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Introdução à Ciência e Engenharia dos Materiais - Teoria

ISBN: 9789899101517

Autores: Ricardo João Camilo Carbas, Eduardo André de Sousa Marques, Catarina S. P. Borges, Lucas Filipe Martins da Silva

Editora: ENGEBOOK

Número de Páginas: 394

Idioma: Português

Data Edição: 2024

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O estudo dos materiais de engenharia é cada vez mais elaborado e multidisciplinar, constituindo uma área científica muito dinâmica e inovadora, e uma área de conhecimento em constante evolução, aliada à questão da sustentabilidade. Este livro não pretende apresentar as últimas novidades sobre materiais, mas ser uma primeira introdução que permita ter uma noção dos fundamentos teóricos e das aplicações dos principais materiais de engenharia, direcionando o interesse e a formação dos estudantes universitários. Os primeiros sete capítulos constituem uma primeira parte sobre ciência dos materiais, explicando como a microestrutura de um material condiciona o seu comportamento mecânico. Aborda os temas da estrutura cristalina, diagramas de fases, deformação plástica, mecanismos de endurecimento, mecânica da fratura, fadiga e fluência. Os restantes seis capítulos completam uma segunda parte, mais aplicada aos principais materiais de engenharia, como o aço, ferros fundidos, ligas não ferrosas, cerâmicos, polímeros e compósitos, sendo apresentadas as principais propriedades mecânicas e aplicações.

PREFÁCIO

1. ESTRUTURA DOS MATERIAIS
1.1. Introdução
1.2. Classes de materiais
1.3. Propriedades mecânicas
1.4. Comportamento elástico
1.4.1. Definição de tensão
1.4.2. Definição de deformação
1.4.3. Coeficiente de Poisson
1.4.4. Módulo de elasticidade e lei de Hooke
1.4.5. Relação entre módulo de Young e densidade
1.5. Ligações atómicas
1.5.1. Ligação iónica
1.5.2. Ligação covalente
1.5.3. Ligação metálica
1.5.4. Ligação de van der Waals
1.6. Empilhamento de átomos num sólido
1.6.1. Cristalografia geométrica
1.6.1.1. Redes cristalinas
1.6.1.2. Índices de Miller
1.6.2. Estruturas cristalinas dos metais
1.6.2.1. Estrutura cúbica de corpo centrado (CCC)
1.6.2.2. Estrutura cúbica de faces centradas (CFC)
1.6.2.3. Estrutura hexagonal compacta (HC)
1.6.2.4. Comparação das estruturas CFC e HC
1.6.3. Factores de ocupação atómico, planar e linear
1.6.4. Distâncias interplanar e interatómica
1.6.5. Estrutura cristalina dos materiais cerâmicos
1.6.6. Arranjo atómico nos polímeros

2. DIAGRAMAS DE FASES
2.1. Introdução
2.2. Difusão
2.2.1. Lei de Fick
2.2.2. Coeficiente de difusão
2.2.3. Mecanismos de difusão
2.3. Transformações de fase
2.4. Diagramas de fases
2.4.1. Limite de solubilidade
2.4.2. Fases
2.4.2.1. Soluções sólidas
2.4.2.2. Compostos definidos
2.5. Microestrutura
2.6. Relação de Gibbs
2.7. Regras de interpretação dos diagramas de fases binários
2.7.1. Regra da horizontal
2.7.2. Regra da alavanca (ou dos segmentos inversos)
2.7.3. Frações volúmicas
2.7.4. Domínios trifásicos
2.8. Reação eutética
2.8.1. Ligas tais que 0 = X = x (C1)
2.8.2. Ligas tais que x(C1) < X < x(C2)
2.9. Diagrama de fases e diagrama de constituintes
2.10. Transformações de fase congruentes
2.11. Análise térmica simples

3. DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
3.1. Introdução
3.2. Cedência e ductilidade
3.2.1. Deformação elástica
3.2.2. Deformação plástica
3.2.3. Curva real
3.2.4. Ensaio de tração
3.2.4.1. Parâmetros de resistência
3.2.4.2. Parâmetros de ductilidade
3.2.4.3. Parâmetro de resiliência
3.2.4.4. Parâmetro de tenacidade
3.2.5. Ensaio de dureza
3.2.5.1. Ensaio Vickers
3.2.5.2. Ensaio Brinell
3.2.5.3. Ensaio Rockwell
3.3. Mecanismos de deformação
3.3.1. Resistência teórica dos cristais
3.3.2. Defeitos cristalinos
3.3.2.1. Defeitos pontuais
3.3.2.2. Defeitos lineares
3.3.2.3. Defeitos planos
4.3. Junta de grão
3.3.3. Movimento das deslocações
3.3.3.1. Deslocação canto (ou cunha)
3.3.3.2. Sistemas de deslizamento
3.3.4. Maclagem
3.3.5. Deformação plástica em polímeros

4. MECANISMOS DE ENDURECIMENTO
4.1. Introdução
4.2. Endurecimento de monocristais
4.2.1. Intrínseco
4.2.2. Precipitados em monocristais
4.2.3. Solução sólida em monocristais
4.2.4. Encruamento em monocristais
4.3. Juntas de grão em policristais
4.4. Aparecimento de uma segunda fase
4.5. Interação de deslocações com átomos intersticiais
4.6. Envelhecimento por deformação
4.7. Endurecimento de polímeros

5. MECÂNICA DA FRATURA
5.1. Introdução
5.2. Rotura frágil
5.3. Teoria de Griffith
5.4. Plasticidade na extremidade de fendas
5.5. Fator intensidade de tensão
5.6. Determinação experimental da tenacidade
5.7. Mecanismos de rotura
5.7.1. Rotura dúctil
5.7.2. Rotura frágil

6. FADIGA
6.1. Introdução
6.2. Definição dos ciclos de tensão
6.3. Elevado número de ciclos
6.3.1. Ensaios de fadiga
6.3.2. Curvas SN
6.3.3. Efeito da tensão média
6.3.4. Efeito da variação da onda de tensão
6.4. Baixo número de ciclos
6.5. Componentes com fendas
6.5.1. Ensaios
6.5.2. Lei de Paris
6.6. Mecanismos de rotura por fadiga
6.7. Mecanismos de aumentar a resistência à fadiga7. FLUÊNCIA
7.1. Introdução
7.2. Curva de fluência
7.2.1. Taxa de deformação na fluência secundária
7.2.2. Tempo de rotura
7.3. Métodos de extrapolação
7.4. Mecanismos de fluência
7.4.1. Subida das deslocações (power-law)
7.4.2. Fluência por difusão
7.4.3. Fluência de polímeros
7.5. Rotura por fluência
7.6. Mecanismos para aumentar a resistência à fluência

8. AÇOS
8.1. Introdução
8.2. Formas alotrópicas do ferro
8.3. Diagrama de equilíbrio ferro-carbono
8.3.1. Constituição no estado recozido
8.3.2. Influência da velocidade de arrefecimento nos pontos de transformação e na microestrutura 176
8.3.2.1. Pontos de transformação
8.3.2.1. Microestrutura dos aços
8.3.3. Relações entre a microestrutura e as propriedades mecânicas: caso dos aços ferrito-perlíticos
8.4.1. Transformação bainítica
8.4.2. Transformação martensítica
8.5. Diagramas TTT (tempo, temperatura, transformação)
8.5.1. Transformações com difusão
8.5.2. Transformação sem difusão ou martensítica
8.5.3. Diagrama de transformação isotérmica
8.5.4. Diagrama de transformação contínua
8.5.5. Aços ligados
8.5.5.1. Transformação eutetoide
8.5.5.2. Temperaturas de transformação
8.5.5.3. Efeito do gamageno e alfageno
8.5.5.4. Natureza dos carbonetos
8.5.5.5. Aços de construção ligados
8.5.5.6. Aços inoxidáveis
8.6 Tratamentos dos aços
8.6.1. Tratamentos térmicos
8.6.1.1. Recozido
8.6.1.2. Recozido ou recozido completo
8.6.1.3. Recozido de normalização
8.6.1.4. Recozido de amaciamento ou de globulização
8.6.1.5. Têmpera
8.6.1.5.1. Martêmpera
8.6.1.5.2. Têmpera Bainítica ou Austêmpera
8.6.1.6. Temperabilidade
8.6.1.6.1. Fatores que influenciam a temperabilidade
8.6.1.6.2. Meios para avaliar a temperabilidade
8.6.1.7. Revenido
8.6.1.8. Transformações das estruturas
8.6.1.9. Evolução das propriedades mecânicas
8.6.2. Tratamentos superficiais
8.6.2.1. Têmpera superficial
8.6.2.1. Cementação
8.6.2.3. Nitruração
8.7. Aços de alta resistência

9. FERROS FUNDIDOS
9.1. Introdução
9.2. Ferros fundidos brancos
9.2.1. Ligas hipoeutéticas
9.2.2. Ligas hipereutéticas
9.2.3. Aplicações
9.3. Ferros fundidos cinzentos
9.3.1. Composição
9.3.2. Processo de arrefecimento
9.3.3. Morfologia da grafite
9.3.3.1. Grafite tipo A
9.3.3.2. Grafite tipo B
9.3.3.3. Grafite tipo C
9.3.3.4. Grafite tipo D
9.3.3.5. Grafite tipo E
9.3.4. Aplicações
9.4. Ferros fundidos dúcteis
9.4.1. Processo de obtenção da grafite nodular
9.4.1.1. Adição de magnésio
9.4.1.2. Inoculação
9.4.2. Aplicações
9.5. Ferros fundidos maleáveis
9.5.1. Processo de maleabilização
9.5.1.1. Ferro fundido maleável de coração branco (processo Europeu)
9.5.1.2. Ferro fundido maleável de coração negro (processo Americano)
9.5.2. Aplicações
9.6. Sumário de propriedades mecânicas e aplicações de diferentes ferros fundidos

10. LIGAS NÃO FERROSAS
10.1. Introdução
10.2. Alumínio
10.2.1. Ligas trabalhadas de alumínio
10.2.2. Ligas vazadas de alumínio
10.3. Cobre
10.3.1. Latões
10.3.2. Bronzes
10.3.3. Ligas de memória de forma
10.4. Magnésio
10.4.1. Ligas de magnésio
10.5. Titânio
10.5.1. Ligas de titânio
10.6. Níquel
10.6.1. Ligas de níquel
10.6.1.1. Monel
10.6.1.2. Inconel
10.6.1.3. Outras superligas de níquel
10.7. Zinco
10.7.1. Ligas de zinco
10.7.1.1. Zamak
10.7.1.2. Kayem
10.7.1.3. Ilzro

11. CERÂMICOS
11.1. Introdução
11.2. Classificação De Cerâmicos
11.2.1. Cerâmicos Tradicionais
11.2.2. Cerâmicos Técnicos
11.2.3. Vidros
11.3. Estrutura dos cerâmicos
11.3.1. Cerâmicos iónicos
11.3.2. Cerâmicos covalentes
11.3.3. Cerâmicos iónicos-covalentes (mistos)
11.3.4. Vidros
11.4. Propriedades mecânicas dos cerâmicos
11.4.1. Módulo de elasticidade
11.4.2. Dureza e resistência
11.4.3. Resistência à fratura dos cerâmicos
11.4.4. Fluência de materiais cerâmicos
11.5. Fabricação e processamento de cerâmicos11.5.1. Preparação das matérias primas
11.5.2. Conformação
11.5.2.1. Conformação manual
11.5.2.2. Prensagem unidirecional a frio (de pó ou pasta)
11.5.2.3. Prensagem isostática a frio
11.5.2.4. Prensagem unidirecional a quente
11.5.2.5. Prensagem isostática a quente
11.5.2.6. Vazamento de uma barbotina
11.5.2.7. Extrusão
11.5.3. Tratamento térmico
11.5.3.1. Cozedura
11.5.3.2. Sinterização no estado sólido
11.5.4. Processo de fabrico de vidros
11.5.4.1. Prensagem
11.5.4.2. Moldação por sopro
11.5.4.3. Fabrico de vidro plano
11.5.4.4. Fabrico de vidro temperado

12. POLÍMEROS
12.1. Introdução
12.2. Estrutura dos polímeros
12.2.1. Escala
12.2.2. Estrutura
12.2.3. Temperatura de transição vítrea
12.3. Tipos de polímeros
12.3.1. Termoplásticos
12.3.1.1. Termoplásticos baseados em estireno
12.3.1.2. Termoplásticos vinílicos
12.3.1.3. Outros termoplásticos amorfos
12.3.1.4. Poliolefinas
12.3.1.5. Outros termoplásticos sem-cristalinos
12.3.1.6. Termoplásticos de flúor
12.3.2. Termoendurecíveis
12.3.3. Elastómeros
12.4. Fabricação e processamento de polímeros
12.4.1. Processos de fabricação de polímeros termoplásticos
12.4.1.1. Extrusão
12.4.1.2. Moldação por injeção
12.4.1.3. Moldação por sopro
12.4.1.4. Fabrico aditivo
12.4.2. Processos de fabricação de polímeros termoendurecíveis
12.4.2.1. Moldação por injeção
12.4.2.2. Moldação por compressão
12.4.2.3. Moldação por transferência de resina
12.4.2.4. Fabrico aditivo
12.4.3. Processos de fabricação de elastómeros
12.4.3.1. Vulcanização
12.5. Propriedades mecânicas de polímeros
12.5.1. Comparação do comportamento mecânico dos polímeros com outros materiais de construção mecânica
12.5.2. Processos de deformação plástica em polímeros
12.5.3. Mecanismos de endurecimento de polímeros
12.5.4. Mecanismos de rotura
12.5.4.1. Estiramento a frio
12.5.4.2. Crazing
12.5.4.3. Formação de bandas de corte
12.5.4.4. Fluência

13. COMPÓSITOS
13.1. Introdução
13.2. Reforços e matrizes
13.2.1. Reforços
13.2.1.1. Fibras de vidro
13.2.1.2. Fibras de carbono
13.2.1.3. Fibras aramídicas
13.2.1.4. Fibras naturais
13.2.2. Matriz
13.2.2.1. Matriz polimérica
13.2.2.2. Matriz metálica
13.2.2.3. Matriz cerâmica
13.2.3. Semi-produtos
13.2.3.1. Compostos de moldação
13.2.3.2. Pré-impregnados
13.2.3.3. Pré-formas
13.2.3.4. Termoplásticos reforçados por fibras
13.3. Fabricação
13.3.1. Matriz polimérica
13.3.1.1. Impregnação de resina líquida
13.3.1.2. Consolidação de pré-impregnados
13.3.1.3. Consolidação de compostos de moldação
13.3.1.4. Fabrico aditivo
13.3.2. Matriz metálica
13.3.2.1. Técnicas no estado líquido
13.3.2.2. Técnicas no estado sólido
13.3.2.3. Técnicas por deposição
13.3.2.4. Infiltração química em fase vapor
13.3.2.5. Infiltração no estado líquido
13.3.2.6. Sol-gel
13.3.2.7. Oxidação direta
13.4. Compósitos reforçados com fibras
13.5. Compósitos reforçados com partículas
13.6. Outros compósitos
13.6.1. Madeira
13.6.2. Compósitos celulares
13.6.3. Estruturas sandwich

BIBLIOGRAFIA E REFERÊNCIAS
ÍNDICE DE FIGURAS E TABELAS

Eduardo A. S. Marques é Investigador contratado pós-doutoral no Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial (INEGI) e docente convidado no Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP).
Obteve o seu doutoramento na área das ligações adesivas estruturais para aplicações aeroespaciais na FEUP, em 2016, dedicando-se agora a estudar o efeito de elevadas taxas de deformação, temperaturas extremas e elevada humidade relativa no comportamento de diversos materiais e estruturas coladas.

Ricardo J. C. Carbas é atualmente Investigador pós-doutoral na Unidade de Processos Avançados de Ligação (UPAL), uma unidade de investigação do Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial (INEGI). Obteve doutoramento em juntas coladas funcionalmente graduadas, pela Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP), em 2013, e realiza regularmente trabalhos de consultoria para empresas nacionais e internacionais.

Catarina S. P. Borges é doutoranda em Engenharia Mecânica, desenvolvendo a sua investigação na área no projeto e durabilidade de juntas adesivas. Durante a sua tese de mestrado participou na concepção e desenvolvimento de um novo equipamento de ensaio para a caracterização à fractura de juntas adesivas sujeitas a taxas de deformação elevadas. É autora de diversos artigos de investigação neste campo.

Lucas F. M. da Silva é Professor Catedrático no Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP) e editor-chefe do Journal of Materials Design and Applications (SAGE). É o diretor da Unidade de Processos Avançados de Adesão (AJPU) do Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial (INEGI).

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