Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais - Abordagem Integrada, 4ª edição

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É muito comum no meio acadêmico encontrar quem lamente a falta de uma consciência didática, tanto no ensino quanto na elaboração de publicações e materiais de apoio na área de Engenharia. No entanto, Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Abordagem Integrada é certamente um ponto fora da curva. Toda a estrutura da obra mostra uma clara preocupação com o entendimento e a evolução gradual do estudante. É notável a quantidade de resumos, o esmero na elaboração de definições de termos, na indicação dos objetivos de aprendizagem de cada capítulo, nos estudos de casos e nas perguntas e exercícios – todos elaborados e coordenados com o intuito de preparar o estudante para os desafios da vida profissional.
Os autores – renomados profissionais e pesquisadores da disciplina –, buscaram preparar um conteúdo segundo uma abordagem integrada. Isto significa que o livro avança em blocos, permitindo que o leitor compare e analise diferenças e semelhanças no estudo da engenharia dos materiais.
Esta quarta edição ainda é complementada por uma extensa e variada coletânea de materiais suplementares on-line (em grande parte traduzida), disponível no site da LTC Editora | GEN – Grupo Editorial Nacional, mediante cadastro.

 

27 capítulos

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Capítulo 1 – Introdução

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Capítulo

1

Introdução

Um item familiar fabricado a partir de três tipos de materiais diferentes

é o vasilhame de bebidas. As bebidas são comercializadas em latas (foto superior) de alumínio (metal), garrafas (foto central) de vidro (cerâmica), e garrafas (foto inferior) plásticas (polímeros).

(A permissão para o uso dessas fotografias foi concedida pela Coca-Cola Company.

Coca-Cola, Coca-Cola Classic, o projeto da Garrafa com Contornos (Contour Bottle) e da Fita Dinâmica (Dynamic Ribbon) são marcas registradas da The Coca-Cola Company e são usadas aqui com a sua expressa permissão. Refrigerante sendo servido em um copo: © blickwinkel/Alamy.)

1

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Objetivos do Aprendizado

Após o estudo deste capítulo, você deverá ser capaz de realizar o seguinte:

1. Listar seis classificações diferentes de propriedades dos materiais que determinam sua aplicabilidade.

2. Citar os quatro componentes envolvidos no projeto, na produção e na utilização de materiais, e descrever sucintamente as inter-relações entre esses componentes.

 

Capítulo 2 – Estrutura Atômica e Ligação Interatômica

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Capítulo

2

Estrutura Atômica e

Ligação Interatômica

A

fotografia na parte debaixo desta página mostra uma lagartixa.

As lagartixas, que são lagartos tropicais inofensivos, são animais extremamente fascinantes e extraordinários. Elas têm patas extremamente aderentes (uma das quais está mostrada na terceira fotografia), que se grudam virtualmente a qualquer superfície. Essa característica torna possível que elas subam rapidamente por paredes verticais e se desloquem ao longo das partes de baixo de superfícies horizontais. De fato, uma lagartixa pode suportar a massa de seu corpo com um único dedo! O segredo dessa habilidade marcante é a presença de um número extremamente grande de pelos microscopicamente pequenos sobre cada uma das plantas de seus dedos. Quando esses pelos entram em contato com uma superfície, são estabelecidas pequenas forças de atração (isto é, forças de van der Waals) entre as moléculas dos pelos e as moléculas sobre a superfície. O fato de esses pelos serem tão pequenos e tão numerosos explica o porquê de as lagartixas se grudarem tão fortemente às superfícies. Para se liberar, a lagartixa simplesmente dobra seus dedos, descolando os pelos da superfície.

 

Capítulo 3 – Estruturas dos Metais e das Cerâmicas

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Capítulo

3

Estruturas dos Metais e das Cerâmicas

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

(Seção 3.20)] para um monocristal de magnésio. (b) Diagrama esquemático que ilustra como são produzidos os pontos (isto

é, o padrão de difração) em (a).

A barreira de chumbo bloqueia todos os feixes gerados pela fonte de raios X, exceto por um feixe estreito que se desloca em uma única direção. Esse feixe incidente é difratado por planos cristalográficos individuais no monocristal (que têm diferentes orientações), o que dá origem aos vários feixes difratados que impingem sobre a chapa fotográfica. As interseções desses feixes com a chapa aparecem como pontos quando o filme é revelado.

A grande mancha no centro de

(a) é oriunda do feixe incidente, que é paralelo a uma direção cristalográfica [0001].

Deve ser observado que a simetria hexagonal da estrutura cristalina hexagonal compacta do magnésio [mostrada em (c)] é indicada pelo padrão de pontos de difração que foi gerado.

 

Capítulo 4 – Estruturas dos Polímeros

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Capítulo

4

Estruturas dos Polímeros

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

(a)

(b) Diagrama esquemático de um cristalito polimérico com cadeias dobradas – uma região cristalina em forma de lâmina onde as cadeias moleculares (linhas/curvas vermelhas) dobram-se repetidamente sobre elas mesmas; essas dobras ocorrem nas faces do cristalito.

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

(esquemático). Os cristalitos com cadeias dobradas irradiam para fora a partir de um centro comum. Regiões de material amorfo separam e conectam esses cristalitos, nas quais as cadeias moleculares (curvas vermelhas) assumem configurações desalinhadas e desordenadas.

(d) Micrografia eletrônica de transmissão que mostra a estrutura esferulítica. Cristalitos lamelares com cadeia dobrada (linhas brancas), com aproximadamente

 

Capítulo 5 – Imperfeições nos Sólidos

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Capítulo

5

Imperfeições nos Sólidos

O

(a) Diagrama esquemático mostrando a localização do conversor catalítico no sistema de exaustão de um automóvel.

Corpo em Aço

Inoxidável

Invólucro do

Isolamento

Emissões pelo Cano de

Descarga: Água, Dióxido de

Carbono, Nitrogênio

(b) Diagrama esquemático de um conversor catalítico.

Substrato Catalítico

Gases de Exaustão:

Hidrocarbonetos,

Monóxido de Carbono,

Óxidos de Nitrogênio

s defeitos atômicos são responsáveis pelas reduções das emissões de gases poluentes pelos motores dos automóveis atuais. Um conversor catalítico é o dispositivo de redução de poluentes que está localizado no sistema de exaustão dos automóveis. As moléculas dos gases poluentes ficam presas a defeitos na superfície de materiais metálicos cristalinos encontrados no conversor catalítico. Enquanto presas a esses sítios, as moléculas sofrem reações químicas que as convertem em outras substâncias não poluentes ou menos poluentes. A seção

 

Capítulo 6 – Difusão

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Capítulo

6

Difusão

A

primeira fotografia nesta página é de uma engrenagem de aço que foi endurecida superficialmente. A camada mais externa da superfície foi endurecida seletivamente por um tratamento térmico a alta temperatura durante o qual o carbono da atmosfera circundante se difundiu para o interior da superfície. A superfície endurecida aparece como a borda escura mais externa do segmento da engrenagem que foi seccionado. Esse aumento no teor de carbono eleva a dureza da superfície (como explicado na Seção 11.7), o que por sua vez leva a uma melhoria na resistência da engrenagem ao desgaste. Além disso, são introduzidas tensões compressivas residuais nessa região da superfície; essas tensões dão origem a uma melhora na resistência da engrenagem a uma falha por fadiga durante sua operação (Capítulo 9).

Engrenagens de aço com endurecimento da superfície são usadas nas transmissões de automóveis, semelhantes àquela mostrada na fotografia diretamente abaixo da engrenagem.

 

Capítulo 7 – Propriedades Mecânicas

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Capítulo

7

Propriedades Mecânicas

A Figura (a) mostra um aparelho que mede as propriedades mecânicas dos metais usando a aplicação de forças de tração (Seções 7.3, 7.5 e 7.6). A

Figura (b) é um gráfico gerado a partir de um ensaio de tração realizado em um aparelho como esse com uma amostra de aço. Os dados representados são a tensão (eixo vertical – uma medida da força aplicada) em função da deformação (eixo horizontal

– relacionada ao grau de alongamento da amostra).

A maneira pela qual as propriedades mecânicas do módulo de elasticidade (rigidez, E), limite de escoamento (σl) e limite de resistência à tração (LRT) são determinadas está mostrada nos gráficos.

Uma ponte suspensa está mostrada na Figura

(c). O peso do pavimento da ponte e dos automóveis impõe forças de tração sobre os cabos de suspensão verticais. Essas forças são transferidas para o cabo de suspensão principal, que está em uma forma mais ou menos parabólica. A(s) liga(s) metálica(s) a partir da(s) qual(is) esses cabos são construídos deve(m) atender a certos critérios de rigidez e de resistência. A rigidez e a resistência da(s) liga(s) podem ser avaliadas a partir de ensaios realizados usando aparelhos de ensaio de tração (e os gráficos tensão-deformação resultantes) semelhantes àqueles mostrados.

 

Capítulo 8 – Mecanismos de Deformação e de Aumento da Resistência

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Capítulo

8

Mecanismos de Deformação e de Aumento da Resistência

A

fotografia mostrada na Figura ((b) é de uma lata de bebida de alumínio parcialmente conformada. Além disso, a fotomicrografia associada [Figura ((a)] representa a aparência da estrutura de grãos do alumínio – isto é, os grãos são equiaxiais (tendo aproximadamente as mesmas dimensões em todas as direções).

Uma lata de bebida totalmente conformada está mostrada na Figura ((c). A fabricação dessa lata

é feita por uma série de operações de estiramento profundo durante as quais as paredes da lata são deformadas plasticamente (isto é, são estiradas). Os grãos de alumínio nessas paredes mudam de forma – isto é, eles se alongam na direção do estiramento. A estrutura de grãos resultante apareceria semelhante àquela mostrada na fotomicrografia correspondente, Figura ((d). A ampliação das

Figuras ((a) e (d) é de 150×.

(e) Nesta fotomicrografia de um monocristal de fluoreto de lítio (LiF), os pequenos furos com formato piramidal representam as posições em que as discordâncias interceptam a superfície. A superfície foi polida e em seguida tratada quimicamente; esses “pites de ataque químico” resultam de ataques químicos localizados em torno das discordâncias e indicam a distribuição das discordâncias. Ampliação de 385×.

 

Capítulo 9 – Falha

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Capítulo

9

Falha

(a)

V

ocê já teve o incômodo de ter que fazer um esforço considerável para rasgar e abrir uma pequena embalagem plástica contendo amendoins, balas ou algum outro confeito?

Provavelmente, você também já observou que quando um pequeno rasgo (ou corte) é feito na aresta, como aparece na fotografia (a), uma força

(b)

(b) mínima é necessária para rasgar e abrir a embalagem. Esse fenômeno está relacionado a uma das premissas básicas da mecânica da fratura: uma tensão de tração aplicada é amplificada na extremidade de um pequeno rasgo ou entalhe.

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

 

Capítulo 10 – Diagramas de Fases

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Capítulo

10

Diagramas de Fases

O

gráfico nesta página de abertura é o diagrama de fases para a H2O pura. Os parâmetros representados graficamente são a pressão externa (eixo vertical, em escala logarítmica) em função da temperatura. Em certo sentido, esse diagrama é um mapa onde são delineadas as regiões para as três fases familiares – sólida

(gelo), líquida (água) e gasosa (vapor). As três curvas representam as fronteiras entre as fases, que definem as regiões. A fotografia localizada em cada região mostra um exemplo de sua fase – cubos de gelo, água líquida sendo despejada em um copo e vapor saindo de uma chaleira.

1.000

Pressão (atm)

100

10

Líquido

(Água)

Sólido

(Gelo)

1,0

0,1

Gás

(Vapor)

0,01

0,001

−20

0

20

40

60

Temperatura (ºC)

80

100

120

(Estas fotografias são uma cortesia da iStockphoto.)

Três fases para o sistema H2O estão mostradas nessa fotografia: gelo (o iceberg), água (o oceano ou mar) e vapor (as nuvens).

 

Capítulo 11 – Transformações de Fases

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Capítulo

11

Transformações de Fases

D

ois diagramas de fases pressão-temperatura são mostrados: para H2O (acima) e CO2 (abaixo).

Ocorrem transformações de fases quando são cruzadas as fronteiras entre as fases (as curvas) nesses gráficos, em consequência de uma variação na temperatura e/ou pressão. Por exemplo, o gelo derrete

(se transforma em água) quando aquecido, o que corresponde a cruzar a fronteira entre fases sólido-líquido, como representado pela seta no diagrama de fases para a H2O. De maneira semelhante, ao cruzar a fronteira entre fases sólido-gás do diagrama de fases do CO2, o gelo-seco (CO2 sólido) sublima (se transforma em CO2 gasoso). Novamente, uma seta delineia essa transformação de fases.

(Gelo derretendo: SuperStock; gelo-seco: Charles D. Winters/

Photo Researchers, Inc.)

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POR QUE ESTUDAR Transformações de Fases?

O desenvolvimento de um conjunto de características mecânicas desejáveis para um material resulta, com frequência, de uma transformação de fases, a qual é obtida por um tratamento térmico. As dependências de algumas transformações de fases em relação ao tempo e à temperatura são representadas de maneira conveniente em diagramas de fases modificados. É importante saber como usar

 

Capítulo 12 – Propriedades Elétricas

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Capítulo

12

Propriedades Elétricas

O

(a)

funcionamento dos cartões de memória modernos, usados para armazenar informações digitais, depende das propriedades elétricas particulares do silício, um material semicondutor. (O cartão de memória está discutido na Seção 12.15.)

(a) Micrografia eletrônica de varredura de um circuito integrado, composto por silício e interconexões metálicas. Ampliação de 200×.

Os componentes do circuito integrado são usados para armazenar informações em um formato digital.

(b) Fotografia de dois cartões de memória.

(c) Fotografia de um cartão de memória na sua caixa de

100 µm armazenamento.

(d) Fotografia mostrando um cartão de memória sendo inserido em uma câmera digital. Esse cartão de memória será usado para armazenar imagens fotográficas (e em alguns casos, a localização GPS).

(e) Os cartões de memória também são usados em telefones celulares para armazenar os programas necessários para se fazer e receber ligações, assim como os números de telefone chamados com frequência. O telefone celular moderno também pode ter outras funções que necessitem do armazenamento de informações ‒ mensagens de texto, jogos, atuar como câmera e/ou como gravador de vídeo.

 

Capítulo 13 – Tipos e Aplicações dos Materiais

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Capítulo

13

Tipos e Aplicações dos

Materiais

A

cima: Fotografia de bolas de bilhar feitas de fenol-formaldeído (baquelite).

O texto Materiais de Importância que segue a Seção 13.12 discute a invenção do fenol-formaldeído e seu uso em substituição ao marfim em bolas de bilhar.

Abaixo: Fotografia de uma mulher jogando bilhar.

(iStockphoto)

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POR QUE ESTUDAR os Tipos e Aplicações dos Materiais?

Os engenheiros estão com frequência envolvidos em decisões sobre a seleção de materiais, o que exige que eles tenham alguma familiaridade com as características gerais de uma ampla variedade de materiais. Além disso, o acesso a bases de dados contendo os valores das propriedades para um grande número

de materiais pode ser necessário. Por exemplo, nas Seções M.2 e M.3 do Módulo de Suporte Online para Engenharia Mecânica discutimos um processo de seleção de materiais que se aplica a um eixo cilíndrico que é tensionado em torção.

 

Capítulo 14 – Síntese, Fabricação e Processamento de Materiais

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Capítulo

14

Síntese, Fabricação e

Processamento de Materiais

A

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

A Figura (b) mostra um trabalhador inspecionando um rolo de lâmina de alumínio.

[PEPSI é uma marca registrada da PepsiCo, Inc. Usado sob permissão.

A Figura (b) é de Daniel R. Patmore/AP/Wide World Photos.]

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POR QUE ESTUDAR a Síntese, Fabricação e Processamento de Materiais?

Ocasionalmente, os procedimentos de fabricação e de processamento afetam de maneira adversa algumas das propriedades dos materiais. Por exemplo, na Seção 11.8 observamos que alguns aços podem se tornar frágeis durante tratamentos térmicos de revenido. Também, alguns aços inoxidáveis se tornam suscetíveis

 

Capítulo 15 – Compósitos

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Capítulo

15

Compósitos

E

m cima: Uma estrutura compósita relativamente complexa é o esqui moderno. Essa ilustração, uma seção transversal de um esqui de neve de alto desempenho, mostra os vários componentes. A função de cada componente está anotada, assim como o material empregado em sua construção. Ao lado: Fotografia de um esquiador em meio a uma nuvem de neve fresca.

(O diagrama na parte de cima é uma cortesia da Black Diamond

Equipment, Ltd. A fotografia na parte debaixo é da iStockphoto.)

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POR QUE ESTUDAR Compósitos?

Com o conhecimento dos vários tipos de compósitos, assim como uma compreensão da dependência de seus comportamentos em relação às características, às quantidades relativas,

à geometria/distribuição e às propriedades das fases constituintes, é possível projetar materiais com combinações de

propriedades melhores do que as encontradas em quaisquer ligas metálicas, cerâmicos e materiais poliméricos monolíticos. Por exemplo, no Exemplo de Projeto 15.1 discutimos como um eixo tubular é projetado para atender requisitos específicos de rigidez.

 

Capítulo 16 – Corrosão e Degradação dos Materiais

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Capítulo

16

Corrosão e Degradação dos Materiais

E

m cima: Fotografia de um Ford Sedan Deluxe 1936 com uma carroceria feita inteiramente em aço inoxidável não pintado. Seis desses carros foram fabricados para prover um teste definitivo quanto à durabilidade e resistência à corrosão dos aços inoxidáveis. Cada automóvel registrou centenas de milhares de quilômetros de direção diária. Embora o acabamento superficial do aço inoxidável seja essencialmente o mesmo de quando o carro deixou a linha de montagem do fabricante, outros componentes não fabricados em aço inoxidável, tais como o motor, amortecedores, freios, molas, embreagem, transmissão e engrenagens, tiveram que ser substituídos; por exemplo, um carro teve três motores.

Embaixo: Em contraste, um automóvel clássico do mesmo período que o de cima, que está enferrujando em um campo em

Bodie, Califórnia. Sua carroceria é feita em aço carbono comum, que um dia foi pintada. Essa tinta oferecia uma proteção limitada para o aço, que é suscetível a corrosão em ambientes atmosféricos normais.

 

Capítulo 17 – Propriedades Térmicas

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Capítulo

17

Propriedades Térmicas

U

m tipo de termostato – um dispositivo usado para regular a temperatura – utiliza o fenômeno da expansão térmica – o alongamento de um material ao ser aquecido. O coração desse tipo de termostato é uma tira bimetálica – tiras de dois metais com diferentes coeficientes de expansão térmica, as quais foram coladas ao longo dos seus comprimentos.

Uma mudança na temperatura faz com que a tira dobre; no aquecimento, o metal com o maior coeficiente de expansão alongará mais, produzindo a direção do dobramento mostrada na Figura (a). No termostato mostrado na Figura (b), a tira bimetálica é uma bobina ou espiral; essa configuração permite uma tira bimetálica relativamente longa, mais deflexão para uma dada variação na temperatura e maior precisão. O metal com o maior coeficiente de expansão está localizado no lado inferior da tira, tal que, no aquecimento, a bobina tende a desenrolar. Preso à extremidade da bobina encontra-se um interruptor de mercúrio

 

Capítulo 18 – Propriedades Magnéticas

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Capítulo

18

Propriedades Magnéticas

(a) Micrografia eletrônica de transmissão que mostra a microestrutura perpendicular do meio de gravação magnético usado em drives de disco rígido.

(a)

(b) Fotografia de discos rígidos de armazenamento magnético usados em computadores tipo laptop

(à esquerda) e desktop (à direita).

(b)

(c) Fotografia que mostra o interior de um drive de disco rígido. O disco circular gira tipicamente em uma velocidade de 5400 ou 7200 revoluções por minuto.

(d) Fotografia de um computador tipo laptop; um dos seus componentes internos é um drive de disco rígido.

(c)

(d)

[A Figura (a) é uma cortesia da Seagate Recording Media; a Figura (c) é uma cortesia da Seagate e a Figura (d) é de © iStockphoto.]

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POR QUE ESTUDAR as Propriedades Magnéticas dos Materiais?

Uma compreensão do mecanismo que explica o comportamento magnético permanente de alguns materiais pode nos permitir alterar e, em alguns casos, moldar as propriedades magnéticas. Por

 

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