Ciência e Tecnologia dos Materiais (UniFatecie)

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Ciência e Tecnologia
dos Materiais
Professor Me. Marcus Vinícius Paula de Lima
Professora Me. Paloma Morais de Souza
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 Dados Internacionais de Catalogação na Publicação - CIP 
 
L732c Lima, Marcus Vinicius Paula de 
 Ciência e tecnologia dos materiais / Marcus Vinicius Paula 
 de Lima, Paloma Morais de Souza. Paranavaí: EduFatecie, 
 2022. 
 105 p.: il. Color. 
 
 
 
1. Resistência de Materiais. 2. Ciência dos Materiais. I. 
 Souza, Paloma Morais de. II. Centro Universitário UniFatecie. 
 III. Núcleo de Educação a Distância. IV. Título. 
 
 CDD: 23 ed. 620.112 
 Catalogação na publicação: Zineide Pereira dos Santos – CRB 9/1577 
 
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As imagens utilizadas neste
livro foram obtidas a partir 
do site Shutterstock.
AUTORES
Professor Me. Marcus Vinícius Paula de Lima
● Mestre em Engenharia de Transportes com ênfase na área de Infraestrutura 
de Transportes (pavimentos) pela EESC-USP (Escola de Engenharia de São 
Carlos da Universidade de São Paulo).
● Bacharel em Engenharia Civil pela Universidade Estadual de Maringá (UEM).
● Professor das disciplinas de construção civil e mecânica dos solos no curso de 
Engenharia Civil na UniFatecie.
● Professor de diversas disciplinas no curso de Engenharia Civil na Universidade 
Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR-TD).
● Docente na pós-graduação em gerenciamento de obras da UniFatecie.
Experiência em obras de pavimentação, drenagem e contenção de taludes e na 
elaboração de materiais didáticos e gravação de aulas para o ensino EAD em diversas 
instituições dos estados do Paraná e São Paulo. Atuação na elaboração de projetos, em 
consultorias técnicas e em avaliações e perícias.
CURRÍCULO LATTES:
http://lattes.cnpq.br/6510045811479557
Professora Me. Paloma Morais de Souza
● Mestre em Engenharia de Transportes com ênfase na área de Infraestrutura 
de Transportes (pavimentos) pela EESC-USP (Escola de Engenharia de São 
Carlos da Universidade de São Paulo) 
● Bacharel em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Cariri (UFCA) com 
período de graduação sanduíche na University of Illinois at Chicago (UIC) 
● Cursando pós-graduação Latu Sensu - MBA em Gestão de Projetos na 
Universidade de São Paulo (USP - Esalq) 
Possui experiência em docência e vivência na ensaios laboratoriais de solos e mistu-
ras asfálticas. Já atuou na elaboração de projetos de drenagem urbana, projetos geométricos 
de rodovias e em perícia para a avaliação das condições de pavimentos rígidos e flexíveis.
CURRÍCULO LATTES:
http://lattes.cnpq.br/0627052739373703
APRESENTAÇÃO DO MATERIAL
Seja muito bem-vindo (a)! 
Prezado (a) aluno (a), a partir de agora iremos iniciar uma grande jornada de in-
formação e conhecimento sobre este assunto cuja a aplicação interage com praticamente 
todos os setores da ciência e tecnologia. 
A ciência e tecnologia dos materiais está atrelada direta ou indiretamente ao coti-
diano de profissionais das mais variadas áreas, envolvendo desde o desenvolvimento de 
sistemas eletrônicos cada vez mais avançados até a produção de novas próteses utilizadas 
pela medicina, melhores aproveitamentos na construção civil, dentre outros.
Assim, juntos vamos conhecer os principais conceitos e definições que estão en-
volvidos neste assunto, estudar a evolução desta área ao longo do tempo e entender a 
aplicação de mecanismos facilitadores na análise dos materiais, sempre relacionando o 
conteúdo abordado com a realidade prática atual.
Na unidade I iniciaremos esta nossa jornada com uma introdução à ciência e a 
engenharia de materiais, apresentando as definições e conceitos básicos da área, realizan-
do uma viagem temporal sobre a evolução do uso dos materiais e a sua classificação, e 
introduzindo os princípios fundamentais de análise da estrutura química que compõe toda 
a matéria, em sua escala atômica.
Prosseguindo, na unidade II aprofundaremos o nosso estudo sobre a composição 
das microestruturas moleculares dos materiais, abordando a estrutura dos sólidos cristali-
nos e as imperfeições que nela existem. 
Na unidade III vamos conhecer os princípios envolvidos nos mecanismos de difu-
são e a sua relevância para a diversidade de estruturas dos materiais. Você também será 
apresentado a uma ferramenta extremamente útil para entendimento do comportamento 
dos materiais, chamada de diagrama de fases. Iremos explicar o diagrama e analisar algu-
mas de suas aplicações.
Posteriormente, na unidade IV concluiremos a nossa disciplina abordando as pro-
priedades dos materiais. Você irá se aprofundar no significado de propriedade, compreen-
dendo a sua relação com a classificação dos materiais e conhecendo algumas técnicas 
desenvolvidas para o seu melhor aproveitamento com base na resposta aos distintos 
estímulos e esforços a que são submetidos, sejam eles mecânicos, elétricos, térmicos, 
magnéticos ou ópticos. 
Assim, convido você para que juntos possamos abordar os diversos tópicos desta 
área da ciência imprescindível a humanidade, realizando um estudo de interligação entre 
a teoria envolvida e a compreensão de sua aplicação prática, proporcionando um ótimo 
desenvolvimento dos seus conhecimentos sobre a ciência e tecnologia dos materiais.
 
Muito obrigado e bom estudo! 
SUMÁRIO
UNIDADE I ...................................................................................................... 4
Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos 
Materiais
UNIDADE II ................................................................................................... 31
Estrutura de Sólidos Cristalinos e Imperfeições em Sólidos
UNIDADE III .................................................................................................. 54
Mecanismos de Difusão e Diagrama de Fases
UNIDADE IV .................................................................................................. 80
Propriedades dos Materiais
4
Plano de Estudo:
● Perspectiva histórica e o estudo da ciência dos materiais;
● Classificação dos materiais;
● Estrutura atômica;
● Ligações atômicas entre os sólidos.
Objetivos da Aprendizagem:
● Conhecer um breve histórico da utilizaçãode materiais 
em engenharia e a classificação dos materiais;
● Compreender a estrutura atômica e os tipos 
de ligações químicas dos átomos.
UNIDADE I
Introdução ao Estudo dos Materiais
para Engenharia e Estrutura dos 
Materiais
Professor Me. Marcus Vinicius Paula de Lima
Prof.ª Paloma Morais de Souza
5UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
INTRODUÇÃO
Todos os aspectos presentes no nosso dia-a-dia sofrem influência, em maior ou 
menor escala, dos materiais utilizados pela humanidade para a execução de suas diversas 
atividades. A utilização de diferentes materiais é uma característica comum, por exemplo, 
em questões de habitação, comunicação, produção alimentícia, transportes e vestimentas.
Pensando de um ponto de vista histórico, notamos que o desenvolvimento da 
humanidade está vinculado à habilidade das diferentes sociedades em detectar, manipu-
lar e melhorar os materiais que tinham disponíveis para o atendimento de suas variadas 
necessidades. Num cenário atual, de maneira geral a função dos cientistas e engenheiros 
de materiais é de desenvolver novos materiais através de novas sintetizações de suas 
estruturas, empregando-os por meio de novas técnicas.
Com a constante descoberta e desenvolvimento de novos materiais, é interessante 
classifica-los de acordo com as suas características, de modo a facilitar o seu estudo e 
aplicação. Estas classificações podem ser realizadas de diversas maneiras, como pela 
forma das ligações químicas que compõe suas moléculas, pela função para qual são em-
pregados, entre outras variações.
Para entender as características dos materiais é necessário compreender a sua 
composição. Por isso, caro (a) aluno (a), é importante que você entenda as bases dos 
elementos que formam os materiais, através de um estudo sobre a estrutura atômica e as 
ligações que existem entre os átomos, formando assim as moléculas e compostos.
Desta forma, nesta primeira unidade nós iremos abordar inicialmente uma introdu-
ção sobre a ciência e tecnologia dos materiais, fazendo uma breve viagem histórica sobre 
a evolução temporal desta área, conhecendo os tipos de materiais existentes atualmente e, 
por fim, compreendendo a estrutura básica que os compõe e a forma como essas estruturas 
interagem com reações químicas e ligações. 
6UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
1. PERSPECTIVA HISTÓRICA E O ESTUDO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS
É importante entender que todos os materiais, sejam eles encontrados em condi-
ções naturais (pedra, argila, madeira) ou obtidos através de diferentes processos (plástico, 
vidro), são conseguidos através da utilização dos recursos presentes no planeta e que sua 
extração implica, portanto, numa alteração, seja em maior ou menor grau, no meio ambien-
te. Neste sentido, é ainda mais necessário conhecer as características dos materiais, sua 
forma de extração ou fabricação e as suas implicações para os recursos terrestres.
Aliando a necessidade de melhores soluções a cada dia para as diferentes ativida-
des, buscando conforto, economia, praticidade, entre outros aspectos, com as crescentes 
preocupações com a utilização dos recursos do planeta (renováveis ou não), o conheci-
mento sobre as características peculiares dos diversos materiais é um ponto chave na 
trajetória do desenvolvimento da humanidade.
1.1 Perspectiva histórica
Refletindo através de uma análise histórica, nota-se que o desenvolvimento da 
humanidade esteve sempre fortemente atrelado à habilidade dos integrantes das diferentes 
sociedades em detectar, manipular e melhorar os materiais que tinham disponíveis para o 
atendimento de suas variadas necessidades. Não à toa, dada a importância dos materiais 
para a humanidade, alguns períodos da história e as civilizações que neles ocorreram são 
identificados segundo a sua capacidade de tratamento com os materiais. É provável, por 
exemplo, que você já tenha encontrado termos como Idade da Pedra, ou Idade do Bronze.
7UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
Inicialmente, os humanos empregavam os materiais assim como os encontravam 
na natureza, ou seja, não os trabalhavam. Portanto, as primeiras sociedades possuíam 
acesso a um número bastante reduzido de materiais: argila, peles, madeira, pedra, entre 
outros que se apresentam no estado natural. 
Ao longo do tempo, no entanto, foram descobertas e aprimoradas técnicas para tra-
balhar novos materiais que possibilitaram que o homem começasse a aprender a modelá-los 
e adaptá-los às suas necessidades. Através do emprego dessas técnicas descobriram-se 
novos tipos de materiais com propriedades mais atrativas do que as encontradas somente 
nos materiais dispostos na natureza. Ainda assim, até a época dos Grandes Descobrimentos, 
predominavam a pedra, a madeira e o barro, sendo os metais empregados em menor escala.
Seguindo o desenvolvimento histórico das habilidades do homem para lidar com 
os materiais, percebeu-se também que através de diferentes ferramentas de tratamento, 
principalmente térmicos ou com a junção a novos constituintes, um material podia ter as 
suas propriedades alteradas e aperfeiçoadas. Porém, até este ponto, os materiais eram 
empregados por meio de um processo inteiramente seletivo, onde um conjunto específico 
e limitado de materiais era avaliado e escolhia-se o tal cujas características se adequassem 
melhor a finalidade proposta. 
No entanto, gradualmente, foi-se aumentando as exigências e os padrões requeridos, 
elevando assim a demanda de materiais de maior resistência, durabilidade e aparência. Nos 
últimos 100 anos, a compreensão da estrutura dos elementos componentes dos materiais 
possibilitou o entendimento de suas relações e a influência de tais sobre as suas propriedades.
Esse entendimento observado e elevado especialmente no século anterior per-
mite que tenhamos condições para modelar, de maneira significativa, os materiais e suas 
características, fornecendo uma diversidade capaz de atender as variadas necessidades 
atuais. Pense, por exemplo, nos meios de transporte modernos, que proporcionam conforto 
e sofisticação ao cotidiano. Seria possível produzir automóveis, aviões, trens de alta velo-
cidade, sem o domínio de tecnologia para produção de materiais como aço, vidro, fibras, 
entre outros? Evidentemente não.
Note então que o melhor aproveitamento dos materiais se deve ao desenvolvimento 
de tecnologias para a sua modelagem, baseadas no conhecimento cada vez mais pleno 
de sua estrutura, o que, por sua vez, provoca o desenvolvimento de novos compostos, 
promovendo assim um ciclo contínuo de melhoria gradativa no domínio dos materiais.
8UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
Atualmente, observa-se que os avanços tecnológicos acontecem em uma veloci-
dade cada vez maior, devendo os profissionais estarem atualizados para poder aproveitar 
as técnicas mais avançadas. Pensando na área da ciência e tecnologia de materiais, o uso 
daqueles com melhor padrão e menor custo é imprescindível. Dessa forma, o profissional 
que não deseja ficar desatualizado deve permanecer sempre atento aos novos conheci-
mentos e invenções, de modo que o estudo da Ciência e Tecnologia dos Materiais seja uma 
constante em sua vida profissional.
1.2 O estudo da ciência dos materiais
Como você viu nos tópicos anteriores, conhecer as propriedades, limitações, van-
tagens e utilização dos materiais tem recebido grande foco de estudos. Um bom exemplo 
de aplicação é a área de construção civil, onde não basta somente calcular a estrutura de 
um edifício, sendo também necessário escolher e dosar o material que será usado, além 
de realizar o controle de sua preparação, garantindo as propriedades da forma desejada e 
a sua correta manutenção. 
As qualidades dos materiais podem ser estabelecidas pela observação continua-da, pela experiência adquirida ou por meio de ensaios laboratoriais, sendo, portanto, o 
conhecimento dos materiais predominantemente experimental e tecnológico. Num cenário 
atual, de maneira geral a função dos cientistas e engenheiros de materiais é de desenvol-
ver novos materiais através de novas sintetizações de suas estruturas, empregando-os 
por meio de novas técnicas. 
Nesse sentido, de acordo com Padilha (1997), a Ciência e Engenharia dos Materiais 
é a área da atividade humana associada com a geração e a aplicação de conhecimentos 
que relacionem composição, estrutura e processamento de materiais às suas propriedades 
e usos, sendo que dentro dessa grande área estão presentes alguns termos muito corri-
queiros que merecem, portanto, uma explicação prévia para o seu melhor entendimento 
(estrutura, propriedades, processamento e desempenho). 
1.2.1 Estrutura
De forma resumida, a estrutura dos materiais refere-se à disposição das partes 
internas que o constituem, ou seja, ao arranjo de seus elementos nas diferentes escalas 
de análise. Partindo da análise da dimensão mais ampla, os constituintes estruturais que 
somos capazes de visualizar a olho nu denominam-se macroscópicos, ou seja, trata-se da 
estrutura macroscópica do material. Por sua vez, tem-se também a estrutura microscópica, 
em que só é possível enxergar através da observação direta com um microscópio os grupos 
maiores de átomos em geral conglomerados. 
9UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
Chegando ao nível atômico, a análise da estrutura do material refere-se à visua-
lização e estudo da forma como os átomos se dispõem e se organizam e a respeito das 
moléculas que os compõem. Chegando ao fim, nessa escala decrescente de dimensões de 
análise da estrutura, têm-se a análise dos átomos individuais, onde estuda-se o comporta-
mento interativo dos elétrons e também dos componentes do núcleo atômico, nesta que é 
chamada de estrutura subatômica.
1.2.2 Propriedade
Podemos definir propriedade como uma característica de determinado material, 
de acordo com o tipo e intensidade com a qual este responde a uma ação ou estímulo 
específico imposto. Para entender melhor o termo, é preciso considerar que em seu uso 
os materiais são submetidos a ações que, por consequência, geram uma resposta. Por 
exemplo, um material submetido a uma corrente elétrica pode ou não conduzi-la, ou uma 
determinada placa de metal, pode deformar-se sem se partir devido um estímulo externo, 
enquanto uma placa de vidro, mesmo com dimensões equivalentes, pode responder ao 
mesmo estímulo se quebrando. 
Comumente as propriedades são definidas para um material de forma que inde-
pendam do tamanho da amostra ou da forma como suas dimensões estão distribuídas. Por 
exemplo, uma superfície de aço polido reflete luz, independente do seu tamanho ou forma.
Em geral, as principais propriedades dos materiais podem ser distribuídas entre 
as seguintes categorias: mecânicas, térmicas, elétricas, magnéticas e ópticas. Há ainda 
cientistas que consideram uma outra categoria, que trata das propriedades de deterioração. 
Para cada uma destas classificações há tipos específicos de estímulos que causam diver-
sos tipos de resposta. 
Dentro das propriedades mecânicas são notadas respostas relacionadas a 
deformação devido a uma força ou carregamento exercido e, a partir de tal, definem-se 
características padrões como a resistência, tenacidade e o módulo de elasticidade. Já a 
maneira como os sólidos se comportam devido a estímulos térmicos pode ser descrita em 
propriedades com a condutividade térmica e a capacidade calorífica.
As propriedades elétricas, por sua vez, relacionam-se a resposta dos materiais de-
vido a estímulos como campos ou correntes elétricas, podendo ser citada como exemplo a 
condutividade elétrica. De modo análogo, a aplicação de um campo magnético é o estímulo 
que ocasiona as respostas demonstradas pelas propriedades magnéticas, sendo no caso 
das propriedades ópticas, este estímulo uma radiação luminosa ou mesmo uma radiação 
eletromagnética, sendo a refletividade uma propriedade óptica bastante citada.
10UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
Por fim, as propriedades relacionadas a deterioração relacionam-se com a forma 
de reagir dos materiais, do ponto de vista químico. A explicação sobre estas diferentes 
classes de propriedades dos materiais mencionadas será realizada posteriormente nesta 
disciplina, aprofundando-se em cada uma delas.
1.2.3 Processamento e desempenho
Já apresentamos então, em linhas gerais, a explicação sobre estrutura e proprie-
dades dos materiais. Prosseguindo, os dois outros componentes destacados no estudo 
da ciência dos materiais são o processamento e o desempenho. O processamento pode 
ser definido como o conjunto de procedimentos e técnicas para obter materiais com ca-
racterísticas e formas dentro de especificidades desejadas. Já o desempenho é a maneira 
como um material se comporta respondendo a uma ação ou estímulo externo exercido em 
condições normais de utilização.
Note que há uma relação pertinente entre os dois componentes citados no pará-
grafo anterior com a estrutura e propriedade dos materiais. De fato, os quatro estão forte-
mente relacionados, pois como podemos observar pela própria definição apresentada, o 
processamento do material influenciará na forma como será disposta sua estrutura e no seu 
desempenho, sendo este último fortemente influenciado também pelas suas propriedades. 
A Figura 1 mostra esta interação.
FIGURA 1 - A INTER-RELAÇÃO DOS COMPONENTES DA CIÊNCIA E
 TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Fonte: O autor (2021).
Assim, os quatro componentes acima citados recebem a atenção dos cientistas e 
engenheiros de materiais desde a etapa de projeto e análise teórica de novos materiais, 
passando pela etapa de produção e chegando, finalmente, a utilização prática.
11UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
2. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Há diferentes formas de classificar os materiais, como pela forma das ligações 
químicas que compõe suas moléculas, pela função para qual são empregados, entre 
outras variações. Uma das classificações mais aceitas e utilizadas divide os materiais 
com base na sua composição, sendo válida para os materiais sólidos. Os líquidos, devido 
aos seus diferentes comportamentos, composições e propriedades, são alvo de toda uma 
área de estudo a parte. 
Atentando-se então aos materiais sólidos, comumente os agrupamos em quatro 
categorias gerais: metais, cerâmicas, polímeros e compósitos. Cabe destacar que esta 
última categoria por vezes não é considerada em algumas classificações, por ser composta 
de materiais oriundos de manipulações combinadas de dois ou mais tipos diferentes.
Existe ainda a divisão em outra categoria utilizada por algumas literaturas e aceita 
por parte dos profissionais da área, que trata dos materiais avançados. Este grupo é com-
posto por materiais semicondutores, materiais com aproveitamento biológico, chamados 
biomateriais, materiais desenvolvidos e aplicados através de nanotecnologia, entre outros 
que são empregados em serviços de alta tecnologia. A seguir conheceremos melhor cada 
uma destas categorias.
12UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
2.1 Metais
Os metais têm em sua composição a combinação entre um ou mais elementos 
metálicos como por exemplo alumínio, ferro, níquel, cobre, ouro, entre outros, e por vezes 
são compostos também pela combinação de elemento metálicos e não metálicos, como 
oxigênio, carbono, nitrogênio, etc., estes em quantidades menores. 
A estrutura atômica dos metais apresenta arranjos em formas de ligas com arru-
mação bastante ordenada e, por isso, são, em geral, mais densos quando comparados 
aos polímeros e cerâmicas. Os metais possuem umnúmero elevado de elétrons em sua 
composição, e grande parte deles são considerados elétrons livres, pois não estão ligados 
especificamente a qualquer átomo, compondo um chamado mar de elétrons dentro das 
moléculas. Esta configuração eletrônica é responsável de forma direta por algumas proprie-
dades deste tipo de material. 
Do ponto de vista mecânico, os metais têm a capacidade de se apresentar dúc-
teis, ou seja, podem ser intensamente deformados sem que ocorra sua fratura, além de 
possuírem relativa rigidez e resistência elevadas. Por este motivo eles são aplicados em 
larga escala em utilidades estruturais. Outras propriedades que se podem atribuir a esta 
característica de elétrons livres dos metais são, por exemplo, a boa condutividade elétrica 
e térmica apresentada em geral por estes materiais. 
Com relação a propriedades ópticas, os metais são opacos à luz visível e em 
superfícies polidas possuem um aspecto brilhoso. Alguns metais possuem também carac-
terísticas magnéticas que mostram bom proveito em aplicações, como o ferro, o níquel e o 
cobre. A Figura 2 apresenta uma aplicação de metal no nosso cotidiano.
FIGURA 2 - APLICAÇÃO DE METAL EM TORRES DE TRANSMISSÃO DE ENERGIA
13UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
2.2 Cerâmicas
A composição das cerâmicas é formada pela combinação de elementos não me-
tálicos e metálicos, contendo na maioria das vezes óxidos, carbetos e nitretos. As ligações 
que formam as moléculas dos materiais classificados como cerâmicas tem um caráter misto, 
iônico – covalente, variando de acordo com cada tipo. Entre esta classe de materiais estão as 
cerâmicas tradicionais (aqueles materiais compostos por minerais argilosos, como por exem-
plo a porcelana), cerâmicas de alto desempenho, vidros e vitro-cerâmicas e os cimentos. 
Do ponto de vista mecânico, as cerâmicas são em geral, muito duras e relativamente 
resistentes e rígidas, com valores para estas características por vezes equiparando-se aos 
dos metais. Tradicionalmente estes materiais sempre apresentaram elevadíssima fragilidade, 
em contraste com os metais (que são dúcteis), apresentando, portanto, alta susceptibilidade 
para fraturas. No entanto, com o desenvolvimento da tecnologia e da ciência dos materiais, 
tem sido desenvolvido e empregados novos tipos de cerâmica, desde itens de cozinha até 
peças de automóveis que, ainda que continuem apresentando as propriedades cerâmicas, 
são menos frágeis, melhorando assim a sua resposta em termos da ocorrência de fraturas. 
Em geral, as cerâmicas são isolantes, tanto em termos térmicos quanto elétricos, 
ou seja, não conduzem, ou dificultam a condução de calor e eletricidade, sendo também 
mais resistentes a altas temperaturas do que os metais e os polímeros. Quanto à ótica, os 
materiais cerâmicos podem ser transparentes (permitem quase totalmente a passagem de 
luz), translúcidos (permitem parcialmente) ou opacos (não permitem a passagem da luz). 
Do ponto de vista das propriedades magnéticas, algumas cerâmicas compostas por óxidos 
apresentam um comportamento magnético.
FIGURA 3 - APLICAÇÃO DE CERÂMICAS NO NOSSO COTIDIANO
Fonte: Callister e Rethwischi (2016).
14UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
2.3 Polímeros
Grande parte dos polímeros são compostos orgânicos que têm o carbono como 
base de sua estrutura química, e por vezes também o hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, 
entre outros elementos situados entre os não metais. Exemplos muito comuns de materiais 
poliméricos encontrados no dia a dia são as borrachas e os plásticos. Entre eles estão o 
silicone, o náilon, o poli cloreto de vinila (PVC), o polietileno, o policarbonato e o poliestireno.
Ainda sobre sua composição química, os polímeros apresentam cadeias de áto-
mos de carbono que tornam grande a sua estrutura molecular. Assim, a densidade (massa 
especifica) destes materiais é geralmente reduzida e as suas propriedades mecânicas são 
tipicamente diferentes das características apresentadas nos metais e nas cerâmicas, sendo 
os polímeros, em geral, menos rígidos e com menor resistência a deformação. No entanto, 
ao analisar a proporção de sua rigidez ou resistência para com sua densidade, este valor 
relativo se equipara aos outros dois materiais mencionados.
Outra característica interessante de alguns polímeros que permite que sejam fáceis 
de moldar em formas de alta complexidade é a elevadíssima flexibilidade e ductilidade 
apresentada. Os plásticos são um bom exemplo deste tipo de polímero. Quanto aos aspec-
tos ligados a eletricidade e magnetismo, este tipo de material possui condutividade elétrica 
pequena, e não apresentam comportamento magnético. 
Já do ponto de vista térmico, há uma tendência dos materiais poliméricos de reagir 
a exposição à temperatura, amolecendo ou até mesmo se decompondo, fator que se mos-
tra uma das principais desvantagens desta classe, pois limita a sua utilização. Porém, em 
diversas circunstancias ambientais eles apresentam comportamento inerte, ou seja, não 
sofrem reações ou reagem devido as características químicas presentes.
FIGURA 4 - APLICAÇÃO DE POLÍMEROS NO NOSSO COTIDIANO
Fonte: Callister e Rethwischi (2016).
15UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
2.4 Compósitos 
Os compósitos são formados pela composição de mais de um material individual 
que se encaixa em alguma das classificações que apresentamos anteriormente nesta se-
ção (metais, cerâmicas e polímeros). Este tipo de material é projetado e manipulado com 
o propósito de obter um material que apresente qualidades que somam as características 
dos materiais individuais que os compõem. Assim, a partir dessa nova composição, são 
obtidos materiais com desempenho superior, que agregam as melhores características de 
cada material utilizado.
A maior parte dos compósitos discutidos na ciência e engenharia de materiais é 
sintético, ou seja, produzido pelo homem. Um número elevado desta classe de materiais 
é desenvolvido a partir de várias combinações possíveis entre dois ou mais materiais de 
classes distintas. No entanto, há também materiais que se formam e ocorrem naturalmente 
que se enquadram nessa classificação, como é o caso do material ósseo e da madeira.
FIGURA 5 - APLICAÇÃO DE COMPÓSITOS NO NOSSO COTIDIANO
Fonte: Blog ESS (2021).
Entre os compósitos mais comuns, podem ser destacados alguns que recebem 
o nome de fibras. A fibra de carbono, por exemplo, é um compósito constituído por um 
polímero no qual é adicionado fibras de carbono como reforço. Essas fibras são inseridas 
dentro do material, o tornando mais rígido e resistente para diversas aplicações como em 
materiais esportivos de alto rendimento e peças de aviões, sendo, porém, mais caros que 
os materiais convencionais. 
Outro grupo de compósitos bastante utilizado e com um custo menor (mas também 
menos resistente) que a fibra de carbono são as fibras de vidro, material individualmente de 
classificação cerâmica em que é adicionado algum material da classe dos polímeros, com-
binando assim as qualidades de alta resistência e rigidez (típicas das cerâmicas) com uma 
maior flexibilidade e reduzida massa específica (características dos polímeros). Note que, 
a partir da mistura de dois materiais, obtém-se um material com melhores características, o 
que leva a um melhor desempenho.
16UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
2.5 Materiais avançados
Com o elevado desenvolvimento da tecnologia, cada vez mais são apresentados 
novos materiais, com desempenho superior e que exigem composição e processamento 
sofisticados. Esse grupo, considerado o de materiais avançados, está em constante trans-
formação, visto que a velocidade de inovação é cada vez maior e um material considerado 
teoricamente avançado hoje pode em pouco tempo ser superado por uma nova descobertada ciência. Podemos notar a presença destes materiais em equipamentos eletrônicos, 
celulares, computadores, novas fibras e as variadas formas de aeronaves.
Pode ser citado como exemplo dos materiais avançados, os biomateriais, que tem 
seu uso voltado a implantes no corpo humano, como em próteses, tendo estes materiais a 
característica principal de não reagir aos estímulos biológicos, evitando assim problemas 
para os seus usuários. 
Os semicondutores são também materiais avançados que constituem um misto 
de propriedades dos isolantes, como os polímeros e cerâmicas, e dos condutores, como 
é o caso dos metais. Através das técnicas atuais sofisticadas é possível formar materiais 
num intermédio entre essas duas condições e sua aplicação tem como grande exemplo o 
emprego em computadores. 
Outro grupo de materiais avançados é formado por aqueles desenvolvidos atra-
vés da nanotecnologia, podendo assim combinar todas as classes de materiais (metais, 
cerâmicas, polímeros e compósitos), tendo por principal característica o seu tamanho 
extremamente reduzido. O desenvolvimento deste grupo tornou-se possível através das 
recentes melhorias em microscópios e demais equipamentos de laboratório, permitindo 
que se trabalhe a composição dos materiais minunciosamente, em escalas cada vez mais 
básicas, facilitando assim esse processo.
17UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
3. ESTRUTURA ATÔMICA
As interações existentes entre os átomos e moléculas que constituem os materiais 
são determinantes para determinadas propriedades apresentadas por eles. Nesta seção, 
iremos conhecer a estrutura atômica, modelos atômicos, configurações eletrônicas, entre 
outros conceitos que são necessários para entender os fundamentos que irão reger as dis-
cussões posteriores da disciplina. É bastante possível que você já tenha sido apresentado 
à alguns destes conceitos, então, faremos uma discussão contemplativa, porém sucinta, 
focando nos aspectos mais importantes e necessários ao seu aprendizado. 
3.1 Conceitos básicos
Os átomos são compostos por três tipos de partículas, organizadas em duas re-
giões diferentes: os prótons e nêutrons, situados no núcleo do átomo; e os elétrons, que 
movimentam-se no entorno do núcleo. Os nêutrons são eletricamente neutros, como o 
próprio nome sugere, enquanto os prótons e elétrons possuem carga positiva e negativa, 
respectivamente, com magnitude de cerca de 1,602 × 10-19 Coulomb (C). Com relação a 
massa, os prótons e nêutrons apresentam valores em torno de 1,67 × 10-27 kg, enquanto 
os elétrons têm um valor de 9,11 × 10-31 kg. Note que, por serem partículas subatômicas, 
as massas são extremamente pequenas. Atente-se também ao fato de que, apesar da 
pequena massa das três partículas (prótons, nêutrons e elétrons), há uma diferença consi-
derável entre as partículas do núcleo atômico e os elétrons, sendo esta última uma partícula 
muito menor. A seguir, são apresentados alguns conceitos sobre a estrutura atômica:
18UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
Prótons: partículas situadas no núcleo do átomo que possuem cargas positivas 
(representadas por p);
Elétrons: partículas com cargas negativas que se movimentam em torno do núcleo 
do átomo, numa região chamada de níveis de energia e apresentam também comporta-
mento de onda (representadas por e);
Nêutrons: partículas sem carga ou consideradas de carga neutra, que diminuem 
a repulsão entre os prótons, localizando-se também no núcleo dos átomos (representadas 
por n). Os nêutrons têm uma função importantíssima para a estrutura atômica, pois sem a 
sua presença, os prótons não poderiam estar unidos formando o núcleo do átomo, já que 
cargas iguais tem a tendência natural de se repelir.
Número atômico (Z): indica o número de prótons (p) presentes no núcleo do átomo 
e o número de elétrons (e) presentes nos níveis de energia. Para um átomo eletricamente 
neutro ou completo, o número atômico é igual ao número de elétrons. Esse número atômico 
varia em unidades inteiras entre 1, para o elemento hidrogênio, até 92, para o elemento 
urânio, que possui o maior número atômico entre os elementos que ocorrem naturalmente.
Número de massa (A): indica a massa presente no núcleo do átomo, que resulta 
da soma do número de prótons (p) e do número de nêutrons (n). Para um dado elemento, 
o número de prótons será sempre igual para todos os átomos. No entanto, o número de 
nêutrons pode variar, podendo alguns elementos possuírem átomos cujas massas atômi-
cas são diferentes. Neste sentido, o peso atômico de um elemento corresponde à média 
ponderada das massas atômicas destes átomos. 
FIGURA 6 - ESTRUTURA DO ÁTOMO
Fonte: O Autor (2021).
19UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
Você pode ter ficado um tanto confuso sobre essa questão do número atômico e de 
massa. Vamos então apresentar as seguintes definições:
Quanto à semelhança atômica, um mesmo elemento químico ou elementos quí-
micos diferentes podem ter seus átomos comparados quanto ao número de massa, número 
de prótons, elétrons e nêutrons, existindo a seguinte classificação:
Isótopos: São átomos que apresentam mesmo número atômico; mesmo número 
de prótons; diferentes números de massa; diferentes números de nêutrons;
Isóbaros: São átomos que apresentam diferentes números atômicos; diferentes 
números de prótons; diferentes números de elétrons; mesmo número de massa; diferentes 
números de nêutrons.
Isótonos: São átomos que apresentam diferentes números atômicos; diferentes 
números de prótons; diferentes números de elétrons; diferentes números de massa; mesmo 
número de nêutrons.
Retomando a discussão sobre a massa do átomo, algumas representações são 
utilizadas para análise deste parâmetro, como a unidade de massa atômica (u.m.a), útil 
para o cálculo do peso atômico. Através do estabelecimento de uma escala, tem-se que 
1 u.m.a é equivalente a 1/12 da massa atômica do isótopo mais comum do carbono, o 
carbono 12 (12C) (A = 12,00000). Assim, a massa atômica será aproximadamente a soma 
entre o número de prótons (dado pelo número atômico - Z) e o número de nêutrons (n, que 
nem sempre é igual ao número de prótons).
Outra forma para a representação da massa e do peso atômico é o mol. Em um mol 
de uma substância existem 6,022 × 1023 (número de Avogadro) átomos ou moléculas. Estas 
duas representações apresentam a seguinte relação:
Tomando como exemplo o gás sulfídrico (H2S) cuja molécula é constituída por dois 
átomos de hidrogênio (massa atômica = 1,0 u.m.a) e um átomo de enxofre (massa atômica 
= 32,1 u.m.a), temos que a massa molecular pode ser calculada por:
Assim, a massa molecular do gás sulfídrico é 34,1 u.m.a, e sua massa molar é 34,1 
g/mol. Isso quer dizer que, em 34,1 g de gás sulfídrico, temos 6,02 x 1023 moléculas ou 1 
mol de moléculas de gás sulfídrico.
20UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
3.2 Modelos atômicos
No final do século XIX, observou-se que a mecânica clássica não era capaz de 
explicar diversos fenômenos envolvendo os elétrons. Assim, diversos cientistas passaram 
a estudar e propor unidades capazes de explicar os fenômenos da matéria de um ponto de 
vista cada vez mais aprofundado, buscando alcançar a raiz da matéria, ou seja, as menores 
partículas que lhe formam.
A proposta inicial de John Dalton (1766 – 1844), que afirmava existir uma partícula 
única, maciça e indivisível fora depois derrubada pela existência de cargas distintas, desta-
cando-se o modelo posterior de Joseph John Thomson (1856 – 1940) conhecido como pudim 
de passas, que propunha o átomo como maciço, constituído de partes com cargas opostas. 
Esse modelo fora também descartado principalmente após o experimento de Ernest Rutherford 
(1871 – 1937), que provou que o átomo não era uma partícula únicae maciça, sendo o seu 
modelo o primeiro a considerar a existência do núcleo e de partículas denominadas elétrons 
movimentando-se ao seu redor. Entretanto, este modelo ainda tinha muito o que explicar.
Seguiu-se então o estabelecimento de um conjunto de princípios e leis que regem os sis-
temas das entidades atômicas e subatômicas, que veio a ser conhecido como mecânica quântica. 
Os conceitos por ela englobados são necessários para que haja o conhecimento e entendimento 
do comportamento dos elétrons nos átomos, que, como você verá adiante, é a chave para que se 
entendam as ligações químicas e, consequentemente, a composição dos materiais.
Um dos pioneiros da mecânica quântica foi o modelo atômico proposto por David 
Bohr (1885 – 1962), conhecido como modelo atômico de Bohr que, apesar de simplifica-
do, foi um importante passo para as compreensões existentes atualmente sobre o átomo. 
Neste modelo se considera que a posição de qualquer elétron particular está mais ou 
menos bem definida em termos do seu orbital, e os elétrons circulam ao redor do núcleo 
atômico nestes orbitais. 
O modelo atômico de Bohr consiste numa forma inicial de explicar o comportamento 
dos elétrons nos átomos, desde a sua posição (descrição do seu movimento em orbitais) 
até a sua variação de energia (camadas ou níveis de energia quantizados). Ainda que a 
tentativa de Bohr de propor um modelo para o átomo apresente consideráveis limitações, 
deixando de explicar alguns fenômenos significativos, este modelo foi o primeiro passo 
rumo aos conceitos hoje existentes. 
21UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
3.3 Configuração eletrônica
O princípio da configuração eletrônica, também chamado de distribuição eletrôni-
ca, apresenta a disposição dos elétrons nas camadas de energia dos átomos de maneira 
que este atinja o seu estado fundamental, ou seja, seus elétrons preencham os primeiros 
níveis de energia disponíveis. Também chamado de estado estacionário, o estado fun-
damental do átomo é aquele no qual seus elétrons se encontram dispostos nos menores 
níveis de energia disponíveis. 
Partindo do modelo atômico de Bohr, que, como já vimos, é um aperfeiçoamento do 
modelo de Rutherford, a introdução das ideias quânticas, conseguiu superar as limitações 
deixadas por Bohr, permitindo que se compreendessem alguns fenômenos não explicados 
de forma eficaz anteriormente. 
Por meio de uma experiência que se baseou na emissão de luz utilizando átomos de 
apenas um elétron, Bohr conseguiu mostrar que os elétrons estão confinados em determina-
dos níveis de energia quando em seu estado estacionário. No modelo proposto, cada estado 
estacionário relaciona-se à um nível de energia, descrito pelo número quântico principal (n) 
que varia de 1 a 7 (ou também denominados como camadas K, L, M, N, O, P e Q) e repre-
sentado por uma órbita localizada ao redor do núcleo do átomo. Cada uma destas camadas 
é capaz de comportar uma quantidade limite de elétrons, como é apresentado na Tabela 1. 
FIGURA 6 - CAMADAS OU NÍVEIS DE ENERGIA
Fonte: O autor (2021).
TABELA 1 - CAPACIDADE DE CADA CAMADA DE ENERGIA
Nível (n) 1 2 3 4 5 6 7
Camada K L M N O P Q
Capacidade máxima de elétrons 2 8 18 32 32 18 2
Fonte: O Autor (2021).
22UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
Prosseguindo com a mecânica quântica, Linus Pauling (1901 – 1994) elaborou um 
mecanismo que torna mais fácil a compreensão da maneira como os elétrons ocupam os 
níveis de energia e os orbitais, sendo comum que em cada camada os elétrons ocupem 
quatro subníveis, identificados através das letras s, p, d e f, seguindo nesta ordem de energia.
De acordo com Callister (2016), a proposta de Linus Pauling, chamada de diagrama 
de Pauling, facilita o entendimento da distribuição dos elétrons nos níveis e subníveis de 
energia até a sua camada de valência, que é onde se encontram os elétrons que possuem 
maior valor energético. Estes elétrons contidos na camada de valência são os responsáveis 
pelas ligações entre os átomos, pois se encontram em instabilidade e procuram outros 
elétrons para se estabilizar. 
Para se tornar estável, a maioria dos átomos precisa de 8 elétrons em sua última 
camada. No entanto, há átomos que possuem configuração de elétrons naturalmente está-
vel, ou seja, a camada de valência já está completamente preenchida. Observe na Figura 
7 a estrutura proposta pelo diagrama de Pauling, mecanismo que permite a distribuição 
eletrônica de todos os elementos químicos.
FIGURA 7 - DIAGRAMA DE LINUS PAULING
Fonte: O Autor (2021).
Como você viu, os átomos geralmente podem ocupar sete níveis ou camadas de 
energia, sendo que estes níveis tem os seus subníveis associados ao orbital em que o 
elétron se enquadra. Cada orbital é capaz de possuir no máximo dois elétrons, permitindo 
que estes sejam distribuídos nos subníveis, como se vê na Tabela 2.
TABELA 2 - CAPACIDADE MÁXIMA DE ELÉTRONS POR SUBNÍVEL
Subnível s p d f
Número de orbitais por subnível 1 3 5 7
Capacidade máxima de elétrons 2 6 10 14
Fonte: O Autor (2021).
23UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
O entendimento da estrutura atômica permite compreender em linhas gerais as 
ligações formadas pelos átomos, formando assim as moléculas que são trabalhadas na 
etapa de processamento para a obtenção e melhoria de novos materiais. A seguir, veremos 
os principais tipos de ligações que ocorrem entre os átomos dos elementos.
24UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
4. LIGAÇÕES ATÔMICAS ENTRE OS SÓLIDOS
A natureza das ligações que ocorrem entre os átomos depende das distintas con-
figurações eletrônicas existentes entre eles. Normalmente, todos os tipos de ligação se 
originam devido a busca dos átomos por atingir a estabilidade eletrônica na camada de 
valência. Esta estabilidade é ausente para a maioria dos elementos, com exceção dos 
chamados gases nobres ou gases inertes, e ocorre quando a camada eletrônica externa, 
chamada camada de valência, é totalmente preenchida.
As ligações atômicas primárias encontradas nos sólidos, também chamadas de 
ligações químicas, classificam-se em três tipos: iônica, covalente e metálica. Além delas, 
ocorrem também ligações ocasionadas por forças e energias secundárias, ou físicas. Estas 
são menos fortes do que as anteriores citadas, porém ainda assim tem capacidade para 
alterar as propriedades de alguns materiais. A seguir são abordadas as ligações primárias 
que ocorrem entre os átomos.
4.1 Ligação Iônica
As ligações iônicas se dão principalmente entre elementos ou compostos que con-
tam com metais e não metais, elementos estes que se encontram nas duas extremidades 
horizontais da tabela periódica. A ligação iônica é a mais simples de ser entendida, pois 
nela combinam-se os átomos que precisam de poucos elétrons para atingir a estabilidade 
na camada de valência (elementos não metálicos), com átomos que tem poucos elétrons 
em sua camada mais externa (elementos metálicos). 
25UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
Dessa forma, os elementos metálicos tendem a perder elétrons da sua camada 
de valência com facilidade, enquanto os não metálicos tendem a recebe-los. Ao realizar a 
ligação iônica, todos os átomos envolvidos passam a ter configuração eletrônica estável, 
semelhante à dos gases nobres, com suas camadas preenchidas completamente. Através 
desse processo, estes átomos com novas configurações passam a possuir carga elétrica, 
tornando-se íons. 
Um dos exemplos mais clássicos utilizados para explicar a ligação iônica, tanto 
pela quantidade de elétrons envolvida, quanto pela presença da molécula formada num 
composto muito comum no nosso cotidiano é o do cloreto de sódio (NaCl), o popular sal de 
cozinha. Para a formação desse composto, o átomo de sódio (Na)cede o seu elétron da 
camada de valência, adquirindo a configuração eletrônica do neônio, passando a ser então 
um íon de carga positiva, com tamanho reduzido em comparação ao original, já que perdeu 
um elétron e uma camada de energia. Por consequência, o cloro recebe este elétron e passa 
a ter uma estrutura eletrônica de carga negativa (íon de carga negativa), com configuração 
idêntica ao argônio, aumentando também o tamanho em relação ao átomo de cloro original. 
4.2 Ligação Covalente
Nas ligações entre átomos de elementos que possuem pouca diferença na quanti-
dade de elétrons da camada de valência, um outro tipo de ligação é mais comum: a ligação 
covalente. Este tipo de ligação ocorre principalmente entre elementos que estão localizados 
próximos um do outro na tabela periódica.
Diferente da ligação iônica, onde há perda e recebimento de elétrons entre os 
átomos dos diferentes elementos, na ligação covalente o compartilhamento de elétrons 
de valência entre os átomos vizinhos permite que sejam atingidas estruturas eletrônicas 
com estabilidade. Assim, átomos que se ligam de maneira covalente compartilharão, cada 
um, pelo menos um elétron para a ligação, sendo estes elétrons em comum entre os dois 
átomos considerados como pertencentes a ambos. 
A ligação covalente é direcional, ou seja, ela só existe na direção entre os áto-
mos específicos que estão se ligando através do compartilhamento de elétrons. Um bom 
exemplo de ligação covalente é a água (H2O). Nesta ligação, o átomo de oxigênio, que 
possui seis elétrons em sua camada de valência (precisa então de dois para a estabilidade) 
compartilha um elétron com cada um dos dois átomos de hidrogênio (que, por ser um 
átomo especial, precisa apenas de mais um para ser estável). Assim, há a superposição de 
orbitais na região específica onde ocorre a ligação entre os átomos. 
26UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
A ligação covalente está presente em materiais como o gás hidrogênio (H2), o gás 
oxigênio (O2), o gás ozônio (O3), dióxido de carbono ou gás carbônico (CO2), entre outros. 
Ao se falar desse tipo de ligação, merece um destaque especial o átomo do elemento 
carbono (C), que possui quatro elétrons na camada de valência, o que o torna um elemento 
com elevada capacidade de reação química através das ligações covalentes.
4.3 Ligação Metálica
O terceiro tipo de ligação primária entre os átomos é a ligação metálica, que ocorre, 
como indicado pelo nome, nos metais e ligas metálicas. Diferentemente dos outros dois 
modelos de ligação já apresentados, para as ligações metálicas uma configuração de liga-
ção diferente é aceita, num modelo onde não se considera especificamente a quantidade 
de elétrons trocada ou compartilhada, mas sim uma nuvem de elétrons que seja formada.
Na ligação metálica, os elétrons de valência não se ligam especificamente a ne-
nhum átomo, e estão relativamente livres na estrutura das moléculas para movimentar-se, 
enquanto os demais elétrons de cada átomo seguem unidos a tais. Ou seja, os elétrons de 
valência que circulam livremente podem ser considerados pertencentes a todo o metal ou 
liga metálica, daí vem o termo “nuvem de elétrons”. Quanto aos demais elétrons que ficam 
presos aos átomos, constituem assim um núcleo iônico com uma carga resultante positiva, 
cuja magnitude equivale aos elétrons de valência deste átomo.
27UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
SAIBA MAIS
Linus Pauling, um dos pais da ciência quântica
Considerado um dos pais da ciência quântica, Linus Pauling foi um cientista americano 
que esteve entre os mais reconhecidos pesquisadores do século XX. Uma grande mos-
tra disso é o fato dele ter sido o único cientista homenageado com dois Prêmios Nobel 
de maneira individual. O primeiro, em 1954, deveu-se a seus trabalhos sobre química 
quântica, especialmente sobre a natureza das ligações químicas, ponto importantíssimo 
para o posterior desenvolvimento alargado das técnicas em processamento e manipula-
ção de materiais. O segundo prêmio veio em 1962, sendo este um Prêmio Nobel da Paz, 
em decorrência de suas ações contra o armamento nuclear e uso de bombas atômicas 
como armas de guerra. 
Fonte: Souza (2021).
REFLITA
O desenvolvimento dos materiais vem trazendo melhores condições para as atividades 
humanas em todos os seguimentos, sendo um deles a construção civil. Já parou para 
refletir no quanto as edificações evoluíram ao longo da história? 
Fonte: O autor (2021).
28UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Chegamos aqui ao fim desta primeira unidade. Nela, você pôde ter um contato inicial 
com a ciência e tecnologia dos materiais, conhecendo desde sua importância, amplitude prá-
tica e evolução, até os conceitos básicos presentes na menor escala de análise do material.
Por meio do primeiro tópico, pudemos perceber que a ciência dos materiais se 
aplica em todas as áreas da atividade humana, desde as mais simples até as mais sofisti-
cadas e inovadoras. Fizemos também uma viagem temporal para entender a mudança no 
aproveitamento dos recursos do planeta devido ao desenvolvimento progressivo de novas 
técnicas para extrair, trabalhar e posteriormente manipular novos materiais.
No segundo tópico, trabalhamos as classificações distintas existentes para os mate-
riais, que podem ser realizadas de acordo com suas características e composição. Notamos, 
também, reiterando o que foi introduzido no tópico inicial, que a composição, propriedades e 
estrutura dos materiais estão fortemente atreladas, como fatores interativos entre si.
No terceiro e quarto tópico, abordamos a estrutura atômica, que é a base dos 
elementos que compõem os materiais e as ligações que esses átomos promovem, for-
mando assim as moléculas e estruturas dos compostos, que resultam nos materiais que 
conhecemos. Notamos que este entendimento na escala atômica e subatômica da ciência 
é relativamente recente, e, com estas novas descobertas, a ciência em geral, e, logica-
mente, a ciência e tecnologia dos materiais tem avançado e apresentado inovações numa 
velocidade cada vez maior.
Pode-se concluir desta unidade que o campo da ciência dos materiais é totalmente 
alinhado com as descobertas atuais da ciência, provocando, através da engenharia, novas 
invenções que elevam a qualidade das atividades desenvolvias pelo homem, tendo como 
objetivo geral, contribuir para o desenvolvimento e a garantia de melhores soluções.
29UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
LEITURA COMPLEMENTAR
Diante da evolução cada vez mais rápida na ciência dos materiais, da alta explora-
ção dos recursos naturais e da recente preocupação com as questões de sustentabilidade, 
Sookap Hahn (1994) apresenta um interessante panorama sobre a importância da ciência 
dos materiais na garantia de um futuro sustentável. Através da leitura, que data da década 
final do século XX, instigo você a refletir sobre as previsões e o diagnóstico dado no artigo, 
comparando com a situação atual, após duas décadas do novo milênio.
Fonte: HAHN, Sookap. Os papéis da ciência dos materiais e da engenharia para uma socie-
dade sustentável. Dossiê Ciência e Desenvolvimento Sustentável, Estud. av. 8 (20), Abril, 1994.
Disponível em: https://www.scielo.br/j/ea/a/gY6LTM7LgHF5554hj4xNNYN/?lang=pt. Acesso em: 
12 jan. 2022.
https://www.scielo.br/j/ea/a/gY6LTM7LgHF5554hj4xNNYN/?lang=pt
30UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais
MATERIAL COMPLEMENTAR
LIVRO
Título: Fundamentos de Engenharia e Ciências dos Materiais
Autor: William F. Smith (Autor), Javad Hashemi (Autor), Necesio 
Gomes Costa (Tradutor).
Editora: AMGH; 5ª edição.
Ano: 2012.
Sinopse: Equilibrando teoria e prática sobre diversos tipos de 
materiais utilizados em engenharia, o livroconta com explicações 
textuais concisas, imagens relevantes e didáticas, exemplos 
detalhados, problemas propostos e abordagem de tópicos extre-
mamente atuais.
FILME / VÍDEO
Título: Introdução à Ciência dos Materiais
Ano: 2020.
Sinopse: O vídeo faz uma abordagem introdutória da ciência e 
engenharia dos materiais, trazendo uma contextualização do tema 
na atualidade, somada a uma breve retrospectiva histórica e a 
apresentação dinâmica dos principais conceitos envolvidos.
Link do vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=U-3XFhrXs9k
31
Plano de Estudo:
● Estruturas cristalinas;
● Materiais cristalinos e não cristalinos;
● Imperfeições em sólidos;
● Imperfeições pontuais e diversas.
Objetivos da Aprendizagem:
● Compreender a estrutura e classificação de sólidos cristalinos;
● Conhecer as principais imperfeições ocorridas nos sólidos e os conceitos 
básicos de suas análises microscópicas.
UNIDADE II
Estrutura de Sólidos Cristalinos
e Imperfeições em Sólidos
Professor Me. Marcus Vinicius Paula de Lima
Professora Paloma Morais de Souza
32UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais 32UNIDADE II Estrutura de Sólidos Cristalinos e Imperfeições em Sólidos
INTRODUÇÃO
Na primeira unidade, fizemos uma introdução ao estudo da ciência e tecnologia 
dos materiais, percorrendo um caminho histórico de evolução desta área, passando pela 
classificação dos materiais e introduzindo as bases de estudo da química que regem o 
comportamento dos materiais.
Agora, iremos prosseguir o nosso estudo sobre os materiais de um ponto de vista 
ainda mais ligado à sua estrutura microscópica e atômica, fundamentais para o entendi-
mento das propriedades e das reações manifestadas pelos distintos grupos de materiais 
existentes. Mais especificamente, abordaremos um tipo muito comum de estrutura atômica, 
que é a estrutura dos materiais cristalinos e sua relação com as imperfeições apresentadas 
pelos materiais, bem como com os mecanismos de difusão.
Primeiramente, iremos conhecer e entender os aspectos que definem uma estrutu-
ra de sólido cristalino, sua diferenciação para outras estruturas atômicas e os exemplos de 
materiais nos quais este tipo de arranjo é presente. Você poderá observar a importância do 
conhecimento sobre os cristais através de exemplos como o de materiais que, ainda que 
sendo compostos pelos mesmos tipos de átomos, mostram um comportamento e arranjo 
estrutural diferente numa escala microscópica e atômica, comportando-se também de 
maneira distinta, no que diz respeito a suas propriedades, quando se apresentam de forma 
cristalina ou não.
Em seguida, serão apresentadas as classificações existentes dentro do grupo de 
sólidos cristalinos e as características peculiares de cada uma dessas divisões. Aborda-
remos também a ocorrência da característica de anisotropia presente em boa parte dos 
sólidos cristalinos e os efeitos que provoca.
Veremos ainda nesta unidade, que praticamente todos os materiais apresentam 
imperfeições em suas estruturas moleculares. Essas imperfeições possuem capacidade de 
alterar de forma significativa algumas de suas propriedades e, consequentemente, o seu 
comportamento sob diversas ações. No entanto, nem sempre isso significa um problema para 
os cientistas e engenheiros de materiais, sendo até utilizado em benefício do desempenho. 
33UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais 33UNIDADE II Estrutura de Sólidos Cristalinos e Imperfeições em Sólidos
1. ESTRUTURAS CRISTALINAS
Como vimos na unidade anterior, o desenvolvimento da ciência e engenharia dos 
materiais está atualmente intimamente atrelado ao entendimento da sua composição quí-
mica em escalas cada vez mais reduzidas, chegando à escala de análise particular dos 
átomos e suas ligações.
Você pôde notar que as diferentes características dos diversos materiais variam 
de acordo com a estrutura dos átomos presentes e da forma como interagem em suas 
ligações. Logo, o próximo nível de análise sobre a estrutura dos materiais é referente aos 
arranjos que são notados em sua composição, para além da ligação propriamente dita 
entre os átomos, ou seja, a maneira como as moléculas oriundas das ligações se arranja 
formando a estrutura do material e como influenciam em suas propriedades.
Dentro deste contexto, uma classificação importante observada é aquela que divide 
os materiais entre cristalinos e não cristalinos. Veremos ao longo desta seção do que se trata 
uma estrutura cristalina, com exemplos de materiais nos quais este tipo de arranjo é presente. 
A importância do estudo da condição cristalina de alguns materiais é vista, por 
exemplo, na diferença entre características de compostos que, mesmo sendo formados 
pelos mesmos elementos, comportam-se de maneira diferente, a depender se estão ar-
ranjados de forma cristalina ou não. Como exemplo, podemos colocar alguns polímeros 
e cerâmicas, que quando apresentados num arranjo cristalino apresentam propriedades 
ópticas com aspecto translúcido ou opaco e quando encontrados de forma não cristalina 
são geralmente transparentes. 
34UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais 34UNIDADE II Estrutura de Sólidos Cristalinos e Imperfeições em Sólidos
Mesmo entre materiais com estrutura cristalina, a forma de arranjo de tais estrutu-
ras pode variar, provocando significativas diferenças em suas propriedades. Por exemplo, 
o magnésio em sua forma pura e não deformada é muito mais frágil (que como vimos, quer 
dizer que sofre fratura com maior facilidade) do que outros materiais também não defor-
mados e puros, que também são materiais cristalinos, como a prata e o ouro, por exemplo. 
Isso ocorre, pois os materiais apresentam diferentes arranjos ou estrutura cristalina.
Caso você não tenha entendido ainda o sentido da classificação entre material 
cristalino e não cristalino, fique tranquilo pois veremos a seguir alguns conceitos básicos 
que ajudam a perceber em qual escala de análise se encaixa esta divisão. Serão apresen-
tados os conceitos de cristalinidade e célula unitária e será apresentado alguns arranjos 
mais comuns de estruturas cristalinas. Veremos também do que se tratam os materiais 
monocristalinos, policristalinos e não cristalinos, e a forma principal de determinação sobre 
um material pertencer ou não a estas classes.
1.1 Conceitos básicos
Uma forma conhecida de classificação para os materiais em estado sólido baseia-
-se na maneira como os arranjos dos átomos dos elementos que os compõem apresentam 
certa regularidade em comparação com os demais. Neste sentido, há materiais que apre-
sentam em sua composição uma estrutura composta por arranjos sequenciais e periódicos 
de maneira repetitiva, através de elevadas distâncias (numa escala atômica), ou seja, há 
uma ordenação de grande extensão de forma que, ao se solidificarem apresentam uma 
composição cujos átomos distribuem-se num posicionamento que forma um padrão de 
repetição, onde cada átomo repete junto ao átomo vizinho este mesmo padrão. 
A este grupo de materiais, cuja descrição da estrutura foi apresentada no parágrafo 
anterior, denominamos como materiais cristalinos. Dentro deste grupo encontram-se 
diversos materiais cerâmicos, alguns polímeros e os metais em sua totalidade, formando 
arranjos cristalinos em suas estruturas, quando apresentados em configurações normais de 
sólidos. Daí tem-se também a denominação sólidos cristalinos. Os materiais que não tem 
essa forma de organização com padrões de repetição de estrutura de elevada extensão 
atômica recebem o nome de materiais amorfos ou não cristalinos. 
Como vimos, o material cristalino apresenta uma repetição padrão no arranjo da 
estrutura de organização de seus átomos. No entanto, este padrão varia de acordo com 
o tipo de material, tendo assim formas diferentes, ou seja, todos os materiais cristalinos 
apresentam padrões dearranjo repetitivos, mas estes padrões podem variar. Há, portanto, 
35UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais 35UNIDADE II Estrutura de Sólidos Cristalinos e Imperfeições em Sólidos
um elevado número de variações destes arranjos, que são chamados de estruturas cristalinas 
e que possuem diferentes formas com elevado alcance e extensão em dimensões atômicas. 
Estas estruturas cristalinas possuem influencia em diferentes propriedades dos materiais 
cristalinos, pois, se o arranjo entre as ligações de átomos é diferente no espaço, essa variação 
na configuração das moléculas deve provocar diferenças nas características de cada material.
Tais estruturas cristalinas podem se manifestar de diferentes maneiras, desde 
arranjos considerados estruturas altamente complexas, como é o caso exibido por alguns 
tipos de polímeros e algumas cerâmicas, até arranjos bem mais simplificados, como ocorre 
para a maioria dos metais, com estruturas com grau bem menor de complexidade. O estudo 
sobre a forma de organização das estruturas cristalinas para os diferentes grandes grupos 
de materiais (metais, cerâmicas e polímeros) é um campo sob larga análise, no entanto, 
nossa discussão será mais voltada ao entendimento geral sobre a cristalinidade e as estru-
turas cristalinas mais gerais.
Outro conceito importante neste assunto é o de redes cristalinas. No contexto das 
estruturas cristalinas, o termo rede cristalina é usado para definir as posições coincidentes 
com o arranjo espacial (tridimensional) de longo alcance entre os átomos que compõem os 
padrões repetitivos das estruturas cristalinas. Para um melhor entendimento sobre os sóli-
dos cristalinos e suas estruturas, considera-se os átomos (ou íons) presentes na estrutura 
molecular como esferas rígidas de diâmetro bem definido. Entende-se então que as esferas 
(átomos) mais próximos estão unidas de forma a tocar-se, ou seja, os átomos vizinhos 
estariam unidos de maneira a compor esta estrutura sólida. Esse modelo é conhecido como 
o modelo atômico de esfera rígida, sendo apresentado na Figura 1.
FIGURA 1 - A) MATERIAL CRISTALINO; B) ESTRUTURA CRISTALINA; 
C) REDES CRISTALINAS
Fonte: Callister e Rethwischi (2016).
36UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais 36UNIDADE II Estrutura de Sólidos Cristalinos e Imperfeições em Sólidos
Para a descrição dos materiais cristalinos, mais especificamente da estrutura crista-
lina propriamente dita, normalmente dividimos os arranjos em entidades menores dentro da 
estrutura, sendo que estas entidades se repetem (já dentro da estrutura repetitiva), mas são 
consideradas particularmente para a análise, recebendo a denominação de células unitárias.
É conveniente fazer esta análise a partir de entidades menores, já que, como vimos 
nos parágrafos anteriores, a forma de ordenação dos átomos que compõem os sólidos 
cristalinos é caracterizada pela existência de padrões de repetição. Dessa forma, torna-se 
mais prático considerar a entidade para estudo, já que o conjunto da estrutura será uma 
repetição ou uma ampliação deste arranjo menor considerado. Note na Figura 1 c), que 
dentro do aglomerado de átomos da rede cristalina está destacada uma entidade menor, 
que pode ser repetida ao observarmos a figura como um todo. A partir de tal, todas as 
considerações e análises para a estrutura cristalina presente nesta entidade será válida 
para toda a rede cristalina, já que suas demais partes serão idênticas. 
Na grande maioria das estruturas de materiais cristalinos essas entidades, ou 
células unitárias possuem uma forma que conta com três blocos de faces paralelas, lem-
brando assim o formato de prismas ou paralelepípedos. Na Figura 1 b) note que a estrutura 
cristalina formada apresenta aspecto de cubo (que também é um prisma). Entendendo que 
a célula unitária é definida de maneira a representar um arranjo que se repete em toda rede 
cristalina, toda a estrutura cristalina que forma tal rede (e, logicamente o material) possuirá 
a mesma simetria. Assim, a rede poderá ser obtida a partir de translações da célula unitária 
ao longo das suas arestas. 
Mais uma vez analisando a Figura 1, observe que, sendo os átomos representados 
pelas esferas, a célula unitária formada pelo paralelepípedo definido para a estrutura terá 
seus vértices coincidindo com os centros das esferas (centros dos átomos) e, portanto, 
para análise da estrutura cristalina, a célula unitária será a unidade básica para estudo, e 
não o átomo propriamente dito. 
É também necessário informar que há mais de uma maneira ou forma com a qual 
se pode definir uma célula unitária para uma estrutura cristalina particular (poderíamos ter 
escolhido prismas com comprimento maior do que os cubos, no caso do exemplo da Figura 
1), no entanto, é mais usual e comum considerar a célula unitária como sendo o arranjo que 
possui a simetria geométrica no nível mais elevado.
37UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais 37UNIDADE II Estrutura de Sólidos Cristalinos e Imperfeições em Sólidos
1.2 Os metais e suas estruturas cristalinas
Ao estudarmos os sólidos cristalinos, uma grande atenção se deve ao grupo dos 
metais, já que são materiais cujos arranjos de seus elementos tornam regra a ocorrên-
cia de estruturas cristalinas. Para este grupo, são muito pequenos, ou praticamente não 
existentes, os limites ao respeito da proximidade, quantidade e posição dos átomos na 
composição do material, levando assim a ocorrência de estruturas atômicas formadas por 
arranjos mais compactos, com distâncias reduzidas entre os seus átomos constituintes, o 
que consequentemente contribui para existência da própria estrutura cristalina.
Esta situação ocorre também devido a maneira como se dão as ligações entre 
os átomos dos elementos metálicos, ou seja, a ligação metálica. Como você estudou na 
unidade anterior, este tipo de ligação química tem natureza não direcional, havendo um 
compartilhamento de elétrons que faz com que os átomos participantes da ligação estejam 
unidos aos demais numa proximidade maior, sem definição específica de qual átomos se 
liga a qualquer outro.
Geralmente são encontradas dentro das composições metálicas três diferentes 
tipos de estruturas cristalinas, que se mostram relativamente simples e ocorrem entre os 
elementos metálicos mais comumente encontrados: cúbica de faces centradas (CFC), 
cúbica de corpo centrado (CCC) e hexagonal compacta (HC).
Na Tabela 1, são apresentadas as estruturas cristalinas que ocorrem de forma mais 
comum para diferentes materiais metálicos e os raios atômicos para os núcleos iônicos (os nú-
cleos iônicos correspondem aos átomos originais que estão carregados pela nuvem de elétrons 
formada na ligação metálica) destes materiais. Ao se trabalhar com o modelo de esferas rígidas 
como representação das estruturas cristalinas, cada uma dessas esferas estará representando 
um destes núcleos atômicos. Logo, os raios atômicos são referentes as dimensões represen-
tativas destas esferas. Na sequência, abordaremos também, ainda que de forma sucinta, cada 
um dos tipos mais comuns de estrutura cristalina presentes nos metais.
38UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais 38UNIDADE II Estrutura de Sólidos Cristalinos e Imperfeições em Sólidos
TABELA 1 - ESTRUTURAS CRISTALINAS COMUNS 
E RAIOS ATÔMICOS PARA DIFERENTES METAIS
Metal Raio Atômico (nm) Estrutura Cristalina
Alumínio 0,1431 CFC
Cádmio 0,1490 HC
Chumbo 0,1750 CFC
Cobalto 0,1253 HC
Cobre 0,1278 CFC
Cromo 0,1249 CCC
Ferro (α) * 0,1241 CCC
Molibdênio 0,1363 CCC
Níquel 0,1246 CFC
Ouro 0,1442 CFC
Platina 0,1387 CFC
Prata 0,1445 CFC
Tântalo 0,1430 CCC
Titânio (α) * 0,1445 HC
Tungstênio 0,1371 CCC
Zinco 0,1332 HC
* A simbologia (α) significa que se trata de um elemento puro (ferro puro e titânio puro).
Fonte: O autor (2021).Fonte: Callister e Rethwischi (2016).
Denominada formalmente de estrutura cristalina cúbica 
de faces centradas, o CFC é um arranjo no qual a célula 
unitária considerada possui um formato geométrico que se 
assemelha a um cubo, possuindo átomos posicionados 
em cada um dos vértices e nos centros de todas as faces 
deste cubo. Ex: alumínio, cobre, ouro e prata.
Fonte: Callister e Rethwischi 
(2016).
A estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC) 
possui formato cúbico e oito átomos dispostos nos vérti-
ces da estrutura, assim como o CFC. A diferenciação se 
dá devida a distribuição espacial dentro da célula unitária, 
já que no caso do CCC tem-se somente mais um átomo 
por célula, que fica localizado no centro deste cubo. Ex: 
Ferro e cromo.
39UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais 39UNIDADE II Estrutura de Sólidos Cristalinos e Imperfeições em Sólidos
Fonte: Callister e Rethwischi 
(2016).
A estrutura cristalina hexagonal compacta (HC), 
assemelha-se a um prisma hexagonal. Neste arranjo, 
consideram-se três planos paralelos unidos por outras 
seis faces ortogonais a estes planos: dois planos extre-
mos na forma de hexágono, compostos por seis átomos, 
distribuídos um em cada vértice somados a um átomo no 
centro do plano; e um plano intermediário, possuindo três 
átomos, totalizando assim 17 átomos na célula unitária. 
Ex: magnésio, zinco, titânio e cádmio.
40UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais 40UNIDADE II Estrutura de Sólidos Cristalinos e Imperfeições em Sólidos
2. MATERIAIS CRISTALINOS E NÃO CRISTALINOS
Dependendo de sua estrutura, os diversos materiais podem se apresentar como 
cristalinos ou não cristalinos, chamados também de amorfos, como vimos na primeira se-
ção desta unidade. Dentre os materiais cristalinos, além das diferentes formas de células 
unitárias que são a base de análise para as estruturas cristalinas como um todo, há também 
diferentes combinações que permitem outras classificações quanto a este aspecto para os 
sólidos. Veremos agora um pouco mais sobre estas classificações e a forma de determina-
ção do pertencimento de um material a estas distintas classes.
2.1 Monocristais
A ocorrência de monocristais de maneira natural é um tanto limitada, pois somente 
em ambientes com condições praticamente perfeitas este tipo de sólido cristalino ocorre, já 
que em toda a amostra de material, o padrão de repetição e a forma de ligação entre tais cé-
lulas é idêntico e perfeito, sem interrupções ou falhas, seguindo sempre a mesma orientação. 
Devido a esta exigência de sincronia em sua formação, raramente há a ocorrência 
de cristais deste tipo na natureza. No entanto, é possível e viável a sua manipulação e de-
senvolvimento de forma artificial. Recentemente, tem-se dado uma maior importância para 
os monocristais, que são utilizados em diversas tecnologias relativamente novas, como por 
exemplo os microcircuitos de silício. Outros materiais monocristais também são utilizados, 
principalmente em estudos com semicondutores.
41UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais 41UNIDADE II Estrutura de Sólidos Cristalinos e Imperfeições em Sólidos
2.2 Policristais
Vimos até aqui que os materiais cristalinos que possuem um arranjo de células 
unitárias perfeito e uniforme existem (monocristais), mas não são comuns. Portanto, o caso 
onde há mais de uma forma de organização entre as células unitárias é o mais usual, 
recebendo a denominação de materiais policristalinos. 
A maior parte dos materiais cristalinos apresenta na sua composição diferentes gru-
pos de cristais em tamanho minúsculo, podendo chamar-se de grãos, sendo chamados de 
policristais. A formação destes sólidos envolve a presença de distintos conjuntos de estruturas 
cristalinas, que crescem e agrupam-se dando esta configuração híbrida ao material. 
Primeiramente, os grãos de cristais se desenvolvem em posições variadas, com 
orientação variável e aleatória. Estas partes menores iniciais vão ganhando volume a partir 
da adição de novos átomos em sua estrutura devido às reações durante o processo de 
solidificação. Ao ponto que este processo vai se aproximando da conclusão, os grãos já 
com tamanhos maiores e em estado sólido tem as suas partes extremas forçadas umas 
às outras, provocando assim regiões de menor ajuste entre grãos distintos. A esta área de 
encontro entre dois grãos (conjuntos de mesmo tipo de célula unitária) dá-se o nome de 
região de contorno de grão do cristal.
Os desajustes existentes nas estruturas policristalinas têm grande relevância para 
algumas propriedades dos materiais, especialmente as propriedades mecânicas e em me-
nor ocorrência as elétricas e magnéticas. Faremos aqui uma breve explicação da influência 
da estrutura cristalina sobre algumas propriedades, já que o estudo propriamente dito das 
propriedades será feito em unidades posteriores.
2.3 Anisotropia
Em diversos materiais com estrutura policristalina, os grãos enquanto indivíduos 
possuem orientações cristalográficas com distribuição altamente ou até totalmente alea-
tória. Diante destas condições, ainda que cada um dos grãos contidos na estrutura se 
apresente com orientação distinta, a amostra geral do material, composta pelo conjunto 
agregado de diversos grãos terá um comportamento similar para todas as suas regiões, 
independentemente da sua direção.
Os materiais e substâncias onde o comportamento e resposta não variam de acor-
do com a direção de ocorrência ou medição são classificados como isotrópicos, ou seja, 
as suas propriedades são independentes da posição ou orientação em que se analisa ou 
submete o material a algum estímulo.
42UNIDADE I Introdução ao Estudo dos Materiais para Engenharia e Estrutura dos Materiais 42UNIDADE II Estrutura de Sólidos Cristalinos e Imperfeições em Sólidos
Quando há variação nas propriedades do material de acordo com a direção de 
análise do mesmo, têm-se então uma condição denominada anisotropia. Esta condição 
está atrelada a diferentes distribuições espaciais dos átomos na composição da estrutura do 
material, como ocorre nos casos de afastamento ou aproximação entre os íons das estruturas 
cristalinas em decorrência da direção cristalográfica geral (para o caso dos monocristais) ou 
das variações nas direções cristalográficas (caso se trate de material policristalino). 
Assim, alguns tipos de materiais monocristais têm suas propriedades variando de 
acordo com a direção de medida. Podemos usar como exemplo de tais propriedades va-
riáveis o módulo de elasticidade (propriedade mecânica), a condutividade elétrica (proprie-
dade elétrica) e o índice de refração (propriedade óptica), todos influenciados pela direção 
cristalográfica dos cristais da amostra. 
Para o caso dos monocristais, o nível de anisotropia se eleva a medida que a 
simetria estrutural do material é reduzida. Logo, a magnitude e a abrangência dos efei-
tos oriundos da anisotropia serão vistas de acordo com esse nível apresentado. Como 
vimos, os materiais policristalinos tendem a se comportar de maneira isotrópica, tamanha 
a aleatoriedade das orientações cristalográficas presentes na estrutura como um todo. 
Nestas circunstâncias, toma-se a média dos valores direcionais para medir a magnitude de 
determinada propriedade. 
Mas, atenção! O fato de se assumir que os materiais policristalinos com orientação 
de cristais aleatória se comportem de maneira isotrópica, enquanto os monocristais são, 
em alguns casos, anisotrópicos, não significa dizer que as propriedades do primeiro grupo 
têm um melhor desempenho em comparação com o segundo, e vice versa. Essa condição 
varia de acordo com os elementos constituintes de cada tipo de material.
2.4 Materiais não cristalinos
Os materiais não cristalinos ou amorfos, precisam apresentar, na sua condição 
sólida, uma configuração de