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1 sumário c APítulO 1 introdução à engenharia e ciência dos materiais Materiais e engenharia Engenharia e ciência dos materiais Tipos de materiais Materiais metálicos Materiais poliméricos Materiais cerâmicos Materiais compósitos Materiais eletrônicos Concorrência entre materiais Avanços recentes na tecnologia e na ciência dos materiais e suas tendências futuras Materiais inteligentes Nanomateriais Projeto e seleção Resumo Problemas...14 c APítulO 2 estrutura e ligações Atômicas Estrutura atômica e partículas subatômicas Números atômicos, números de massa e massas atômicas Números atômicos e números de massa Estrutura eletrônica dos átomos Teoria quântica de Planck e radiação eletromagnética Teoria de Bohr do átomo de hidrogênio Princípio da incerteza e funções de onda de Schrodinger Números quânticos, níveis de energia e orbitais atômicos Estado de energia de átomos multieletrônicos Modelo quantum-mecânico e tabela periódica Variações periódicas no tamanho atômico, na energia de ionização e na afinidade eletrônica Tendências no tamanho atômico Tendências na energia de ionização Tendências na afinidade eletrônica Metais, metaloides e não metais Ligações primárias Ligações iônicas Ligações covalentes Ligações metálicas Ligações mistas Ligações secundárias Resumo Problemas...53 c APítulO 3 estrutura cristalina e Amorfa nos materiais Rede espacial e células unitárias Sistemas cristalográficos e redes de bravais Principais estruturas cristalinas dos metais Estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC) Estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC) Estrutura cristalina hexagonal compacta (HC) Posições atômicas em células unitárias cúbicas Direções em células unitárias cúbicas Índices de Miller de planos cristalográficos em células unitárias cúbicas Planos e direções cristalográficas em células unitárias hexagonais Índices de planos cristalográficos em células unitárias HC Índices de direções em células unitárias HC Comparação entre as estruturas cristalinas CFC, HC e CCC Estruturas cristalinas CFC e HC Estrutura cristalina CCC Cálculo de densidades, planares e lineares em células unitárias Densidade Densidade atômica planar Densidade atômica linear Polimorfismo ou alotropia Determinação de estruturas cristalinas Fontes de raios X Difração de raios X...83

2 xii Sumário Análises de estruturas cristalinas por difração de raios X Materiais amorfos Resumo Problemas...91 c APítulO 4 solidificação e imperfeições cristalinas Solidificação de metais Formação do núcleo estável dentro do metal líquido Crescimento de cristais no metal líquido e formação de uma estrutura de grãos Estrutura de grão nos fundidos industriais Solidificação de monocristais Soluções sólidas metálicas Soluções sólidas substitucionais Soluções sólidas intersticiais Imperfeições cristalinas Defeitos pontuais Defeitos lineares (discordâncias) Defeitos planares Defeitos volumétricos Técnicas experimentais para identificação da microestrutura e dos defeitos Metalografia óptica, tamanho de grão ASTM e determinação do diâmetro do grão Microscopia eletrônica de varredura (MEV) Microscopia eletrônica de transmissão (MET) Microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (METAR) Microscópicos eletrônicos de varredura por sonda e alta resolução Resumo Problemas c APítulO 5 Processos termicamente Ativados e difusão em sólidos Processos cinéticos em sólidos Difusão atômica em sólidos Generalidades sobre a difusão em sólidos Mecanismos de difusão Difusão em regime estacionário Difusão em regime não estacionário Aplicações industriais de processos de difusão Cementação do aço Difusão de impurezas em lâminas de silício para circuitos integrados Efeito da temperatura na difusão em sólidos Resumo Problemas c APítulO 6 Propriedades mecânicas dos metais i Processamento de metais e ligas Fundição de metais e ligas Laminação a quente e a frio de metais e ligas Extrusão de metais e ligas Forjamento Outros processos de conformação de metais Tensão e deformação em materiais metálicos Deformação elástica e plástica Tensão e deformação de engenharia Coeficiente de Poisson Tensão e deformação de cisalhamento Ensaio de tração e diagrama de tensão Deformação de engenharia Valores das propriedades mecânicas obtidas a partir do ensaio de tração e do diagrama tensão-deformação de engenharia Comparação entre curvas de tensão- -deformação de engenharia para algumas ligas Tensão e deformação reais Dureza e ensaio de dureza Deformação plástica de monocristais Bandas e linhas de escorregamento nas superfícies de cristais metálicos Deformação plástica de cristais metálicos pelo mecanismo de escorregamento Sistemas de escorregamento Tensão de cisalhamento resolvida crítica em monocristais metálicos Lei de Schmid Maclagem Deformação plástica de metais policristalinos Efeito dos contornos de grão na resistência mecânica de metais...179

3 Sumário xiii Efeito da deformação plástica na forma dos grãos e no arranjo das discordâncias Efeito da deformação plástica a frio no aumento da resistência mecânica dos metais Endurecimento de metais por solução sólida Recuperação e recristalização de metais deformados plasticamente Estrutura de um metal fortemente deformado a frio antes do reaquecimento Recuperação Recristalização Superplasticidade em metais Metais nanocristalinos Resumo Problemas c APítulO 7 Propriedades mecânicas dos metais ii Fratura dos metais Fratura dúctil Fratura frágil Tenacidade e teste de impacto Temperatura de transição dúctil para frágil Tenacidade à fratura Fadiga de metais Tensões cíclicas Principais alterações estruturais que ocorrem em um metal dúctil durante o processo de fadiga Principais fatores que afetam a resistência à fadiga de um metal Taxa de propagação da trinca Correlação entre o comprimento da trinca e sua propagação com a tensão Gráfico da taxa de crescimento da trinca versus intervalo do fator de intensidade de tensão Cálculos para a vida em fadiga Fluência e tensão de ruptura dos metais Fluência de metais O teste de fluência Teste de ruptura por fluência Representação gráfica da fluência e tensão de ruptura tempo-temperatura usando o parâmetro de Miller Larsen Estudo de caso de falha de componentes metálicos Recentes avanços e futuras direções no melhoramento do desempenho mecânico dos metais Melhora na ductilidade e na resistência simultaneamente Comportamento em fadiga de metais nanocristalinos Resumo Problemas c APítulO 8 diagramas de Fase Diagramas de fase de substâncias puras Regra das fases de Gibbs Curvas de resfriamento Sistemas isomorfos binários Regra da alavanca Solidificação fora do equilíbrio de ligas metálicas Sistemas binários eutéticos Sistemas binários peritéticos Sistemas binários monotéticos Reações invariantes Diagramas de fases com fases e compostos intermediários Diagramas de fases ternários Resumo Problemas c APítulO 9 ligas de engenharia Produção de ferro e aço Produção de gusa em alto-forno Produção de aço e processamento dos principais produtos de aço O sistema ferro-carbono O diagrama de fase ferro-carboneto de ferro Fases sólidas no diagrama de fase Fe-Fe 3 C Reações invariantes no diagrama de fase Fe-Fe 3 C Resfriamento lento dos aços-carbono Tratamentos térmicos de aços-carbono Martensita Decomposição isotérmica da austenita Diagrama de transformação por resfriamento contínuo para aços-carbono eutetoides Recozimento e normalização dos aços-carbono...279

4 xiv Sumário Revenimento dos aços-carbono Classificação dos aços-carbono e propriedades mecânicas típicas Aços de baixa liga Classificação dos aços com ligas Distribuição dos elementos de liga nos aços com ligas Efeito de elementos de liga na temperatura eutetoide dos aços Temperabilidade Propriedades mecânicas típicas e aplicações dos aços de baixa liga Ligas de alumínio Endurecimento por precipitação Propriedades gerais e produção do alumínio Ligas de alumínio para trabalho mecânico Ligas de alumínio para fundição Ligas de cobre Propriedades gerais do cobre Produção do cobre Classificação das ligas de cobre Ligas de cobre para trabalho mecânico Aços inoxidáveis Aços inoxidáveis ferríticos Aços inoxidáveis martensíticos Aços inoxidáveis austeníticos Ferros fundidos Propriedades gerais Tipos de ferros fundidos Ferro fundido branco Ferro fundido cinzento Ferro fundido dúctil Ferro fundido maleável Ligas de magnésio, titânio e níquel Ligas de magnésio Ligas de titânio Ligas de níquel Ligas para fins especiais e aplicações Intermetálicos Ligas com memória de forma Metais amorfos Resumo Problemas c APítulO 10 materiais Poliméricos Introdução Termoplásticos Plásticos termofixos (termorrígidos) Reações de polimerização Estrutura de ligação covalente de uma molécula de etileno Estrutura de ligação covalente de uma molécula de etileno ativada Reação geral para a polimerização do polietileno e o grau de polimerização Passos para a polimerização em cadeia Peso molecular médio para termoplásticos Funcionalidade de um monômero Estrutura de polímeros lineares não cristalinos Polímeros vinil e vinilideno Homopolímeros e copolímeros Outros métodos de polimerização Métodos de polimerização industrial Cristalinidade e estereoisomeria em alguns termoplásticos Solidificação de termoplásticos não cristalinos Solidificação de termoplásticos parcialmente cristalinos Estrutura de materiais termoplásticos parcialmente cristalinos Estereisomeria em termoplásticos Catalisadores Ziegler e Natta Processamento de materiais plásticos Processos usados para materiais termoplásticos Processos usados para materiais termofixos Termoplásticos de uso generalizado Polietileno Cloreto de polivinila e copolímeros Polipropileno Poliestireno Poliacrilonitrila Estireno-acrilonitrila (SAN) ABS Metacrilato de polimetila (PMMA) Fluoroplásticos Termoplásticos de engenharia Poliamidas (nylons) Policarbonato Resinas fenilênicas baseadas em óxido Acetais Poliésteres termoplásticos Sulfeto de polifenileno Polieterimida Ligas poliméricas...368

5 Sumário xv 10.8 Plásticos termofixos (termorrígidos) Fenólicos Resinas epóxi Poliésteres insaturados Resinas de amino (ureias e melaminas) Elastômeros (borrachas) Borracha natural Borracha sintética Propriedades dos elastômeros de policloropreno Vulcanização dos elastômeros de policloropreno Deformação e reforço de materiais plásticos Mecanismos de deformação para termoplásticos Reforçando os termoplásticos Reforçando os plásticos termofixos O efeito da temperatura na resistência dos materiais plásticos Fluência e fratura dos materiais poliméricos Fluência dos materiais poliméricos Relaxamento de tensão dos materiais poliméricos Fratura dos materiais poliméricos Resumo Problemas c APítulO 11 cerâmica Introdução Estruturas cristalinas cerâmicas simples Ligações covalentes e iônicas em compostos cerâmicos simples Arranjos iônicos simples encontrados em sólidos ionicamente ligados Estrutura cristalina de cloreto de césio (CsCl) Estrutura cristalina do cloreto de sódio (NaCl) Espaços intersticiais nos retículos cristalinos CFC e HC Estrutura cristalina da blenda de sulfeto de zinco (ZnS) Estrutura cristalina do fluoreto de cálcio (CaF 2 ) Estrutura cristalina da antifluorita Estrutura cristalina do coríndon (Al 2 O 3 ) Estrutura cristalina da espinela (MgAl 2 O 4 ) Estrutura cristalina da perovskita (CaTiO 3 ) O carbono e seus alótropos Estruturas de silicato Unidade estrutural básica das estruturas de silicato Estruturas em ilha, cadeia e anel dos silicatos Estruturas em folha de silicatos Cadeias de silicatos Processamento de cerâmicas Preparação do material Formação Tratamentos térmicos Cerâmicas tradicionais e de engenharia Cerâmicas tradicionais Cerâmicas de engenharia Propriedades mecânicas das cerâmicas Generalidades Mecanismos para a deformação de materiais cerâmicos Fatores que afetam a resistência de materiais cerâmicos Resistência de materiais cerâmicos Transformação de endurecimento da zircônia parcialmente estabilizada Falha das cerâmicas por fadiga Materiais cerâmicos abrasivos Propriedades térmicas das cerâmicas Materiais refratários cerâmicos Refratários acídicos Refratários básicos Ladrilhos cerâmicos de isolamento para o ônibus espacial de órbita Vidros Definição de vidro Temperatura de transição vítrea Estrutura dos vidros Composições do vidro Deformação viscosa de vidros Métodos de formação para vidro Vidro temperado Vidro reforçado quimicamente Revestimentos cerâmicos e engenharia de superfície Vidros de silicatos Óxidos e carbetos Nanotecnologia e cerâmicas Resumo Problemas...447

6 xvi Sumário c APítulO 12 materiais compósitos Introdução Plásticos reforçados por fibras Fibras de vidro para reforçar resinas plásticas Fibras de carbono para reforçar plásticos Fibras de aramida para reforçar plásticos Comparação de propriedades mecânicas de fibras de carbono, de aramida e de vidro utilizadas para reforçar plásticos Materiais compósitos plásticos reforçados por fibras Materiais para a matriz de plásticos reforçados por fibras Materiais compósitos plásticos reforçados por fibras Equações para o módulo de elasticidade de um compósito de fibras contínuas e matriz plástica, do tipo laminado, em condições de isodeformação e de isotensão Processos de molde aberto para materiais compósitos plásticos reforçados por fibras Processo de deposição manual Processo de spray Processo de autoclave em embalagem a vácuo Processo de enrolamento de fio Processos de molde fechado para plásticos reforçados por fibras Moldagem por compressão e moldagem por injeção O processo MF ou de moldagem de folha Processo de pultrusão contínua Concreto Cimento portland Água de mistura para o concreto Agregados para o concreto Aprisionamento de ar Resistência à compressão do concreto Dosagem das misturas de concreto Concreto armado e concreto protendido Concreto protendido Asfalto e misturas asfálticas Madeira Macroestrutura da madeira Microestruturas de madeiras macias Microestrutura de madeiras rijas Estrutura da parede celular Propriedades das madeiras Estruturas em sanduíche Estrutura em sanduíche de colmeia de abelha Materiais metálicos revestidos Compósitos de matriz metálica e compósitos de matriz cerâmica Compósitos de matriz metálica (CMMs) Compósitos de matriz cerâmica (CMCs) Compósitos cerâmicos e nanotecnologia Resumo Problemas c APítulO 13 corrosão Geral Corrosão eletroquímica de metais Reações de óxido-redução Potenciais dos eletrodos da meia-pilha padrão para metais Pilhas galvânicas Pilhas galvânicas macroscópicas com eletrólitos molares Pilhas galvânicas com eletrólitos não molares Pilhas galvânicas com ácidos ou eletrólitos alcalinos sem íons metálicos presentes Corrosão microscópica de pilhas galvânicas de um eletrodo Pilhas galvânicas de concentração Pilhas galvânicas criadas por diferenças na composição, na estrutura e na tensão Taxas de corrosão (cinemática) Taxa da corrosão uniforme ou galvanização de um metal em solução aquosa Reações de corrosão e polarização Passivação Séries galvânicas Tipos de corrosão Corrosão uniforme ou por ataque geral Corrosão galvânica ou bimetálica..512

7 Sumário xvii Corrosão por pite Corrosão por frestas Corrosão intergranular Corrosão por tensão Erosão-corrosão Dano por corrosão Corrosão por atrito Lixiviação seletiva Dano causado por hidrogênio Oxidação dos metais Filmes óxidos de proteção Mecanismo da oxidação Taxa de oxidação (Cinética) Controle de corrosão Seleção de material Revestimento Design Alteração do ambiente Proteção anódica e catódica Resumo Problemas c APítulO 14 Propriedades elétricas dos materiais Condução elétrica nos metais O modelo clássico da condução elétrica nos metais A lei de Ohm Velocidade de deriva de elétrons em um metal condutor Resistividade elétrica dos metais Modelo de bandas de energia de condução elétrica Modelo de bandas de energia para metais Modelo de bandas de energia para isolantes Semicondutores intrínsecos Mecanismos de condução elétrica em semicondutores intrínsecos Transporte de cargas elétricas na rede cristalina do silício puro Diagramas de bandas de energia para semicondutores elementares intrínsecos Relações quantitativas da condução elétrica em semicondutores elementares intrínsecos O efeito da temperatura sobre a semicondutividade intrínseca Semicondutores extrínsecos Semicondutores extrínsecos do tipo n (tipo negativo) Semicondutores extrínsecos do tipo p (tipo positivo) Dopagem de materiais semicondutores de silício extrínseco Efeito da dopagem sobre as concentrações de portadores em semicondutores extrínsecos Efeito da concentração total de impurezas ionizadas sobre a mobilidade dos portadores de carga no silício à temperatura ambiente Efeito da temperatura sobre a condutividade elétrica de semicondutores extrínsecos Dispositivos semicondutores A junção p-n Algumas aplicações de diodos de junção p-n O transistor de junção bipolar Microeletrônica Transistores microeletrônicos bipolares planos Transistores microeletrônicos planos de efeito de campo Fabricação de circuitos integrados microeletrônicos Compostos semicondutores Propriedades elétricas de materiais cerâmicos Propriedades básicas dos materiais dielétricos Materiais isolantes cerâmicos Materiais cerâmicos para capacitores Semicondutores cerâmicos Materiais cerâmicos ferroelétricos Nanoeletrônica Resumo Problemas c APítulO 15 Propriedades Ópticas e materiais supercondutores Introdução A luz e o espectro eletromagnético Refração da luz Índice de refração A lei de Snell de refração da luz Absorção, transmissão e reflexão da luz Metais Vidros silicatos...584

8 xviii Sumário Plásticos Semicondutores Luminescência Fotoluminescência Catodoluminescência Emissão estimulada de radiação e lasers Tipos de lasers Fibras ópticas Perda de luz em fibras ópticas Fibras ópticas monomodo e multimodo Fabricação de fibras ópticas Sistemas de comunicação de fibra óptica modernos Materiais semicondutores Estado supercondutor Propriedades magnéticas de supercondutores Fluxo de corrente e campos magnéticos em supercondutores Supercondutores de alto campo e alta corrente Óxidos supercondutores de alta temperatura crítica (T c ) Problemas c APítulO 16 Propriedades magnéticas Introdução Campos e grandezas magnéticas Campos magnéticos Indução magnética Permeabilidade magnética Susceptibilidade magnética Tipos de magnetismo Diamagnetismo Paramagnetismo Ferromagnetismo Momento magnético de um elétron desemparelhado Antiferromagnetismo Ferrimagnetismo Efeito da temperatura sobre o ferromagnetismo Domínios ferromagnéticos Tipos de energia determinantes da estrutura dos domínios ferromagnéticos Energia de troca Energia magnetostática Energia de anisotropia magnetocristalina Energia de parede de domínio Energia magnetoestritiva Magnetização e desmagnetização de metais ferromagnéticos Materiais magnéticos moles Propriedades desejadas para materiais magnéticos moles Perdas de energia nos materiais magnéticos moles Ligas de ferro-silício Vidros metálicos Ligas de níquel-ferro Materiais magnéticos duros Propriedades dos materiais magnéticos duros Ligas alnico Ligas de terras raras Ligas magnéticas de neodímio-ferro-cobalto Ligas magnéticas de ferro-cromo-cobalto Ferritas Ferritas magneticamente moles Ferritas magneticamente duras Resumo Problemas c APítulO 17 materiais Biológicos e Biomateriais Introdução Materiais biológicos: osso Composição Macroestrutura Propriedades mecânicas Biomecânica de fratura óssea Viscoelasticidade do osso Remodelação óssea Modelo de osso compósito Materiais biológicos: tendões e ligamentos Microestrutura Propriedades mecânicas Relação estrutura e propriedades Modelagem constitutiva e viscoelasticidade Lesão no ligamento e no tendão Material biológico: cartilagem articular Composição e macroestrutura Microestrutura Propriedades mecânicas Degeneração da cartilagem Biomateriais: metais em aplicações biomédicas Aços inoxidáveis Ligas à base de cobalto...648

9 Sumário xix Ligas de titânio Alguns problemas da aplicação ortopédica de metais Polímeros em aplicações biomédicas Aplicações cardiovasculares de polímeros Aplicações oftálmicas Sistemas de fornecimento de droga Materiais de sutura Aplicações ortopédicas Cerâmicas em aplicações biomédicas Alumina em implantes ortopédicos Alumina em implantes dentários Implantes cerâmicos e conectividade ao tecido Cerâmicas nanocristalinas Aplicações de compósitos na área da biomedicina Aplicações ortopédicas Aplicações em odontologia (dentística) Corrosão em biomateriais Desgastes em implantes biomédicos Engenharia de tecidos Resumo Problemas Referências para estudos Posteriores APêndice i Algumas Quantidades Físicas e suas unidades Respostas para os exercícios selecionados glossário índice Apêndices on-line APêndice i Propriedades importantes de Alguns materiais para engenharia APêndice ii Algumas Propriedades dos Principais elementos APêndice iii Raios iônicos dos elementos