades Elétricas

Andrew Syred/Photo Researchers, Inc.

Capítulo

O

funcionamento dos cartões de memória modernos (e

pen drives) usados para armazenar informações digitais depende das propriedades elétricas especiais do silício, um material semicondutor. (A memória flash será discutida na Seção 18.15.)

(a)  Micrografia eletrônica de varredura de um circuito

integrado, o qual é composto por silício e interconexões metálicas. Os componentes do circuito integrado são utilizados

(a)

para armazenar informações em formato digital.

(a)

(b)  Fotografias de três tipos diferentes de cartões de memória.

100 Qm

(c)  Fotografia mostrando uma memória flash sendo inserida em uma câmera digital. Essa memória armazenará imagens

Cortesia da SanDisk Corporation

fotográficas (e em alguns casos, a localização GPS).

© GaryPhoto/iStockphoto

(b)

(c)

(c)

666  •  

18capitulo18.indd 666

 

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