Ciência e engenharia dos materiais - 9788522109487

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CÁLCULO – VOLS. I e II James Stewart CÁLCULO NUMÉRICO: aprendizagem com apoio de software Selma Arenales e Artur Darezzo CIÊNCIAS TÉRMICAS: termodinâmica, mecânica de fluidos e transmissão de calor Merle C. Potter e Elaine P. Scott INTRODUÇÃO À ENGENHARIA MECÂNICA – Tradução da 2ª edição norte-americana Jonathan Wickert MECÂNICA DOS MATERIAIS James M. Gere PROBABILIDADE E ESTATÍSTICA PARA ENGENHARIA E CIÊNCIAS Jay L. Devore TERMODINÂMICA Merle C. Potter e Elaine P. Scott

ISBN 13 978-85-221-0598-4 ISBN 10 85-221-0598-7

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9 788522 105984

CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS

Outras Obras

Aplicações Livro-texto para as disciplinas engenharia e ciência dos materiais e introdução à ciência dos materiais nos cursos de graduação em Engenharia.

Donald R. Askeland | Pradeep P. Phulé

O

principal objetivo deste livro consiste em fornecer uma visão geral, porém concisa, sobre os princípios da ciência e da engenharia dos materiais aos estudantes universitários de várias disciplinas da área.

Com uma abordagem integrada, são oferecidas aplicações reais para os problemas fundamentais de ciência e engenharia dos materiais. Esses exemplos abordam especificamente considerações de projeto, tais como temperatura de operação, presença de substâncias corrosivas, considerações econômicas, reciclagem e restrições ambientais, e referem-se também a materiais teóricos e cálculos numéricos, como reforço adicional para a apresentação.

A obra oferece ainda novos exemplos de aplicações modernas com materiais avançados – como os utilizados em tecnologia da informação, em sistemas de energia, sistemas microeletromecânicos com nanotecnologia (MEMS) e tecnologia biomédica.

Ciência e Engenharia dos Materiais Donald R. Askeland University of Missouri – Rolla, Emeritus Pradeep P. Phulé University of Pittsburgh

Tradução Vertice Translate All Tasks

Revisão técnica Gloria Dulce de Almeida Soares Professora da COPPE – UFRJ Engenheira Metalúrgica D. Sc em Engenharia Metalúrgica e de Materiais – COPPE – UERJ Ivan Napoleão Bastos Professor do Instituto Politécnico – UERJ Wagner Figueiredo Sacco Professor visitante do Instituto Politécnico – UERJ

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Sumário Prefácio xv Sobre os Autores

xix

Capítulo 1 Introdução à Ciência e Engenharia dos Materiais 1 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6

Introdução 1 O que é Ciência e Engenharia dos Materiais? 2 Classificação dos Materiais 5 Classificação Funcional dos Materiais 9 Classificação dos Materiais com Base na Estrutura 11 Efeitos Ambientais e Outros Efeitos 12 Projeto e Seleção de Materiais 14

RESUMO 15

GLOSSÁRIO 16

PROBLEMAS 17

Capítulo 2 Estrutura Atômica 19 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6

Introdução 19 Estrutura dos Materiais: Relevância Tecnológica 20 Estrutura do Átomo 21 Estrutura Eletrônica do Átomo 27 A Tabela Periódica 28 Ligações Atômicas 30 Energia de Ligação e Distância Interatômica 38

RESUMO 40

GLOSSÁRIO 41

PROBLEMAS 43

Capítulo 3 Arranjos Atômicos e Iônicos 46 3-1 3-2

Introdução 46 Ordem de Curto Alcance x Ordem de Longo Alcance 47 Materiais Amorfos: Princípios e Aplicações Tecnológicas 49 vii

viii

3-3 3-4 3-5 3-6 3-7 3-8 3-9

SUMÁRIO

Redes, Células Unitárias, Bases e Estruturas Cristalinas 50 Transformações Alotrópicas e Polimórficas 58 Pontos, Direções e Planos na Célula Unitária 59 Interstícios 69 Estrutura Cristalina dos Materiais Iônicos 71 Estruturas Covalentes 74 Técnicas de Difração para a Análise de Estruturas Cristalinas 75

RESUMO 77

GLOSSÁRIO 77

PROBLEMAS 80

Capítulo 4 Imperfeições nos Arranjos Atômicos e Iônicos 84 4-1 4-2 4-3 4-4 4-5 4-6 4-7 4-8

Introdução 84 Defeitos Pontuais 85 Outros Defeitos Pontuais 91 Discordâncias 92 Importância das Discordâncias 99 Lei de Schmid 100 Influência da Estrutura Cristalina 101 Defeitos Superficiais 103 Importância dos Defeitos 108

RESUMO 109

GLOSSÁRIO 110

PROBLEMAS 112

Capítulo 5 Movimentos de Átomos e Íons nos Materiais 115 5-1 5-2 5-3 5-4 5-5 5-6 5-7 5-8 5-9

Introdução 115 Aplicações da Difusão 116 Estabilidade de Átomos e Íons 118 Mecanismos de Difusão 120 Energia de Ativação para Difusão 122 Taxa de Difusão (Primeira Lei de Fick) 123 Fatores que Afetam a Difusão 126 Permeabilidade dos Polímeros 132 Perfil de Composição (Segunda Lei de Fick) 132 Difusão e o Processamento de Materiais 136

RESUMO 138

GLOSSÁRIO 138

PROBLEMAS 139

Capítulo 6 Propriedades Mecânicas: Fundamentos e Testes de Tração, Dureza e Impacto 143 6-1 6-2

Introdução 143 Importância Tecnológica 144 Terminologia das Propriedades Mecânicas 145

SUMÁRIO

6-3 6-4 6-5 6-6 6-7 6-8 6-9

Teste de Tração: Uso da Curva Tensão-Deformação 150 Propriedades Obtidas no Teste de Tração 154 Tensão e Deformação Verdadeiras 160 Teste de Flexão para Materiais Frágeis 162 Dureza dos Materiais 165 Efeitos da Taxa de Deformação e Comportamento sob Impacto 167 Propriedades Obtidas no Teste de Impacto 168

RESUMO 171

GLOSSÁRIO 171

PROBLEMAS 174

Capítulo 7 Mecânica da Fratura, Fadiga e Fluência 178 7-1 7-2 7-3 7-4 7-5 7-6 7-7 7-8 7-9 7-10

Introdução 178 Mecânica da Fratura 179 Importância da Mecânica da Fratura 182 Características Microestruturais de Fraturas em Metais 185 Características Microestruturais de Fraturas em Cerâmicas, Vidros e Compósitos 189 Distribuição de Weibull para Análise de Resistência à Fratura 190 Fadiga 196 Resultados do Ensaio de Fadiga 199 Aplicação do Ensaio de Fadiga 201 Fluência, Ruptura por Tensão e Corrosão sob Tensão 205 Avaliação do Comportamento em Fluência 207

RESUMO 209

GLOSSÁRIO 209

PROBLEMAS 211

Capítulo 8 Encruamento e Recozimento 214 8-1 8-2 8-3 8-4 8-5 8-6 8-7 8-8 8-9

Introdução 214 Relação entre Trabalho a Frio e a Curva Tensão-Deformação 215 Mecanismos de Endurecimento 220 Propriedades versus Trabalho a Frio 221 Microestrutura, Textura e Tensões Residuais 224 Características do Trabalho a Frio 228 Os Três Estágios do Recozimento 231 Características do Recozimento 234 Recozimento e o Processamento de Materiais 236 Trabalho a Quente 238

RESUMO 240

GLOSSÁRIO 240

PROBLEMAS 242

Capítulo 9 Princípios e Aplicações da Solidificação 246 9-1

Introdução 246 Significância Tecnológica 247

ix

x

9-2 9-3 9-4 9-5 9-6 9-7 9-8 9-9 9-10

SUMÁRIO

Nucleação 248 Mecanismos de Crescimento 253 Curvas de Resfriamento 259 Estrutura Bruta de Fusão 260 Defeitos de Solidificação 261 Processos de Fundição para a Produção de Componentes 264 Lingotamento Contínuo, Fundição de Lingotes e Crescimento de Monocristais 266 Solidificação de Polímeros e Vidros Inorgânicos 268 União de Materiais Metálicos 269

RESUMO 270

GLOSSÁRIO 271

PROBLEMAS 274

Capítulo 10 Soluções Sólidas e Equilíbrio de Fases 279 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7

Introdução 279 Fases e Diagrama de Fases 280 Solubilidade e Soluções Sólidas 284 Condições para a Solubilidade Sólida Ilimitada 287 Endurecimento por Solução Sólida 288 Diagramas de Fases Isomorfos 291 Correlação entre Propriedades Mecânicas e o Diagrama de Fases 300 Solidificação de uma Solução Sólida 301

RESUMO 303

GLOSSÁRIO 304

PROBLEMAS 306

Capítulo 11 Endurecimento por Dispersão de Fases e Diagramas de Fases Eutéticos 310 11-1 11-2 11-3 11-4 11-5 11-6 11-7

Introdução 310 Princípios e Exemplos de Endurecimento por Dispersão 311 Compostos Intermetálicos 312 Diagramas de Fases com Reações Trifásicas 314 Diagrama de Fases Eutético 317 Resistência Mecânica de Ligas Eutéticas 327 Ligas Eutéticas e Processamento de Materiais 332 Solidificação do Sistema Eutético em Condição de Não-Equilíbrio 334

RESUMO 335

GLOSSÁRIO 335

PROBLEMAS 337

Capítulo 12 Endurecimento por Dispersão, Transformações de Fase e Tratamento Térmico 342 12-1

Introdução 342 Nucleação e Crescimento nas Reações no Estado Sólido 343

SUMÁRIO

12-2 12-3 12-4 12-5 12-6 12-7 12-8 12-9 12-10 12-11

Ligas Endurecidas por Supersaturação 347 Endurecimento por Envelhecimento ou por Precipitação 349 Aplicações de Ligas Endurecidas por Envelhecimento 349 Evolução Microestrutural no Envelhecimento 349 Efeitos da Temperatura e do Tempo de Envelhecimento 352 Requisitos para o Envelhecimento 354 Uso de Ligas Envelhecidas em Altas Temperaturas 354 Reação Eutetóide 355 Controle da Reação Eutetóide 360 Reação Martensítica e Revenido 365

RESUMO 369

GLOSSÁRIO 370

PROBLEMAS 371

Capítulo 13 Tratamento Térmico de Aços e Ferros Fundidos 376 Introdução 376 13-1 Designação e Classificação dos Aços 377 13-2 Tratamentos Térmicos 381 13-3 Tratamentos Isotérmicos 383 13-4 Têmpera e Revenido 387 13-5 Efeito de Elementos de Liga 391 13-6 Aplicação da Temperabilidade 394 13-7 Aços Especiais 397 13-8 Tratamentos Superficiais 399 13-9 Soldabilidade do Aço 401 13-10 Aços Inoxidáveis 402 13-11 Ferros Fundidos 406

RESUMO 412

GLOSSÁRIO 413

PROBLEMAS 415

Capítulo 14 Ligas Não-Ferrosas 421 14-1 14-2 14-3 14-4 14-5 14-6

Introdução 421 Ligas de Alumínio 422 Ligas de Magnésio e Berílio 429 Ligas de Cobre 431 Ligas de Níquel e de Cobalto 434 Ligas de Titânio 438 Metais Refratários e Preciosos 444

RESUMO 446

GLOSSÁRIO 446

PROBLEMAS 447

Capítulo 15 Materiais Cerâmicos 450 Introdução 450

xi

xii

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

SUMÁRIO

Aplicações das Cerâmicas 451 Propriedades das Cerâmicas 453 Síntese e Processamento de Pós Cerâmicos 454 Características das Cerâmicas Sinterizadas 459 Vidros Inorgânicos 461 Vidro-cerâmicas 467 Processamento e Aplicações de Produtos de Argila 469 Refratários 470 Outros Materiais Cerâmicos 472

RESUMO 474

GLOSSÁRIO 475

PROBLEMAS 476

Capítulo 16 Polímeros 478 16-1 16-2 16-3 16-4 16-5 16-6 16-7 16-8 16-9 16-10 16-11

Introdução 478 Classificação de Polímeros 480 Polimerização por Adição e Condensação 483 Grau de Polimerização 486 Termoplásticos Típicos 489 Relações entre Estrutura e Propriedades dos Termoplásticos 492 Efeito da Temperatura em Termoplásticos 496 Propriedades Mecânicas dos Termoplásticos 501 Elastômeros (Borrachas) 507 Polímeros Termofixos 512 Adesivos 514 Processamento de Polímeros e Reciclagem 515

RESUMO 520

GLOSSÁRIO 520

PROBLEMAS 522

Capítulo 17 Compósitos: Cooperação e Sinergia em Materiais 525 17-1 17-2 17-3 17-4 17-5 17-6 17-7 17-8 17-9

Introdução 525 Compósitos Endurecidos por Dispersão 528 Compósitos Particulados 530 Compósitos Reforçados com Fibras 535 Características dos Compósitos Reforçados com Fibras 540 Fabricação de Fibras e Compósitos 547 Sistemas Reforçados com Fibras e Aplicações 551 Materiais Compósitos Laminares 558 Exemplos e Aplicações de Compósitos Laminares 559 Estruturas Sanduíches 561

RESUMO 562

GLOSSÁRIO 563

Apêndice A

569

Apêndice B

571

PROBLEMAS 564

SUMÁRIO

Respostas a Problemas Selecionados Tabelas de Conversão Índice Remissivo

579

577

573

xiii

Prefácio Esta edição condensada de Ciência e Engenharia dos Materiais resulta do sucesso da Quarta Edição americana de Ciência e Engenharia dos Materiais, publicada em 2003. Recebemos um retorno positivo tanto sobre o conteúdo como sobre a abordagem integrada que adotamos para desenvolver os fundamentos de ciência e engenharia dos materiais, ao apresentar aplicações e problemas reais ao estudante. O principal objetivo deste livro é fornecer uma visão geral, porém concisa, sobre os princípios da ciência e da engenharia dos materiais aos estudantes universitários de várias disciplinas. O texto contém a mesma abordagem integrada da Quarta Edição, apresentando inicialmente aplicações reais, seguido dos fundamentos científicos e dos problemas relacionados a esta área.

O conteúdo foi cuidadosamente selecionado, de modo que o leitor possa desenvolver idéias essenciais para uma sólida compreensão da ciência e engenharia dos materiais. Esta obra contém ainda novos exemplos de aplicações modernas com materiais avançados, como os utilizados em tecnologia da informação, em sistemas de energia, sistemas microeletromecânicos com nanotecnologia (MEMS) e tecnologia biomédica.

A abordagem concisa aqui empregada permite que os professores ministrem um curso introdutório à ciência e engenharia dos materiais em um semestre.

Acreditamos que, ao ler este livro, os estudantes perceberão o quanto o tema é interessante e entenderão claramente a relevância do que estão aprendendo. Incluímos vários exemplos das modernas aplicações de ciência e engenharia dos materiais que afetam a vida dos próprios estudantes. Em nossa opinião, se eles reconhecerem que muitas das maravilhas tecnológicas atuais dependem do desempenho dos materiais de engenharia, ficarão ainda mais motivados a aprender como aplicar os fundamentos aqui apresentados.

Público-Alvo e Pré-Requisitos Este livro foi desenvolvido para atender às necessidades dos estudantes de outras disciplinas e formações em engenharia, que não a de ciência e engenharia dos materiais, tais como as engenharias mecânica, industrial, de produção, química, civil, biomédica e elétrica. Ao mesmo tempo, fizemos um esforço consciente para que seu conteúdo fosse adequado aos universitários que estão se especializando em ciência e engenharia dos materiais, e também nos cursos diretamente relacionados aos materiais, como metalurgia, cerâmica, polímeros e física aplicada à engenharia. Neste sentido, a partir de uma perspectiva técnica e educacional, o conteúdo não foi “diluído” para atender a esse público extenso. Assim, os assuntos apresentados são o resultado de uma cuidadosa seleção de tópicos, com base em nossa análise das necessidades e xv

xvi

PREFÁCIO

no retorno obtido dos revisores. Evitou-se a apresentação de tópicos aprofundados referentes a propriedades eletrônicas, magnéticas, térmicas e ópticas para mantê-lo apropriado a um curso com uma abordagem essencial.

Este texto é destinado aos estudantes de engenharia que já concluíram cursos de física, química e cálculo. O conhecimento de uma introdução geral à Engenharia ou Tecnologia de Engenharia poderá ser útil, mas não necessário. O conteúdo pode ser assimilado pelos estudantes que ainda não tenham concluído disciplinas de engenharia como estática, dinâmica ou mecânica dos materiais.

Recursos Incluímos vários recursos exclusivos: Seção “Você já se perguntou?” A ilustração de abertura de cada capítulo é seguida por uma seção “Você já se perguntou?”, que traz questões concebidas para despertar o interesse do leitor, contextualizar o assunto e definir o escopo do que o leitor aprenderá no capítulo em questão.

Exemplos Acrescentamos muitos exemplos reais nos capítulos que abordam especificamente considerações de projeto, como temperatura de operação, presença de substâncias corrosivas, considerações econômicas, reciclagem e restrições ambientais. Referem-se também a materiais teóricos e cálculos numéricos, como reforço adicional para a apresentação.

Glossário Todos os termos do Glossário presentes no capítulo aparecem em negrito na primeira vez em que são incluídos no texto, o que permite uma fácil consulta às definições fornecidas no Glossário final de cada capítulo.

Respostas aos Problemas Selecionados As respostas aos problemas selecionados são fornecidas no fim do livro, para ajudar o estudante na resolução dos exercícios de cada capítulo.

Apêndices e Tabelas O Apêndice A fornece uma lista de propriedades físicas selecionadas dos metais, enquanto o Apêndice B apresenta os raios atômicos e iônicos de alguns elementos.

As tabelas no fim do livro incluem a Conversão SI e Propriedades Físicas Selecionadas dos elementos.

Estratégias para o Ensino com este Livro É possível abordar a maioria do conteúdo aqui apresentado em cursos típicos de um semestre.

Ao selecionar os tópicos apropriados, porém, o professor poderá enfatizar alguns dos materiais (metais, ligas, cerâmicas, polímeros, compósitos etc.), fornecer uma visão geral sobre eles, concentrar-se apenas no comportamento específico ou enfocar as propriedades físicas. Além disso, o texto oferece ao estudante uma referência útil para cursos mais avançados de processamento, projeto e seleção de materiais. Para os que se especializarão em ciência e engenharia dos materiais ou habilitações afins, as seções referentes a síntese e processamento poderão ser discutidas com mais detalhes.

PREFÁCIO

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Suplementos Entre os suplementos para o aluno, podemos citar: ▪ Uma página em inglês para os estudantes: www.engineering.thomson.com.

Agradecimentos É preciso ter uma equipe de muitas pessoas e trabalhar arduamente para criar um livro-texto de qualidade. Somos gratos a todos aqueles que ofereceram apoio, estímulo e críticas construtivas durante a preparação deste livro.

Em primeiro lugar, gostaríamos de agradecer aos vários professores que forneceram um proveitoso retorno à nossa pesquisa inicial para a Quarta Edição do livro Ciência e Engenharia dos Materiais: C. Maurice Balik, North Caroline State University Deepak Bhat, University of Arkansas, Fayetteville Brian Cousins, University of Tasmania Raymond Cutler, Ceramatic Inc. Arthur F. Diaz, San Jose State University Phil Guichelaar, Western Michigan University Richard S. Harmer, University of Dayton Prashant N. Kumta, Carnegie Mellon University Rafael Manory, Royal Melbourne Institute of Technology Sharon Nightingale, University of Wollongong, Austrália Christopher K. Ober, Cornell University David Poirier, University of Arizona Ramurthy Prabhakaran, Old Dominion University Lew Rabenberg, The University of Texas, Austin Wayne Reitz, North Dakota State University John Schlup, Kansas State University Robert L. Snyder, Rochester Institute of Technology J. Rasty, Texas Tech University Lisa Friis, University of Kansas Blair London, California Polytechnic State University, San Luis Obispo Yu-Lin Shen, University of New Mexico Stephen W. Stafford, University of Texas, El Paso Rodney Trice, Purdue University David S. Wilkinson, McMaster University Indranath Dutta, Naval Postgraduate School Certamente somos gratos a todos da Thomson Engineering por seu encorajamento, compreensão e paciência ao permitir que este livro se concretizasse: Julie Ruggiero, John More e Verno Boes.

Gostaríamos ainda de agradecer a três pessoas em particular, por seus diligentes esforços: a Bill Stenquist, nosso editor, que determinou o tom de excelência e proporcionou visão, ex-

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PREFÁCIO

periência e liderança para a criação de um produto de qualidade; a Rose Kernan, nossa editora de desenvolvimento e produção, que trabalhou longas horas para aperfeiçoar nossa redação e produzir um texto de qualidade desde as primeiras páginas do manuscrito até o produto final; e também ao Dr. Deepa Godbole e a Mayur Pangrekar, aos quais nunca poderemos retribuir os grandes esforços, o trabalho árduo e a dedicação.

Pradeep Phulé agradece particularmente à sua esposa, Dra. Jyotsna Phulé, e a seus filhos Aarohee e Suyash pela paciência, compreensão e estímulo. É grato a seus pais, Prabhakar e Pratibha Fulay, pelo apoio e encorajamento. Os agradecimentos vão também para o professor S. H. Risbud, da University of California-Davis, pelo seu aconselhamento e estímulo, e a todos os colegas que forneceram muitas ilustrações de utilidade.

Donald R. Askeland University of Missouri-Rolla, Professor Emérito Pradeep P. Phulé University of Pittsburgh

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 Darthmouth 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 Eductional 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.

Pradeep P. Phulé é professor de Ciência e Engenharia dos Materiais na University of Pittsburgh. Juntou-se a esta universidade em 1989, tendo sido promovido a professor assistente em 1994 e a professor titular em 1999. Recebeu o título de Ph.D. em Ciência e Engenharia dos Materiais pela University of Arizona (1989), além de um B. Tech (1983) e um M. Tech (1984) em Engenharia Metalúrgica pelo Indian Institute of Technology Bombay (Mumbai), na Índia. É autor de quase 60 publicações e possui duas patentes registradas nos Estados Unidos.

Recebeu prêmios de pesquisa da Fundação Alcoa e da Fundação Ford.

O Dr. Phulé tem se distinguido como professor e educador e foi recentemente incluído no Faculty Honor Hall da University of Pittsburgh (2001) por serviços e docência excepcionais.

Entre 1992 e 1999, foi Membro Sênior da William Kepler Whiteford Faculty, na University of Pittsburgh. De agosto a dezembro de 2002, atuou como pesquisador visitante no Ford Scientific Research Laboratory em Dearbon, MI. Suas principais áreas de pesquisa envolvem síntese química e processamento de materiais cerâmicos, cerâmicas eletrônicas e magnéticas, além do desenvolvimento de materiais e sistemas inteligentes. Foi presidente do Ceramic Educational Council (2003-2004) e é membro do Comitê de Programas da Divisão de Eletrônica da American Ceramic Society desde 1996.

Exerceu ainda o cargo de editor assistente do Journal of the American Ceramic Society (de 1994 a 2000) e tem sido o principal organizador de simpósios sobre cerâmica para processamento sol-gel, comunicações sem fio e estruturas e sensores inteligentes. Em 2002, Dr. Phulé foi eleito Membro Sênior da American Ceramic Society. Suas pesquisas tiveram o apoio da National Science Foundation (NSF) e de outras organizações. xix

1 Introdução à Ciência e Engenharia dos Materiais Você já se perguntou?

O que estudam os cientistas e engenheiros de materiais?

Como o aço em chapas pode ser processado para gerar um material leve com elevada resistência, absorvedor de energia1 e maleável, empregado na fabricação de chassis de automóveis?

Podemos fazer circuitos eletrônicos leves e flexíveis utilizando plásticos?

O que é um „material inteligente‰?

Neste capítulo, vamos primeiro apresentar o campo da ciência e engenharia dos materiais (CEMat), utilizando vários exemplos do mundo real. Em seguida, vamos fornecer uma introdução à classificação dos materiais. A ciência dos materiais é a base de todos os avanços tecnológicos, e uma boa compreensão dos fundamentos dos 1

materiais e suas aplicações não só fará de você um engenheiro mais capacitado, como também poderá ajudá-lo na fase de projeto. Para ser um bom projetista, você deve aprender quais materiais são apropriados às diferentes aplicações. O aspecto mais importante dos materiais é serem facilitadores, ou seja, tornarem as coisas viáveis. Na

Um material que absorve muita energia antes de se romper é classificado como tenaz. (NRT)

1

2

Ciência e Engenharia dos Materiais

história da civilização, por exemplo, 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 capítulo e ao longo do livro todo, vamos fornecer exemplos interessantes sobre as aplicações reais de materiais pro-

1-1

jetados. 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 dos materiais e saber aplicar esses princípios. Cada capítulo se inicia com uma seção intitulada Você já se perguntou?

Essas perguntas foram concebidas para despertar sua curiosidade, contextualizar o assunto e definir o escopo do que você vai aprender no capítulo em questão.

O que é Ciência e Engenharia dos Materiais?

Ciência e Engenharia dos Materiais (CEMat) é um campo interdisciplinar voltado à invenção de novos materiais e ao aperfeiçoamento dos já conhecidos, mediante o desenvolvimento da correlação composição-microestrutura-síntese-processamento. O termo composição indica a constituição química de um material. Já o termo microestrutura 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 encontradas na natureza ou sintetizadas 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 dos materiais concentra-se nos fundamentos científicos da correlação entre síntese e processamento, microestrutura e propriedades dos materiais. A engenharia dos 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, neste 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, vai notar que ele parece o mesmo; no entanto, sua estrutura foi alterada em uma escala muito reduzida, isto é, microscópica.

Nessa escala microscópica a estrutura é conhecida como microestrutura. Se pudermos compreender o que mudou microscopicamente, começaremos a descobrir meios de controlar as propriedades dos materiais.

Vamos usar o tetraedro da ciência e engenharia dos materiais para avaliar um produto, como por exemplo, os supercondutores cerâmicos, descobertos em 1986 (Figura 1-1). Tal-

Introdução à Ciência e Engenharia dos Materiais

Desempenho Custo

3

• Qual é a capacidade de transporte de cargas elétricas?

• Qual é o custo de fabricação?

A: Composição

C: Síntese e processamento • Como é possível produzir pós com elevada pureza, homogêneos, com granulometria fina e estequiometria bem definida?

• Como podemos fabricar fios longos?

B: Microestrutura • Que características microestruturais limitam a capacidade de transporte de cargas elétricas?

• Qual é a textura do material?

Figura 1-1 Aplicação do tetraedro de ciência e engenharia dos materiais aos supercondutores cerâmicos. Observe que os fatores microestrutura-síntese e processamento-composição estão inter-relacionados e afetam a razão desempenho-custo.

vez você saiba que, em geral, os produtos cerâmicos não conduzem eletricidade. Cientistas descobriram, por acaso, que determinados compostos cerâmicos baseados em óxidos de ítrio, bário e cobre (conhecidos como YBCO2) podem, sob certas condições, transportar correntes elétricas sem qualquer resistência. Com o que se conhecia sobre os supercondutores metálicos e as propriedades elétricas das cerâmicas, não havia expectativa de que existissem materiais cerâmicos com comportamento supercondutor. Portanto, o primeiro passo nesse caso foi a descoberta do comportamento supercondutor em materiais cerâmicos. Porém, encontrou-se uma limitação nesses materiais: a de só apresentarem um comportamento supercondutor em baixas temperaturas (<150 K).

O passo seguinte consistia em determinar como melhorar as propriedades desses materiais. Nesse caso, “melhorar” significa: Como podemos reter o comportamento supercondutor nesses materiais em temperaturas mais elevadas? Como podemos ter elevada densidade de corrente em fios por grandes distâncias? Isso envolve processamento de materiais e estudos aprofundados da correlação propriedades-estrutura. No caso, os cientistas queriam saber como a composição e a microestrutura afetavam o comportamento supercondutor. Assim, eles precisavam descobrir também se outros compostos poderiam apresentar supercondutividade. Por meio de experimentação, os cientistas desenvolveram, então, uma síntese controlada de pós ultrafinos ou filmes finos, que são utilizados na produção de dispositivos.

2 YBCO

= Yttrium Barium COpper. (NRT)

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Ciência e Engenharia dos Materiais

Pensando de acordo com a engenharia dos materiais, vamos supor que desejamos determinar a possibilidade de produzir fios longos para transmissão de energia. Em termos práticos, queremos saber se é viável fabricar fios supercondutores de grandes extensões, de modo confiável e reprodutível, que sejam superiores em desempenho aos atuais fios de cobre e alumínio. É possível produzi-los com uma boa relação custo-benefício?

O próximo desafio consiste, então, em fabricar grandes extensões de fios cerâmicos supercondutores. Como os supercondutores cerâmicos são frágeis, fios longos representam um verdadeiro desafio. Portanto, é preciso desenvolver técnicas de processamento de materiais para criar esses novos fios. Uma forma bem-sucedida de produzi-los consiste em preencher tubos de prata com pós cerâmicos supercondutores e moldá-los no formato de fios.

Embora a descoberta de supercondutores cerâmicos tenha causado bastante alvoroço, a tarefa de converter esta descoberta em produtos úteis tem enfrentado muitos desafios, relacionados à síntese e ao processamento de tais materiais.

Algumas vezes, a descoberta de novos materiais, fenômenos ou dispositivos é classificada como revolucionária como a descoberta do transistor de silício, usado em chips de computadores. Por outro lado, os materiais aprimorados ao longo do tempo podem ser igualmente importantes; esses materiais são conhecidos como evolutivos. Muitas ligas à base de ferro e de cobre, entre outros, são exemplos de materiais evolutivos. Evidentemente, é importante reconhecer que vários materiais hoje considerados evolutivos, foram, na realidade, revolucionários no passado. É comum que materiais e fenômenos sejam descobertos em determinada época e que os produtos e processos comerciais relacionados a esses materiais só apareçam no mercado muitos anos depois. A transição entre o desenvolvimento de novos materiais ou processos e suas aplicações comerciais ou industriais úteis pode ser lenta e difícil.

Vamos analisar outro exemplo, ainda empregando o tetraedro da ciência e engenharia dos materiais. Vamos considerar o “aço em chapas” usado na fabricação de chassis de automóveis.

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 material com resistência bastante elevada, mas que ainda possibilite a conformação de superfícies com 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 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 em chapas: ▪ composição química; ▪ resistência mecânica; ▪ peso; ▪ propriedades de absorção de energia; e ▪ maleabilidade (conformabilidade).

Os cientistas de materiais examinam o aço com o auxílio de microscópios para determinar se suas propriedades podem ser alteradas, a fim de que que tais requisitos sejam atendidos.

Assim, eles devem processar esse material sob a forma de chassis de automóveis atendendo ainda a requisitos de economia. O processo de fabricação irá afetar as propriedades mecânicas do aço? Que tipos de recobrimento podem ser desenvolvidos para tornar o aço resistente à corrosão? Além disso, é preciso saber se tais aços podem ser soldados com facilidade. A partir desta análise, é possível notar quantas questões devem ser consideradas durante o projeto e a seleção de materiais para qualquer produto.

Introdução à Ciência e Engenharia dos Materiais

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Classificação dos Materiais

1-2

Há várias formas de classificação dos materiais. Uma delas considera cinco categorias (Tabela 1-1): 1.

2.

3.

4.

5.

metais e ligas; cerâmicas, vidros e vidro-cerâmicas; polímeros (plásticos); semicondutores; e materiais compósitos.

TABELA 1-1 ■ Aplicações, propriedades e exemplos representativos para cada categoria de materiais

Metais e Ligas Cobre

Exemplos de Aplicações

Propriedades

Fios elétricos

Alta condutividade elétrica, boa conformabilidade Fundibilidade, usinabilidade, amortecimento de vibrações Endurecibilidade por tratamento térmico

Ferro fundido cinzento

Blocos de motores para automóveis

Aços-liga

Ferramentas, chassis de automóveis

Cerâmicas e Vidros SiO2-Na2O-CaO Al2O3, MgO, SiO2 Titanato de bário Sílica Polímeros Polietileno

Epóxi Fenólicos Semicondutores Silício GaAs Compósitos Epóxi reforçado com carbono Liga de cobalto reforçada com carbeto de tungstênio (WC-Co) Aço revestido com titânio

Vidro para janelas Refratários (revestimento resistente ao calor para fornos de fusão) Capacitores para microeletrônica Fibras ópticas para a tecnologia da informação Embalagens para alimentos

Encapsulamento de circuitos integrados Adesivos para união de camadas de compensado

Transparência óptica, isolamento térmico Isolamento térmico, refratariedade, inércia química Grande capacidade de armazenamento de cargas elétricas Índice de refração adequado, baixas perdas ópticas Facilidade de ser moldado para produzir filmes finos, flexibilidade e hermetismo Isolante elétrico e resistência à umidade Resistência mecânica e à umidade

Transistores e circuitos integrados Sistemas opto-eletrônicos

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

Componentes para aviação

Elevada razão resistência-peso

Ferramentas de corte de carbeto para usinagem

Elevada dureza conjugada com boa resistência a choques

Vasos para reatores

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

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Ciência e Engenharia dos Materiais

Resistência mecânica (MPa)

2.068,4 MPa ≅ 2.100 MP 2

Metais e Ligas – Liga de cobalto Compósitos – Epóxicarbono

1.379 MPa 1.400 MP2

– EpóxiKevlar®4

≅

Cerâmicas 689,5 MPa ≅ 700 MP 2

0

– Poliimidaboro – Poliimidacarbono

Polímeros – PEEK3 – Náilon – Polietileno

– Poliéstervidro

– Aço de alta resistência mecânica – 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 representativas de várias categorias de materiais.

Os materiais de cada um desses grupos apresentam estruturas e propriedades distintas.

As diferenças em resistência, 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 a inclinação da reta tensão-deformação neste trecho é conhecida 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 são analisados mais profundamente no Capítulo 6.

Metais e Ligas Incluem aços, alumínio, magnésio, zinco, ferro fundido, titânio, cobre, níquel etc. 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 melhor combinação de propriedades. A vista em corte de uma turbina de avião, mostrada na Figura 1-3, ilustra o uso de materiais metálicos em aplicações tecnológicas críticas.

Cerâmicas Pode-se definir as cerâmicas como materiais cristalinos inorgânicos. As cerâmicas podem ser consideradas os materiais mais “naturais” que existem. De fato, a areia das 3 4

PEEK é poli-éter-éter-cetona. (NRT) Kevlar é o nome dado pela empresa DuPont® a um tipo de fibra polimérica sintética. (NRT)

Introdução à Ciência e Engenharia dos Materiais

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Figura 1-3 Vista em corte de uma turbina de avião. A seção de compressão dianteira, que opera de baixas a médias temperaturas, utiliza geralmente componentes de titânio. A seção de combustão traseira, porém, opera com altas temperaturas – o que requer o uso de superligas de níquel. A cápsula externa está exposta a baixas temperaturas, sendo satisfatório o emprego de alumínio e compósitos. (Cortesia da GE Aircraft Engines)

praias e as rochas são exemplos de cerâmicas em estado natural. As cerâmicas avançadas são materiais feitos com o refino de cerâmicas naturais e por outros processos especiais. Essas cerâmicas 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, como placas isolantes para ônibus espaciais, suportes para catalisadores e sensores de oxigênio para automóveis. Quanto às cerâmicas tradicionais, são empregadas em tijolos, louças de cozinha, louças sanitárias, refratários (materiais resistentes ao calor) e abrasivos. Em geral, devido à presença de porosidade (pequenos orifícios), as cerâmicas não são boas condutoras de calor e devem ser aquecidas a temperaturas altíssimas antes de fundir. Além disso, as cerâmicas são resistentes e rígidas, mas também bastante frágeis. Normalmente são preparados pós finos de cerâmica, que serão moldados em diferentes formatos. Novas técnicas de processamento tornaram as cerâmicas suficientemente resistentes à fratura, a ponto de serem usadas em aplicações estruturais – tais

Figura 1-4 Componentes complexos feitos em cerâmica, incluindo rotores e lâminas, que permitem a operação mais eficiente de turbinas em temperaturas elevadas.

(Cortesia da Certech, Inc.)

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Ciência e Engenharia dos Materiais

como rotores de turbinas (Figura 1-4). As cerâmicas ainda apresentam excepcional resistência à compressão. Você acreditaria que todo o peso de um caminhão de bombeiros pode ser suportado por apenas quatro xícaras de cerâmicas semelhantes às de café?

Vidros e Vidro-cerâmicas O vidro é um material amorfo, geralmente (mas nem sempre) obtido a partir da sílica fundida. O termo “amorfo” refere-se a materiais que não possuem um arranjo atômico regular e periódico. Os materiais amorfos são 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. Eles podem ser tratados termicamente (temperados) para que se tornem mais resistentes. A formação de vidros seguida da nucleação (criação) de pequenos cristais no seu interior, por meio de um processo térmico especial, dá origem a materiais conhecidos como vidro-cerâmicas. O Zerodur® é um exemplo de vidro-cerâmica usada na fabricação de substratos espelhados para grandes telescópios (como os telescópios Chandra e Hubble). Tanto os vidros como as vidro-cerâmicas 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, podemos citar as borrachas (elastômeros) e muitos tipos de adesivos. Vários polímeros apresentam elevada resistividade elétrica. Além disto, podem fornecer bom isolamento térmico. Embora tenham baixa resistência, os polímeros 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 também mais frágeis, pois suas cadeias moleculares apresentam ligações cruzadas, também denominadas reticulação (Figura 1-5). 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. Emprega-se o termo plástico para descrever materiais poliméricos que contêm aditivos.

Átomos ou grupos de átomos com reticulação

Termoplástico

Termofixo

Figura 1-5 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).

Introdução à Ciência e Engenharia dos Materiais

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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 de materiais conhecidos 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 a possibilitar a fabricação de componentes eletrônicos (tais como transistores, diodos etc.) empregados em circuitos integrados. Muitas aplicações requerem grandes cristais individuais (monocristais) de semicondutores, que são formados a partir de materiais fundidos. Costuma-se também produzir filmes finos de materiais semicondutores por meio de processos especializados.

Materiais Compósitos Ao se desenvolverem compósitos, a idéia 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. A fibra de vidro, por exemplo, é obtida 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 às 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, tais como polímeros reforçados com fibra de carbono. 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 1-6, com alguns exemplos de cada categoria. Tais categorias 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 vôo dos irmãos Wright. Hoje em dia, os ônibus espaciais da NASA utilizam pó de alumínio nos foguetes de propulsão. Ligas de alumínio, plásticos, sílica (para as placas de revestimento externo do ônibus espacial) e muitos outros materiais pertencem a essa categoria.

Biomédicos Nossos ossos e dentes são formados, em parte, por uma cerâmica formada naturalmente, denominada hidroxiapatita. Vários órgãos artificiais, substitutos de ossos, 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 ultra-som empregam cerâmicas conhecidas como PZT (titanato zirconato de chumbo). 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 (como os feitos de silício, por exemplo) são utilizados na fabricação de circuitos integrados de computador. Titanato de bário (BaTiO3), óxido de tântalo (Ta2O5) e vários outros materiais dielétricos são empregados

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Ciência e Engenharia dos Materiais

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, A12O3, 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, γ-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, Polímeros condutores

Tecnologias Energética e Ambiental UO2, Ni-Cd, ZrO2, LiCoO2, Si:H amorfo

Figura 1-6 Classificação funcional dos materiais. Observe que metais, plásticos e cerâmicas aparecem em categorias diferentes. Alguns exemplos típicos de cada categoria são apresentados.

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.

Tecnologia de Energia e Tecnologia Ambiental A indústria nuclear usa materiais como combustível nuclear, principalmente o dióxido de urânio e o plutônio. Vários outros materiais, 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 também polímeros. A tecnologia de baterias tem enorme importância, em razão das necessidades de vários aparelhos eletrônicos, que requerem fornecimento de energia por longa duração e que também seja portátil. As células de combustível, por sua vez, serão utilizadas também nos carros elétricos. A indústria de petróleo utiliza 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 usam cerâmicas e

Introdução à Ciência e Engenharia dos Materiais

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plásticos. A luz solar gera eletricidade com o uso de materiais como o silício amorfo (a:Si:H), sendo essa fonte de energia chamada de energia solar.

Materiais Magnéticos Os discos rígidos de computadores e os videocassetes utilizam vários materiais cerâmicos, metálicos e poliméricos. Partículas de um tipo especial de óxido de ferro (conhecido como óxido de ferro gama [γ-Fe2O3]), por exemplo, são depositadas em um substrato polimérico para a produção de fitas cassetes de áudio. Partículas de ferro de alta pureza são empregadas também na fabricação de fitas de vídeo. 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 utilizadas 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 utilizada na produção de fibras ópticas.

Cerca de dez 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, emprega-se alumina (Al2O3) e granadas de ítrio-alumínio (YAG5) 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 passíveis. 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 magnetoreológicos ou MR. 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 de atenuação automática.

Materiais Estruturais Esses 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, de menos de um nanômetro6 (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).

5 6

YAG é Yttrium Aluminum Garnets. (NRT) 1 nm = 10–9m. (NRT)

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Ciência e Engenharia dos Materiais

Figura 1-7 Micrografia do aço inoxidável exibindo grão e contornos de grão. (Cortesia dos Drs. Hua e Deardo – Universidade de Pittsburgh)

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 Figura 1-7 mostra uma micrografia de uma amostra de aço inoxidável (onde aparecem os grãos e os contornos de grão).

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 são 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 1-8). Metais e ligas que foram endurecidos por tratamentos térmicos ou durante

Ce

Superliga

râm

mín

ica s

de níquel

Compósito de alumínio reforçado com fibras io

Alu

Resistência mecânica

Compósito de carbono-carbono

.

.

Temperatura

.

Figura 1-8 Em geral, o aumento de temperatura reduz a resistência dos materiais. 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.

Introdução à Ciência e Engenharia dos Materiais

Comandos de direção operados eletricamente

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Formato aerodinâmico do protótipo

Placas para proteção térmica de superfícies metálicas Fuselagem de compósito

Motores integrados tipo aerospike

Tanques de propelente de compósito

Componentes de titânio resistentes a altas temperaturas

Figura 1-9 Diagrama esquemático do protótipo de um avião X-33. Observe o uso de materiais distintos nas diferentes partes. Esses veículos testarão vários componentes para a espaçonave Venturestar. (Do artigo “A Simpler Ride into Space”, de T. K. Mattingly, revista Scientific American, outubro de 1997, p. 125 – Copyright © 1997 Slim Films)

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.

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 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. Vamos discutir esses conceitos nos próximos capítulos.

O projeto de materiais com resistência a temperaturas extremas é essencial em várias tecnologias aeroespaciais. Em velocidades elevadas ocorre grande aquecimento da superfície do veículo devido ao atrito com o ar. Ao mesmo tempo, os motores operam de modo mais eficiente em altas temperaturas. Assim, para obter maior velocidade e economizar combustível, novos materiais permitiram aumentar gradualmente as temperaturas máximas admissíveis na superfície da espaçonave e nos motores, ainda que a origem da elevada temperatura seja diferente. No entanto, os engenheiros de materiais deparam continuamente com novos desafios.

O X-33 e o Venturestar são exemplos de veículos avançados reutilizáveis, destinados ao transporte de passageiros no espaço, utilizando motores de foguete de um só estágio. A Figura 1-9 mostra esquematicamente o protótipo do X-33. Será preciso desenvolver materiais e técnicas de processamento inéditas para enfrentar as altas temperaturas que poderão ser encontradas futuramente.

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

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CÁLCULO – VOLS. I e II James Stewart CÁLCULO NUMÉRICO: aprendizagem com apoio de software Selma Arenales e Artur Darezzo CIÊNCIAS TÉRMICAS: termodinâmica, mecânica de fluidos e transmissão de calor Merle C. Potter e Elaine P. Scott INTRODUÇÃO À ENGENHARIA MECÂNICA – Tradução da 2ª edição norte-americana Jonathan Wickert MECÂNICA DOS MATERIAIS James M. Gere PROBABILIDADE E ESTATÍSTICA PARA ENGENHARIA E CIÊNCIAS Jay L. Devore TERMODINÂMICA Merle C. Potter e Elaine P. Scott

ISBN 13 978-85-221-0948-7 ISBN 10 85-221-0948-6

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CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS

Outras Obras

Aplicações Livro-texto para as disciplinas engenharia e ciência dos materiais e introdução à ciência dos materiais nos cursos de graduação em Engenharia.

Donald R. Askeland | Pradeep P. Phulé

O

principal objetivo deste livro consiste em fornecer uma visão geral, porém concisa, sobre os princípios da ciência e da engenharia dos materiais aos estudantes universitários de várias disciplinas da área.

Com uma abordagem integrada, são oferecidas aplicações reais para os problemas fundamentais de ciência e engenharia dos materiais. Esses exemplos abordam especificamente considerações de projeto, tais como temperatura de operação, presença de substâncias corrosivas, considerações econômicas, reciclagem e restrições ambientais, e referem-se também a materiais teóricos e cálculos numéricos, como reforço adicional para a apresentação.

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