Materiais de Engenharia

Materiais de Engenharia

(Parte 1 de 8)

Microestrutura e Propriedades Angelo Fernando Padilha

O presente texto tem caráter introdutório. Embora um autor não possa e nem deva determinar ou escolher seus leitores, ele foi escrito visando interessados que estão se iniciando no estudo da Ciência dos Materiais. Eles tanto podem ser estudantes de graduação dos três primeiros anos de Engenharia Metalúrgica ou de Engenharia de Materiais, como graduados em outras áreas, tais como Física, Química, Engenharia Mecânica, Engenharia Química e Odontologia, que estejam se iniciando na área de materiais.

A matéria é desenvolvida em 20 capítulos concisos. Nos capítulos iniciais é discutida a organização dos átomos na matéria (ligações químicas, sólidos cristalinos, sólidos amorfos e sólidos parcialmente cristalinos). Nos capítulos intermediários são abordados (com considerável detalhe) os defeitos cristalinos. Na parte final são discutidas as principais propriedades dos materiais. No decorrer de todo o texto procura-se relacionar a composiçã oeae strutura dos materiais com suas propriedades e usos.

A abordagem apresenta algumas ênfases. Por exemplo, os materiais cristalinos são tratados em maior detalhe que os amorfos e parcialmente cristalinos. Os materiais metálicos ocupam maior espaço que os cerâmicos, polimíricos e compósitos. As propriedades mecânicas são discutidas em maior detalhe que todas as outras. Estas ênfases foram ditadaspelaim-portânciaeconômica epelasaplicações.

Todos os capítulos apresentam lista de exercicios propostos e bibliografia.

ENGENHARIA MICROESTRUTURA e PROPRIEDADES

ENGENHARIA MICROESTRUTURA e PROPRIEDADES

Editoração Eletrônica: MCT Produções Gráficas

Capa: Sérgio Ng

Supervisão: Maxim Behar

© Copyright by Angelo Fernando Padilha

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Todos os direitos adquiridos e reservada a propriedade literária desta publicação pela

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Pedidos e Correspondência: Caixa Postal 073 - CEP 80011-970 - Curitiba - PR

Impresso no Brasil / Printed in Brazil

Agradecimentos9
Apresentação1
1. Os Materiais de Engenharia13
2. O Átomo3
3. As Ligações Atômicas47
4. Estrutura Cristalina59
5. Direções e Planos Cristalográficos7
6. Determinação da Estrutura Cristalina89
7.Defeitos Puntiformes e SoluçõesSólidas103
8. Difusão no Estado Sólido121
9. Defeitos de Linha (Discordâncias)145
10. Defeitos Bidimensionais ou Planares181
13. Classificação e Quantificação das Microestruturas223
14. Principais Ensaios Mecânicos237
15. Propriedades Mecânicas251
16. Propriedades Elétricas271
17. Propriedades Térmicas289
18. Propriedades Óticas303
19. Propriedades Magnéticas317
20. Algumas outras Propriedades Importantes331

Agradecimentos

A preparação deste texto só foi possível graças à cooperação de várias pessoas e instituições.

Os alunos das disciplinas de graduação Ciência dos Materiais I e I contribuíram com numerosas correções e valiosas críticas e sugestões. Infelizmente, não anotei o nome de todos aqueles que colaboraram. Entretanto, dois alunos não podem ser esquecidos: Ricardo Santana Malteze RoselyErnesto.

Os alunos das disciplinas de pós-graduação Microestrutura e Análise Microestrutural e Introdução à Ciência e à Engenharia de Materiais contribuíram com seus criticismo e interesse.

Meus orientados de Doutorado, Mestrado e Iniciação Científica, Izabel Fernanda Machado, Fulvio Siciliano Jr., Julio Cesar Dutra, Hugo Ricardo Zschommler Sandim, Rejane Aparecida Nogueira, Ricardo do Carmo Fernandes e Maria Luciana Facci Urban, estiveram sempre dispostos paraajudar.

Os colegas de Departamento, Profa. Dra. Nicole Raymonde Demarquette, Prof.

Dr. Paulo Sérgio Carvalho Pereira da Silva, Prof. Dr. José Deodoro Trani Capocchi, Prof. Dr. Douglas Gouvêa e o Prof. Eng. Marcelo Martorano, me ajudaram a entender umpouco melhora Ciênciados Materiais.

Agradeço também aos colegas do IPEN-CNEN/SP, aos quais sempre pude recorrernos momentosde dúvida,particularmente ao Dr.Luis FilipeCarvalho Pedroso de Lima.

O texto foi cuidadosamente digitado e organizado por Maria Lucia Bastos

Padilha. Os amigos Dr. Jesualdo Rossi, Dr. Wolfgang Reick e M. Eng. Júlio César Dutra nos ajudaram muitas vezes a entender e dominar o nosso temperamental computador.

As Bibliotecárias Clélia de Lourdes Lara Meguerditchian e Claúdia Fernanda de Limafacilitaram eficientemente a obtençãode informações bibliográficas.

O amigoEnrique JoséGalé Polame incentivoucontinuamente. Agradeço também a Universidade de São Paulo, a Escola Politécnica e o Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais pela oportunidade de trabalho e o Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pela Bolsa de Produtividade emPesquisaconcedida.

para Lucia

O Autor

O Engenheiro de Materiais Angelo Fernando Padilha é graduado pela

Universidade Federal de São Carlos, em 1974. É Mestre em Engenharia Metalúrgica pela EPUSP, em 1977, e Doktor-Ingenieur pela Universidade de Karlsruhe da Alemanha, em 1981. Trabalhou mais de uma década no IPENCNEN/SP. Foi Pesquisador Visitante no Instituto Max Planck para Pesquisa em Metais (Stuttgart) e Professor Visitante no Instituto de Materiais da Universidade do Ruhr de Bochum. Deu assessoria para várias empresas. É autor de cerca de 100 trabalhos publicados no Brasil e no exterior e de 4 livros. Desde 1988, é Docente do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da EPUSP,onde fez Livre-Docênciae éProfessorTitular.

Apresentação

O presente texto tem caráter introdutório. Embora um autor não possa e nem deva determinar ou escolher seus leitores, ele foi escrito visando interessados que estão se iniciando no estudo da Ciência dos Materiais. Eles tanto podem ser estudantes de graduação dos três primeiros anos de Engenharia Metalúrgicaoude Engenhariade Materiais, como graduadosemoutras áreas, taiscomoFísica,Química,Engenharia Mecânica, Engenharia Químicae Odontologia, que estejam se iniciando naáreade materiais.

A matéria é desenvolvida em 20 capítulos concisos. Nos capítulos iniciais é discutidaaorganização dosátomos namatéria (ligaçõesquímicas, sólidos cristalinos, sólidos amorfos e sólidos parcialmente cristalinos). Nos capítulos intermediários são abordados (com considerável detalhe) os defeitos cristalinos. Na parte final são discutidas as principais propriedades dos materiais.Nodecorrerde todoo textoprocura-serelacionara composiçãoe a estruturadosmateriaiscom suas propriedadese usos.

A abordagem apresenta algumas ênfases. Por exemplo, os materiais cristalinos são tratados em maior detalhe que os amorfos e parcialmente cristalinos. Os materiais metálicos ocupam maior espaço que os cerâmicos, poliméricose compósitos. As propriedadesmecânicassão discutidasemmaior detalhe que todas as outras. Estas ênfases foram ditadas pela importância econômica e pelasaplicações.

O leitor também poderá notar algumas lacunas e ausências. Não apresenta um tratamento termodinâmico dos fenômenos abordados, nem sequer os diagramas de fases dos materiais discutidos são apresentados. Também não é dada maior atenção para as transformações que ocorrem durante o processamento dos materiais. Estas ausências foram intencionais e são justificadas pela abordagem e pelo caráter introdutório do texto. Isto não significa, porém, que os tópicos não tratados sejam de menor importância. O autor planeja inclusive tratá-los em um outro volume, denominado Processamento e Transformações dos Materiais. As técnicas de análise microestrutural, importantíssimas em Ciência dos Materiais, também não foram tratadas com maior detalhe, pois são o tema central de outro volume de nossa co-autoria. Não foi incluída nenhuma micrografia real no presente volume. Todas as microestruturas apresentadas são esquemáticas e simples.

Acredito que os três volumes, o presente texto, o livro de técnicas de análise microestrutural, cuja segunda edição revista e ampliada está em preparação e o volume sobre processamento e transformações dos materiais (ainda em fase de concepção), deverão oferecer em conjunto uma visão razoável da CiênciadosMateriais.

O Autor São Paulo,janeirode 1997

Os Materiais de Engenharia

Segundo Morris Cohen, conceituado cientista de materiais do não menos conceituado Massachusetts Institute of Technology (MIT), materiais são substâncias com propriedades que as tornam úteis na construção de máquinas, estruturas, dispositivos e produtos. Em outras palavras, os materiais do universo que ohomem utilizapara “fazercoisas”.

Os materiais sólidos são freqüentemente classificados em três grupos principais: materiais metálicos, materiais cerâmicos e materiais poliméricos ou plásticos. Esta classificação é baseada na estrutura atômica e nas ligações químicas predominantes em cada grupo. Um quarto grupo, que foi incorporado nesta classificação nas últimas décadas, é o grupo dos materiais compósitos. Em seguida, descreveremos brevemente os quatro grupos acima mencionados.

Materiais metálicos

Os materiais metálicos são normalmente combinações de elementos metálicos.Eles apresentam umgrandenúmerode elétronslivres,isto é, elétrons que não estão presos a um único átomo. Muitas das propriedades dos metais são atribuídas a estes elétrons. Por exemplo, os metais são excelentes condutores de eletricidade e calor e não são transparentes à luz. A superfície dos metais, quando polida, reflete eficientemente a luz. Eles são resistentes mas deformáveis.Poristo são muitoutilizados em aplicaçõesestruturais.

Entre os quatros grupos de materiais mencionados anteriormente, os materiais metálicos, e em particular os aços, ocupam um lugar de destaque devido à sua extensiva utilização. Cerca de 70 dos 92 elementos da tabela periódica encontrados na natureza têm caráter metálico preponderante. Os metais mais tradicionais, tais como cobre, ouro e ferro são conhecidos e utilizados há alguns milênios.

No período entre 5000 e 3000 a.C., ou seja, dois milênios após a introdução da agricultura, surgiu uma série de invenções importantes. O homem desenvolveu o forno de “alta temperatura”, onde ele aprendeu a fundir os metais e a empregá-los para dominar os animais. Ele inventou o arado, a carroça, as embarcações, a vela e a escrita. No início da era cristã o homem conheciasete metais: cobre, ouro,prata, chumbo,estanho,ferro e mercúrio.

Embora a civilização clássica da Grécia tenha explorado quase completamente as possibilidades oferecidas pelos metais e outros materiais disponíveis desde eras precedentes, na produção de cerâmicas, joalheria, esculturas e arquitetura, eles pouco fizeram para inovar o campo dos materiais. O mesmo pode-se dizer dos romanos, que adquiriram uma grande reputação como engenheiros. Por outro lado, foram os romanos que disseminaram no seu vasto império o ferro como material propulsor da economia.

Um fato importante ocorreu em Mainz (Alemanha), onde Johannes Gutenberg (c.1397-1468) iniciou experiências com a fundição de tipos ou caracteres metálicos (chumbo) durante a década de 1440. Por volta de 1445, ele e seus colaboradores foram capazes de imprimir a “Bíblia de Gutenberg”. Sabemos muito mais sobre os processos de produção de materiais no século XVIdoque em épocasanteriores,devido à imprensa.

Em 1540, o italiano Vannocio Biringuccio publicou sua obra clássica

De La Pirotechnia. No seu livro ele trata da fundição e conformação de metais,além da fabricação de vidroe de pólvora.

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