Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais - 5.ed.

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Equilibrando teoria e prática sobre diversos tipos de materiais utilizados em engenharia, o livro conta com explicações textuais concisas, imagens relevantes e didáticas, exemplos detalhados, problemas propostos e abordagem de tópicos extremamente atuais.

17 capítulos

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1. Introdução à Engenharia e Ciência dos Materiais

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Introdução à Engenharia e Ciência dos Materiais

(Cortesia da NASA)

Metas de aprendizagem

Ao final deste capítulo, o aluno será capaz de:

1. Entender a engenharia e ciência dos materiais como uma área do conhecimento científico.

2. Enumerar a classificação básica dos materiais sólidos.

3. Relacionar as características essenciais de cada grupo de materiais.

O Phoenix Mars Lander é o “robô-cientista” por trás da mais recente empreitada científica da Nasa, o Programa de Exploração de Marte. Os dois principais objetivos científicos da missão Phoenix são determinar se de fato nunca houve vida em Marte, e entender o clima marciano. A aeronave é uma obra-prima da engenharia, representando o desejo humano de obter conhecimento. Imaginem os desafios em engenharia e ciência dos materiais ao se projetar uma nave para resistir e operar de maneira eficaz sob uma variedade de condições extremas. Durante o lançamento, por exemplo, a aeronave e seus sensíveis instrumentos são submetidos a cargas colossais; já ao longo da etapa de cruzeiro, a aeronave deve resistir a tempestades solares e ao impacto de micrometeoros; na fase de reentrada, descida e aterrissagem, por sua vez, a temperatura sobe milhares de graus, e a aeronave é sujeita ainda a uma tremenda força de desaceleração quando o paraquedas é aberto; finalmente, durante a operação em Marte, a aeronave deve suportar as temperaturas extremamente baixas do ártico marciano, além das tempestades de areia.

 

2. Estrutura e Ligações Atômicas

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Estrutura e Ligações Atômicas

Ligação cobre-oxigênio na cuprita

Átomo de cobre

(Cortesia da NASA)

Metas de aprendizagem

Ao final deste capítulo, o aluno será capaz de:

1. �Explicar a natureza e a estrutura de um átomo e de sua estrutura eletrônica.

2. �Explicar os vários tipos de ligações primárias incluindo-se ligações iônicas, covalentes e metálicas.

3.  Explicar a ligação covalente do carbono.

Orbitais atômicos representam a probabilidade estatística de que os elétrons ocuparão vários pontos no espaço. Exceto por aqueles localizados na porção mais interior dos átomos, as formas dos orbitais são do tipo não esféricas. Até pouco tempo atrás, era possível somente imaginar a existência e o formato destes, uma vez que não se dispunha de comprovação experimental. Recentemente, os cientistas conseguiram criar uma imagem tridimensional desses orbitais empregando uma combinação de difração de raios X e técnicas de mi-

4. �Explicar os vários tipos de ligações secundárias, bem como distingui-las das ligações primárias.

 

3. Estrutura Cristalina e Amorfa nos Materiais

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Estrutura Cristalina e Amorfa nos Materiais

(a)

(b)

(c)

(d )

((a) © Paul Silverman/Fundamental Photographs.)((b) © The McGraw-Hill Companies, Inc./Doug Sherman, photographer.)((c) e (d) © Dr. Parvinder Sethi.)

Metas de aprendizagem

Ao final deste capítulo, o aluno será capaz de:

1. �Descrever o que são materiais cristalinos e não cristalinos (amorfos).

2. �Saber como os átomos e íons estão arranjados no espaço e identificar a ordenação básica dos sólidos.

3. �Descrever a diferença entre estrutura atômica e estrutura cristalina do material sólido.

4. Distinguir entre estrutura cristalina e sistema cristalino.

5. �Explicar porque os plásticos não podem ser 100% cristalinos na estrutura.

6. Explicar polimorfismo ou alotropia nos materiais.

Os sólidos podem ser classificados em cristalinos e amorfos. Sólidos cristalinos, devido à estrutura ordenada de seus átomos, moléculas ou íons, possuem formas bem definidas. Metais são cristalinos e compostos de cristais ou grãos muito bem definidos, são pequenos e não claramente observáveis, devido à natural opacidade dos metais. Nos minerais, geralmente translúcidos ou transparentes, as estruturas cristalinas são claramente observáveis. As figuras acima mostram a natureza cris-

 

4. Solidificação e Imperfeições Cristalinas

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Solidificação e Imperfeições Cristalinas

(Foto cedida por Stan David and Lynn Boatner, Oak Ridge National Library.)

Metas de aprendizagem

Ao final deste capítulo, o aluno será capaz de:

1. Descrever o processo de solidificação dos metais, a diferença entre os dois tipos de nucleação: homogênea e heterogênea.

2. Descrever as duas formas de energia envolvidas no processo de solidificação de um metal puro, e escrever a equação de variação da energia livre total associada à transformação de fases do estado líquido para o núcleo sólido.

3. Distinguir entre os grãos equiaxiais e colunares, bem como as vantagens de um sobre o outro.

4. Distinguir entre monocristais e materiais policristalinos e explicar as razões das diferenças entre suas propriedades mecânicas.

5. Descrever os diversos tipos de soluções sólidas metálicas e explicar as diferenças entre a solução sólida e ligas compostas ou misturas.

6. Classificar os vários tipos de imperfeições cristalinas, e explicar o papel dos defeitos sobre as propriedades mecânicas e elétricas de materiais cristalinos.

 

5. Processos Termicamente Ativados e Difusão em Sólidos

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c ap í t u l o 5

Processos Termicamente Ativados e Difusão em Sólidos

(“Engineered Materials Handbook vol. 4: Ceramics and Glasses”, American Society for Metals, p. 525. ISBN 0-87170-282-7.

Reproduzido com permissão da ASM Internacional. Todos os direitos reservados www.asminternational.org.)

Metas de aprendizagem

Ao final deste capítulo, o aluno será capaz de:

1. Descrever os processos cinéticos em sólidos que envolvem o movimento dos átomos em estado sólido baseado nas relações de Boltzmann. Explicar o conceito de energia de ativação, E*, e determinar a fração de átomos ou moléculas com energia maior que E* a uma dada temperatura.

Componentes de motores de automóveis são muitas vezes feitos a partir de uma combinação de metais e cerâmicas.

Isso ocorre devido ao fato de que os metais apresentam alta resistência e ductilidade, ao passo que as cerâmicas oferecem resistência em altas temperaturas, estabilidade química e baixo desgaste. Em muitas situações, é necessário reunir uma fina camada de cerâmica a uma peça metálica para elevar o desempenho na aplicação desejada. A camada de

 

6. Propriedades Mecânicas dos Metais I

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Propriedades Mecânicas dos Metais I

(a)

(Getyy/RG.)

(b)

(Getyy/RG.)

Metas de aprendizagem

Ao final deste capítulo, o aluno será capaz de:

1. Descrever as operações de conformação que são mais comumente utilizadas para conferir formatos funcionais aos metais. Diferenciar entre produtos trabalhados e fundidos. Diferenciar também os processos a quente e a frio de conformação.

2. Explicar a definição real de tensão e de deformação em engenharia.

3. Explicar as diferenças entre deformação elástica e plástica em escalas atômicas, micro e macro.

4. Explicar as diferenças e interações entre tensão e deformação.

5. Explicar o que é um ensaio de tensão e deformação

(ou ensaio de tração), quais os tipos de máquinas são utilizadas para executar os ensaios, e quais informações a respeito das propriedades podem ser extraídas destes ensaios.

6. Definir dureza e explicar como é medida. Descrever as várias escalas de dureza disponíveis.

7. Descrever a deformação plástica de um monocristal a nível atômico. Descrever o conceito de deslizamento, de discordâncias, e maclas, bem como a importância destes na deformação plástica de um monocristal.

 

7. Propriedades Mecânicas dos Metais II

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Propriedades Mecânicas dos Metais II

15KU

X1.000

10nm

010713

(Cortesia de Stan David and Lynn Boatner, Oak Ridge National Library.)

Metas de aprendizagem

Ao final deste capítulo, o aluno será capaz de:

1. Descrever o processo de fratura de metais e diferenciar entre fratura dúctil e frágil.

2. Descrever a transição de dúctil para frágil que pode ocorrer com os metais e quais tipos de metais são mais suscetíveis a esse tipo de transição.

3. Definir a tenacidade à fratura de um material e explicar o porquê de ser utilizada em projetos de engenharia ao invés da tenacidade.

4. Definir o carregamento em fadiga e falha de materiais, descrever os parâmetros que são utilizados para

Em 12 de abril de 1912, às 11h40min, o Titanic, em sua viagem inaugural, atingiu um grande iceberg, danificando seu casco e provocando a ruptura de seus seis compartimentos localizados na parte da frente. A temperatura da água do mar, no momento do acidente, era de –2 °C.

A inundação que se seguiu nos compartimentos resultou na fratura completa do casco com a trágica perda de mais de 1.500 vidas.

 

8. Diagramas de Fase

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Diagramas de Fase

(W.M. Rainforth, “Opportunities and pitfalls in characterization of nanoscale features”, Materials Science and Technology, vol. 16 (2000) 1349-1355.)

Metas de aprendizagem

Ao final deste capítulo, o aluno será capaz de:

1. Descrever equilíbrio, fase e graus de liberdade para um sistema de materiais.

2. Descrever a aplicação da regra de Gibbs para este mesmo sistema .

3. Descrever curvas de resfriamento, diagramas de fases e o tipo de informações que deles podem ser obtidas.

4. Descrever um diagrama de fases de um sistema binário isomorfo e desenhar e/ou esboçar um diagrama genérico mostrando todas as regiões de fases, bem como as informações relevantes.

5. Ser capaz de aplicar uma linha de amarração e a regra da alavanca em diagramas de fase para determinar a composição das fases e a fração de uma mistura.

O endurecimento por precipitação ou por envelhecimento é obtido através de um tratamento térmico que é usado para produzir uma fase dura uniformemente distribuidas em uma matriz dúctil. As fases precipitadas interferem no movimento das discordâncias e o resultado disso é o aumento da resistência mecânica da liga. A figura de abertura do capítulo é uma imagem de alta resolução por

 

9. Ligas de Engenharia

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Ligas de Engenharia

(© Transmissão de potência Textron.)

Metas de aprendizagem

Ao final deste capítulo, o aluno será capaz de:

1. Descrever siderurgia e tratamento de componentes de aço, diferenciar entre o aço-carbono, aço ligado, ferro fundido e aço inoxidável.

2. Reconstruir o diagrama de fases ferro-carbono, indicando todas as fases essenciais, reações e microestruturas.

3. Descrever o que seriam perlita e martensita, bem como as diferenças entre suas propriedades mecânicas, suas disparidades microestruturais e como são produzidas.

4. Definir transformação isotérmica e transformação por resfriamento contínuo.

Uma variedade de ligas metálicas, do aço ao carbono, aços-liga, aços inoxidáveis, ferro fundido e ligas de cobre são utilizados na fabricação de diversas engrenagens.

Por exemplo, os aços ao cromo são utilizados para engrenagens de transmissão de automóveis, aços ao cromo-molibdênio para engrenagens de aeronaves com turbina a gás, aços ao níquel-molibdênio para equipamentos de terraplanagem e algumas ligas de cobre são usadas para fabricar engrenagens para aplicações com baixos níveis de carga. A escolha do metal da engrenagem e sua fabricação dependem do tamanho, esforços envolvidos, pré-requisitos de energia e do ambiente em que irá operar.

 

10. Materiais Poliméricos

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Materiais Poliméricos

(© Shaun Botterill Getty.)

(© Science Photo Library/Photo Researchers, Inc.)

(© Eye of Science/Photo Researches Inc.)

Metas de aprendizagem

Ao final deste capítulo, o aluno será capaz de:

1. Definir e classificar os polímeros, incluindo os termofixos, termoplásticos, e os elastômeros.

2. Descrever várias reações de polimerização e as suas etapas.

3. Descrever termos tais como funcionalidade, vinil, vinilideno, homopolímero e copolímero.

4. Descrever vários métodos industriais de polimerização.

5. Descrever a estrutura dos polímeros e compará-los com os metais.

6. Descrever a temperatura de transição e as devidas mudanças para a estrutura e propriedades dos materiais poliméricos em torno dessa temperatura.

Microfibras são fibras produzidas pelo homem e são significativamente menores do que o cabelo humano

(mais finas do que fibras de seda) e dividido várias vezes em forma de v (veja a figura central acima). Fibras convencionais podem ser produzidas a partir de uma variedade de polímeros, incluindo poliéster, nylon e acrílico.

 

11. Cerâmica

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Cerâmica

(Cortesia de Kennamental)

Metas de aprendizagem

Ao final deste capítulo, o aluno será capaz de:

1. Definir e classificar materiais cerâmicos, incluindo as cerâmicas tradicionais e as de engenharia.

2. Descrever várias estruturas cristalinas cerâmicas.

3. Descrever o carbono e seus alótropos.

4. Descrever vários métodos de processamento para as cerâmicas.

5. Descrever as propriedades mecânicas das cerâmicas e seus correspondentes mecanismos

Devido a características desejáveis, como elevada dureza, resistência ao desgaste, estabilidade química, resistência a alta temperatura e baixo coeficiente de expansão térmica, as cerâmicas avançadas vêm sendo selecionadas como os materiais preferidos para muitas aplicações. As principais aplicações encontram-se em processamento mineral, retentores, válvulas, trocadores de calor, matrizes de conformação metálica, motores adiabáticos a diesel, turbinas a gás, produtos médicos e ferramentas de corte.

As ferramentas de corte cerâmicas possuem diversas vantagens quando comparadas às metálicas, incluindo estabilidade química, maior resistência ao desgaste,

 

12. Materiais Compósitos

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Materiais Compósitos

(Foto cedida por Stan David and Lynn Boatner, Oak Ridge National Library.)

Metas de aprendizagem

Ao final deste capítulo, o aluno será capaz de:

1. �Definir um material compósito, os componentes principais e as várias classificações.

2. �Descrever a função do material particulado (fibra) e da matriz (resina) e o nome das várias formas de cada um.

3. �Definir um compósito laminado multidirecionalmente e suas vantagens em relação aos compósitos laminados unidirecionalmente.

4. �Descrever como seriam estimadas as propriedades do material compósito reforçado com fibra baseado nas propriedades dos materiais e na fração em volume de ambos os constituintes: matriz e fibra.

Compósitos carbono-carbono têm uma combinação de propriedades que os tornam excepcionalmente superiores para trabalharem em temperaturas tão elevadas quanto

2.800 ºC. Por exemplo, compósitos de carbono-carbono da superfície tratada apresentam um alto módulo unidirecional, [55% (em volume) de fibra], têm um módulo de elasticidade de 180 GPa à temperatura ambiente e de 175 GPa

 

13. Corrosão

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Corrosão

(© AP/Wide World Photos.)

Metas de aprendizagem

Ao final deste capítulo, o aluno será capaz de:

1. Definir corrosão e as reações eletroquímicas correspondentes associadas.

2. Classificar a reatividade (cátodo versus ânodo) de alguns metais puros baseada no potencial padrão.

3. Definir uma pilha galvânica, seus elementos importantes, o papel do eletrólito, e várias circunstâncias nas quais uma pilha galvânica é criada na vida real.

Em 28 de abril de 1988, um Boeing 737 da Aloha Airline perdeu uma grande parte de uma fuselagem durante um voo a 24.000 pés1. O piloto conseguiu pousar com sucesso sem outros danos catastróficos à estrutura do avião. Os painéis da fuselagem que estavam unidos ao

1http://www.aloha.net/~icarus/

2http://www.corrosion-doctors.org

4. Explicar os aspectos básicos da cinemática da corrosão e definir polarização, passivarão e as séries galvânicas.

5. Definir vários tipos de corrosão e as circunstâncias nas quais esta ocorre no dia a dia.

6. Definir oxidação e como ela pode proteger os metais.

 

14. Propriedades Elétricas dos Materiais

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Propriedades Elétricas dos Materiais

(© Peidong Yang/UC Berkeley.)

Metas de aprendizagem

Ao final deste capítulo, o aluno será capaz de:

1. Definir condutividade, semicondutividade e propriedades isolantes de materiais, bem como classificar, de maneira geral, cada classe de materiais (isto é, metais, cerâmicas, polímeros) em função de suas propriedades elétricas.

2. Explicar os conceitos de condutividade elétrica, resistividade, velocidade de deriva e caminho livre médio em metais, bem como descrever o efeito da temperatura crescente ou decrescente sobre cada um destes parâmetros.

3. Descrever o modelo de bandas de energia e definir propriedades elétricas de metais, polímeros, cerâmicas e materiais eletrônicos com base neste modelo.

4. Definir semicondutores intrínsecos e extrínsecos e descrever como cargas elétricas são transportadas nestes materiais.

5. Definir semicondutores do tipo n e do tipo p e explicar o efeito da temperatura sobre o seu comportamento elétrico.

6. Citar o maior número possível de dispositivos semicondutores (ou seja, LEDs, retificadores, transistores) e, em cada caso, explicar como funciona o dispositivo.

 

15. Propriedades Ópticas e Materiais Supercondutores

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Propriedades Ópticas e Materiais Supercondutores

(Cortesia de Crystal Fibre A/S.)

Metas de aprendizagem

Ao final deste capítulo, o aluno será capaz de:

1. Explicar quais fenômenos podem ocorrer com a radiação luminosa quando ela passa de um meio a outro.

2. Explicar por que os materiais metálicos são opacos à luz visível.

3. Explicar o que determina a cor dos materiais metálicos.

4. Descrever brevemente o fenômeno de supercondutividade.

5. Explicar por que materiais amorfos são normalmente transparentes.

Uma fibra de cristal fotônico é estruturalmente semelhante a um cristal normal, exceto pelo fato de que o padrão repetitivo existe em uma escala muito maior (escala de micra) e somente na direção transversal ao comprimento da fibra. A fibra é fabricada empilhando-se uma série de tubos de vidro de sílica para formar um cilindro.

O cilindro é então trefilado a temperaturas elevadas até adquirir o formato de uma fina fibra com diâmetro da ordem de algumas dezenas de micra. Após o processo de manufatura, a fibra terá o aspecto de um favo de mel. Devido à sua estrutura, a luz conduzida no interior das fibras

 

16. Propriedades Magnéticas

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Propriedades Magnéticas

(a)

(b)

(c)

(Cortesia de Zimmer, Inc.)

Metas de aprendizagem

Ao final deste capítulo, o aluno será capaz de:

1. Descrever brevemente as duas fontes de momento magnético nos materiais.

2. Explicar a histerese magnética para um material.

3. Dar as diferentes características magnéticas de materiais magnéticos duros e moles.

4. Explicar como o aumento da temperatura afeta o alinhamento dos dipolos magnéticos nos materiais ferromagnéticos.

A técnica de obtenção de imagens por ressonância magnética (RM) é usada para realizar imagens de alta resolução do interior do corpo humano. Ela permite a médicos e pesquisadores investigar com segurança doenças do coração, cérebro, coluna vertebral e outros órgãos do corpo humano. As imagens geradas por RM se devem principalmente à existência no corpo humano de gordura e moléculas de água, constituídas em grande parte de hidrogênio. Em poucas palavras, o hidrogênio produz um sinal magnético de baixa intensidade que é detectado pelo instrumento e usado para o mapeamento do tecido.

 

17. Materiais Biológicos e Biomateriais

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Materiais Biológicos e Biomateriais

(R.A. Poggie, T.R. Turgeon, and R.D. Coutts, “Failure analysis of a ceramic bearing acetabular component”. J. Bone Joint Surgery, 89:367-375, 2007 and www.zimmer.com)

Metas de aprendizagem

Ao final deste capítulo, o aluno será capaz de:

1. Definir e classificar os materiais biológicos e biomateriais.

2. Descrever a microestrutura e as propriedades mecânicas dos materiais biológicos, incluindo ossos e ligamentos.

3. Entender como materiais biológicos são diferentes de biomateriais.

4. Descrever as características dos diversos biomateriais disponíveis para aplicações biomédicas.

Uma variedade de biomateriais é utilizada para substituir uma peça (parte) ou superfície de nossas articulações. Uma integração bem-sucedida destes implantes em nossas articulações necessita de forte ligação entre a superfície do implante e o osso. Superfícies de implantes são muitas vezes revestidas com materiais porosos, tais como cerâmica, para permitir que o osso trabecular cresça na superfície, permitindo uma ligação estável. No entanto, tais revestimentos têm baixa porosidade em relação ao osso e características de baixo atrito, resultando em pouca estabilidade inicial. Novos biomateriais estru-

 

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