cAPítulO 1 introdução à engenharia e ciência dos materiaissrvd.grupoa.com.br/uploads/imagensExtra//legado/S/SMITH_William_F/... · nhecimentos sobre Marte, ... madeiras, ossos

c A P í t u l O 1

introdução à engenharia e ciência dos materiais

(Cortesia da NASA)

O Phoenix Mars Lander é o “robô-cientista” por trás da mais recente empreitada científica da NASA, o Programa de Exploração de Marte. Os dois principais objetivos cien-tíficos da missão Phoenix são determinar se de fato nun-ca houve vida em Marte, e entender o clima marciano. A aeronave é uma obra-prima da engenharia, representando o desejo humano de obter conhecimento. Imaginem os de-safios em engenharia e ciência dos materiais ao se projetar uma nave para resistir e operar de maneira eficaz sob uma variedade de condições extremas. Durante o lançamento, por exemplo, a aeronave e seus sensíveis instrumentos são submetidos a cargas colossais; já ao longo da etapa de cru-zeiro, a aeronave deve resistir a tempestades solares e ao impacto de micrometeoros; na fase de reentrada, descida e aterrissagem, por sua vez, a temperatura sobe milhares de graus, e a aeronave é sujeita ainda a uma tremenda força de desaceleração quando o paraquedas é aberto; finalmen-te, durante a operação em Marte, a aeronave deve suportar as temperaturas extremamente baixas do ártico marciano, além das tempestades de areia.

O Lander é equipado com uma série de ferramentas de engenharia e de instrumentos científicos. Os principais ins-trumentos a bordo são: (1) um braço de robô dotado de uma filmadora (construído pelo Jet Propulsion Laboratory [JPL], University of Arizona, e Max Planck Institute, na Alemanha), (2) instrumentos para análise microscópica, eletroquímica e de condutividade (JPL), (3) um analisador de gazes liberados por aquecimento da amostra (University of Arizona e Univer-sity of Texas, em Dallas), (4) vários sistemas de obtenção de imagens, e (5) uma estação meteorológica (Canadian Space Agency). As principais categorias de materiais (metais, polí-meros, cerâmicas, compósitos e materiais eletrônicos) foram utilizadas na estrutura do Lander e em seus instrumentos.

A missão Phoenix Mars Lander usa as mais avança-das tecnologias, conhecimentos e experiências na área de engenharia e ciência dos materiais para gerar novos co-nhecimentos sobre Marte, os quais podem abrir caminho para a exploração humana do espaço e o povoamento de outros planetas.

1. Entender a engenharia e ciência dos materiais como uma área do conhecimento científico.

2. Enumerar a classificação básica dos materiais sólidos.3. Relacionar as características essenciais

de cada grupo de materiais.

4. Citar um material de cada grupo e relacionar algumas aplicações dos diferentes tipos de materiais.

5. Avaliar o quanto sabe e o quanto não sabe sobre materiais.6. Estabelecer a importância da engenharia e ciência dos

materiais na seleção de materiais para várias aplicações.

MetaS de aprendizageM

Ao final deste capítulo, o aluno será capaz de:

2 Fundamentos de Engenharia e Ciência dos Materiais

1.1 mAteRiAis e engenhARiA

A humanidade, os materiais e a engenharia evoluíram com o decorrer do tempo e ainda continuam a fazê-lo. Vivemos em um mundo em constante evolução, e os materiais não são exceções. Historicamen-te, o avanço das civilizações dependeu do aperfeiçoamento dos materiais com que trabalhar. O homem pré-histórico estava restrito aos materiais disponíveis na natureza, como pedras, madeiras, ossos e peles. Com o tempo, eles evoluíram dos materiais da Idade da Pedra para as subsequentes Idades do Ferro e do Cobre (Bronze). Deve-se observar, porém, que estes avanços não aconteceram de maneira uniforme em toda parte – veremos que isto também ocorre na natureza, inclusive em escala microscópica. Mes-mo nos dias atuais, estamos restritos a materiais que podemos obter da crosta terrestre e da atmosfera (Tabela 1.1). Segundo o dicionário Webster’s, materiais podem ser definidos como substâncias das quais qualquer coisa é constituída ou feita. Embora genérica, do ponto de vista das aplicações em engenharia, esta definição abrange quase todas as situações relevantes.

A produção e o processamento de materiais em produtos acabados constituem uma grande parte da eco-nomia atual. Os engenheiros projetam a maioria dos produtos manufaturados, bem como os sistemas de processamento necessários à sua produção. Uma vez que os produtos requerem materiais para sua fabrica-ção, o engenheiro deve conhecer a estrutura interna e as propriedades dos materiais objetivando escolher os materiais mais adequados a cada aplicação e ao desenvolvimento dos melhores métodos de processamento.

Os engenheiros de pesquisa e desenvolvimento criam novos materiais ou modificam as proprieda-des de materiais existentes. Os engenheiros de projeto (projetistas) utilizam tanto materiais já existen-tes quanto materiais modificados ou novos para projetar e criar outros produtos e sistemas. Algumas vezes, estes engenheiros encontram um problema em seu projeto que demanda a criação de um novo material por parte dos engenheiros de pesquisa e desenvolvimento. É o caso, por exemplo, do projeto de um transporte civil de alta velocidade (high-speed civil transport – HSTC) (Figura 1.1), que exige o desenvolvimento de materiais para altas temperaturas capazes de suportar até 1.800 ºC (3.272 ºF),

possibilitando velocidades do ar na faixa de Mach 12 a 25 de matriz cerâmica1. Visando esta aplicação e outras simila-res, atualmente vêm sendo realizadas pesquisas para se desenvolver compó-sitos de matriz cerâmica, compostos in-termetálicos refratários e superligas de cristal único.

A exploração espacial é uma área que exige o máximo de engenheiros e pesquisadores em materiais. O projeto e construção da Estação Espacial In-ternacional (International Space Sta-tion – ISS) e do Veículo Explorador de Marte (Mars Exploration Rover – MER) são exemplos de atividades em pesquisa e exploração espacial que demandam o máximo de engenheiros e cientistas na área de materiais. Para a construção da ISS, um grande laboratório de pesquisa movendo-se pelo espaço à velocidade de 27.000 km/h, foi necessário a seleção de materiais para operação em um am-biente muito distinto do que conhecemos na Terra (Figura 1.2). Eles devem ser le-ves a fim de se minimizar o peso útil du-rante o lançamento. O invólucro externo

1Mach 1 é igual à velocidade do som no ar.

tabela 1.1Materiais mais comuns na crosta e na atmosfera terrestres em porcentagem, em peso e em volume.

elemento % em peso da crosta terrestre

Oxigênio (O) 46,60

Silício (Si) 27,72

Alumínio (Al) 8,13

Ferro (Fe) 5,00

Cálcio (Ca) 3,63

Sódio (Na) 2,83

Potássio (K) 2,70

Magnésio (Mg) 2,09

Total 98,70

gás % em volume do ar seco

Nitrogênio (N2) 78,08

Oxigênio (O2) 20,95

Argônio (Ar) 0,93

Dióxido de carbono (CO2) 0,03

Capítulo 1 Introdução à Engenharia e Ciência dos Materiais 3

deve oferecer proteção contra o impacto de minúsculos meteoros e do lixo espacial. A pressão interna do ar, de aproximadamente 15 psi (uma atmosfera), está continuamen-te tensionando os módulos. Além disso, os módulos devem suportar tensões imensas durante o lançamento. A seleção de materiais para o MER também representa um desafio, principalmente ao se considerar que durante a noite o veículo estará sujeito a temperatu-ras que podem cair a –96 ºC. Estas e outras restrições requerem novas possibilidades de seleção de materiais durante o projeto de sis-temas complexos.

Deve-se ter em mente que a utilização de materiais e os projetos de engenharia mudam continuamente e que o ritmo desta mudança se acelera. Não há como prever os avanços de longo prazo nesta área. Em 1943, a pre-visão era de que pessoas ricas nos Estados Unidos teriam seus próprios girocópteros. Quão errada estava esta previsão! Enquanto isso, o transistor, o circuito integrado e a te-levisão (incluindo-se aí a televisão colorida e a de alta definição) eram menosprezados. Trinta anos atrás, muitas pessoas não acreditariam que um dia os computadores se tornariam um produto de uso doméstico tão comum quanto um telefone ou um refrigerador. E, mesmo hoje, ainda achamos difícil de acreditar que um dia as viagens espaciais estarão disponíveis comercialmente e que será possível colonizar Marte. Contudo, a ciência e a engenharia expandem e transformam em realidade nossos sonhos mais impossíveis.

A busca por novos materiais prossegue continuamente. Como um exemplo, destaquemos o fato de que engenheiros mecânicos buscam novos materiais para altas temperaturas, a fim de que os aviões a jato possam operar com maior rendimento. Por sua vez, en-genheiros elétricos também procuram desenvolver novos ma-teriais para que dispositivos eletrônicos possam operar mais rapidamente e a temperaturas mais altas. Engenheiros espaciais procuram desenvolver materiais com maior razão resistência/peso para a construção de veículos espaciais. Engenheiros químicos e de materiais procuram materiais mais resistentes à corrosão. Muitos setores da indústria têm em vista materiais, dispositivos e sistemas microeletromecânicos (MEMs) para serem usados como sensores e atuadores em suas aplicações. Mais recentemente, o campo dos nanomateriais vem atraindo a atenção de muitos cientistas e engenheiros em todo o mundo. Propriedades estruturais, químicas e mecânicas singulares dos nanomateriais abriram novas e impressionantes possibilidades de aplicação em uma série de problemas de engenharia e medi-cina. Estes são apenas alguns exemplos da busca de engenhei-ros e cientistas por materiais e processos novos e aperfeiçoados para uma vasta gama de aplicações. Em muitos casos, o que ontem era impossível, hoje é realidade!

Engenheiros de todas as áreas devem ter algum conhecimen-to básico e aplicado de materiais para engenharia, de modo que, ao utilizá-los, sejam mais eficazes em seu trabalho. O propósito deste livro é servir como uma introdução ao estudo da estrutura interna, das propriedades, do processamento e das aplicações

Figura 1.1Vista do transporte civil de alta velocidade mostra o Hyper-X com Mach 7 e motores em operação. Os anéis indicam a velocidade do escoamento na superfície.(© The Boeing Company.)

Figura 1.2A Estação Espacial Internacional (ISS).(© Stocktrek/age fotostock.)


de materiais para engenharia. Devido à enorme quantidade de informações disponíveis sobre este as-sunto e, em vista das limitações deste livro, procedeu-se a uma seleção do conteúdo a ser apresentado.

1.2 engenhARiA e ciênciA dOs mAteRiAisA ciência dos materiais tem como objetivo principal a obtenção de conhecimentos básicos sobre a estrutura interna, as propriedades e o processamento de materiais. A engenharia dos materiais volta-se principalmente para a utilização de conhecimentos básicos e aplicados acerca dos materiais de tal forma que estes possam ser transformados em produtos necessários ou desejados pela sociedade. O termo engenharia e ciência dos materiais engloba tanto a ciência como a engenharia dos materiais e constitui o assunto deste livro. No espectro do conhecimento sobre materiais, a ciência dos materiais localiza-se no extremo do conhecimento básico, enquanto a engenharia dos materiais se encontra no limite do conhe-cimento aplicado, não havendo entre elas uma linha divisória (Figura 1.3).

A Figura 1.4 mostra um diagra-ma constituído por três círculos concêntricos que estabelecem a relação entre as ciências básicas (e a matemática), a engenharia e ciên-cia dos materiais e as outras áreas da engenharia. As ciências básicas localizam-se no interior do círculo mais interno, ou núcleo do diagra-ma, ao passo que as muitas áreas da engenharia (mecânica, elétrica, civil, química etc.) se localizam no terceiro círculo, mais externo. As ciências aplicadas, como a meta-

lurgia, a cerâmica e a ciência dos polímeros, situam-se no anel central. Vê-se, então, que a engenharia e a ciência dos materiais formam uma ponte entre as informações sobre materiais oriundas das ciências básicas (e da matemática) e as várias áreas da engenharia.

1.3 tiPOs de mAteRiAis

Por questões de conveniência, a maioria dos materiais para engenharia é dividida em três categorias básicas principais: materiais metálicos, materiais poliméricos e materiais cerâmicos. Neste capítulo, serão feitas as distinções entre estas categorias com base em algumas de suas importantes propriedades mecânicas, elétricas e físicas. Nos capítulos subsequentes, serão estudadas as diferenças entre a estru-tura interna destes tipos de materiais. Serão consideradas também duas categorias segundo o processamento e a apli-cação, a dos materiais compósitos e a dos materiais ele-trônicos, devido à sua grande importância na engenharia.

1.3.1 materiais metálicos

Esses materiais são substâncias inorgânicas compostas de um ou mais elementos metálicos, podendo também con-ter alguns elementos não metálicos. Alguns exemplos de

Engenharia

Ciênciasaplicadas

Ciênciasbásicas

MedicinaMecânica

Química

Civil

Elétrica

Nuclear

Aeroespacial

Geociências

Engenharia de minas,

mineral e geológica

Ciênciasbiológicas

Engenharia e ciênciados materiais

Polímeros

Metalurgiacerâmica

MecânicaFísica

QuímicaMatemática

Figura 1.4Este diagrama ilustra como a engenharia e ciência dos materiais estabelece uma ponte entre as informações das ciências básicas e as áreas da engenharia.(Reimpresso com autorização da National Academy of Sciences, cortesia da National Academic Press.)

Figura 1.3Espectro do conhecimento sobre materiais. O emprego simultâneo de informações oriundas da ciência e da engenharia dos materiais permite aos engenheiros transformar materiais em produtos necessários à sociedade.

Engenharia e ciênciados materiais Engenharia dos materiaisCiência dos materiais

Conhecimento resultanteda estrutura, propriedades,

processamento edesempenho demateriais para

engenharia

Conhecimento aplicadosobre materiais

Conhecimentobásico sobre

materiais


elementos metálicos são o ferro, o cobre, o alumínio, o níquel e o titânio. Elementos não metálicos, como carbono, nitrogênio e oxigênio, também podem estar presentes em materiais metálicos. Os metais possuem uma estrutura cristalina na qual os átomos estão dispostos de maneira ordenada. São em geral bons condutores térmicos e elétricos. Muitos deles são relativamente resistentes e dúcteis à temperatura ambiente, sendo que vários se mantêm bastante resistentes mesmo a altas temperaturas.

Os metais e as ligas2 são comumente divididos em duas classes: as ligas e metais ferrosos, que con-têm uma grande porcentagem de ferro, como, por exemplo, aços e ferros fundidos, e as ligas e metais não ferrosos, que não contêm ferro ou que o contêm apenas em pequena quantidade. Alguns exemplos de metais não ferrosos são o alumínio, o cobre, o zinco, o titânio e o níquel. A distinção entre ligas fer-rosas e não ferrosas deve-se ao fato de que aços e ferros fundidos são produzidos em quantidades muito maiores e são muito mais usados do que outras ligas.

Os metais, em sua forma pura ou em ligas, são usados em vários ramos da indústria, incluindo-se aeroespacial, biomédica, semicondutores, eletrônica, energia, construção civil e transportes. Nos Esta-dos Unidos, a produção dos principais metais, tais como alumínio, cobre, zinco e magnésio, acompanha de perto o crescimento da economia. Entretanto, a produção de ferro e aço tem sido menor do que a esperada devido à competição no mercado global e a razões econômicas, sempre prementes. Os enge-nheiros e pesquisadores em materiais estão continuamente tentando aprimorar as propriedades de ligas já existentes ou projetar e produzir novas ligas mais resistentes, inclusive a altas temperaturas, e com melhores propriedades de fluência (ver Seção 7.4) e fadiga (ver Seção 7.2). As ligas existentes podem ser aperfeiçoadas pelo aprimoramento de sua química, pelo controle da composição e por técnicas de processamento. Por volta de 1961, por exemplo, superligas novas ou aprimoradas à base de níquel ou de ferro-níquel-cobalto estavam já disponíveis para uso nas palhetas de alta pressão de turbinas a gás de aeronaves. O termo superliga foi cunhado em vista do desempenho superior destas ligas a tempera-turas elevadas, aproximadamente 540 ºC (1.000 ºF), e sob altos níveis de tensão. As Figuras 1.5 e 1.6 mostram uma turbina a gás PW4000 construída principalmente com ligas e superligas metálicas. Os metais usados nas partes internas da turbina devem ser capazes de suportar altas temperaturas e pressões durante a sua operação. Por volta de 1980, técnicas de fundição aprimoradas permitiram produzir grãos colunares solidificados direcionalmente (ver Seção 4.2) e ligas fundidas à base de níquel de cristal único (ver Seção 4.2). No início dos anos 1990, ligas fundidas de cristal único solidificadas direcionalmente tornaram-se padrão em muitas aplicações de turbinas a gás em aeronaves. O desempenho superior de superligas a temperaturas de operação elevadas levou a uma melhora significativa no rendimento de turbinas de aeronaves.

Muitas ligas metálicas, como ligas de titânio, aço inoxidável e ligas à base de cobalto, são também usadas em aplicações biomédicas, como em implantes ortopédicos, em válvulas para o coração, ou em dis-positivos de fixação e parafusos. Esses materiais possuem maior resistência, rigidez e biocompatibilidade; esta última é uma consideração importante, porque o ambiente no interior do corpo humano é extrema-mente corrosivo e, portanto, os materiais usados nessas aplicações devem ser insensíveis a esse ambiente.

Além do aprimoramento químico e do controle da composição, pesquisadores e engenheiros tam-bém se concentram no melhoramento de novas técnicas de processamento desses materiais. Processos como compactação isostática a quente (ver Seção 11.4) e forjamento isotérmico permitiram um aumen-to da resistência à fadiga de muitas ligas. Mais ainda, as técnicas da metalurgia do pó (ver Seção 11.4) continuarão sendo importantes, porque permitem a melhoria das propriedades de algumas ligas com um custo reduzido do produto final.

1.3.2 materiais poliméricos

A maioria dos materiais poliméricos consiste em longas cadeias ou redes moleculares que normalmente têm como base materiais orgânicos (precursores que contêm carbono). Estruturalmente, a maior parte dos materiais poliméricos é não cristalina, mas alguns apresentam uma mistura de regiões cristalinas e não cristalinas. A resistência e a ductilidade dos materiais poliméricos variam muito. Devido à natureza de sua estrutura interna, estes materiais são, predominantemente, maus condutores de eletricidade. Alguns deles são bons isolantes, usados em aplicações de isolamento elétrico. Uma das aplicações mais recentes

2Uma liga metálica é uma combinação de dois ou mais metais, ou de um metal (ou metais) e um não metal (ou não metais).


dos materiais poliméricos é na produção de discos de vídeo digitais (DVDs) (Figura 1.7). Em geral, estes materiais têm baixa densidade e se decompõem ou amolecem a temperaturas relativamente baixas.

Historicamente, nos Estados Unidos, os materiais plásticos têm apresentado o maior crescimento entre os materiais básicos, com uma taxa anual de 9% em peso (Figura 1.14). Todavia, a taxa de crescimento dos plásticos em 1995 caiu para menos de 5%, uma diminuição significativa. Tal queda era, entretanto, esperada, pois os plásticos já haviam substituído os metais, o vidro e o papel na maioria dos mercados de grande volume em que atualmente encontram aplicação, como o de embalagens e o da construção.

Segundo algumas previsões, os plásticos para uso em engenharia, como o nylon, devem se manter competitivos em face dos metais. A Figura 1.8 mostra os custos previstos para as resinas plásticas de uso em engenharia em comparação com alguns metais comuns. As indústrias fornecedoras de polímeros concentram-se cada vez mais no desenvolvimento de misturas polímero-polímero, também denominadas ligas poliméricas ou misturas, visando aplicações específicas para as quais nenhum polímero único é apro-priado. Na medida em que as misturas são produzidas a partir de polímeros já existentes, cujas propriedades são bem conhecidas, o seu desenvolvimento é mais barato e mais confiável do que a síntese de um novo e único polímero para uma aplicação específica. Tomemos como exemplo os elastômeros (um tipo de polímero altamente deformável), que são normalmente misturados a outros plásticos a fim de se melhorar a resistência ao impacto do material resultante. Essas misturas são muito usadas em para-choques de automó-veis, no acondicionamento de ferramentas de corte, em materiais esportivos e nos componentes sintéticos de muitas instalações cobertas de atletismo, que são geralmente feitas de uma combinação de borracha e poliuretano. Revesti-mentos de acrílico em cores brilhantes, aos quais se adicionam várias fibras e materiais de enchimento, são usados para revestir o piso de quadras de

Figura 1.5A turbina para aeronaves (PW4000) mostrada acima é fabricada principalmente com ligas metálicas. As mais recentes ligas à base de níquel, de alta resistência mecânica e a altas temperaturas, são utilizadas em sua fabricação. Essa turbina faz uso de muitas tecno-logias avançadas e comprovadas para aumentar seu desempenho e durabilidade. Incluem materiais das palhetas de cristal único de segunda geração, discos de pó metálico e um controle eletrônico autônomo (full authority)* aperfeiçoado.(Cortesia de Pratt & Whitney Co.)

Figura 1.6Vista em corte da turbina a gás PW4000, de 112 polegadas (284,48 cm), mostrando o trecho de desvio do ventilador.(Cortesia de Pratt & Whitney Co.)

Figura 1.7Fabricantes de resinas plásticas estão desenvolvendo plásticos de policarbonato comerciais ultrapuros e de alta fluidez para fabricação de DVDs.(© Getty/RF.)

*N. de T.: O “Sistema Digital de Controle do Motor datado de Autoridade Plena” (Full Authority Digital Engine Control – FADEC) refere-se ao controle completo, ou autônomo, dos parâmetros da operação da turbina pelo computador, sem a intervenção humana. O objetivo é atingir o rendimento máximo da turbina para cada condição de voo.

desvio do ventilador


tênis e parques infantis. Por outro lado, outros materiais poliméricos de revestimento são empregados para proteção contra corrosão, ambientes quimicamente agres-sivos, choque térmico, impacto, desgaste e abrasão. A busca por novos polímeros e ligas polimé-ricas é em virtude de seu baixo custo e de suas propriedades ade-quadas a várias aplicações.

1.3.3 materiais cerâmicos

Materiais cerâmicos são mate-riais inorgânicos constituídos de elementos metálicos e não metá-licos quimicamente ligados. Os materiais cerâmicos podem ser cristalinos, não cristalinos ou uma mistura de ambos. Eles, em sua maioria, têm alta resistência mecâ-nica em altas temperaturas, porém tendem a ser quebradiços (pouca ou nenhuma deformação precede a ruptura). As vantagens dos materiais cerâmicos para aplicações em engenharia envolvem baixo peso, grande resistência e dureza, boa resistência ao calor e ao desgaste, atrito reduzido e propriedades isolantes (Figuras 1.9 e 1.10). As propriedades isolantes combinadas à alta resistência ao calor e à corrosão os tornam apropriados para isolamento de fornalhas de tratamento térmico e de fundição de metais como aço.

Nos Estados Unidos, a taxa histórica de crescimento de materiais cerâmicos tradicionais, tais como cerâmica, vidro e pedra, tem sido de 3,6% ao ano (1966 a 1980). A taxa esperada de crescimento desses materiais de 1982 a 1995 seguiu o crescimento da economia americana. Nas últimas décadas, uma família inteiramente nova de materiais cerâmicos de óxidos, nitretos e carbonetos, com propriedades aprimora-das, têm sido fabricados. A nova geração de materiais cerâmicos, denominada cerâmicas para enge-nharia, cerâmicas estruturais ou cerâmicas avançadas, possui maior resistência mecânica, bem como maior resistência ao desgaste, à corrosão (mesmo em altas temperaturas) e a choques térmicos (advin- dos de exposições súbitas a temperaturas muito altas ou muito baixas). Entre os materiais cerâmicos avançados estão alumina (óxido), nitreto de silício (nitreto) e carboneto de silício (carboneto).

Uma aplicação aeroespacial importante dos materiais cerâmicos avançados é o uso de placas cerâ-micas para revestimento dos ônibus espaciais. As placas cerâmicas são feitas de carboneto de silício, em virtude de sua capacidade em atuar como blindagem térmica e de retornar rapidamente à tempe-ratura usual quando é removida a fonte de calor. Esses materiais cerâmicos protegem termicamente a subestrutura interna de alumínio da nave espacial durante a subida e durante a reentrada na atmosfera terrestre (ver Figuras 11.43 e 11.44). Outra aplicação importante dos materiais cerâmicos avançados, e que evidencia a versatilidade, a importância e o crescimento futuro dessa classe de materiais, é o seu uso na fabricação de ferramentas de corte. Por exemplo, o nitreto de silício é um excelente material para fabricação de ferramentas de corte por sua alta resistência a choques térmicos e à fratura.

As aplicações dos materiais cerâmicos são realmente ilimitadas, pois podem ser utilizados na área aeroespacial, na fabricação de metais, na biomedicina, na indústria automotiva e em muitas outras áreas. As duas principais desvantagens destes materiais referem-se ao fato de que são (1) difíceis de serem transformados em produtos acabados, sendo, portanto, caros, e ao fato de serem (2) quebradiços e com

40

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Latão amarelo comercial

Aço laminado a frio

Lingote de magnésio

Plásticos para engenharia

Aço laminado a quente

Lingote de alumínio

Zinco

Figura 1.8Custos históricos e esperados de resinas plásticas para engenharia em comparação a alguns metais comuns de 1970 a 1990. Os plásticos para engenharia devem permanecer competitivos frente ao aço laminado a frio e outros metais.(De Modern Plastics, August 1982, p. 12, e novos dados, 1998. Reimpresso com permissão de Modern Plastics.)


uma baixa resistência à fratura em comparação aos metais. Se as técnicas para o desenvolvimento de materiais cerâmicos de alta dureza forem aperfeiçoadas, sua utilização em aplicações da engenharia poderia ter um crescimento exponencial.

1.3.4 materiais compósitos

Um material compósito pode ser definido como dois ou mais materiais (fases ou constituintes) integrados de modo a formar um novo material. Os constituintes mantêm suas propriedades, mas o compósito resultante terá propriedades diferentes destes. A maioria dos materiais compósitos consiste em um material de enchimento ou de reforço apropriado e uma resina aglutinadora adequada a fim de que se obtenham as características específicas e as propriedades desejadas. Normalmente, os componentes não se dissolvem um no outro, podendo ser identificados fisicamen-te por uma interface entre eles. Os compósitos podem ser de vá-rios tipos. Alguns dos tipos predominantes são materiais fibrosos (compostos de fibras em uma matriz) e particulados (compostos de partículas em uma matriz). Muitas combinações diferentes de materiais de reforço e da matriz são usadas para se fabricar com-pósitos. Para tomarmos um exemplo, o material da matriz pode

Entrada de arDescarga

Carcaça

Rotor doturbocompressor

Braço dobalancim

ExaustãoRevestimentodo tubo dedescarga Válvulas

Câmara decombustão

Placa de válvulas

Coroa do pistão

Revestimento do cilindro

Tuchos Cames

Pontadas

varetas

Figura 1.9(a) Exemplos de uma nova geração recentemente desenvolvida de materiais cerâmicos para aplicações avançadas em motores. Os componen-tes de cor escura são válvulas de motores, assentos de válvulas e pinos do pistão fabricados em nitreto de silício. O componente de cor clara é um material de revestimento de tubulação fabricado em um material cerâmico à base de alumina.(Cortesia de Kyocera Industrial Ceramics Corp.)

(b) Possíveis aplicações de componentes cerâmicos em um motor turbo-diesel.(Segundo Metals and Materials December, 1988.)

(a) (b)

Figura 1.10Mancais de rolamento de esferas cerâmicos de alto desempenho são fabricados em nitreto de carbono e de silício por meio da tecnologia de pó metálico.(© David A. Tietz/Editorial Image, LLC.)


ser um metal como o alumínio, ou uma cerâmica como a alumina, ou ainda um polímero como o epóxi. Dependendo do tipo de matriz usado, os compósitos podem ser classificados em compósitos de base metálica (metal matriz composite – MMC), compósitos de base cerâmica (ceramic matriz composite – CMC) e com-pósitos de base polimérica (polymer matrix composite – PMC). Os materiais fibrosos ou particulados tam-bém podem ser selecionados de qualquer uma destas três categorias principais de materiais, cujos exemplos são carbono, vidro, aramida, carbeto de silício e outros. As combinações de materiais utilizados no projeto de compósitos dependem principalmente do tipo de aplicação e do ambiente no qual o material será utilizado.

Os materiais compósitos substituíram componentes metálicos principalmente na indústria aeroespa-cial, aviônica, na indústria automotiva, na construção civil e na indústria de material esportivo. Prevê-se um aumento médio anual de aproximadamente 5% na utilização futura destes materiais. Uma das razões para tal é a sua alta resistência e o seu quociente rigidez/peso. Alguns compósitos avançados têm rigidez e resistência semelhantes a de alguns metais, porém com densidade significativamente menor e, por conseguinte, com peso resultante mais baixo. Essas características os tornam extremamente atraentes em situações nas quais o peso do produto é um fator crucial. De maneira geral, e semelhantemente aos materiais cerâmicos, a desvantagem principal da maioria dos compósitos é a sua fragilidade e a sua bai-xa resistência à fratura. Algumas destas deficiências podem ser mitigadas, em determinadas situações, pela escolha adequada do material da matriz.

Dois tipos proeminentes de materiais compósitos modernos usados em aplicações de engenharia são reforços em fibra de vidro em uma matriz de poliéster ou epóxi e fibras de carbono em uma matriz de epóxi. A Figura 1.11 mostra de maneira esquemática como materiais compósitos de fibra de carbono em epóxi foram usados nas asas e motores do avião de passageiros C-17. Desde o início da construção destes aviões, novos procedimentos e modificações destinados a reduzir custos têm sido implementados (ver Aviation Week & Space Technology, 9 de junho de 1997, p. 30).

1.3.5 materiais eletrônicos

Os materiais eletrônicos não constituem uma grande categoria de materiais pelo volume de produção, todavia são um tipo de material extremamente importante nas tecnologias de engenharia avançadas. O material eletrônico mais importante é o silício puro, modificado de várias maneiras a fim de se alterar suas características elétricas. Uma infinidade de complexos circuitos eletrônicos pode ser miniaturizada em uma pastilha de silício de cerca de ¾ de polegadas quadradas (1,90 cm2) (Figura 1.12). Dispositivos microeletrônicos tornaram possíveis novos produtos como satélites de comunicação, calculadoras, re-lógios digitais e robôs (Figura 1.13).

A utilização do silício e de outros materiais semicondutores no estado sólido e a própria microe-letrônica vêm exibindo um crescimento extraordinário desde 1970, o qual deve continuar no futuro. O impacto dos computadores e de outros equipamentos industriais que utilizam circuitos integrados fabricados com pastilhas de silício tem sido espetacular. A extensão do impacto de robôs computadorizados na manu-fatura moderna ainda não foi totalmente entendida. Os ma-teriais eletrônicos certamente desempenharão um papel vital nas “fábricas do futuro”, nas quais quase todos os processos de manufatura poderão ser realizados por robôs auxiliados por máquinas-ferramentas controladas por computador.

Ao longo dos anos, os circuitos integrados vêm sendo fabricados com uma densidade crescente de transistores dispostos em uma única pastilha de silício, com um tama-nho dos transistores correspondentemente menor. Em 1998, por exemplo, a resolução ponto-a-ponto da menor medida em uma pastilha de silício era de 0,18 µm e o diâmetro da lâmina de silício utilizada era de 12 polegadas (300 mm). Outro aprimoramento pode ser a substituição do alumínio pelo cobre nas interconexões, em razão da maior condutivi-dade deste último.

Componentes não estruturais,revestimentos e assentos

de tropas

CarbonoCarbono/aramidaAramidaVidro

Figura 1.11Visão geral da ampla gama de componentes fabricados em compósitos utilizados no avião C-17 da Força Aérea Americana. Esta aeronave tem envergadura de 50 m (165 ft) e emprega 6.800 kg (15.000 ib) de materias compósitos avançados.(De Advanced Composites, May/June 1988, p. 53.)


1.4 cOncORRênciA entRe mAteRiAisOs materiais competem entre si por mercados novos e por aqueles já existentes. Depois de certo tempo, muitos fatores emergem e tornam possível a substituição de um material por outro em certas aplica-ções. O custo certamente é um fator. Se um avanço marcante ocorre no processamento de certo tipo de material de maneira a reduzir substancialmente o seu custo, este material poderá substituir algum outro em determinadas aplicações. Outro fator que leva a substituições de materiais é o desenvolvimento de novos materiais com propriedades específicas para certas aplicações. Consequentemente, à medida que o tempo passa, varia o uso que se faz dos diversos materiais.

A Figura 1.14 mostra graficamente como a produção por peso de seis materiais variou nos anos recentes nos Estados Unidos. O alumínio e os polímeros exibiram um aumento notável na produção desde 1930. Em volume, a produção destes materiais é ainda mais acentuada, dado que o alumínio e os

polímeros são materiais leves.A competição entre os mate-

riais é evidente na composição do carro americano. Em 1978, o carro americano pesava em média 4.000 libras (1.800 kg) e consistia de aproximadamente 60% de fer-ro fundido e aço, de 10 a 20% de plásticos e de 3 a 5% de alumínio. Comparativamente, em 1985 o carro americano pesava em média 3.100 libras (1.400 kg) e consistia de cerca de 50 a 60% de ferro fun-dido e aço, de 10 a 20% de plás-ticos e de 5 a 10% de alumínio. Logo, no período de 1978 a 1985 a porcentagem de aço diminuiu, a de polímeros aumentou e a de alumínio permaneceu aproxima-damente a mesma. Em 1997, o carro doméstico americano pesava em média 3.248 libras (1.476 kg), sendo que os plásticos respondiam por cerca de 7,4% desse valor (Fi-gura 1.15). A tendência no uso de

Figura 1.12Microprocessadores modernos possuem um número enorme de conexões conforme mostrado nesta fotografia de um microprocessador Pentium II da Intel.(© IMP/Alamy RF.)

Figura 1.13Braços robotizados empunhando autopeças.(CORBIS/RF.)

1012

1011

1010

109

108

1910 1930 1950 1970 1990

Ano

Prod

ução

anu

al n

os E

stad

os U

nido

s (l

ibra

s)

Madeira

Aço

Cimento

Polímeros

Alumínio

Cobre

Figura 1.14Concorrência entre seis importantes materiais produzidos nos Estados Unidos com base no peso (em libras). O aumento rápido na produção de alumínio e polímero (plásticos) é evidente.(De J.G. Simon, Adv. Mat. & Proc.,133:63 (1988) e novo dado. Usado com autorização de ASM International.)


materiais em automóveis parece ser mais alumínio e aço e menos ferro fundido. A quantidade de plásticos (em porcentagem) em automóveis parece ser aproximadamente a mesma (Figura 1.16).

Em algumas aplicações, somente alguns materiais cumprem os requisitos do projeto de engenha-ria, ainda que possam ser relativamente caros. A turbina para modernos aviões a jato (Figura 1.5), por exemplo, requer para sua perfeita operação superligas para alta temperatura à base de níquel, materiais caros, para os quais nenhum substituto mais barato foi encontrado até o momento. Por conseguinte, embora o custo seja um fator importante em projetos de engenharia, os materiais utilizados devem também cumprir especificações de desempenho. De qualquer modo, a substituição de um material por outro acontecerá sempre na medida em que novos materiais são continuamente descobertos e novos processos, desenvolvidos.

1.5 AvAnçOs Recentes nA tecnOlOgiA e nA ciênciA dOs mAteRiAis e suAs tendênciAs FutuRAs

Nas décadas recentes, foram empreendidas várias iniciativas promissoras em ciência dos materiais que podem vir a revolucionar o futuro desta área do conhecimento. Os materiais inteligentes (dispositivos em escala micrométrica) e os nanomateriais são duas categorias de materiais que afetarão profundamen-te os principais ramos da indústria.

1.5.1 materiais inteligentes

Embora já existam há vários anos, alguns dos materiais inteligentes vêm encontrando novas aplicações. Esses materiais são sensíveis a estímulos do ambiente externo (temperatura, tensão, luz, umidade e cam-pos elétrico e magnético) e respondem a tais estímulos variando suas propriedades (mecânicas, elétricas ou de sua aparência), sua estrutura ou suas funções. Estes materiais são genericamente denominados materiais inteligentes. Sensores e atuadores são exemplos de dispositivos que fazem uso desse tipo de materiais. O componente sensorial detecta uma mudança no ambiente e o atuador efetua uma função ou resposta específica. Assim, alguns materiais inteligentes mudam de cor ou adquirem determinada coloração quando expostos a variações de temperatura, de intensidade luminosa ou de corrente elétrica.

Entre os materiais inteligentes mais importantes tecnologicamente e que podem operar como atuado-res, encontramos as ligas com memória de forma e as cerâmicas piezelétricas. As ligas com memória de forma são ligas metálicas que sob tensão revertem à sua forma original caso a temperatura aumente acima de uma determinada temperatura de transformação crítica. A mudança à forma original se deve a uma mudança na estrutura cristalina quando a temperatura ultrapassa a temperatura de transformação.

Alumínio5-10%

Plásticos10-20%

Outros Ferrosos 50-60%(15-20% HSLA)*

3.248 libras1997 real

2.000

Em

preg

o de

mat

eria

is (

libra

s/ca

rro)

1.500

1.000

500

0

PlásticoAço

Ferro Alumínio

Ano analisado1985 1992 1997

Figura 1.15Distribuição do peso, em porcentagem, entre os principais materiais utilizados no carro médio americano de 1985.*HSLA – Aço de baixa liga de alta resistência (High Strength Low Alloy Steel).

Figura 1.16Previsão e uso de materiais no carro americano.(Segundo J.G. Simon, Adv. Mat. & Proc., 133:63 (1988) e novos dados acrescentados em 1997.)


Uma aplicação biomédica destas ligas é utilizá-las como reforço expansível (stent) de paredes arteriais enfraquecidas ou para a expansão de artérias contraídas (Figura 1.17). A malha expansível é colocada primeiramente na posição correta por meio de uma sonda, conforme mostrado na Figura 1.17a. A malha então se expande até o seu tamanho e formas originais assim que sua temperatura atingir a temperatura do corpo (Figura 1.17b). Para fins de comparação, o método convencional para se expandir ou refor-çar uma artéria é por meio do uso de tubos de aço inoxidável, os quais são expandidos por um balão. Exemplos de ligas com memória de forma são as ligas de níquel-titânio e as de cobre-zinco-alumínio.

Os atuadores também podem ser feitos de materiais piezelétricos, ou seja, materiais que geram um campo elétrico quando expostos a uma força mecânica. Inversamente, uma mudança em um campo elétrico externo causará uma resposta mecânica no mesmo material. Estes materiais podem ser usados para detectar e reduzir vibrações indesejadas de um dispositivo por meio da resposta de um atuador. Dessa forma, ao ser detectada uma vibração, uma corrente elétrica é aplicada com a finalidade de gerar uma resposta mecânica que se contraponha ao efeito da vibração.

Consideremos agora o projeto e o desenvolvimento de sistemas em escala micrométrica que usam dispositivos e materiais inteligentes para detectar, comunicar-se e atuar: este é o mundo dos sistemas microeletromecânicos (MEMs). Originalmente, o termo MEM se referia a dispositivos que integra-vam tecnologia, materiais eletrônicos e materiais inteligentes em uma pastilha semicondutora para pro-duzir o que comumente conhecemos como micromáquina. Os dispositivos MEMs originais possuíam elementos mecânicos microscópicos fabricados em pastilhas de silício com a tecnologia dos circuitos integrados, e eram usados como sensores ou atuadores. Entretanto, o termo “MEMs” atualmente foi ampliado para abarcar qualquer dispositivo miniaturizado. As aplicações de MEMs são inúmeras, como nas microbombas, nos sistemas de travamento, ou ainda em motores, espelhos e sensores. Como exem-plo mais específico, tomemos o caso da utilização dos MEMs em airbags de automóveis, para detectar tanto a desaceleração como o peso da pessoa sentada no carro, de modo a abrir o airbag à velocidade correta.

1.5.2 nanomateriais

Os nanomateriais são genericamente definidos como aqueles materiais com escala de comprimento característica (isto é, diâmetro da partícula, tamanho do grão, espessura da camada etc.) menor do que 100 nm (1 nm = 10–9 m). Os nanomateriais podem ser metálicos, poliméricos, cerâmicos, eletrônicos ou compósitos. Neste sentido, os agregados de pó cerâmico de menos de 100 nm de tamanho da partícula,

Figura 1.17Ligas com formato de memória usadas em malhas expansíveis (stents) para o alargamento de artérias obstruídas ou enfraquecidas: (a) malha expansível montada em uma sonda e (b) malha introduzida em uma artéria danificada para reforçá-la.(Fonte: http://www.designinsite.dk/htmsider/inspmat.htm.)(Cortesia de Nitinol Devices & Components ©Sovereign/Phototake NYC.)

(a) (b)


os metais com tamanho de grão de menos de 100 nm, os filmes poliméricos com espessura menor do que 100 nm e os fios eletrônicos com diâmetro menor do que 100 nm são todos considerados nanoma-teriais ou materiais nanoestruturados. Em escala nanométrica, as propriedades do material não são nem as propriedades características do nível atômico ou molecular nem as de uma escala macroscópica. Embora atividades de pesquisa e desenvolvimento muito intensas tenham sido dedicadas a este assunto na última década, as primeiras pesquisas em nanomateriais datam dos anos 1960, quando fornalhas de chama química foram usadas para produzir partículas com tamanho menor do que um mícron (1 mí-cron = 10–6 m = 103 nm). As aplicações iniciais dos nanomateriais eram como catalisadores químicos e pigmentos. Os metalurgistas sempre souberam que, pelo refinamento da estrutura do grão de um metal em níveis ultrafinos (submícron), é possível aumentar substancialmente sua resistência e sua dureza em comparação com o metal de grãos maiores (escala de mícrons). O cobre puro nanoestruturado, por exemplo, tem um limite de escoamento seis vezes maior do que aquele do cobre de grãos maiores.

As razões para a atenção extraordinária que estes materiais vêm recebendo recentemente estão liga-das ao desenvolvimento de (1) novas ferramentas que tornaram possíveis a observação e a caracteriza-ção destes materiais, e de (2) novos métodos de processamento e síntese de materiais nanoestruturados que permitiram aos pesquisadores produzi-los mais facilmente e com mais eficiência.

As futuras aplicações dos nanomateriais estão limitadas somente pela imaginação e um dos maio-res obstáculos à concretização deste potencial é a capacidade para produzir estes materiais de maneira eficiente e econômica. Consideremos a manufatura de implantes dentários e ortopédicos a partir de na-nomateriais com melhores características de biocompatibilidade, melhor resistência mecânica e maior resistência ao desgaste quando comparados aos metais. Um exemplo é a zircônia nanocristalina (óxido de zircônio), um material cerâmico duro e resistente ao desgaste, quimicamente estável e biocompatí-vel, que pode ser produzido em forma porosa e que, quando usado como material de implante, permite que o osso cresça entre seus poros, resultando em uma fixação mais estável. As ligas metálicas atual-mente usadas para esta aplicação não permitem esta interação e frequentemente se tornam frouxas com o tempo, exigindo assim cirurgias adicionais. Os nanomateriais também podem ser usados na produção de tintas ou materiais de revestimento muito mais resistentes às intempéries e a ranhuras. Mais ainda, dispositivos eletrônicos como transistores, diodos e mesmo lasers podem ser produzidos em um nano-fio. Esses avanços da ciência dos materiais terão impacto tecnológico e econômico em todos os ramos da indústria e em todas as áreas da engenharia.

Bem-vindo ao mundo fascinante e extremamente interessante da engenharia e ciência dos materiais!

1.6 PROjetO e seleçãOO engenheiro de materiais deve ter grande familiaridade com as várias classes de materiais, com suas propriedades e estrutura, com os processos de produção envolvidos, questões ambientais e econômicas e outros. À medida que aumenta a complexidade do componente em consideração, também aumentam a complexidade da análise e o número de fatores envolvidos no processo de seleção de materiais. To-memos o caso da seleção de materiais para o quadro e o garfo de uma bicicleta. O material selecionado deve ser suficientemente forte para suportar a carga sem deformação permanente ou fratura. Deve ainda ser suficientemente rígido de modo a não sofrer excessiva deformação elástica ou falha por fadiga (devi-do à carga repetitiva). A resistência à corrosão do material pode ser outro fator a se considerar ao longo da vida da bicicleta. Além disso, o peso do quadro é importante caso a bicicleta venha a ser usada em corridas esportivas, pois, neste caso, ela deve ser leve. Quais materiais cumprem todos estes requisitos? Um processo de seleção de materiais adequado deve levar em conta questões de resistência, rigidez, peso, forma dos componentes (fator de forma), além de utilizar diagramas para esta seleção a fim de determinar os materiais mais indicados para uma dada aplicação. A descrição detalhada do processo de seleção de materiais está fora do escopo deste livro, mas este exemplo é usado como um exercício de identificação de vários materiais candidatos a esta aplicação. Constata-se que muitos deles podem cum-prir os requisitos de resistência, rigidez e peso, incluindo-se aqui algumas ligas de alumínio, de titânio, de magnésio, aço, plástico reforçado com fibras de carbono (CFRP) e até mesmo madeira. A madeira tem propriedades excelentes para esta aplicação, mas a ela não se pode dar facilmente a forma de um quadro e um garfo de bicicleta. Uma análise posterior mostra que o CFRP é a melhor escolha, pois pro-porciona um quadro resistente, rígido, leve, resistente à corrosão e à fadiga. Entretanto, seu processo de fabricação é oneroso. Por conseguinte, se o custo for um dos pontos a considerar, este material pode não


ser a escolha mais adequada. Os materiais restantes, todos ligas metálicas, são adequados e relativamen-te fáceis de serem produzidos no formato desejado. Assim, se o custo for um critério importante, o aço emerge como a escolha mais adequada. Por outro lado, se o peso da bicicleta for importante, as ligas de alumínio despontam como os materiais mais convenientes. As ligas de titânio e de magnésio são mais caras do que as ligas de alumínio e aço, embora sejam mais leves do que este último. Contudo, as ligas de titânio e magnésio não oferecem vantagens substanciais com relação ao alumínio.

A ciência dos materiais e a engenharia dos materiais (ou, sim-plesmente, engenharia e ciência dos materiais) constituem uma ponte de conhecimento sobre materiais entre as ciências básicas (e a matemática) e as várias áreas da engenharia. A ciência dos materiais busca principalmente conhecimentos básicos sobre materiais, enquanto a engenharia dos materiais se volta, sobretudo, para a utilização de conhecimentos práti-cos sobre materiais.

Os três tipos principais de materiais são os metálicos, os poliméricos e os cerâmicos. Outros dois tipos de materiais muito importantes para a engenharia moderna são os com-pósitos e os materiais eletrônicos. Este livro tratará de todos

esses tipos de materiais. Os materiais inteligentes e os dis-positivos em escala micrométrica, bem como os nanomate-riais, são apresentados como novas classes de materiais, com aplicações importantes e inovadoras em muitos setores da indústria.

Os materiais competem entre si por novos mercados ou por mercados já existentes, possibilitando a substituição de um material por outro em algumas aplicações. A disponibi-lidade de matéria-prima, o custo de produção e o desenvol-vimento de novos materiais e processos para novos produtos são fatores primordiais que levam a mudanças na utilização de materiais.

1.8 PROBlemAs ........................................................................................................

1.7 ResumO ..............................................................................................................

Problemas de conhecimento e compreensão

1.1 O que são materiais? Liste oito materiais para enge-nharia comumente encontrados.

1.2 Quais são as categorias principais dos materiais para engenharia?

1.3 Quais são algumas das propriedades importantes de cada uma das cinco categorias de materiais para enge-nharia?

1.4 Defina materiais compósitos e dê um exemplo de um material dessa categoria.

1.5 Faça uma lista das características de materiais estrutu-rais para aplicações espaciais.

1.6 Defina materiais inteligentes, dando um exemplo de um material desse tipo e de uma de suas aplicações.

1.7 O que são MEMs? Dê um exemplo de sua aplicação. 1.8 O que são nanomateriais? Quais são algumas das ale-

gadas vantagens de se usar nanomateriais em vez de materiais análogos convencionais?

1.9 Superligas à base de níquel são usadas em componen-tes estruturais de turbinas para aeronaves. Quais são as propriedades principais deste metal que o tornam adequado a esta aplicação?

1.10 Faça uma lista de itens em sua cozinha (pelo menos cinco). Para cada item, determine a classe de materiais (identifique materiais específicos, se possível) usados na fabricação do item.

1.11 Faça uma lista dos componentes principais da quadra de basquete de sua universidade. Para cada componente, determine a classe de materiais utilizados em sua estru-tura (identifique materiais específicos, se possível).

1.12 Faça uma lista dos componentes principais do seu au-tomóvel (pelo menos 15 componentes). Para cada um deles, determine a classe de materiais em sua estrutura (identifique materiais específicos, se possível).

1.13 Faça uma lista dos componentes principais do seu com-putador (pelo menos dez componentes). Para cada um, determine a classe de materiais utilizados em sua estru-tura (identifique materiais específicos, se possível).

1.14 Faça uma lista dos componentes principais na sua sala de aula, incluindo elementos construtivos (pelo menos dez componentes). Para cada um, determine a classe de materiais em sua estrutura (identifique materiais es-pecíficos, se possível).

Problemas de aplicação e análise

1.15 Liste algumas mudanças no uso de materiais que você tenha observado ao longo do tempo em alguns produ-tos manufaturados. Quais razões você acredita ter ha-vido para essas mudanças?

1.16 (a) Que tipo de material é o cobre OFHC (isento de oxi-gênio e de alta condutividade)? (b) Quais são as proprie-


dades desejadas para o cobre OFHC? (c) Quais são as aplicações do cobre OFHC na indústria de energia?

1.17 (a) A qual classe de materiais pertence o PTFE? (b) Quais são suas propriedades principais? (c) Quais são suas aplicações na manufatura de utensílios de cozinha?

1.18 Por que razão os engenheiros civis devem ter familia-ridade com a composição, as propriedades e o proces-samento de materiais?

1.19 Por que razão os engenheiros mecânicos devem ter familiaridade com a composição, as propriedades e o processamento de materiais?

1.20 Por que razão os engenheiros químicos devem ter fa-miliaridade com a composição, as propriedades e o processamento de materiais?

1.21 Por que razão os engenheiros industriais devem ter familiaridade com a composição, as propriedades e o processamento de materiais?

1.22 Por que razão os engenheiros de petróleo devem ter familiaridade com a composição, as propriedades e o processamento de materiais?

1.23 Por que razão os engenheiros elétricos devem ter fami-liaridade com a composição, as propriedades e o pro-cessamento de materiais?

1.24 Por que razão os engenheiros biomédicos devem ter familiaridade com a composição, as propriedades e o processamento de materiais?

Problemas de síntese e avaliação

1.25 Quais fatores podem levar a uma previsão incorreta da utilização de materiais na indústria?

1.26 Considere os componentes de uma lâmpada comum. Pede-se que você: (a) identifique alguns componentes

cruciais desse item; (b) determine o material seleciona-do para cada um desses componentes; (c) esquematize um processo para montagem da lâmpada.

1.27 (a) Relacione os fatores pertinentes à seleção do qua-dro de uma bicicleta esportiva do tipo mountain bike; (b) Aço, alumínio e ligas de titânio já foram emprega-dos como metais básicos na estrutura de uma bicicleta; dê os principais pontos fracos e fortes de cada um; (c) As bicicletas mais modernas são fabricadas em com-pósitos avançados. Explique as razões para esta esco-lha e cite um compósito específico usado na estrutura de uma bicicleta.

1.28 (a) Enumere os critérios principais para a seleção de materiais para a fabricação do capacete esportivo de segurança; (b) Identifique materiais que satisfaçam es-tes critérios; (c) Por que um capacete de metal maciço não seria uma boa escolha?

1.29 Por que é importante ou útil classificar os materiais em diferentes grupos, como foi feito neste capítulo?

1.30 Uma dada aplicação requer um material que deve ser bastante duro e resistente à corrosão, às condições am-bientes de temperatura e pressão. Além disso, seria van-tajoso, mas não absolutamente necessário, se o material escolhido também fosse resistente ao impacto. (a) Se você considerar somente os requisitos principais, quais classes de materiais você examinaria para esta aplica-ção? (b) Por outro lado, se considerar tanto os requisitos principais como os secundários, quais classes de mate-riais você examinaria?

1.31 Dê tantos exemplos quanto puder de como a engenha-ria e ciência dos materiais são importantes para o alpi-nista na fotografia da capa.

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