Fundamentos da moderna engenharia e ciência dos materiais

Autor(es): James A. Newell
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Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais tem um enfoque moderno, destacando dentro de cada capítulo pontos nos quais aspectos tanto de preservação do meio ambiente quanto de reciclagem devam ser levados em consideração na hora de se projetar ou especificar um material.  Aplicações avançadas de materiais, como na área biomédica, e materiais de desenvolvimento recente, tais como os nanotubos de carbono e os fulerenos, também são abordados, de forma a mostrar ao estudante as novas direções, tendências e perspectivas no desenvolvimento da área de materiais e a importância dessa área no progresso da sociedade moderna. A obra é direcionada a um curso introdutório de materiais; assim, não se encontrarão aqui equações diferenciais, teoria de percolação, mecânica quântica, termodinâmica estatística ou outro tópico mais avançado. Em vez disso, o autor mantém o foco em operações e métodos simplificados para que o estudante possa fixar o conteúdo de maneira a usá-lo em desenvolvimentos mais complexos. Sua organização e a sequência dos capítulos permitem ao estudante compreender as relações entre as propriedades e a microestrutura dos materiais, bem como visualizar as implicações dessas relações sobre as aplicações práticas dos diversos tipos de materiais. Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais é um título que se insere como biografia obrigatória nos melhores cursos de Engenharia do país.

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11 capítulos

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1. Introdução

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1

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Introdução

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S U M Á R I O

Por que Estudar Ciência dos Materiais?

1.1

Revisão de Ciência dos Materiais

Que Questões Impactam a Seleção e o Projeto de Materiais?

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

Considerações sobre as Propriedades para Aplicações Específicas

O Impacto das Ligações nas Propriedades dos Materiais

Mudanças das Propriedades com o Tempo

Impacto dos Aspectos Econômicos sobre a Tomada de Decisões

Sustentabilidade e Engenharia Verde

Que Escolhas Estão Disponíveis?

1.7

Classes de Materiais

Objetivos do Aprendizado

Ao final deste capítulo, um estudante deve ser capaz de:

• Explicar por que se deve estudar ciência dos materiais.

• Avaliar as propriedades desejadas para aplicações específicas.

• Explicar o emprego e as limitações de avaliações heurísticas, tais como os diagramas de Ashby.

• Descrever o papel dos aspectos econômicos na seleção de materiais.

 

2. Estrutura dos Materiais

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2

Photodisk/

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Estrutura dos Materiais

S U M Á R I O

Como os Átomos Estão Arrumados nos Materiais?

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

Introdução

Níveis de Ordenação

Parâmetros da Rede e Fatores de Empacotamento Atômico

Cálculo das Massas Específicas

Planos Cristalográficos

Índices de Miller

Como os Cristais São Medidos?

2.7

2.8

Difração de Raios X

Microscopia

Como os Cristais se Formam e Crescem?

2.9

Nucleação e Crescimento de Grão

Que Tipos de Defeitos Estão Presentes nos Cristais e o que Eles Afetam?

2.10

2.11

2.12

2.13

Defeitos Pontuais

Discordâncias

Deslizamento

Escalagem de Discordâncias

Que Novos Desenvolvimentos Estão Acontecendo com os Cristais e as

Estruturas Cristalinas?

2.14

Monocristais e Nanocristais

Objetivos do Aprendizado

Ao final deste capítulo, um estudante deve ser capaz de:

 

3. Medição das Propriedades Mecânicas

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Medição das

Propriedades Mecânicas

AP/Wide World Photos

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S U M Á R I O

Como se Pode Saber Como Medir as Propriedades Mecânicas?

3.1

Normas ASTM

Quais Propriedades Podem Ser Medidas e o que Elas Significam?

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

Ensaio de Tração

Ensaio de Compressão

Ensaio de Flexão

Ensaio de Dureza

Ensaio de Fluência

Ensaio de Impacto

O Mesmo Resultado É Obtido Toda Vez que se Fizer um Determinado Ensaio?

3.8

Erro e Reprodutibilidade na Medição

Por que os Materiais Falham sob Tensão?

3.9

Mecânica da Fratura

Como as Propriedades Mecânicas Mudam com o Tempo?

3.10

3.11

Ensaio de Fadiga

Análises de Envelhecimento Acelerado

Objetivos do Aprendizado

Ao final deste capítulo, um estudante deve ser capaz de:

• Saber como encontrar e como ler uma norma ASTM para um determinado ensaio.

 

4. Metais

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Metais

Digital Vision

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S U M Á R I O

Como os Metais São Trabalhados?

4.1

Operações de Conformação

Que Vantagens as Ligas Oferecem?

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

4.7

Ligas e Diagramas de Fase

Aço-Carbono

Transições de Fase

Endurecimento por Envelhecimento (Endurecimento por Precipitação)

Cobre e Suas Ligas

Alumínio e Suas Ligas

Que Limitações Têm os Metais?

4.8

Corrosão

O que Acontece com os Metais após Suas Vidas Comerciais?

4.9

Reciclagem de Metais

Objetivos do Aprendizado

Ao final deste capítulo, um estudante deve ser capaz de:

• Explicar as quatro principais operações de forjamento.

• Explicar porque acontece o endurecimento por deformação, descrever sua influência sobre as propriedades e calcular a porcentagem de trabalho a frio.

• Explicar as alterações que ocorrem em um metal endurecido por deformação durante as três etapas do recozimento: recuperação, recristalização e crescimento de grão.

 

5. Polímeros

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Corbis /

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Polímeros

S U M Á R I O

O que São Polímeros?

5.1

5.2

Terminologia dos Polímeros

Tipos de Polímeros

Como São Formadas as Cadeias Poliméricas?

5.3

5.4

5.5

Polimerização de Adição

Polimerização de Condensação

Importância das Distribuições do Peso Molecular

O que Influencia as Propriedades dos Polímeros?

5.6

5.7

5.8

5.9

Constituição

Configuração

Conformação

Aditivos

Como os Polímeros São Processados em Produtos Comerciais?

5.10

Processamento de Polímeros

O que Acontece Quando os Polímeros São Descartados?

5.11

Reciclagem de Polímeros

Objetivos do Aprendizado

Ao final deste capítulo, um estudante deve ser capaz de:

• Explicar a terminologia básica dos polímeros, incluindo monômero, oligômero, copolímero, unidade estrutural e grau de polimerização.

• Identificar as características dos polímeros termoplásticos e termorrígidos.

 

6. Cerâmicas e Materiais à Base de Carbono

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Cerâmicas e Materiais à

Base de Carbono

PhotoAlto /

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S U M Á R I O

O que São Materiais Cerâmicos?

6.1

Estruturas Cristalinas em Cerâmicas

Quais São os Usos Industriais das Cerâmicas?

6.2

6.3

6.4

6.5

6.6

6.7

6.8

Abrasivos

Vidros

Cimentos

Refratários

Argilas Estruturais

Louças Brancas

Cerâmicas Avançadas

O que Acontece com os Materiais Cerâmicos ao Final de Suas Vidas Úteis?

6.9

Reciclagem dos Materiais Cerâmicos

O Grafite É um Polímero ou uma Cerâmica?

6.10

Grafite

Outros Materiais à Base de Carbono Apresentam Propriedades Incomuns?

6.11

6.12

6.13

Diamante

Fibras de Carbono

Fulerenos e Nanotubos de Carbono

Objetivos do Aprendizado

Ao final deste capítulo, um estudante deve ser capaz de:

• Definir um material cerâmico e identificar características físicas e mecânicas comuns às cerâmicas.

 

7. Compósitos

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Compósitos

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SUPERSTOCK

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S U M Á R I O

O que São Materiais Compósitos e como Eles São Fabricados?

7.1

7.2

7.3

7.4

As Classes dos Compósitos

Compósitos Reforçados por Fibras

Compósitos Particulados

Compósitos Laminados

O que Acontece com Compósitos Obsoletos?

7.5

Reciclagem de Materiais Compósitos

Objetivos do Aprendizado

Ao final deste capítulo, um estudante deve ser capaz de:

• Identificar as características relevantes entre compósitos reforçados por fibras, particulados e laminados.

• Distinguir entre um compósito e uma liga.

• Comparar e diferenciar os papéis da fibra e da matriz em compósitos reforçados por fibras.

• Explicar a importância da qualidade da ligação entre a fibra e a matriz.

• Estimar a densidade, a condutividade elétrica, a condutividade térmica, o limite de resistência e o módulo elástico de um compósito se as frações volumétricas dos materiais que o compõem (incluindo os poros) foram conhecidas.

 

8. Materiais Ópticos e Eletrônicos

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Materiais Ópticos e

Eletrônicos

GlowImages /

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S U M Á R I O

Como os Elétrons Fluem nos Metais?

8.1

8.2

Condutividade nos Metais

Resistividade Elétrica

O que Acontece Quando Não Existem Elétrons Livres?

8.3

8.4

8.5

Isolantes

Semicondução Intrínseca

Semicondução Extrínseca

Como Operam os Dispositivos Eletrônicos?

8.6

8.7

8.8

8.9

Diodos

Transistores

Circuitos Integrados

Comportamento Dielétrico e Capacitores

Que Outros Comportamentos Elétricos Alguns Materiais Apresentam?

8.10

Materiais Ferroelétricos e Piezelétricos

O que São as Propriedades Ópticas e Por que Elas Têm Importância?

8.11

8.12

Propriedades Ópticas

Aplicação dos Materiais Ópticos

Objetivos do Aprendizado

Ao final deste capítulo, um estudante deve ser capaz de:

 

9. Biomateriais e Materiais Biológicos

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Biomateriais e

Materiais Biológicos

Robert W. Grinn/

PhotoEdit

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5/29/10 23:48:27

S U M Á R I O

Que Tipos de Materiais Interagem com Sistemas Biológicos?

9.1

Biomateriais, Materiais Biológicos e Biocompatibilidade

Quais Materiais Biológicos Dão Sustentação Estrutural e Quais Biomateriais

Interagem com Eles ou os Substituem?

9.2

Materiais Biológicos Estruturais e Biomateriais

Quais Biomateriais Têm uma Função Não Estrutural no Corpo?

9.3

Biomateriais Funcionais

Que Questões Éticas São Particulares aos Biomateriais?

9.4

Ética e Biomateriais

Objetivos do Aprendizado

Ao final deste capítulo, um estudante deve ser capaz de:

• Explicar com suas próprias palavras as diferenças entre biomateriais, materiais biológicos, materiais baseados em sistemas vivos e materiais biomiméticos.

• Distinguir entre biomateriais funcionais e estruturais.

 

Apêndices

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Apêndice A

Principais Produtores de

Metais e Polímeros

Tabela A-1  Principais Produtores de Alumínio nos Estados Unidos

Companhia

Estado

Principais Produtos

Alcoa, Inc.

Pensilvânia

Lingotes, alumina, embalagens, produtos para construção

Alcan, Inc.

Montreal

Bauxita e alumina, metal primário, produtos acabados e embalagens

Century Aluminum

Company

Califórnia

Alumínio fundido, lingotes, tarugos e sucata

Columbia Falls

Aluminum

Company

Montana

Alumínio e minério de alumínio refinado

Noranda

Aluminum, Inc.

Missouri

Barras de alumínio, tarugos, lingotes de fundição e sucata primária

Ormet Corporation

Ohio

Folhas de alumínio, tarugos, alumina refinada

Página na Rede

Tabela A-2  Os 10 Maiores Produtores Mundiais de Ouro

Posição

Companhia

País

Produção de Ouro em

2007

(milhares de onças)

 

Glossário

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G L O S S Á R I O

A

Abrasivos  Materiais usados para desgastar outros materiais.

Aceleradores  Catalisadores de hidratação, que aceleram a taxa de hidratação no cimento Portland.

Aço-carbono  Liga comum formada de átomos intersticiais de carbono em uma matriz de ferro.

Aço Hipereutetoide  Solução sólida ferro-carbono com mais de 0,76% em peso de carbono.

Aço Hipoeutetoide  Solução sólida ferro-carbono com menos de 0,76% em peso de carbono.

Aços Ferramentas  Soluções sólidas ferro-carbono com alto teor de carbono, o que resulta em altas dureza e resistência à abrasão.

Aços Inoxidáveis  Soluções sólidas ferro-carbono com pelo menos 12% de cromo.

Aços Inoxidáveis Austeníticos  Soluções sólidas ferro-carbono com pelo menos 12% de cromo e contendo pelo menos 7% de níquel.

Aços Inoxidáveis Ferríticos  Soluções sólidas ferro-carbono com pelo menos 12% de cromo e que não contêm níquel.

Aços Inoxidáveis Martensíticos  Soluções sólidas ferrocarbono com 12% a 17% de cromo, que podem sofrer transformação martensítica.

 

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