CIÊNCIA DOS MATERIAIS
6 a E D I Ç Ã O
J A M E S F. S H A C K E L F O R D
PowerPoint com fi guras e os principais conceitos do livro (protegidos por senha); para estudantes, artigos, galeria de imagens e vídeos, manual de laboratório, softwares e capítulos complementares,
Tradução Daniel Vieira
Revisão Técnica Prof. Dr. Nilson Cruz Laboratório de Plasmas Tecnológicos
Unesp – Campus de Sorocaba
São Paulo
Brasil Argentina Colômbia Costa Rica Chile Espanha Guatemala México Peru Porto Rico Venezuela São Paulo
Brasil Argentina Colômbia Costa Rica Chile Espanha Guatemala México Peru Porto Rico Venezuela
Shackelford, James F.
Introdução à ciência dos materiais para engenheiros / James F. Shackelford ; tradução Daniel Vieira ; revisão técnica Nilson C. Cruz. – São Paulo : Pearson Prentice Hall, 2008.
Título original: Introduction to materials science for engineers.
6. ed. americana.
ISBN 978-85-7605-160-2
1. Ciência dos materiais 2. Engenharia I. Shackelford, James F. II. Título.
07-10123 CDD-620.112
Índice para catálogo sistemático:
1. Ciência dos materiais : Engenharia 620.112 Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
(Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil)
© 2008 by Pearson Education do Brasil
Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida de nenhum modo ou por algum outro meio, eletrônico ou mecânico, incluindo fotocópia, gravação ou qualquer outro tipo
de sistema de armazenamento e transmissão de informação, sem prévia autorização, por escrito, da Pearson Education do Brasil.
Diretor editorial: Roger Trimer Gerente editorial: Sabrina Cairo
Supervisor de produção editorial: Marcelo Françozo Editores: Arlete Sousa e Marco Pace
Preparação: Paulo Cesar Mello
Revisão: Paula Brandão Perez Mendes e Thelma Babaoka Capa: Rafael Mazzo, sob projeto original da edição americana
Projeto gráfico e diagramação: Globaltec Artes Gráficas
2008
Direitos exclusivos para a língua portuguesa cedidos à
Pearson Education do Brasil, uma empresa do grupo Pearson Education Av. Ermano Marchetti, 1435
CEP: 05038-001 – São Paulo – SP Fone: (11) 2178-8686 – Fax: (11) 2178-8688
e-mail: [email protected] 4a reimpressão – agosto 2012
Direitos exclusivos para a língua portuguesa cedidos à Pearson Education do Brasil Ltda.,
uma empresa do grupo Pearson Education Rua Nelson Francisco, 26
CEP 02712-100 – São Paulo – SP – Brasil Fone: 11 2178-8686 – Fax: 11 2178-8688
A Penelope e Scott
Sumário
1 Materiais para engenharia 1 1.1 O mundo dos materiais 1
1.2 Engenharia e ciência dos materiais 3 1.3 Tipos de materiais 3
Metais 3
Cerâmicas e vidros 3 Polímeros 6
Compósitos 8 Semicondutores 8
1.4 Da estrutura às propriedades 9 1.5 Processamento de materiais 12 1.6 Seleção de materiais 12
PARTE I – OS FUNDAMENTOS 2 Ligação atômica 18
2.1 Estrutura atômica 18 2.2 A ligação iônica 22
Número de coordenação 25 2.3 A ligação covalente 29 2.4 A ligação metálica 33
2.5 A ligação secundária ou van der Waals 35 2.6 Materiais – a classificação das ligações 37 3 Estrutura cristalina – perfeição 44
3.1 Sete sistemas e 14 redes 44 3.2 Estruturas metálicas 47 3.3 Estruturas cerâmicas 50 3.4 Estruturas poliméricas 58 3.5 Estruturas semicondutoras 59 3.6 Posições na rede, direções e planos 62 3.7 Difração de raios X 69
4 Defeitos do cristal e estrutura não cristalina – Imperfeição 80
4.1 A solução sólida – imperfeição química 80 4.2 Defeitos pontuais – imperfeições de
dimensão zero 83
4.3 Defeitos lineares ou discordâncias – imperfeições unidimensionais 84
4.4 Defeitos planares – imperfeições bidimensionais 87
4.5 Sólidos não cristalinos – imperfeições tridimensionais 91
4.6 Microscopia 93 5 Difusão 103
5.1 Processos termicamente ativados 103 5.2 Produção térmica de defeitos
pontuais 105
5.3 Defeitos pontuais e difusão no estado sólido 107
5.4 Difusão em estado estacionário 113 5.5 Caminhos alternativos de difusão 115 6 Comportamento mecânico 120
6.1 Tensão versus deformação 120 Metais 120
Cerâmicas e vidros 129 Polímeros 131
6.2 Deformação elástica 134 6.3 Deformação plástica 135 6.4 Dureza 140
6.5 Fluência e relaxamento de tensão 142 6.6 Deformação viscoelástica 147
Vidros inorgânicos 148 Polímeros orgânicos 149 Elastômeros 152 7 Comportamento térmico 161
7.1 Capacidade térmica 161 7.2 Expansão térmica 163 7.3 Condutividade térmica 165 7.4 Choque térmico 168
8 Análise e prevenção de falhas 174 8.1 Energia de impacto 174 8.2 Tenacidade à fratura 177 8.3 Fadiga 180
8.4 Ensaios não-destrutivos 186 Radiografia 186
viii • Ciência dos materiais
Ensaios ultra-sônicos 186
Outros ensaios não-destrutivos 187 8.5 Análise de falhas e prevenção 189 9 Diagramas de fases – desenvolvimento de
microestruturas em equilíbrio 195 9.1 A regra das fases 195 9.2 O diagrama de fases 197
Solução sólida completa 198
Diagrama eutético sem solução sólida 199 Diagrama eutético com solução sólida limitada 201
Diagrama eutetóide 202 Diagrama peritético 203 Diagramas binários gerais 204 9.3 A regra da alavanca 208
9.4 Desenvolvimento de microestruturas durante o resfriamento lento 212 10 Cinética – tratamento térmico 225
10.1 Tempo – a terceira dimensão 225 10.2 O diagrama TTT 228
Transformações difusionais 228 Transformações sem difusão (martensíticas) 230
Tratamento térmico do aço 232 10.3 Endurecibilidade 237
10.4 Endurecimento por precipitação 239 10.5 Recozimento 240
Trabalho a frio 240 Recuperação 242 Recristalização 242 Crescimento de grão 242
10.6 A cinética das transformações de fase para não-metais 245
PARTE II – OS MATERIAIS ESTRUTURAIS 11 Metais 256
11.1 Ligas ferrosas 256
Aços carbono e de baixa liga 257 Aços de alta liga 257
Ferros fundidos 261 Ligas ferrosas rapidamente solidificadas 263
11.2 Ligas não-ferrosas 264 Ligas de alumínio 264 Ligas de magnésio 264 Ligas de titânio 265 Ligas de cobre 265 Ligas de níquel 266
Zinco, chumbo e outras ligas 266 11.3 Processamento de metais 267 12 Cerâmicas e vidros 277
12.1 Cerâmicas – materiais cristalinos 277
12.2 Vidros – materiais não-cristalinos 280 12.3 Vitrocerâmicas 282
12.4 Processamento de cerâmicas e vidros 283 13 Polímeros 292
13.1 Polimerização 293
13.2 Características estruturais dos polímeros 297
13.3 Polímeros termoplásticos 300 13.4 Polímeros termofixos 303 13.5 Aditivos 306
13.6 Processamento de polímeros 307 14 Compósitos 315
14.1 Compósitos reforçados com fibra 316 Fibra de vidro convencional 316 Compósitos avançados 317 Madeira – um compósito natural reforçado com fibra 319 14.2 Compósitos agregados 322 14.3 Média das propriedades 326
Carregamento paralelo às fibras de reforço – isodeformação 326
Carregamento perpendicular às fibras de reforço – isotensão 328
Carregando um compósito com um agregado uniformemente disperso 329 Resistência interfacial 330
14.4 Propriedades mecânicas dos compósitos 331
14.5 Processamento de compósitos 338
PARTE III – OS MATERIAIS ELETRÔNICOS, ÓPTICOS E MAGNÉTICOS 15 Comportamento elétrico 346
15.1 Portadores de carga e condução 346 15.2 Níveis de energia e bandas de energia 349 15.3 Condutores 353
Termopares 355 Supercondutores 356 15.4 Isolantes 360
Ferroelétricos 361 Piezoelétricos 363 15.5 Semicondutores 365 15.6 Compósitos 366
15.7 Classificação elétrica dos materiais 367 16 Comportamento óptico 372
16.1 Luz visível 372
16.2 Propriedades Ópticas 374 Índice de refração 374 Refletância 375
