FICHA TÉCNICA. TÍTULO Materiais de construção. EDITORA Publindústria - Edições Técnicas. FORMATO: 170 x 240 mm NÚMERO DE PÁGINAS: 464 aprox.

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1 AUTORES Lucas Filipe Martins da Silva, Fernando Jorge Lino Alves, António Torres Marques EDITORA Publindústria - Edições Técnicas DISTRIBUIÇÃO Engebook - Conteúdos de Engenharia e Gestão FORMATO: 170 x 240 mm NÚMERO DE PÁGINAS: 464 aprox. ISBN (papel (e-book SOBRE A EDITORA A Publindústria assume como missão estratégica a produção de conteúdos direcionados para a Indústria Transformadora. Entre os nossos produtos comunicacionais destacamos a edição de revistas técnico-científicas, uma atividade editorial que iniciámos e vimos a aprofundar desde há 25 anos. A edição de livros técnicos e manuais universitários é uma área de negócios emergente, um desafio e uma prova do envolvimento da Publindústria com os técnicos e cientistas portugueses. Estamos apostados em ocupar o reduzido nicho de mercado do livro técnico nos mais diversos domínios da ciência e tecnologia, que contenham uma forte componente pedagógica e/ou formativa. SOBRE O LIVRO Esta obra é, acima de tudo, uma ferramenta didática que pretende dar apoio aos estudantes de pré-graduação no estudo de materiais de construção mecânica, civil, etc. Não se pretende, de modo algum, fazer uma apresentação exaustiva de todos os materiais, mas apenas tratar as matérias mais relevantes para engenheiros envolvidos em aplicações estruturais. Os fundamentos teóricos sobre a ciência dos materiais (química, ligações atómicas, propriedades mecânicas e físicas, etc. não são descritos, sendo somente abordados materiais de engenharia, descrevendo as suas estruturas, os seus métodos de fabrico e as propriedades importantes para diferentes aplicações. Esta obra está dividida em quatro partes: metais, cerâmicos, polímeros e compósitos. SOBRE OS AUTORES Lucas Filipe Martins da Silva Nasceu em França em Licenciou-se em Engenharia Mecânica pela Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP em Fez o mestrado pela FEUP em Doutorou-se pela Universidade de Bristol, Inglaterra, em É atualmente Professor Auxiliar com Agregação da FEUP na área do Comportamento Mecânico dos Materiais e Coordenador da Secção de Materiais e Processos Tecnológicos. Publicou 111 artigos em revistas internacionais ISI (90 como autor e 21 como editor e 18 livros. De acordo com a SCOPUS, tem um índice h de 19. É editor da revista The Journal of Adhesion. É presidente da Associação Portuguesa de Adesão e Adesivos. É chairman das conferências AB (Adhesive Bonding e CLBA (Conferência Luso-Brasileira de Adesão e Adesivos. Fernando Jorge Lino Alves Professor Associado do Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Doutorado em Ciências e Engenharia dos Materiais, tem realizado trabalho de investigação na área de desenvolvimento de produto. É docente de diversas unidades curriculares na área dos materiais e processos tecnológicos e é Diretor do Curso de Mestrado em Design Industrial e Cursos de Especialização e Estudos Avançados em Design e Desenvolvimento de Produto. Publicou em coautoria 1 livro sobre Fabrico Aditivo, mais de 150 artigos em revistas, capítulos de livros e conferências, e tem 7 prémios em concursos nacionais e internacionais. António Torres Marques Nasceu no Porto, Portugal, em 12 de setembro de Licenciou-se em Engenharia Mecânica na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP em 1972, tem um Mestrado em Polímeros (1977 e um Doutoramento (1981 em Materiais Compósitos do Cranfield Institute of Technology (Reino Unido. Possui, desde 2001, o título de Agregado da FEUP, onde é, desde fevereiro de 2002, Professor Catedrático no Departamento de Engenharia Mecânica. As suas áreas de interesse, na investigação e ensino, são Polímeros e Compósitos de Matriz Polimérica, Biomecânica, Saúde e Segurança Ocupacional. Foi responsável por vários projetos de I&D, em particular com a indústria. Página 1 de 5

2 Prefácio 1. Introdução 1.1. História 1.2. Ciência e engenharia dos materiais 1.3. Propriedades dos materiais Propriedades mecânicas Propriedades térmicas Propriedades elétricas, magnéticas e óticas Propriedades químicas 1.4. Processos 1.5. Classificação dos materiais Metais Cerâmicos Polímeros Compósitos Parte A: Metais 2. Aços 2.1. Diagrama de equilíbrio ferro-carbono 2.2. Aços ao carbono Constituição no estado recozido Influência da velocidade de arrefecimento nos pontos de transformação e na microestrutura Temperaturas de transformação Microestrutura dos aços Relações entre a microestrutura e as propriedades mecânicas: caso dos aços ferrito-perlíticos Resultados experimentais Influência do teor em carbono Influência da microestrutura 2.3. Aços ligados Influência dos elementos de liga nas condições de equilíbrio e nas transformações Influência no ponto eutectoide Influência no domínio austenítico Elementos carborígenos e não carborígenos Influência dos elementos de liga nas propriedades dos aços no estado recozido Influência dos elementos solúveis na fase ferrítica Influência dos elementos de liga nos carbonetos Ação dos elementos de liga formando precipitados 2.4. Tratamentos térmicos dos aços Transformações isotérmicas da austenite Transformações com difusão Transformação sem difusão ou martensítica Parâmetros influenciando as transformações da austenite Influência da composição da austenite Influência das condições de austenitização Diagramas TTT isotérmicos Diagramas TRC Recozidos Recozido completo ou simplesmente recozido Recozido de homogeneização ou de difusão Recozido de normalização Recozido de amaciamento ou de globulização Recozido de relaxação ou de distensão Recozido isotérmico Têmpera Austenitização Arrefecimento Tensões residuais Têmpera com estágio martensítica ou martêmpera Têmpera bainítica ou austêmpera Temperabilidade Fatores influenciando a temperabilidade Utilização dos diagramas TRC Curvas de penetração de têmpera Diâmetro crítico Utilização do ensaio Jominy Revenido Transformações metalúrgicas Evolução das propriedades mecânicas 2.5. Tratamentos superficiais Tratamento de endurecimento superficial por têmpera após aquecimento localizado Tratamento de endurecimento por têmpera superficial após cementação pelo carbono Tratamentos térmicos após cementação Profundidade de cementação Tratamentos de nitruração 2.6. Aços de ferramentas Composição química e estruturas Estrutura no estado recozido Estrutura após tratamento térmico Classificação dos aços de ferramentas Aços rápidos 2.7. Aços inoxidáveis Diagramas de equilíbrio Binários Fe-Cr Binários Fe-Ni Ternários Fe-Ni-Cr Aços inoxidáveis de n constituintes Influência do carbono Categorias de aços inoxidáveis Aços inoxidáveis ferríticos (magnéticos Aços inoxidáveis martensíticos (magnéticos Aços inoxidáveis austeníticos (amagnéticos Aços inoxidáveis de endurecimento por precipitação (maraging Corrosão dos aços inoxidáveis 3. Ferros fundidos 3.1. Ferros fundidos brancos Ligas hipoeutécticas 2,06% < %C < 4,3% Ligas hipereutécticas 4,3% < %C < 6,67% 3.2. Ferros fundidos cinzentos Ligas hipoeutécticas: 2,03 < %C < 4, Ligas hipereutécticas: 4,25% < %C < 100% Influência dos elementos de elaboração Fatores que afetam a constituição e a microestrutura dos ferros fundidos Elaboração do metal Composição química Condições de arrefecimento Constituintes dos ferros fundidos cinzentos Ferrite Perlite Cementite Esteadite Grafite Características mecânicas dos ferros fundidos cinzentos 3.3. Ferros fundidos dúcteis Elaboração Constituição e tratamentos Características mecânicas 3.4. Ferros fundidos maleáveis Processo europeu (maleabilização por recozido de descarburização Processo americano (maleabilização por recozido de grafitização Maleáveis de coração negro ferríticos Maleáveis de coração negro perlíticos e martensíticos Página 2 de 5

3 4. Ligas não ferrosas 4.1. Ligas de alumínio Tratamento de precipitação estrutural Propriedades gerais das ligas de alumínio Resistência a quente Resistência a baixas temperaturas Resistência à fadiga Resistência à corrosão Conformação Soldadura Comparação das resistências de diferentes classes Ligas sem endurecimento estrutural Liga alumínio-manganês (3xxx Ligas alumínio-magnésio (5xxx Ligas de endurecimento estrutural Ligas alumínio-cobre (2xxx Ligas alumínio-silício-magnésio (6xxx Ligas alumínio-zinco-magnésio (7xxx Ligas alumínio-silício (4xxx Ligas alumínio-lítio 4.2. Ligas de cobre Latões (ligas Cu-Zn, 5 a 45% de Zn Latões simples (binários Cu-Zn Latões com adições Características mecânicas Resistência à corrosão Bronzes (Cu-Sn, de 3 a 20% de Sn Bronzes simples (binários Cu-Sn Bronzes com adições Características mecânicas Ligas de cobre-berílio Cupro-alumínios (Cu-Al, de 4 a 14% Al Cupro-alumínios simples (binários Cu-Al Cupro-alumínios com adições Características mecânicas Cupro-níqueis (Cu-Ni, de 5 a 45% de Ni Ligas de cobre-níquel-zinco ( alpacas (Cu-Ni-Zn Ligas de memória de forma 4.3. Ligas de magnésio Ligas magnésio-alumínio Ligas magnésio-manganês Ligas magnésio-zircónio 4.4. Ligas de titânio 4.5. Ligas de zinco Ligas com 4% de alumínio Ligas com 4% de alumínio e 3% de cobre Ligas com 12% de alumínio Ligas com 35% de alumínio 4.6. Ligas de níquel Ligas de níquel-crómio Superligas de níquel Ligas níquel-crómio-ferro Ligas níquel-molibdénio 5. Fabricação 5.1. Fundição 5.2. Processos de deformação Laminagem Laminagem a quente Laminagem a frio Extrusão Forjamento Estiramento Estampagem Pressão de deformação 5.3. Recristalização Restauração (ou restauração no sentido restrito Recristalização primária Crescimento do grão ou recristalização secundária Parte B: Cerâmicos 6. Tipos e estrutura dos cerâmicos 6.1. Tipos de cerâmicos Cerâmicos tradicionais Cerâmicos técnicos Alumina (Al 2 O Nitreto de silício (Si 3 N Carboneto de silício (SiC Zircónia (ZrO Cimento e betão Cerâmicos naturais Cerâmicos compósitos 6.2. Estrutura dos cerâmicos Cerâmicos iónicos e covalentes Cerâmicos iónicos simples Cerâmicos covalentes simples Sílica e silicatos Microestrutura dos cerâmicos 7. Fabricação dos cerâmicos 7.1. Preparação dos materiais 7.2. Conformação Prensagem Prensagem a seco (uniaxial Prensagem isostática Prensagem a quente Vazamento de uma barbotina (slip casting Extrusão Moldagem por injeção 7.3. Tratamentos térmicos Secagem e remoção do ligante Sinterização Vitrificação (sinterização em fase líquida 8. Vidros 8.1. Definição de um vidro 8.2. Temperatura de transição vítrea 8.3. Estrutura dos vidros Vidros constituídos por óxidos (glass-forming oxides Óxidos modificadores do vidro (glass-modifying oxides Óxidos intermédios (intermediate oxides in glasses 8.4. Composição dos vidros 8.5. Deformação viscosa dos vidros 8.6. Fabricação Conformação de chapas Insuflagem, prensagem e vazamento do vidro Termoformação e vitrofusão 8.7. Vidros temperados 9. Propriedades dos cerâmicos 9.1. Propriedades mecânicas Mecanismos de deformação nos materiais cerâmicos Tenacidade dos materiais cerâmicos Zircónia parcialmente estabilizada (PSZ Mecanismo de aumento da tenacidade por ligações entre os grãos Compósitos laminados e compósitos reforçados com fibras Fadiga dos materiais cerâmicos Materiais cerâmicos abrasivos 9.2. Propriedades físicas Propriedades térmicas Cerâmicos refratários Página 3 de 5

4 Refratários ácidos Refratários básicos Propriedades elétricas Materiais cerâmicos isoladores Materiais cerâmicos para condensadores Os cerâmicos semicondutores Cerâmicos ferroelétricos Parte C: Polímeros 10. Estrutura Escalas das estruturas Escala molecular Homopolímeros e copolímeros Reticulação e ramificação Isomerismo químico e estérico. Estereorregularidade Conformação Rotações elementares dos segmentos das cadeias Conformações trans e cis Escala macromolecular Polímeros lineares Polímeros tridimensionais Escala supramolecular Cristalização Temperaturas de transição Mobilidade molecular Estado cristalino Sistemas multifásicos Orientação Relação das propriedades com a natureza orgânica e a estrutura molecular dos polímeros Propriedades dependentes da natureza orgânica Propriedades dependentes da estrutura macromolecular De polímero a plástico 11. Tipos de polímeros Termoplásticos Características gerais dos termoplásticos Propriedades gerais Peso específico Isolamento Coeficiente de dilatação linear Estabilidade dimensional Resistência química Fogo Temperatura de aplicação Aspeto Coeficiente de atrito Resistência ao tempo e ultravioletas Tenacidade Resistência ao impacto Resistência mecânica e rigidez Termoplásticos comercialmente importantes Termoplásticos baseados em estireno Poliestireno de uso geral (PS Poliestireno de alta resistência ao impacto (HIPS Acrilonitrilo-butadieno estireno (ABS Estireno-acrilonitrilo (SAN Termoplásticos vínilicos Policloreto de vinilo (PVC rígido Policloreto de vinilo (PVC flexível Copolímeros de cloreto de vinilo Outros termoplásticos amorfos Acrílicos Policarbonato (PC Polióxido de fenileno (PPO Polisulfonas (PSU Celulósicos Poliimidas Poliolefinas Polietilenos Polipropileno CopoIímero de poiietileno acetato de vinilo (EVA Outros termoplásticos semicristalinos Poliamida (PA Poliacetal Poliésteres termoplásticos (PET, PBT Politetrafluoretileno (PTFE Poli-eter-eter-cetona (PEEK Polímeros de cristais líquidos (LCP Ionómeros (I Termoendurecíveis Resinas de poliéster insaturado Resinas epoxídicas Resinas de viniléster Resinas fenólicas (PF Resinas de poliuretano (PU Resinas de poliimida termoendurecível Resinas de polietileno reticulado (PEX Elastómeros Borracha natural (NR Borracha de estireno-butadieno (SBR Borrachas de cloropreno (CR Borrachas de butadieno-acrilonitrilo (nitrilo (NBR Borrachas de isobuteno-isopreno (butil (IIR Borrachas de etileno-propileno (EPM e EPDM Borrachas termoplásticas Borrachas fluorocarbonadas (FPM Borrachas de silicone (SI Borrachas de poliuretano (PU Borrachas de polietileno clorossulfonado (CSM Outras borrachas Polímeros naturais Polímeros com memória de forma (SMP Shape Memory Polymers 12. Processos de transformação de polímeros Processos de transformação de termoplásticos Extrusão Injeção Introdução Equipamento Ciclo de moldação Variantes do processo de moldação por injeção Sugestões para o projeto de peças moldadas por injeção Moldação por sopro Termoformação Moldação rotacional Moldação por compressão Moldação por transferência de resina Vazamento Fabrico de espumas Outros processos Calandragem Forjamento Laminados Maquinagem Fabricação com PTFE Coloração e cargas Processos de transformação de termoendurecíveis Processamento de termoendurecíveis Moldação por injeção com reação (Reaction Injection Moulding, RIM Moldação por injeção Página 4 de 5

5 Moldação por compressão Moldação por transferência Otimização do desempenho do produto Perfis de viscosidade Fabricação de elastómeros Composição Cargas de reforço em partícula Cargas diluentes em partícula Óleos e ajudantes de processamento Agentes protetores Mistura Vulcanização Moldação Moldação por compressão Moldação por transferência Moldação por injeção 13. Comportamento mecânico dos polímeros Introdução Mecanismos de deformação dos termoplásticos Mecanismos de endurecimento de termoplásticos Massa molecular Cristalinidade Grupos atómicos laterais Átomos polares na cadeia de carbono Reforços Mecanismos de endurecimento dos termoendurecíveis Propriedades mecânicas Efeito da temperatura Efeito da velocidade de deformação Mecanismos de rotura Rotura frágil Rotura dúctil Estricção seguida de rotura Grande deformação sem estricção Estiramento a frio (cold-drawing Combinação de ductilidade e fragilidade Indicadores de rotura Crazing Bandas de corte (shear bands Fluência Ensaios de fluência Recuperação da deformação por fluência Comentários sobre o comportamento à fluência Manipulação de dados de fluência Princípio de sobreposição de Boltzmann Relaxação Rotura por fluência ( Fadiga estática Fadiga Impacto Dureza Atrito Parte D: Compósitos 14. Reforços e matrizes Reforços Fibras de vidro Fibras de carbono Fibras orgânicas Fibras naturais Carboneto de silício Alumina e aluminosilicatos Matrizes Polímeros Termoendurecíveis Termoplásticos Metais Cerâmicos Semiprodutos Termoplásticos de fibras curtas (SFRTP e longas (LFT Termoplásticos de fibras longas (LFT Termoplásticos de fibras contínuas (CFT Preformas Compostos de moldação Pré-impregnados (prepregs 15. Fabricação de compósitos Compósitos de matriz polimérica Impregnação de resina líquida Moldação manual e projeção Enrolamento filamentar Pultrusão Moldação por transferência/injeção de resina Consolidação de pré-impregnados Prensa de pratos quentes Saco de vácuo Autoclave Consolidação de compostos de moldação Injeção de termoplásticos Moldação por compressão de termoplásticos Compósitos de matriz metálica Stir casting Squeeze infiltration Ligação por difusão Sinterização Deposição por projeção Deposição em fase vapor Compósitos de matriz cerâmica Infiltração química em fase vapor Infiltração no estado líquido Infiltração de cerâmico fundido Infiltração de uma barbotina Infiltração reativa Infiltração de um polímero e pirólise Sol-gel Oxidação direta 16. Compósitos reforçados com fibras e compósitos reforçados com partículas Compósitos reforçados com fibras Módulo Resistência Tenacidade Projeto Compósitos reforçados com partículas caso do betão Cimento Propriedades mecânicas Betão reforçado 17. Outros compósitos Compósitos celulares Propriedades mecânicas das espumas Madeira Estrutura Propriedades mecânicas Elasticidade Resistência à tração e à compressão Tenacidade Comparação da madeira com outros materiais Estruturas sandwich Bibliografia e referências Página 5 de 5