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14/05/14

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entre a estrutura, o processamento e as propriedades dos materiais – tema central na moderna Ciência dos Materiais. Esta nova edição traz um texto atualizado com as mais recentes pesquisas e aplicações. Foram acrescentados tópicos,

Donald R. Askeland • Wendelin J. Wright

E

sta obra apresenta um sólido entendimento das correlações

Outras Obras Engenharia de infraestrutura de transportes: uma integração multimodal Lester A. Hoel, Nicholas J. Garber e Adel W. Sadek Fundamentos da engenharia aeronáutica Luiz Eduardo Miranda José Rodrigues

como alótropos de carbono, descrições cristalográficas aprimoradas, volume e comportamento mecânico em pequenas escalas de comprimento. Além disso, há um novo capítulo com um estudo sobre a corrosão eletroquímica e novos problemas, incluindo aqueles que requerem o uso do computador para sua resolução. Ciência e engenharia dos materiais apresenta uma completa e abrangente cobertura de todas as áreas da ciência dos materiais. Aplicações: Livro-texto para as disciplinas engenharia de materiais e introdução

Imagem da capa: Ellagrin/Shutterstock

à ciência dos materiais para diversos cursos de graduação em Engenharia.

Trilha é uma solução digital, com plataforma de acesso em português, que disponibiliza ferramentas multimídia para uma nova estratégia de ensino e aprendizagem.

ISBN-13: 978-85-221-1285-2 ISBN-10: 85-221-1285-1

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9 788522 112852

Ciência e engenharia dos materiais

nanoindentação, propriedades mecânicas de vidros metálicos de grande

Ciência e engenharia dos materiais Tradução da 3ª edição norte-americana

Donald R. Askeland Wendelin J. Wright

Fundamentos de engenharia geotécnica Tradução da 7ª edição norte-americana Braja M. Das


Ciência e Engenharia dos Materiais Tradução da 3a edição norte-americana

Donald R. Askeland Professor emérito, University of Missouri – Rolla

Wendelin J. Wright Bucknell University

Elaboração da Versão SI D. K. Bhattacharya Solid State Physics Laboratories New Delhi

Tradução Solange Aparecida Visconti

Revisão Técnica Daniel Rodrigo Leiva Professor Adjunto do Departamento de Engenharia de Materiais da Universidade Federal de São Carlos

Austrália

Brasil

Japão

Coreia

México

Cingapura

Espanha

Reino Unido

Estados Unidos


Para Mary Sue e Tyler — Donald R. Askeland Para Cole e Cooper Bravman, que fazem minha vida brilhar — Wendelin J. Wright


Sobre os autores

Donald R. Askeland é professor emérito de Engenharia Metalúrgica na University of Missouri-Rolla (UMR). Obteve seus títulos acadêmicos na Thayer School of Engineering do Dartmouth College e na University of Michigan antes de iniciar como docente na University of Missouri-Rolla em 1970. Ministrou disciplinas de engenharia de materiais e de produção a estudantes de diferentes habilitações. Recebeu diversos prêmios por excelência em ensino e consultoria na UMR. Atuou ainda como professor titular na Foundry Educational Foundation e recebeu vários prêmios por seus serviços a essa organização. Suas atividades de ensino e pesquisa foram orientadas principalmente à fundição e união de metais, em particular pelo processo que utiliza modelo de espuma polimérica, e resultaram em mais de 50 publicações e diversos prêmios da American Foundry Society por seus serviços e trabalhos publicados.

Wendelin Wright é professora associada na Bucknell University, participando conjuntamente nos departamentos de Engenharia Mecânica e Engenharia Química. Obteve seu bacharelado, mestrado e doutorado, em 2003, em Ciência e Engenharia de Materiais na Stanford University. Após a graduação, concluiu seu período de pós-doutorado no Lawrence Livermore National Laboratory, na Divisão de Produção e Materiais de Engenharia e, então, retornou para Stanford como professora assistente, em 2005. Em 2006, passou a trabalhar na Santa Clara University como professora assistente elegível para a posição efetiva e assumiu seu cargo na Bucknell no inverno de 2010. Os interesses em pesquisa da professora Wright têm como foco o comportamento mecânico de materiais, particularmente, de vidros metálicos. Recebeu o prêmio Walter J. Gores, em 2003, por sua Excelência em Ensino, prêmio que, na Stanford University, é a mais elevada honra referente a cargos letivos; o prêmio Presidential Early Career, em 2005, para Cientistas e Engenheiros; e em 2010, foi consagrada com o prêmio National Science Foundation Career. Wright é engenheira profissional licenciada em Metalurgia, na Califórnia.

vii


Sumário Prefácio ................................................................................................................................................ xv Prefácio à edição em SI .........................................................................................................................xvii Capítulo 1 Introdução à ciência e à engenharia dos materiais 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6

O que é ciência e engenharia de materiais? ........................................................................ 2 Classificação dos materiais ............................................................................................... 4 Classificação funcional dos materiais ................................................................................. 7 Classificação dos materiais com base na estrutura ............................................................... 9 Efeitos ambientais e outros efeitos ..................................................................................... 10 Projeto e seleção de materiais ......................................................................................... 11

Resumo 12

Glossário 13

Capítulo 2 Estrutura atômica 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7

Problemas 14

17

Estrutura de materiais: relevância tecnológica ..................................................................... Estrutura do átomo ........................................................................................................ Estrutura eletrônica do átomo .......................................................................................... A tabela periódica ....................................................................................................... Ligações atômicas ........................................................................................................ Energia de ligação e distância interatômica ....................................................................... As muitas formas do carbono: relações entre arranjos de átomos e propriedades materiais ...........

Resumo 40

Glossário 40

Capítulo 3 Arranjos atômicos e iônicos 3-1 3-2 3-3 3-4

1

18 20 21 24 27 33 36

Problemas 42

45

Ordem de curto alcance versus ordem de longo alcance ...................................................... Materiais amorfos ......................................................................................................... Redes, células unitárias, bases e estruturas cristalinas ........................................................... Transformações alotrópicas e polimórficas .........................................................................

ix

46 48 48 61


3-5 3-6 3-7 3-8 3-9

Pontos, direções e planos na célula unitária ....................................................................... Interstícios ................................................................................................................... Estrutura cristalina dos materiais iônicos ............................................................................. Estruturas covalentes ..................................................................................................... Técnicas de difração para a análise de estruturas cristalinas .................................................

Resumo 84

Glossário 85

Problemas 86

Capítulo 4 Imperfeições nos arranjos atômicos e iônicos 4-1 4-2 4-3 4-4 4-5 4-6 4-7 4-8

61 70 71 78 80

91

Defeitos pontuais .......................................................................................................... 92 Outros defeitos pontuais ................................................................................................ 97 Discordâncias .............................................................................................................. 99 Importância das discordâncias ...................................................................................... 105 Lei de Schmid ............................................................................................................ 106 Influência da estrutura cristalina ..................................................................................... 108 Defeitos superficiais .................................................................................................... 110 Importância dos defeitos .............................................................................................. 114

Resumo 116

Glossário 117

Problemas 118

Capítulo 5 Movimentos de átomos e íons materiais 5-1 5-2 5-3 5-4 5-5 5-6 5-7 5-8

123

Aplicações da difusão ................................................................................................. Estabilidade de átomos e íons ....................................................................................... Mecanismos de difusão ............................................................................................... Energia de ativação para a difusão ............................................................................... Taxa de difusão (primeira lei de Fick) ............................................................................. Fatores que afetam a difusão ........................................................................................ Permeabilidade dos polímeros ...................................................................................... Perfil de composição (segunda lei de Fick) ......................................................................

Resumo 147

Glossário 148

Problemas 148

Capítulo 6 Propriedades mecânicas: Parte um 6.1 6-2 6-3 6-4 6-5 6-6 6-7 6-8 6-9 6-10

x

124 126 128 129 130 134 141 142

155

Importância tecnológica .............................................................................................. Terminologia das propriedades mecânicas ....................................................................... Ensaio de tração: uso da curva tensão-deformação ........................................................... Propriedades obtidas no ensaio de tração ....................................................................... Tensão e deformação verdadeiras ................................................................................. Ensaio de flexão para materiais frágeis ........................................................................... Dureza dos materiais .................................................................................................. Nanoindentação ......................................................................................................... Efeitos da taxa de deformação e comportamento sob impacto ............................................. Propriedades obtidas no ensaio de impacto .....................................................................

CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS

156 157 160 164 172 174 178 179 183 184


6-11 6-12

Vidros metálicos de grande volume e seu comportamento mecânico ....................................... 186 Comportamento mecânico em pequenas escalas de comprimento .......................................... 188

Resumo 191

Glossário 191

Problemas 193

Capítulo 7 Propriedades mecânicas: Parte dois 7-1 7-2 7-3 7-4 7-5 7-6 7-7 7-8 7-9 7-10 7-11

Mecânica da fratura .................................................................................................... Importância da mecânica da fratura ............................................................................... Características microestruturais de fraturas em metais ......................................................... Características microestruturais de fraturas em cerâmicas e vidros .......................................... Distribuição de Weibull para análise de resistência à fratura ............................................... Fadiga ..................................................................................................................... Resultados do ensaio de fadiga .................................................................................... Aplicação do ensaio de fadiga ..................................................................................... Fluência, ruptura por tensão e corrosão sob tensão ........................................................... Avaliação do comportamento em fluência ...................................................................... Uso dos dados sobre fluência ........................................................................................

Resumo 229

Glossário 229

Glossário 260

Capítulo 9 Princípios de solidificação 9-1 9-2 9-3 9-4 9-5 9-6 9-7 9-8 9-9

235

Relação entre trabalho a frio e a curva tensão-deformação ................................................. Mecanismos de endurecimento ..................................................................................... Propriedades versus trabalho a frio ................................................................................. Microestrutura, textura e tensões residuais ........................................................................ Características do trabalho a frio.................................................................................... Três estágios do recozimento ........................................................................................ Controle do recozimento .............................................................................................. Recozimento e processamento de materiais ...................................................................... Trabalho a quente ......................................................................................................

Resumo 259

200 202 206 209 210 215 217 219 223 225 227

Problemas 230

Capítulo 8 Encruamento e recozimento 8-1 8-2 8-3 8-4 8-5 8-6 8-7 8-8 8-9

199

236 240 241 244 248 251 253 255 257

Problemas 261

267

Importância tecnológica .............................................................................................. Nucleação ............................................................................................................... Aplicações de nucleação controlada .............................................................................. Mecanismos de crescimento ......................................................................................... Tempo de solidificação e tamanho da dendrita .................................................................. Curvas de resfriamento ................................................................................................ Estrutura bruta de fusão ............................................................................................... Defeitos de solidificação .............................................................................................. Processos de fundição para a produção de componentes ...................................................

SUMÁRIO

268 269 273 274 276 282 283 285 290

xi


9-10 9-11 9-12

Solidificação direcional (SD), crescimento de monocristais e crescimento epitaxial ................... 290 Solidificação de polímeros e vidros inorgânicos ................................................................ 293 União de materiais metálicos ........................................................................................ 294

Resumo 295

Capítulo 10

Glossário 296

Problemas 297

Soluções sólidas e equilíbrio de fases

303

10-1

Fases e diagrama de fases ........................................................................................... 304

10-2

Solubilidade e soluções sólidas ..................................................................................... 307

10-3

Condições para a solubilidade sólida ilimitada ................................................................ 309

10-4

Endurecimento por solução sólida .................................................................................. 311

10-5

Diagramas de fases isomorfos ....................................................................................... 313

10-6

Correlação entre propriedades mecânicas e o diagrama de fases ........................................ 322

10-7

Solidificação de uma solução sólida .............................................................................. 323

10-8

Solidificação e segregação em não equilíbrio .................................................................. 325

Resumo 327

Capítulo 11

Glossário 328

Problemas 328

Endurecimento por dispersão de fases e diagramas de fases eutéticos

335

11-1

Princípios e exemplos de endurecimento por dispersão ....................................................... 336

11-2

Compostos intermetálicos ............................................................................................. 337

11-3

Diagramas de fases com reações trifásicas ...................................................................... 339

11-4

Diagrama de fases eutético .......................................................................................... 342

11-5

Resistência mecânica de ligas eutéticas .......................................................................... 351

11-6

Ligas eutéticas e processamento de materiais ................................................................... 356

11-7

Solidificação do sistema eutético em condição de não equilíbrio ......................................... 357

11-8

Nanofios e o diagrama de fases eutético ......................................................................... 358

Resumo 361

Capítulo 12

Glossário 361

Problemas 362

Endurecimento por dispersão, transformações de fase e tratamento térmico

369

12-1

Nucleação e crescimento nas reações no estado sólido ..................................................... 370

12-2

Ligas endurecidas por supersaturação ............................................................................. 374

12-3

Endurecimento por envelhecimento ou por precipitação ...................................................... 376

12-4

Aplicações de ligas endurecidas por envelhecimento ......................................................... 376

12-5

Evolução microestrutural no envelhecimento ...................................................................... 377

12-6

Efeitos da temperatura e do tempo de envelhecimento ........................................................ 380

12-7

Requisitos para o envelhecimento .................................................................................. 381

12-8

Uso de ligas envelhecidas em altas temperaturas .............................................................. 381

12-9

Reação eutetoide ....................................................................................................... 382

12-10

Controle da reação eutetoide ....................................................................................... 387

xii

CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS


12-11 12-12

Reação martensítica e revenimento ................................................................................. 392 Ligas com memória de forma (LMFs) ................................................................................ 396

Resumo 397

Capítulo 13 13-1 13-2 13-3 13-4 13-5 13-6 13-7 13-8 13-9 13-10 13-11

Capítulo 14

Problemas 399

Tratamento térmico de aços e ferros fundidos

405

Glossário 440

Ligas não ferrosas

Capítulo 15

Glossário 473

Materiais cerâmicos

449

Glossário 503

450 457 458 462 465 472

Problemas 474

479

Aplicações das cerâmicas ............................................................................................ Propriedades das cerâmicas ......................................................................................... Síntese e processamento de pós cerâmicos ...................................................................... Características das cerâmicas sinterizadas ...................................................................... Vidros inorgânicos ...................................................................................................... Vitrocerâmicas ........................................................................................................... Processamento e aplicações de produtos de argila ............................................................ Refratários ................................................................................................................ Outros materiais cerâmicos ..........................................................................................

Resumo 502

406 410 412 415 419 421 425 426 428 430 433

Problemas 441

Ligas de alumínio ....................................................................................................... Ligas de magnésio e berílio .......................................................................................... Ligas de cobre ........................................................................................................... Ligas de níquel e de cobalto ......................................................................................... Ligas de titânio .......................................................................................................... Metais refratários e preciosos .......................................................................................

Resumo 473

15-1 15-2 15-3 15-4 15-5 15-6 15-7 15-8 15-9

Glossário 398

Designação e classificação dos aços ............................................................................. Tratamentos térmicos ................................................................................................... Tratamentos isotérmicos ............................................................................................... Têmpera e revenimento ................................................................................................ Efeito de elementos de liga .......................................................................................... Aplicação da temperabilidade ...................................................................................... Aços especiais .......................................................................................................... Tratamentos superficiais ............................................................................................... Soldabilidade do aço ................................................................................................. Aços inoxidáveis ......................................................................................................... Ferros fundidos ..........................................................................................................

Resumo 439

14-1 14-2 14-3 14-4 14-5 14-6

480 482 483 488 490 496 496 499 500

Problemas 504

SUMÁRIO

xiii


Polímeros

Capítulo 16 16-1 16-2 16-3 16-4 16-5 16-6 16-7 16-8 16-9 16-10 16-11

Classificação dos polímeros .......................................................................................... Polimerização por adição e condensação ....................................................................... Grau de polimerização ............................................................................................... Termoplásticos típicos ................................................................................................... Relações entre estrutura e propriedades dos termoplásticos ................................................. Efeito da temperatura em termoplásticos .......................................................................... Propriedades mecânicas dos termoplásticos ..................................................................... Elastômeros (borrachas) ............................................................................................... Polímeros termofixos .................................................................................................... Adesivos .................................................................................................................. Processamento de polímeros e reciclagem .......................................................................

Resumo 546

Glossário 589

Corrosão eletroquímica

Capítulo 18

553

Glossário 616

595

Problemas 617

Apêndice A

Propriedades físicas selecionadas dos metais

Apêndice B

Raios atômicos e iônicos de elementos selecionados

Respostas a problemas selecionados Índice xiv

555 557 562 567 574 578 584 586 587

Problemas 590

Corrosão eletroquímica ................................................................................................ O potencial de eletrodo em células eletroquímicas ............................................................. A corrente de corrosão e a polarização ........................................................................... Tipos de corrosão eletroquímica ..................................................................................... Proteção contra a corrosão eletroquímica .........................................................................

Resumo 616

508 511 516 518 520 524 530 535 540 542 543

Problemas 548

Compósitos endurecidos por dispersão ........................................................................... Compósitos particulados .............................................................................................. Compósitos reforçados com fibras ................................................................................. Características dos compósitos reforçados com fibras ........................................................ Fabricação de fibras e compósitos ................................................................................. Sistemas reforçados com fibras e aplicações .................................................................... Materiais compósitos laminares ..................................................................................... Exemplos e aplicações de compósitos laminares ............................................................... Estruturas sanduíche ....................................................................................................

Resumo 588

18-1 18-2 18-3 18-4 18-5

Glossário 547

Compósitos: cooperação e sinergia em materiais

Capítulo 17 17-1 17-2 17-3 17-4 17-5 17-6 17-7 17-8 17-9

507

629

633 CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS

621 625

596 599 604 605 610


Prefácio

Circuitos integrados e painéis touch screen, implantes de quadril, stents cardíacos, palhetas de motores de turbinas e concreto pré-moldado – são todos exemplos de produtos de engenharia que se tornam possíveis por suas propriedades, seu desempenho e pelo preço dos materiais. Se qualquer um desses atributos estiver fora dos valores aceitáveis, é possível que você não encontre um produto feito com um desses materiais. É por isso que, por exemplo, uma frigideira normalmente é feita de alguma combinação de revestimento externo de aço inoxidável, que é resistente a manchas, em torno de um núcleo de alumínio, que proporciona boa transferência de calor da chama para o alimento. Tudo isso, por um preço razoável. O mesmo princípio também explica por que o diamante não é utilizado nesse tipo de aplicação, apesar de sua dureza extraordinária e de sua ótima condutividade térmica serem ideais para praticamente qualquer utensílio de cozinha que se possa imaginar... o custo seria maior do que qualquer outro mercado poderia manter! Para engenheiros bem preparados, um objetivo comum está em compreender como se obter determinado conjunto de propriedades em um material para uso em aplicação específica. Assim, entender o vínculo entre o processamento de materiais e o desempenho e as propriedades dos materiais é um tema central na moderna ciência dos materiais. Esse vínculo, frequentemente, é explicado à luz da estrutura dos materiais, considerando do nível atômico acima, envolvendo seis ordens de magnitude em escala. As relações entre processamento–estrutura–propriedades, portanto, formam o núcleo da compreensão fundamental da engenharia de materiais. Esta edição de Ciência e engenharia dos materiais foi projetada para o curso de ciência e engenharia de materiais, que enfoca um currículo introdutório tradicional, abrangendo a estrutura dos materiais, o equilíbrio de fases, propriedades mecânicas, corrosão e seleção de materiais, sendo apropriado para um curso de um semestre. Os docentes que também quiserem destacar as propriedades eletrônicas, magnéticas e ópticas dos materiais ou que quiserem enfatizar a construção de materiais terão melhores condições com nosso livro.

Público-alvo e pré-requisitos Este livro se destina a aulas introdutórias de ciência de materiais, ensinadas no primeiro e segundo anos de curso, ou no nível júnior. É importante que o leitor tenha feito previamente um curso de química e um de cálculo, mas certamente não é necessário. A obra não presume que os estudantes tenham realizado outros cursos introdutórios de engenharia, como estática, dinâmica ou mecânica de materiais.

Alterações desta edição Foi dedicada atenção especial à revisão do livro quanto à sua clareza e precisão. Foi acrescentado novo conteúdo ao livro, conforme descrito a seguir.

xv


Novo nesta edição Novos tópicos foram acrescentados ao livro, como mostramos a seguir:     

Alótropos de carbono (Capítulo 2) Descrições cristalográficas aprimoradas (Capítulo 3) Nanoindentação (Capítulo 6) Propriedades mecânicas de vidros metálicos de grande volume (Capítulo 6) Comportamento mecânico em pequenas escalas de tamanho (Capítulo 6)

Além disso, acrescentou-se um capítulo no final deste livro, que aborda a corrosão eletroquímica (Capítulo 18). Novos problemas foram adicionados ao final de cada capítulo, incluindo aqueles que requerem o uso de computador. Esta edição de Ciência e engenharia dos materiais traz a Trilha, uma solução digital com alternativas de estudo para o aluno e recursos para o professor utilizar em sala de aula. O aluno terá acesso a atividades, envolvendo exercícios, com os quais poderá rever e estudar conceitos e definições e verificar seu aprendizado. Para o professor, estão disponíveis slides em Power Point que poderão auxiliá-lo em sala de aula, além do manual de solução. O manual de solução para o professor fornece soluções completas para problemas selecionados e está disponível em inglês. Acesse o link http://cursosonline.cengage.com.br.

Agradecimentos Agradecemos a todos aqueles que contribuíram para o sucesso das edições anteriores e, em particular, aos revisores, que forneceram feedback detalhado e construtivo sobre a segunda edição: Zhongyang Cheng, Auburn University Debra D. L. Chung, University at Buffalo, State University of Nova York Arthur F. Diaz, San José State University Ronald A. Kohser, Missouri University of Science & Technology Stephen Krause, Arizona State University Daniel J. Lewis, Rensselaer Polytechnic Institute Venkatesan Manivannan, Colorado State University Vinod K. Sarin, Boston University Jeffrey H. Schott, University of Minnesota Somos gratos à equipe da Cengage Learning, que cuidadosamente orientou a elaboração desta terceira edição em todos os estágios do processo de publicação. Em particular, agradecemos a Christopher Carson, diretor-executivo do Programa de Publicação Global; Christopher Shortt, editor de Engenharia Global; Randall Adams, editor Sênior de Aquisições; Hilda Gowans, editora Sênior de Desenvolvimento; Tanya Altieri, assistente editorial; Rose Kernan, dos Serviços Editoriais da RPK; Kristina Paul, pesquisadora iconográfica; e Lauren Betsos, gerente de Marketing. Também agradecemos a Venkat Balu por alguns dos novos problemas de final de capítulo, nesta edição. Wendelin Wright agradece a John Bravman, da Bucknell University, por seu feedback, paciência e apoio constante. Donald R. Askeland Professor Emérito da University of Missouri – Rolla Wendelin J. Wright Bucknell University

xvi

CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS


Prefácio à edição em SI

Esta edição foi adaptada para incorporar o Sistema Internacional de Unidades (Le Système International d’Unités ou SI) ao livro.

O Système International d’Unités (Sistema Internacional de Unidades) O Sistema de Unidades Comuns nos Estados Unidos (USCS) emprega unidades de FPS (foot – pound – second, ou pés, libras, segundos), também denominado Sistema Britânico ou Sistema Imperial de unidades. As unidades do SI são principalmente as do sistema MKS (metros – quilogramas – segundos). Contudo, as unidades do sistema CGS (centímetros – gramas – segundos) são em geral aceitas, especialmente em livros.

Utilizando as unidades do SI neste livro Neste livro, empregamos as unidades dos sistemas MKS e CGS. As dos sistemas USCS ou FPS utilizadas na edição norte-americana do livro foram convertidas para as unidades do SI em todo o texto e nos problemas. Porém, no caso de dados obtidos de manuais, normas governamentais e guias de produtos, não apenas é extremamente difícil converter todos os valores para o SI, como também contraria a propriedade intelectual da fonte. Sendo assim, alguns dados em figuras, tabelas, exemplos e referências permanecem em unidades de FPS. Para leitores que não estão familiarizados com a relação entre os sistemas FPS e SI, as tabelas de conversão estão disponíveis no final do livro. Para resolver problemas que exigem o uso de dados obtidos dessas fontes, os respectivos valores podem ser convertidos de unidades de FPS para SI, antes de serem utilizadas em um cálculo. A fim de obterem quantidades padronizadas e dados dos fabricantes em unidades do SI, os leitores podem entrar em contato com as agências governamentais ou autoridades apropriadas em seus países ou regiões. Os Editores

xvii


capítulo

1

Introdução à ciência e à engenharia dos materiais

VOCÊ JÁ SE PERGUNTOU? V  O que estudam os cientistas e engenheiros de materiais?  Como o aço na forma de chapas pode ser processado para gerar um material leve e com elevada resistência, absorvedor de energia1 durante impacto e maleável, podendo ser empregado na fabricação de chassis de automóveis?  Se podemos fazer circuitos eletrônicos leves e flexíveis utilizando plásticos?  Por que os joalheiros adicionam cobre ao ouro?  O que é um “material inteligente”?

OBJETIVO DE APRENDIZAGEM DO CAPÍTULO Os principais objetivos deste capítulo são  Compreender os conceitos mais importantes que definem a ciência e engenharia dos materiais.  Entender o papel da ciência dos materiais no processo de elaboração de projetos.  Classificar os materiais de acordo com suas propriedades.  Classificar os materiais segundo suas funções.

Neste capítulo, vamos primeiro apresentar o campo da ciência e engenharia de materiais (CEM), utilizando vários exemplos do mundo real. Em seguida, apresentaremos uma introdução à classificação dos materiais. Embora a maioria dos cursos de engenharia exija que os estudantes façam uma disciplina de ciência dos materiais, deve-se considerar o estudo da ciência dos materiais como mais 1

do que um mero requisito. Seu conhecimento completo fará de você um melhor engenheiro e projetista. A ciência dos materiais é a base de todos os avanços tecnológicos, e uma boa compreensão de seus fundamentos e aplicações não só fará de você um engenheiro mais capacitado, como também poderá ajudá-lo na fase de projeto. Para ser um bom projetista, é preciso aprender quais materiais são

N.R.T.: Um material que absorve muita energia antes de se romper é classificado como tenaz.

1


apropriados às diferentes aplicações. É preciso ser capaz de selecionar o material adequado para sua aplicação com base em suas propriedades e deve-se reconhecer como e por que essas propriedades podem se modificar com o passar do tempo e devido ao processamento. Qualquer engenheiro pode pesquisar sobre as propriedades dos materiais em um livro ou procurar em um banco de dados por um material que atenda às suas especificações, mas a habilidade de inovar e incorporar materiais com segurança em um projeto está fundamentada no entendimento de como manipular as propriedades e a funcionalidade dos materiais por meio do controle de sua estrutura e técnicas de processamento.

O aspecto mais importante dos materiais é o fato de serem facilitadores, ou seja, tornarem as coisas viáveis. Na história da civilização, certos materiais como pedra, ferro e bronze desempenharam um papel marcante no desenvolvimento da humanidade. No ritmo acelerado do mundo atual, a descoberta de materiais como o silício monocristalino e a compreensão de suas propriedades viabilizaram a era da informação eletrônica. Neste livro, fornecemos exemplos interessantes sobre as aplicações reais de materiais projetados. A diversidade de aplicações e os novos usos dos materiais ilustram por que um bom engenheiro precisa compreender plenamente os princípios da ciência e engenharia de materiais e saber aplicar esses princípios.

1-1 O que é ciência e engenharia de materiais? Ciência e engenharia de materiais (CEM) é um campo interdisciplinar que estuda e manipula a composição e a estrutura de materiais utilizando escalas de proporção, a fim de controlar as propriedades dos materiais através da síntese e do processamento. O termo composição indica a constituição química de um material. Já o termo estrutura se refere à descrição detalhada do arranjo de átomos. Os cientistas e engenheiros de materiais lidam não só com o desenvolvimento de materiais, mas também com sua síntese e seu processamento, bem como com os processos de fabricação relacionados à produção de componentes. O termo “síntese” refere-se ao modo como os materiais são feitos, a partir de quais substâncias químicas naturais ou produzidas pelo homem. O termo “processamento” diz respeito ao modo como os materiais são transformados em componentes úteis e com propriedades adequadas. Uma das mais importantes funções dos cientistas e engenheiros de materiais consiste em estabelecer a correlação entre as propriedades e o desempenho de um material ou dispositivo, a sua microestrutura, além da sua composição e do modo como o dispositivo foi sintetizado e processado. A ciência de materiais concentra-se nos fundamentos científicos da correlação entre síntese e processamento, microestrutura e propriedades dos materiais. A engenharia de materiais, por sua vez, desenvolve modos de converter ou transformar materiais em dispositivos ou estruturas úteis. Um dos aspectos mais fascinantes da ciência dos materiais envolve a investigação da estrutura de cada material. De fato, a estrutura dos materiais tem grande influência sobre muitas de suas propriedades, mesmo que a composição química global não seja alterada. Se você, por exemplo, dobrar um fio de cobre puro repetidamente, ele vai se tornar não só mais rígido, mas também mais frágil. Por fim, o fio de cobre puro vai se tornar rígido e frágil a ponto de quebrar! Além disso, a resistividade elétrica do fio vai aumentar ao ser dobrado repetidamente. Observe que, nesse exemplo simples, não alteramos a composição do material (ou seja, sua constituição química). As mudanças nas propriedades do material decorrem de uma alteração de sua estrutura interna. Se você observar o fio já dobrado, notará que ele parece o mesmo; no entanto, sua estrutura interna foi alterada em escala microscópica. Nessa escala, a estrutura é conhecida como microestrutura. Se pudermos compreender o que mudou microscopicamente, começaremos a descobrir meios de controlar as propriedades dos materiais. Analisemos um exemplo utilizando o tetraedro da ciência e engenharia de materiais. Vamos considerar “chapas de aço” usadas na fabricação de chassis de automóveis (Figura 1-1). Como você provavelmente 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 anos, já existisse alguma forma rudimentar de aço. Na fabricação de chassis de automóveis é preciso empregar um material com resistência mecânica bastante elevada, mas que ainda possibilite a conformação de superfícies com boas propriedades aerodinâmicas. Outro aspecto a considerar é a economia de combustível, portanto, o aço em chapas deve ser também fino e leve. Além disso, tais tipos

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CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS


de aço precisam, em caso de colisão, absorver quantidades significativas de energia, elevando assim a segurança do veículo. Em suma, são requisitos contraditórios. Portanto, nesse caso, os cientistas preocupam-se com as seguintes características do aço na forma de chapas:     

Composição química. Resistência mecânica. Peso. Propriedades de absorção de energia. Maleabilidade (conformabilidade).

Desempenho Custo

• O que é razão resistência mecânica-densidade? • O que é conformabilidade? • Como isso se relaciona com a resistência de um veículo a impactos? • O que é custo de fabricação? A: Composição • À base de ferro? • À base de alumínio? • Quais elementos de liga devem ser utilizados? • Em que quantidades? C: Síntese e processamento • Como a síntese e o processamento do aço podem ser controlados de modo que forneçam um alto nível de tenacidade e conformabilidade? • Como um chassi de carro com boas propriedades aerodinâmicas pode ser conformado?

B: Microestrutura • Quais características da microestrutura limitam a resistência mecânica e a conformabilidade? • O que controla a resistência?

Figura 1.1 Aplicação do tetraedro da ciência e engenharia de materiais a chapas de aço para chassis de automóveis. Observe que os fatores composição, microestrutura e processamento-síntese estão inter-relacionados e afetam a razão desempenho-custo. (A imagem do carro é cortesia da Ford Motor Company. A imagem da fabricação do aço e a imagem do chassi do carro são cortesia da Digital Vision/Getty Images. A micrografia é cortesia do dr. A. J. Deardo, dr. M. Hua e dr. J. Garcia.) Crédito: © Cengage Learning 2014, Michael Shake/Shutterstock. CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO À CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS

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Cientistas de materiais examinam o aço com o auxílio de equipamentos, como microscópios, para determinar se suas propriedades podem ser alteradas, a fim de que tais requisitos sejam atendidos. Eles devem levar em conta o custo do processamento desse aço juntamente com outras considerações. Como é possível dar a esse aço a forma de chassis de automóveis atendendo a requisitos de economia? O processo de conformação afetará as propriedades mecânicas do aço? Que tipos de recobrimento podem ser desenvolvidos para tornar o aço resistente à corrosão? Em algumas aplicações, é preciso saber se tais aços podem ser soldados com facilidade. Com base nessa análise, é possível notar quantas questões devem ser consideradas durante o projeto e a seleção de materiais para qualquer produto.

1-2 Classificação dos materiais Há várias formas de classificação dos materiais. Uma delas considera cinco categorias (Tabela 1.1): 1. Metais e ligas. 2. Cerâmicas, vidros e vitrocerâmicas. 3. Polímeros (como os plásticos). 4. Semicondutores. 5. Materiais compósitos.

Tabela 1-1 • Aplicações, propriedades e exemplos representativos para cada categoria de materiais Exemplos de aplicações

Propriedades

Metais e ligas

Cobre

Fios elétricos

Alta condutividade elétrica, boa conformabilidade

Ferro fundido cinzento

Blocos de motores para automóveis

Fundibilidade, usinabilidade, amortecimento de vibrações

Aços especiais

Ferramentas, chassis de automóveis

Endurecibilidade por tratamento térmico

SiO2-Na2O-CaO

Vidro para janelas

Transparência óptica, isolamento térmico

Al2O3, MgO, SiO2

Refratários (revestimento resistente ao calor para fornos de fusão)

Isolamento térmico, refratariedade, inércia química

Titanato de bário

Capacitores para microeletrônica

Grande capacidade de armazenamento de cargas elétricas

Sílica

Fibras ópticas para a tecnologia da informação

Índice de refração adequado, baixas perdas ópticas

Polietileno

Embalagens para alimentos

Facilidade de ser moldado para produzir filmes finos, flexibilidade e hermetismo

Resinas de epóxi

Encapsulamento de circuitos integrados

Isolante elétrico e resistência à umidade

Resinas fenólicas

Adesivos para união de camadas de compensado

Resistência mecânica e à umidade

Silício

Transistores e circuitos integrados

Resposta elétrica específica

Arseneto de gálio

Sistemas optoeletrônicos

Conversão de sinais elétricos em luz, lasers, diodos laser etc.

Cerâmicas e vidros

Polímeros

Semicondutores

(Continua)

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CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS


Tabela 1-1 • Aplicações, propriedades e exemplos representativos para cada categoria de materiais Exemplos de aplicações

(Continuação)

Propriedades

Compósitos

Resina epóxi reforçada com fibras de carbono

Componentes para aviação

Elevada razão resistência-peso

Metal duro (liga de cobalto reforçada com carbeto de tungstênio)

Ferramentas de corte para usinagem

Elevada dureza conjugada com boa resistência a choques

Aço revestido com titânio

Vasos para reatores

Baixo custo e associação de alta resistência do aço com a elevada resistência à corrosão do titânio

Crédito: © Cengage Learning 2014.

Os materiais de cada um desses grupos apresentam estruturas e propriedades distintas. As diferenças em resistência mecânica, mostradas na Figura 1-2, ilustram a gama de propriedades que os engenheiros podem selecionar. Como os materiais metálicos 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 força por unidade de área, ao passo que deformação significa o alongamento ou a alteração de dimensão dividida pela dimensão original. A aplicação de tensão causa deformação. Caso a deformação desapareça após ser removida a carga ou a tensão aplicada, diz-se que a deformação é elástica. Se a deformação permanecer após ser removida a tensão, diz-se que a deformação é plástica. Quando a deformação é elástica, tensão e deformação estão linearmente relacionadas, e o coeficiente angular da reta tensão-deformação neste trecho é conhecido como módulo de elasticidade ou módulo de Young. A tensão necessária para iniciar uma deformação plástica é denominada limite de escoamento. A deformação percentual máxima que se pode obter é uma medida da ductilidade de um material metálico. Esses conceitos serão analisados mais profundamente nos Capítulos 6 e 7.

Resistência (MPa)

2100

Metais e Ligas Liga de cobalto Compósitos Epóxi-carbono Epóxi-Kevlar

1400

Cerâmicas

Poliimida-boro Poliimida-carbono

700

Polímeros Náilon Polietileno

Poliéster-vidro

Aço de alta resistência Aços-liga Liga de Cu-Be Liga de níquel Liga de titânio Latão Cu-Zn Liga de alumínio Liga de zinco Chumbo

Figura 1-2 Resistências mecânicas representativas de várias categorias de materiais. Para as cerâmicas, são apresentadas as resistências à compressão. Crédito: © Cengage Learning 2014.

CAPÍTULO 1

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Metais e ligas Incluem aços, alumínio, magnésio, zinco, ferro fundido, titânio, cobre, níquel etc. Uma liga é um metal que contém adições de um ou mais metais ou não metais. 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 aplicações estruturais. Embora metais puros raramente sejam usados, combinações de metais – as chamadas ligas – permitem melhorar uma propriedade específica desejada ou obter uma melhor combinação de propriedades. Por exemplo, o ouro puro é um metal muito macio, por isso, os joalheiros adicionam-lhe cobre para aumentar sua resistência mecânica, de modo que a joia feita de ouro não seja danificada facilmente. Cerâmicas É possível definir as cerâmicas como materiais cristalinos inorgânicos. As cerâmicas podem ser consideradas os materiais mais naturais que existem. De fato, a areia das praias e as rochas são exemplos de cerâmicas em estado natural. As avançadas são materiais feitos com o refino de cerâmicas naturais e por outros processos especiais. Essas são empregadas em substratos de chips de computadores, sensores e atuadores, capacitores, equipamentos para comunicações sem fio, velas de ignição, indutores e isoladores elétricos. Alguns tipos de cerâmica são utilizados como revestimento de proteção para substratos metálicos em turbinas. As cerâmicas também são empregadas em vários produtos de consumo, como tintas, plásticos e pneus, e em aplicações industriais mais avançadas, como os sensores de oxigênio para automóveis. Quanto às cerâmicas tradicionais, são utilizadas em tijolos, louças de cozinha, pias e vasos sanitários, refratários (materiais resistentes ao calor) e abrasivos. Em geral, devido à presença de porosidade (pequenos espaços vazios no material), as cerâmicas não são boas condutoras de calor. Além disso, devem ser aquecidas a temperaturas altíssimas antes de fundir, resultado das fortes ligações químicas que ligam seus átomos ou íons constituintes. As cerâmicas são também resistentes e rígidas, mas ao mesmo tempo, bastante frágeis. Normalmente são preparados pós finos de cerâmica, que serão então moldados em diferentes formatos. Novas técnicas de processamento tornaram-nas suficientemente resistentes à fratura, a ponto de serem usadas em aplicações estruturais – tais como rotores de turbinas. As cerâmicas apresentam ainda excepcional resistência à compressão. Você acreditaria que todo o peso de um caminhão de bombeiros pode ser suportado por apenas quatro xícaras de cerâmica semelhantes às de café? Vidros e vitrocerâmicas O vidro é um material amorfo, geralmente (mas nem sempre) derivado de um líquido fundido. O termo “amorfo” refere-se a materiais que não possuem um arranjo atômico regular e periódico. Os materiais amorfos serão analisados em detalhes no Capítulo 3. A indústria de fibras ópticas está baseada em fibras feitas com vidro de sílica de alta pureza. Os vidros são usados também em casas, automóveis, telas de computador e TV, além de centenas de outras aplicações. Podem ser tratados termicamente (temperados) para que se tornem mais resistentes. A formação de vidros seguida da nucleação (formação) de pequenos cristais no seu interior, por meio de um processo térmico especial, dá origem a materiais conhecidos como vitrocerâmicas. O Zerodur® é um exemplo de vitrocerâmica usada na fabricação de substratos espelhados para grandes telescópios (como os telescópios Chandra e Hubble). Tanto os vidros como as vitrocerâmicas são normalmente processados por fusão e moldagem. Polímeros Em geral, os polímeros são materiais orgânicos produzidos por meio de um processo conhecido como polimerização. Entre os materiais poliméricos, em geral podemos citar as borrachas (elastômeros) e muitos tipos de adesivos. Os polímeros geralmente são bons isolantes térmicos e elétricos, apesar de existirem exceções. Embora tenham baixa resistência, possuem boa razão resistência-peso. Normalmente, não são adequados ao uso em altas temperaturas, entretanto, vários polímeros são bastante resistentes a produtos químicos corrosivos. Empregam-se os polímeros em milhares de aplicações, de coletes à prova de bala, discos compactos (CD), cordas e displays de cristal líquido (LCD) a roupas e xícaras. Os polímeros termoplásticos, nos quais as longas cadeias moleculares não estão rigidamente conectadas, têm boa ductilidade e conformabilidade; já os polímeros termofixos são mais resistentes e mais frágeis, pois suas cadeias moleculares apresentam ligações cruzadas (Figura 1.3). Utilizam-se os polímeros em inúmeras aplicações, incluindo dispositivos eletrônicos. Os termoplásticos são fabricados por conformação do material fundido, ao passo que os termofixos são geralmente fundidos e vazados em moldes. Os plásticos contêm aditivos que aprimoram as propriedades dos polímeros.

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CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS


Átomos ou grupos de átomos com reticulação

Termoplástico

Termofixo

Figura 1-3 A polimerização ocorre quando pequenas moléculas (representadas pelos círculos) se unem para produzir moléculas maiores (polímeros). As moléculas de polímeros podem apresentar uma estrutura composta de várias cadeias emaranhadas, mas não interligadas (termoplásticos), ou podem formar redes tridimensionais com cadeias reticuladas (termofixos). Crédito: © Cengage Learning 2014.

Semicondutores Os semicondutores feitos de silício, germânio e arseneto de gálio, tais como os utilizados em computadores e aparelhos eletrônicos, fazem parte de uma classe mais ampla conhecida como materiais eletrônicos. A condutividade elétrica dos materiais semicondutores situa-se entre a dos isoladores cerâmicos e a dos condutores metálicos. Os semicondutores viabilizaram a era da informação eletrônica. Em alguns semicondutores, pode-se controlar o grau de condutividade elétrica, de modo que possibilite a fabricação de componentes eletrônicos (tais como transistores, diodos etc.) empregados em circuitos integrados. Muitas aplicações requerem grandes cristais individuais (monocristais) de semicondutores, formados a partir de materiais fundidos. Costuma-se também produzir filmes finos de materiais semicondutores por meio de processos especiais.

Materiais compósitos Ao se desenvolverem compósitos, a ideia primordial consiste em combinar as propriedades de diferentes materiais. Formados por dois ou mais materiais, os compósitos dão origem a propriedades que não são encontradas em nenhum dos materiais individualmente. Concreto, compensado e fibra de vidro são exemplos de materiais compósitos. O material conhecido como fibra de vidro, por exemplo, é obtido dispersando-se fibras de vidro em uma matriz polimérica. Essas fibras, então, tornam o polímero mais rígido, sem elevar significativamente sua densidade. Com o auxílio de compósitos, podemos produzir materiais leves, robustos, dúcteis e resistentes a altas temperaturas, ou podemos fabricar ferramentas de corte duras (e mesmo assim resistentes a choques) que iriam fraturar se fossem feitas com outros materiais. Aviões e veículos aeroespaciais avançados dependem bastante dos compósitos. Por exemplo, o Boeing 787 utiliza polímero reforçado com fibras de carbono em muitos componentes estruturais, em vez de alumínio, aumentando a eficiência do combustível. Equipamentos esportivos, como bicicletas, tacos de golfe, raquetes de tênis e outros, também utilizam diferentes tipos de materiais compósitos leves e rígidos.

1-3 Classificação funcional dos materiais Podemos classificar os materiais com base na função mais importante que desempenham, ou seja, mecânica (estrutural), biológica, elétrica, magnética ou óptica. A classificação dos materiais pode ser vista na Figura 1-4. São mostrados alguns exemplos de cada categoria, que podem ser ainda divididas em subcategorias. Aeroespaciais Materiais leves, como madeira e liga de alumínio (que acidentalmente foi endurecida pela presença do cobre do molde empregado na fundição), foram utilizados no histórico voo dos irmãos Wright. No ônibus especial da Nasa, empregou-se pó de alumínio em seus foguetes propulsores e sílica em seu revestimento. A fuselagem e as asas da aeronave 787 da Boeing são, em sua maioria, compostas de polímero reforçado com fibras de carbono.

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO À CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS

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Estruturais Aços, Ligas de alumínio, Concreto, Fibra de vidro, Plásticos, Madeira

Materiais Inteligentes PZT, Ligas de Ni-Ti com memória de forma, Fluidos MR, Géis poliméricos

Materiais Ópticos SiO2,GaAs, Vidros, Al2O3, YAG, ITO

Aeroespaciais Compósitos C-C, SiO2, Silício amorfo, Ligas de Al, Superligas, Zerodur

Classificação Funcional dos Materiais

Materiais Magnéticos Fe, Fe-Si, Ferritas de NiZn e MnZn, Co-Pt-Ta-Cr, -Fe2O3

Biomédicos Hidroxiapatita, Ligas de titânio, Aços inoxidáveis, Ligas com memória de forma, Plásticos, PZT

Materiais Eletrônicos Si, GaAs, Ge, BaTiO3, PZT, YBa2Cu3O7-x,Al, Cu, W, Pollímeros condutores

Tecnologias Energéticas e Ambientais UO2, Ni-Cd, ZrO2, LiCoO2, Si:H amorfo

Figura 1-4 Classificação funcional dos materiais. Observe que metais, polímeros e cerâmicas aparecem em categorias diferentes. Alguns exemplos típicos de cada categoria são apresentados. Crédito: © Cengage Learning 2014.

Biomédicos Nossos ossos e dentes são formados, em parte, por uma cerâmica formada naturalmente, denominada hidroxiapatita. Vários órgãos artificiais, implantes ortopédicos, próteses endovasculares (stents), aparelhos ortodônticos e outros componentes são feitos utilizando-se diversos tipos de plásticos, ligas de titânio e aços inoxidáveis não magnéticos. Os sistemas de imagem por ultrassom empregam cerâmicas conhecidas como titanato zirconato de chumbo (PZT). Por outro lado, os magnetos usados na formação de imagens por ressonância magnética empregam supercondutores metálicos à base de estanho e nióbio. Materiais eletrônicos Como já mencionamos, os semicondutores (os feitos de silício, por exemplo) são utilizados na fabricação de circuitos integrados de computador. Titanato de bário (BaTiO3), óxido de tântalo (Ta2O5) e outros materiais dielétricos são empregados em capacitores cerâmicos e outros componentes. Por outro lado, utilizam-se supercondutores na construção de poderosos ímãs. Cobre, alumínio e outros materiais são usados como condutores em transmissão de energia e em microeletrônica.

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CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS


Tecnologia de energia e tecnologia ambiental A indústria nuclear usa alguns materiais como combustíveis, principalmente o dióxido de urânio e o plutônio. Vários outros, como vidros e aços inoxidáveis, são utilizados na manipulação de substâncias nucleares e na gestão de resíduos radioativos. Novas tecnologias, relacionadas a baterias e células de combustível, empregam diversos materiais cerâmicos – como a zircônia (ZrO2) – e polímeros. A tecnologia de baterias tem enorme importância, em razão das necessidades de vários aparelhos eletrônicos, que requerem fornecimento de energia por longa duração, conservando a portabilidade do equipamento. As células a combustível serão utilizadas nos carros elétricos. A indústria de petróleo usa amplamente zeólitas, alumina e outros materiais cerâmicos como suporte para catalisadores e emprega Pt, Pt/Rh, entre outros metais, como catalisadores. Diversas tecnologias de membranas para a purificação de líquidos e gases empregam cerâmicas e polímeros. A luz solar gera eletricidade com o uso de materiais como o silício amorfo (a-Si:H). Materiais magnéticos Os discos rígidos de computadores utilizam vários materiais cerâmicos, metálicos e poliméricos. Os discos rígidos de computador, por sua vez, são feitos com ligas de cobalto-platina-tântalo-cromo (Co-Pt-Ta-Cr). Vários tipos de ferritas magnéticas são utilizados na fabricação de indutores e componentes para comunicações sem fio. Os aços contendo silício são usados em núcleos de transformadores. Materiais fotônicos ou ópticos A sílica é amplamente empregada na produção de fibras ópticas. Mais de 10 milhões de quilômetros de fibras ópticas já foram instalados em todo o mundo. Utilizam-se materiais ópticos para fazer lasers e detectores de semicondutor para sistemas de comunicação com fibras ópticas e outras aplicações. De modo semelhante, usa-se alumina (Al2O3) e granadas de ítrio-alumínio (YAG2) na fabricação de lasers. Os polímeros, por sua vez, são empregados na produção dos displays de cristal líquido (LCD). Materiais inteligentes Um material inteligente é capaz de detectar estímulos externos – tais como alterações de temperatura, de tensão, de umidade ou de um composto químico específico – e de responder a esses estímulos. Em geral, um sistema que utiliza materiais inteligentes é composto por sensores e atuadores que percebem mudanças e iniciam determinada reação. O titanato zirconato de chumbo (PZT) e as ligas com memória de forma são exemplos de materiais inteligentes. Se adequadamente processada, a cerâmica de PZT gera uma diferença de potencial elétrico ao ser submetida a tensões mecânicas. Emprega-se esse efeito em vários dispositivos, tais como acendedores para fogões a gás e sensores capazes de detectar objetos subaquáticos, tais como peixes e submarinos. Outro exemplo de materiais inteligentes são os fluidos magneto-reológicos. Esses fluidos, tintas magnéticas que respondem a campos magnéticos, são usados nos sistemas de suspensão de automóveis. Outros exemplos de materiais e sistemas inteligentes são os vidros fotocrômicos e os espelhos com regulação automática da intensidade de luz refletida. Materiais estruturais Estes materiais são projetados para suportar tensão mecânica. Aços, concreto e compósitos são empregados na construção de edifícios e pontes. Aços, vidros, plásticos e compósitos são também amplamente utilizados na fabricação de automóveis. É comum, em tais aplicações, haver a necessidade de combinar simultaneamente as propriedades de resistência, rigidez e tenacidade sob diferentes condições de temperatura e de solicitação mecânica.

1-4 Classificação dos materiais com base na estrutura Como mencionamos, o termo estrutura significa o arranjo dos átomos de um material. A estrutura em escala microscópica é conhecida como microestrutura. Podemos ver tais arranjos em várias escalas, desde menos de um nanômetro3 (1 nm) até um milímetro (1 mm). Veremos, no Capítulo 3, que alguns materiais podem ser cristalinos (quando os átomos estão dispostos de forma periódica) ou amorfos (quando os átomos não têm uma ordem de longo alcance). 2. 3.

N.R.T.: Yttrium Aluminum Garnets. N.R.T.: 1 nm = 10–9m.

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO À CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS

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Alguns materiais cristalinos podem ser constituídos de somente um cristal, sendo então conhecidos como monocristalinos ou monocristais. Outros são compostos por vários cristais ou grãos e recebem o nome de policristalinos. As características de cristais ou grãos (tamanho, formato etc.) e das regiões entre eles – conhecidas como contornos de grão – também afetam as propriedades dos materiais. Vamos discutir esses conceitos nos próximos capítulos. A micrografia de uma amostra de aço inoxidável mostrando grãos e os contornos de grão é apresentada na Figura 1.1.

1-5 Efeitos ambientais e outros efeitos A correlação estrutura-propriedades dos materiais usados na fabricação de componentes é geralmente influenciada pelo ambiente ao qual serão submetidos durante o uso. Isso pode incluir exposição a altas ou baixas temperaturas, tensões mecânicas cíclicas, impactos súbitos, corrosão e oxidação. Esses efeitos devem ser levados em conta no projeto, a fim de garantir que os componentes não falhem prematuramente. Temperatura As mudanças de temperatura alteram drasticamente as propriedades dos materiais (Figura 1-5). Metais e ligas que foram endurecidos por tratamentos térmicos ou durante os processos de conformação podem perder repentinamente a resistência ao serem aquecidos. Uma trágica lembrança dessa característica é o desabamento das torres do World Trade Center em 11 de setembro de 2001. Embora as torres tenham resistido ao impacto inicial das colisões, suas estruturas de aço foram enfraquecidas pelas elevadas temperaturas causadas pelo fogo, levando, por fim, ao seu colapso. Temperaturas elevadas mudam também as estruturas das cerâmicas e dos polímeros. Estes se fundem ou se queimam em altas temperaturas. Por outro lado, temperaturas extremamente baixas podem fazer com que um metal ou polímero se torne frágil, fraturando-o mesmo com a aplicação de pequenas cargas. Essa fragilidade em baixas temperaturas foi um dos fatores responsáveis pela fratura do casco e afundamento do navio Titanic. Da mesma forma, o acidente de 1986 com o ônibus espacial Challenger deveu-se, em parte, à fragilização dos anéis de vedação (o-ring). As razões pelas quais materiais poliméricos e metálicos se tornam frágeis são diferentes. Discutiremos esses conceitos nos próximos capítulos. Corrosão Muitos metais e polímeros reagem com o oxigênio e outros gases, particularmente em temperaturas elevadas. Metais e cerâmicas podem degradar-se, ao passo que polímeros e cerâmicas não óxidas podem oxidar-se. Os materiais são atacados por líquidos corrosivos, o que ocasiona falhas prematuras. Os engenheiros enfrentam o desafio de selecionar materiais ou revestimentos que evitem a degradação, permitindo a operação em ambientes sob condições extremas. Em aplicações espaciais, ainda é preciso considerar os efeitos da radiação solar.

m

Ce s

1.000 2.000 Temperatura (ºC)

10

ica

e níquel

d Superliga

s

ro

me

Compósito de alumínio reforçado com fibras

ínio

Alum lí Po

Resistência mecânica

Compósitos de carbono-carbono

3.000

CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS

Figura 1-5 Em geral, o aumento de temperatura reduz a resistência dos materiais. Normalmente, os polímeros podem ser utilizados apenas em temperaturas próximas da ambiente. Por outro lado, alguns compósitos (tal como os de carbono-carbono), ligas especiais e cerâmicas têm excelentes propriedades em altas temperaturas. Crédito: © Cengage Learning 2014.


capa.ciencia1.final.pdf

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14/05/14

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