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TTradução da radução da 3ª edição 3ª edição norte-americananorte-americana
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TTradução daradução da3ª edição3ª edição norte-americananorte-americana
Donald R. AskelandDonald R. Askeland
Wendelin J. WrightWendelin J. Wright
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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 Ciência e Engenharia dos Materiais Tradução da 3a^ edição norte-americana
Sobre os autores viivii Donald R. Askeland é professor emérito de Engenharia Metalúr- gica 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 Univer- sity 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 organi- zação. Suas atividades de ensino e pesquisa foram orientadas princi- palmente 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 Me- cânica e Engenharia Química. Obteve seu bacharelado, mestrado e doutorado, em 2003, em Ciência e Engenharia de Materiais na Stan- ford University. Após a graduação, concluiu seu período de pós-dou- torado 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 Ex- celência 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; esagrada com o prêmio National Science Foundation Career. W em 2010, foi con-right é engenheira profissional licenciada em Metalurgia, na Califórnia.
Sumário
ixix Prefácio................................................................................................................................................xv
- Capítulo 1Capítulo 1 Introdução à ciência e à engenharia dos materiais Prefácio à edição em SI .........................................................................................................................xvii
- 1-1 O que é ciência e engenha ria de materi ais?
- 1-2 Classifi cação dos materi ais
- 1-3 Classifi cação funciona l dos materi ais
- 1-4 Classifi cação dos materi ais com base na estrutu ra
- 1-5 Efeitos ambientais e outros efeitos
- 1-6 Projeto e seleção de materia is
- Resumo 12Resumo 12 GlossárioGlossário 1313 ProblemasProblemas
- Capítulo 2Capítulo 2 Estrutura atômica
- 2-1 Estrutura de materia is: relevâ ncia tecnológi ca
- 2-2 Estrutura do átomo
- 2-3 Estrutura eletrôni ca do átomo
- 2-4 A tabela periód ica
- 2-5 Ligaçõe s atômica s
- 2-6 Energia de ligaçã o e distânc ia intera tômica
- 2-7 As muitas formas do carbono: relações entre arranjos de átomos e proprie dades materia is
- Resumo 40Resumo 40 GlossárioGlossário 4040 ProblemasProblemas
- Capítulo 3Capítulo 3 Arranjos atômicos e iônicos
- 3-1 Ordem de curto alcance versus ordem de long o alcan ce
- 3-2 Materia is amorfos
- 3-3 Redes, células unitári as, bases e estrutu ras cristal inas
- 3-4 Transforma ções alotrópi cas e polimórfica s
- 3-5 Pontos, direçõe s e planos na célula unitár ia x CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS
- 3-6 Interstí cios
- 3-7 Estrutur a cristal ina dos materi ais iônicos
- 3-8 Estrutur as covalent es
- 3-9 Técnica s de difraç ão para a análise de estrutur as cristali nas
- Resumo 84Resumo 84 GlossárioGlossário 8585 ProblemasProblemas
- Capítulo 4Capítulo 4 Imperfeições nos arranjos atômicos e iônicos
- 4-1 Defeit os pontuai s
- 4-2 Outros defeito s pontua is
- 4-3 Discord âncias
- 4-4 Importânc ia das discordâ ncias
- 4-5 Lei de Schmid
- 4-6 Influênc ia da estrutu ra cristal ina
- 4-7 Defeit os superfici ais
- 4-8 Importânc ia dos defeito s
- Resumo 116Resumo 116 GlossárioGlossário 117117 ProblemasProblemas
- Capítulo 5Capítulo 5 Movimentos de átomos e íons materiais
- 5-1 Aplica ções da difusã o
- 5-2 Estabil idade de átomos e íons
- 5-3 Mecani smos de difusão
- 5-4 5-5 EnergiaTaxa de dedifusão ativaç (primei ão para ra leia difusão de Fick)
- 5-6 Fatores que afetam a difusã o
- 5-7 Permeab ilidad e dos polímero s
- 5-8 Perfil de composiç ão (segund a lei de Fick)
- Resumo 147Resumo 147 GlossárioGlossário 148148 ProblemasProblemas
- Capítulo 6Capítulo 6 Propriedades mecânicas: Parte um
- 6.1 Importânc ia tecnológica
- 6-2 Terminolog ia das proprie dades mecânic as
- 6-3 Ensaio de tração: uso da curva tensão-d eformaçã o
- 6-4 Proprie dades obtida s no ensaio de tração
- 6-5 Tensão e deformaçã o verdadeiras
- 6-6 6-7 EnsaioDureza dedos flexão materi para ais ........................materi ais frágei s
- 6-8 Nanoind entaçã o
- 6-9 Efeitos da taxa de deforma ção e comportam ento sob impact o
- 6-10 Proprie dades obtida s no ensaio de impact o
- 6-11 Vidros metálic os de grande volume e seu comportam ento mecânic o SUMÁRIO xi
- 6-12 Comportame nto mecâni co em pequenas escalas de comprime nto
- Resumo 191Resumo 191 GlossárioGlossário 191191 ProblemasProblemas
- Capítulo 7Capítulo 7 Propriedades mecânicas: Parte dois
- 7-1 Mecânic a da fratura
- 7-2 Importânci a da mecânic a da fratura
- 7-3 Caracte rística s microestr uturai s de fratura s em metais
- 7-4 Caracte rística s microestr uturai s de fratura s em cerâmic as e vidros
- 7-5 Distrib uição de Weibull para anális e de resistênc ia à fratura
- 7-6 Fadiga
- 7-7 Resulta dos do ensaio de fadiga
- 7-8 Aplica ção do ensaio de fadiga
- 7-9 Fluênci a, ruptura por tensão e corrosão sob tensão
- 7-10 Avaliação do comportame nto em fluênci a
- 7-11 Uso dos dados sobre fluência
- Resumo 229Resumo 229 GlossárioGlossário 229229 ProblemasProblemas
- Capítulo 8Capítulo 8 Encruamento e recozimento
- 8-1 Relação entre trabal ho a frio e a curva tensão-d eformação
- 8-2 Mecanism os de endurec imento
- 8-3 Propriedades versus trabalho a frio
- 8-4 8-5 MicroestrCaracte rística utura, s dotextur traba a e lhotensões a frio............ residua is
- 8-6 Três estágios do recozime nto
- 8-7 Controle do recozime nto
- 8-8 Recozime nto e processa mento de materi ais
- 8-9 Trabalho a quente
- Resumo 259Resumo 259 GlossárioGlossário 260260 ProblemasProblemas
- Capítulo 9Capítulo 9 Princípios de solidificação
- 9-1 Importânci a tecnológi ca
- 9-2 Nucleaç ão
- 9-3 Aplica ções de nucleaç ão controla da
- 9-4 Mecanism os de crescime nto
- 9-5 9-6 TCurvasempo dede solidifiresfriam cação ento e....................... tamanho da dendri ta
- 9-7 Estrutura bruta de fusão
- 9-8 Defeit os de solidifi cação
- 9-9 Processos de fundiçã o para a produçã o de componen tes
- 9-10 Solidifi cação direcio nal (SD), crescime nto de monocrista is e crescime nto epitaxial xii CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS
- 9-11 Solidifi cação de polímer os e vidros inorgâni cos
- 9-12 União de materi ais metáli cos
- Resumo 295Resumo 295 GlossárioGlossário 296296 ProblemasProblemas
- Capítulo 10Capítulo 10 Soluções sólidas e equilíbrio de fases
- 10-1 Fases e diagra ma de fases
- 10-2 Solubil idade e soluções sólidas
- 10-3 Condiçõe s para a solubili dade sólida ilimit ada
- 10-4 Endurec imento por solução sólida
- 10-5 Diagra mas de fases isomorfos
- 10-6 Correla ção entre proprie dades mecâni cas e o diagra ma de fases
- 10-7 Solidifi cação de uma solução sólida
- 10-8 Solidifi cação e segrega ção em não equilí brio
- Resumo 327Resumo 327 GlossárioGlossário 328328 ProblemasProblemas
- Capítulo 11Capítulo 11 Endurecimento por dispersão de fases e diagramas de fases eutéticos
- 11-1 Princíp ios e exemplos de endure cimento por dispers ão
- 11-2 Compostos intermet álicos
- 11-3 Diagra mas de fases com reações trifási cas
- 11-4 Diagra ma de fases eutéti co
- 11-5 Resistê ncia mecâni ca de ligas eutéti cas
- 11-6 Ligas eutéti cas e processa mento de materia is
- 11-7 Solidifi cação do sistema eutéti co em condição de não equilí brio
- 11-8 Nanofios e o diagra ma de fases eutéti co
- Resumo 361Resumo 361 GlossárioGlossário 361361 ProblemasProblemas
- Capítulo 12Capítulo 12 Endurecimento por dispersão, transformações de fase e tratamento térmico
- 12-1 Nuclea ção e crescime nto nas reações no estado sólido
- 12-2 Ligas endurec idas por supersa turação
- 12-3 Endurec imento por envelhe cimento ou por precip itação
- 12-4 Aplica ções de ligas endurec idas por envelhe cimento
- 12-5 Evolução microestr utural no envelhe cimento
- 12-6 Efeitos da temper atura e do tempo de envelhe cimento
- 12-7 12-8 RequisUso de itos ligas para envelhe o envelhe cidas cimento em altas temper aturas
- 12-9 Reação eutetoi de
- 12-10 Controle da reação eutetoi de
- 12-11 Reação martensít ica e revenim ento SUMÁRIO xiii
- 12-12 Ligas com memória de forma (LMFs)
- Resumo 397Resumo 397 GlossárioGlossário 398398 ProblemasProblemas
- Capítulo 13Capítulo 13 Tratamento térmico de aços e ferros fundidos
- 13-1 Designa ção e classifi cação dos aços
- 13-2 Tratame ntos térmicos
- 13-3 Tratame ntos isotérmic os
- 13-4 Têmpera e reveni mento
- 13-5 Efeito de element os de liga
- 13-6 Aplica ção da temper abilid ade
- 13-7 Aços especi ais
- 13-8 Tratame ntos superfici ais
- 13-9 Soldabi lidade do aço
- 13-10 Aços inoxid áveis
- 13-11 Ferros fundid os
- Resumo 439Resumo 439 GlossárioGlossário 440440 ProblemasProblemas
- Capítulo 14Capítulo 14 Ligas não ferrosas
- 14-1 Ligas de alumíni o
- 14-2 Ligas de magnési o e berílio
- 14-3 Ligas de cobre
- 14-4 14-5 LigasLigas dede níqueltitâni o e......................... de cobalto
- 14-6 Metais refrat ários e preciosos
- Resumo 473Resumo 473 GlossárioGlossário 473473 ProblemasProblemas
- Capítulo 15Capítulo 15 Materiais cerâmicos
- 15-1 Aplica ções das cerâmi cas
- 15-2 Proprie dades das cerâmi cas
- 15-3 Síntese e processa mento de pós cerâmi cos
- 15-4 Caracte rística s das cerâmic as sinteriz adas
- 15-5 Vidros inorgâni cos
- 15-6 Vitroce râmica s
- 15-7 Processam ento e aplica ções de produtos de argila
- 15-8 15-9 RefratáOutros riosmateri ais cerâmic os
- Resumo 502Resumo 502 GlossárioGlossário 503503 ProblemasProblemas
- Capítulo 16Capítulo 16 Polímeros xiv CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS
- 16-1 Classifi cação dos políme ros
- 16-2 Polimer ização por adição e condensa ção
- 16-3 Grau de polimer ização
- 16-4 Termoplá sticos típico s
- 16-5 Relaçõe s entre estrutu ra e proprie dades dos termoplá sticos
- 16-6 Efeito da temperatura em termoplá sticos
- 16-7 Proprie dades mecânic as dos termoplá sticos
- 16-8 Elastôme ros (borrac has)
- 16-9 Polímer os termofix os
- 16-10 16-11 AdesivProcessa os mento....................... de polímer os .........................e recicla gem
- Resumo 546Resumo 546 GlossárioGlossário 547547 ProblemasProblemas
- Capítulo 17Capítulo 17 Compósitos: cooperação e sinergia em materiais
- 17-1 Compósit os endurec idos por disper são
- 17-2 Compósit os particula dos
- 17-3 Compósit os reforçad os com fibras
- 17-4 Caract erística s dos compósit os reforça dos com fibras
- 17-5 Fabricação de fibras e compósit os
- 17-6 Sistema s reforçad os com fibras e aplica ções
- 17-7 Materi ais compósitos lamina res
- 17-8 Exemplo s e aplica ções de compósito s lamina res
- 17-9 Estrutur as sanduíc he
- Resumo 588Resumo 588 GlossárioGlossário 589589 ProblemasProblemas
- Capítulo 18Capítulo 18 Corrosão eletroquímica
- 18-1 Corrosão eletroq uímica
- 18-2 O potenci al de eletrod o em células eletroq uímica s
- 18-3 A corrente de corrosão e a polariza ção
- 18-4 Tipos de corrosão eletroq uímica
- 18-5 Proteçã o contra a corrosão eletroq uímica
- Resumo 616Resumo 616 GlossárioGlossário 616616 ProblemasProblemas
- Apêndice A Propriedades físicas selecionadas dos metais
- Apêndice B Raios atômicos e iônicos de elementos selecionados
- Respostas a problemas selecionados
- Índice
Prefácio xvxv 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 extraordi- nária 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 determina- do 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. fundamental da engenharia de materiais.^ As^ relações entre^ processamento–estrutura–propriedades, portanto, formam o núcleo da compreensão 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 equilí- brio 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-requisitosPúblico-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 ediçãoAlterações 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.
Prefácio à edição em SI xviixvii Esta edição foi adaptada para incorporar o Sistema Internacional de Unidades ( Le Système International d’Unités ou SI) ao livro. O SystèmeO Système InternatioInternatio nal d’Unitésnal d’Unités (Sistema Internacional de Unidades)(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 livroUtilizando as unidades do SI neste livro Neste livro, empregamos as unidades dos sistemas MKS e CGS. As dos sistemas USCS ou FPS utili- zadas 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 EditoresOs Editores
capítulo (^1) 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 classifi cação 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 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 Introdução à ciência e à engenharia dos materiais 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 energia^1 durante impacto e maleável, podendo ser empregado na fabri- cação 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”?
VOCÊ JÁ SE PERGUNTOU?VOCÊ JÁ SE PERGUNTOU?
(^1) N.R.T.: Um materialque absorve muita energia antes de se romperé classificado como tenaz. OBJETIVO DE APRENDIZAGEM DO CAPÍTULOOBJETIVO 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. 11
CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO À CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS 3
de aço precisam, em caso de colisão, absorver quantidades significativas de energia, elevando assim a segu- rança 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: ComposiçãoA: Composição
- À base de ferro?
- À base de alumínio?
- Quais elementos de liga devem ser utilizados?
- Em que quantidades? B: MicroestruturaB: Microestrutura
- Quais características da microestrutura limitam a resistência mecânica e a conformabilidade?
- O que controla a resistência? C: Síntese e processamentoC: 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? Figura 1.1Figura 1.1 Aplicação do tetraedro da ciência e engenharia de materiais a chapas de aço para chassis de automóveis. Obser- ve 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.
4 CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS
Cientistas de materiais examinam o aço com o auxílio de equipamentos, como microscópios, para de- terminar 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 confor- mação 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. 1-21-2 ClassifiClassifi caçãocação dosdos materiaismateriais Há várias formas de classificação dos materiais. Uma delas considera cinco categorias (Tabela 1.1): 1.1. MetaisMetais e ligasligas. 2.2. CerâmicasCerâmicas, vidrosvidros e vitrocerâmicasvitrocerâmicas. 3.3. PolímerosPolímeros (como os plásticos). 4.4. SemicondutoresSemicondutores. 5.5. Materiaiscompósitoscompósitos. Tabela 1-1Tabela 1-1 • Aplicações, propriedades e exemplos representativos para cada categoria de materiais EExxeemmpplloossddeeaapplliiccaaççõõeess PPrroopprriieeddaaddeess Metais e ligasMetais e ligas Cobre Fioselétricos Altacondutividadeelétrica,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 Cerâmicas e vidrosCerâmicas e vidros SiO 2 -Na 2 O-CaO Vidroparajanelas Transparênciaóptica,isolamentotérmico Al 2 O 3 , MgO, SiO 2 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 Fibrasópticasparaatecnologiada informação Índice de refração adequado, baixas perdas ópticas PolímerosPolímeros Polietileno Embalagens para alimentos Facilidadede 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 SemicondutoresSemicondutores Silício Transistoresecircuitosintegrados Respostaelétricaespecífica Arseneto de gálio Sistemas optoeletrônicos Conversão de sinais elétricos em luz, lasers, diodos laser etc. (Continua)
6 CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS
Metais e ligasMetais 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 parti- cularmente 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. CerâmicasCerâmicas É possível de finir 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 exem- plos 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 tem- peraturas 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. Nor- malmente 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 resistên- cia 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 vitrocerâmicasVidros 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 pe- riódico. 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, auto- móveis, 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 srcem a materiais conhe- cidos 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. PolímerosPolímeros Em geral, os polímeros são materiais orgânicos produzidos por meio de um processo conhecido como polimerizaçãopolimerização. 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-pesorazão 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 termoplásticostermoplásticos, nos quais as longas cadeias moleculares^ não estão rigidamente conectadas, têm boa^ ducti- lidade e conformabilidade; já os polímeros termotermofixosxos 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 plásticosplásticos contêm aditivos que aprimoram as propriedades dos polímeros.
CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO À CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS 7
Figura 1-3Figura 1-3 A polimerização ocorre quando pequenas moléculas (representadas pelos círculos) se unem para produzir molécu- las 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. Átomos ou grupos de átomos com reticulação Termoplástico Termofixo SemicondutoresSemicondutores 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 eletrô- nicos. 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 semicondu- tores, 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 compósitosMateriais compósitos Ao se desenvolverem compósitos, a ideia primordial consiste em combinar as pro- priedades de diferentes materiais. Formados por dois ou mais materiais, os compósitos dão origem a proprie- dades que não são encontradas em nenhum dos materiais individualmente. Concreto, compensado e fibra de vidro são exemplos de materiais compósitos. O material conhecido como fi^ bra 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. 1-31-3 ClassificaClassifica çãoção funcionalfuncional dosdos materiaismateriais 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. AeroespaciaisAeroespaciais (^) 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 re- vestimento. A fuselagem e as asas da aeronave 787 da Boeing são, em sua maioria, compostas de polímero reforçado com fibras de carbono.