EBOOK - CIÊNCIA DOS MATERIAIS

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CIÊNCIAS DOS 
MATERIAIS
CIÊNCIAS DOS 
MATERIAIS
C957 
 Cruz, Felipe Tsuruta Lisboa 
 Ciência dos materiais [livro eletrônico] / Felipe Tsuruta 
 Lisboa Cruz. – Rio de Janeiro: UVA, 2019. 
 
 3,6 MB : PDF. 
 
 ISBN 978-85-5459-091-8 
 
 
 1. Materiais. 2. Cerâmica. 3. Polímeros. 4. Materiais de 
 construção. I. Universidade Veiga de Almeida. II. Título. 
 
CDD – 620.11
Copyright © UVA 2019
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meio sem a prévia autorização desta instituição.
Texto de acordo com as normas do Novo Acordo Ortográfico 
da Língua Portuguesa.
AUTORIA DO CONTEÚDO
Felipe Tsuruta Lisboa Cruz
REVISÃO
Luiz Werneck Maia
Isis Batista
Janaina Senna
PROJETO GRÁFICO
UVA
DIAGRAMAÇÃO
UVA
Bibliotecária Katia Cavalheiro CRB 7 - 4826.
Ficha Catalográfica elaborada pela Biblioteca Central da UVA.
SUMÁRIO
Apresentação
Autor
6
8
Cristalinidade e imperfeições cristalinas 33
• Estrutura cristalina − conceitos fundamentais, célula unitária e siste-
mas cristalinos 
• Polimorfismo e alotropia. Direções e planos cristalográficos
• Defeitos pontuais. Defeitos lineares. Defeitos superficiais. Defeitos 
volumétricos 
UNIDADE 2
9
• Principais critérios no processo de seleção dos materiais
• Composição, estrutura e propriedades
• Principais fatores ambientais que afetam as propriedades dos materiais
Introdução à Ciência dos Materiais
UNIDADE 1
SUMÁRIO
Materiais cerâmicos e poliméricos 74
• Classificação e propriedades das cerâmicas 
• Classificação e propriedades dos polímeros
• Aplicações dos materiais cerâmicos e poliméricos 
UNIDADE 4
55
• Ligas ferrosas: propriedades e aplicações
• Ligas não ferrosas: propriedades e aplicações 
• Diagramas de fases de ligas metálicas 
Materiais metálicos
UNIDADE 3
6
Os materiais estão mais enraizados em nossa cultura do que a maioria de nós se dá 
conta: transportes, habitação, vestuário, comunicação, recreação e produção de alimentos 
— praticamente todos os segmentos são influenciados, em maior ou menor grau, pelos 
materiais. Nesse sentido, desde os primórdios da engenharia até a atualidade, com os 
mais modernos processos de escolha de materiais aplicáveis a nossa rotina, faz-se ne-
cessário o estudo das ciências dos materiais na engenharia como importante ferramen-
ta na tomada de decisão sobre qual material um engenheiro deve usar. 
Para começar, na Unidade 1 vamos entender quais são os principais critérios nos pro-
cessos de seleção dos materiais, sempre à luz dos conceitos basilares dessa importante 
ciência. Assim, vamos compreender os princípios básicos dessa ciência por meio de 
estudos de caso que nos levarão a identificar os principais materiais de engenharia para 
casos específicos, além dos fatores ambientais que afetam as propriedades dos mate-
riais, como a corrosão em estruturas metálicas, que pode provocar acidentes graves. 
Seguindo nossa trilha do conhecimento em relação aos materiais de engenharia, na Uni-
dade 2 chegaremos a um ponto muito importante: a estrutura dos sólidos cristalinos. 
Nessa etapa, vamos avaliar como e por que a disposição dos átomos e moléculas, que 
vão formar retículos e cristalinos, pode refletir nas propriedades dos materiais. Além dis-
so, compreenderemos que as estruturas cristalinas, em um nível microscópico, apresen-
tam alguns “desajustes” nas posições dos átomos, chamados de defeitos cristalinos, que 
interferem nas propriedades dos diversos materiais estudados. Nessa unidade, também 
vamos nos deparar com um tema muito comum no nosso dia a dia, que é tecnicamente 
chamado de alotropia, nome dado ao fenômeno da existência de um elemento químico 
em dois ou mais arranjos tridimensionais. O exemplo mais comum são as várias formas 
alotrópicas do carbono (diamante, grafite e fulereno).
APRESENTAÇÃO
7
Em seguida, a Unidade 3 nos apresentará o mundo fantástico dos materiais metálicos, 
que têm parcela significativa no desenvolvimento da civilização. Por exemplo, não teria 
sido possível fabricar os automóveis sem a disponibilidade, a baixo custo, de aço ou 
outro material substituto comparável. Por isso, vamos mergulhar no mundo das ligas 
metálicas ferrosas e não ferrosas e compreender como o diagrama de fases nos ajudará 
a entender as propriedades desses materiais. 
Por fim, entraremos na Unidade 4 e analisaremos os diferentes tipos de cerâmicas e 
polímeros e suas aplicações típicas na sociedade, que tem o engenheiro como um dos 
principais profissionais responsáveis pelo desenvolvimento e pela aplicação desses ma-
teriais. Veremos exemplos práticos do uso da argila e do quartzo no mundo das cerâmi-
cas e dos policarbonatos e polipropilenos, utilizados na fabricação de veículos.
8
FELIPE TSURUTA LISBOA CRUZ
Felipe Tsuruta é doutorando em Química pela Universidade Federal do Rio de Janeiro – 
UFRJ, mestre em Química pela UFRJ, com bacharelado e licenciatura na mesma área. É 
certificado pela Graduate School of Education Stanford University na área de formação 
de professores. Atualmente, é coordenador geral de pós-graduação Lato Sensu e profes-
sor de Química e Ciência dos Materiais nos cursos de Engenharia da Universidade Veiga 
de Almeida – UVA, além de lecionar as disciplinas Gestão dos Cursos de Administração 
e Processos Gerenciais.
AUTOR
Introdução à Ciência 
dos Materiais
UNIDADE 1
10
O desenvolvimento de muitas tecnologias que tornam nossa experiência tão confortável 
está intimamente associado à disponibilidade de materiais adequados. Um avanço na 
compreensão de um tipo de material leva, com frequência, ao progresso gradativo de 
alguma tecnologia. Por exemplo, não teria sido possível fabricar os automóveis sem a 
disponibilidade, a baixo custo, de aço ou outro material substituto comparável. Por isso, 
antes de tudo, para nos empoderarmos desse conhecimento, é necessário conhecermos 
um pouco mais sobre composição, estrutura e propriedades dos materiais, o que nos 
levará a decisões mais precisas sobre qual material devemos usar e quais fatores am-
bientais afetam o sistema no qual o material está inserido.
INTRODUÇÃO
Nesta unidade, você será capaz de:
• Avaliar os principais critérios na seleção de materiais e os fatores ambientais que 
influenciam os materiais de engenharia.
OBJETIVO
11
Principais critérios no processo de seleção 
dos materiais 
A seleção de materiais é uma atividade determinante que o engenheiro exerce em sua ro-
tina de trabalho, em que lida com diversas áreas profissionais e do conhecimento, como 
as áreas de tecnologia e saúde. A escolha adequada de um material deve se apoiar nos 
aspectos técnico-científicos, tecnológicos, financeiros, operacionais, de fabricação e, es-
pecialmente, ambientais.
Para um melhor entendimento dos critérios científicos correlacionados à seleção de ma-
teriais, convém classificar previamente a grande maioria dos materiais disponíveis em 
três categorias: metais, cerâmicos e polímeros. Essa classificação tradicional tem como 
base a estrutura atômica e as ligações químicas.
Figura 1: Classificação dos materiais conforme o tipo de ligação química.
Fonte: ebah.com.br
Covalente
Iônica
Metais Cerâmicas 
e vidros
Polímeros
Metálica Secundária
Fatores para a seleção de materiais
Ao selecionar ou projetar um material para determinada aplicação, uma série de fatores 
precisa ser considerada. Como fator inicial, deve-se listar as condições de operação às 
quais o material será submetido e definir as propriedadesrequeridas para essa aplicação.
https://www.ebah.com.br/content/ABAAABINMAA/materiais-construcao-mecanica?part=4
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Os copos podem ser fabricados com diferentes materiais, de diversas catego-
rias, e serão utilizados para servir líquidos de várias substâncias em diferentes 
temperaturas.
No entanto, se o objetivo for servir líquidos quentes, nem todos os materiais 
são adequados para essa finalidade. Os copos fabricados de materiais metáli-
cos seriam seguros, pois apresentam boa resistência mecânica. Contudo, não 
seriam uma boa opção para essa aplicação, uma vez que os metais são bons 
condutores de calor. Assim, não seria agradável servir líquidos quentes em co-
pos fabricados com esse material.
Alguns polímeros têm a resistência mecânica modificada sob o efeito da tem-
peratura. Os termoplásticos, por exemplo, amolecem. Dessa forma, dependen-
do da temperatura do líquido a ser servido, não seria seguro o uso de copos 
fabricados com esse tipo de polímero.
Por outro lado, os cerâmicos são bons isolantes térmicos e apresentam eleva-
da resistência mecânica em altas temperaturas. Além disso, apresentam eleva-
da inércia química, ou seja, demoram anos para interagir quimicamente com o 
conteúdo. Por isso, os materiais cerâmicos são excelentes para o acondiciona-
mento de produtos que devem ter o sabor preservado.
Portanto, os copos fabricados com material cerâmico são uma boa opção para 
a finalidade proposta.
Figura 2: Copos fabricados com diferentes categorias de materiais.
Exemplo
Metal Polímero
Cerâmica
13
Em raras ocasiões, um material apresenta a combinação máxima ou ideal de proprie-
dades para uma dada aplicação. Quando isso ocorre, é necessário priorizar uma carac-
terística. Por exemplo, se o material tem alta resistência mecânica, ele apresenta baixa 
ductibilidade (capacidade de deformação). Sendo assim, dependendo das propriedades 
desejadas, prioriza-se uma das características ou procede-se a uma conciliação razoável 
entre as duas propriedades.
Outro fator importante na escolha de um material refere-se ao tipo de deterioração das 
propriedades que poderá sofrer enquanto estiver em serviço. Suas propriedades pode-
rão ser extremamente afetadas dependendo das condições a que for exposto. Logo, a 
escolha do material que apresente as propriedades adequadas resultará em eficácia e 
durabilidade.
Os aspectos ambientais são também um fator importante. Por isso, deve-se levar em 
consideração se é possível a reciclagem do material e quais seriam os impactos de seu 
descarte no meio ambiente.
O fator de maior relevância é, provavelmente, o econômico. Nesse sentido, a empresa ou 
instituição que propõe desenvolver um novo material de engenharia deve apurar o lucro 
dos produtos de venda com base nos insumos necessários para a fabricação e o desen-
volvimento. Por mais que um engenheiro projete um componente ou produto perfeito, 
este deve passar por uma análise econômica de viabilidade, de atratividade perante o 
mercado e de possibilidade de proporcionar lucro no longo prazo para a empresa.
Assim, poderá haver uma conciliação entre as propriedades e o custo do material que 
não comprometa o produto final.
Sobre os critérios de seleção de materiais, é importante frisar os seguintes pontos, que 
podem ser considerados parte de um guia para seleção de materiais, a saber: 
• O processo de seleção de materiais envolve uma análise das propriedades quími-
cas e físicas do material a ser escolhido. 
• Um dos pontos a relevantes é a verificação das condições a que o material será 
exposto para determinar o tipo de material que pode proporcionar melhor desem-
penho no processo e ou na aplicação desejada. 
• O material selecionado deve ser adequado não somente para o uso, mas para o 
processo de fabricação.
14
Composição, estrutura e propriedades 
Os materiais estão mais enraizados em nossa cultura do que a maioria de nós se dá con-
ta: transportes, habitação, vestuário, comunicação, recreação e produção de alimentos 
— praticamente todos os segmentos são influenciados, em maior ou menor grau, pelos 
materiais. Historicamente, o desenvolvimento e o avanço das sociedades estiveram inti-
mamente ligados às habilidades dos seus membros. Essas habilidades surgiam com a 
prática, para atender a suas necessidades. Factualmente, vemos que os materiais esti-
veram presentes até mesmo para caracterizar as civilizações antigas pelos nomes dos 
materiais identificados na época e pelo nível de desenvolvimento — Idade da Pedra, Idade 
do Bronze, Idade do Ferro.
Porém, antes de falarmos das propriedades dos materiais, sua composição e estrutura, 
cabe refletirmos sobre a pergunta: o que são materiais? Como os entendemos ou mani-
pulamos e usamos?
Materiais são, obviamente, uma parte da matéria do universo; de forma mais específica, 
são as substâncias cujas propriedades as tornam utilizáveis em estruturas, máquinas, dis-
positivos ou produtos consumíveis. Dentre eles, incluem-se metais, cerâmicas, políme-
ros e demais materiais relevantes, como semicondutores, supercondutores, madeira 
e diversos outros materiais. Sua produção e seu processamento visando à obtenção de 
produtos acabados absorvem alta porcentagem de empregos, dentre os quais parte sig-
nificativa na engenharia, além de contribuir com parcela do Produto Nacional Bruto (PNB). 
O obrigatório cuidado na proteção do corpo humano acabou por incluir os alimentos, os 
medicamentos, os fertilizantes, entre outros, na classe universal dos materiais, embora 
ainda perdure a sistemática do seu estudo específico pelas ciências biológicas e da agri-
cultura. Por razões similares, os combustíveis fósseis, a água e o ar podem ser incluídos 
de forma holística no conceito geral de materiais, porém, são usualmente tratados com 
mais profundidade em campos particulares de estudo. 
Classificação, propriedades e composição dos materiais
Os materiais sólidos foram agrupados convenientemente em três categorias básicas: 
metais, cerâmicas e polímeros. Esse esquema está baseado principalmente na compo-
sição química e na estrutura atômica. A maioria dos materiais se enquadra em um ou 
outro grupo distinto. Adicionalmente, como descrito nos parágrafos anteriores, existem
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outras categorias com compósitos, que são combinações engenheiradas de outros ou 
mais materiais diferentes. Uma explicação sucinta dessas classificações de materiais 
e de suas características representativas será apresentada a seguir. Falaremos sobre a 
composição química, a estrutura e as propriedades desses materiais. 
Metais
Quanto à composição, os metais são compostos por um ou mais elementos metálicos 
(por exemplo, ferro, alumínio, cobre, ouro, níquel etc.) e, com frequência, também por 
elementos não metálicos (como carbono, nitrogênio e oxigênio) em quantidades relativa-
mente pequenas. Os átomos nos metais e suas ligas estão arranjados/estruturados de 
uma maneira muito ordenada e, em comparação com as cerâmicas e os polímeros, são 
relativamente densos. Quanto às características mecânicas, esses materiais são relativa-
mente rígidos e resistentes, além de serem dúcteis, maleáveis e resistentes a fraturas, por 
isso são amplamente utilizados em estruturas de uma forma geral (Figura 3). 
Figura 3: Aplicação das ligas metálicas de ferro como aço estrutural.
Os materiais metálicos apresentam grande número de elétrons livres. Esses elétrons não 
estão ligados a qualquer átomo em particular, conforme estudamos em Química Geral, 
na Teoria do Mar de Elétrons. Muitas das propriedades dos metais podem ser atribuídas 
diretamente a esses elétrons, como a condução de corrente e de calor e o brilho carac-
terístico. Além dessas propriedades, os metais também têm propriedades magnéticas 
interessantes.
16
Cerâmicas
Quanto à composição, as cerâmicas são compostos formados por elementos metálicos 
e não metálicos; na maioria das vezes são óxido, nitretos e carbetos. Alguns materiais 
cerâmicos incluem o óxido de alumínio — alumina, Al2O3 —, o dióxido de Silício– Sílica, 
SiO2 –, o carbeto de Silício (SiC) e o Nitreto de Silício (Si3N4). Ainda, alguns se apresen-
tam como cerâmicas tradicionais, aqueles materiais compostos por minerais argilosos 
(exemplo – porcelana), assim como o cimento e o vidro. Em relação ao comportamento 
mecânico, os materiais cerâmicos são relativamente rígidos e resistentes, com valores 
comparados aos dos metais. Além disso, as cerâmicas são tipicamente muito duras. 
Historicamente, sempre exibiram extrema fragilidade e são altamente suscetíveis a fra-
tura. Entretanto, as novas cerâmicas estão sendo desenvolvidas para apresentar me-
lhor resistência. Normalmente, as cerâmicas são utilizadas como utensílios de cozinha, 
cutelaria e até mesmo peças de motores de automóveis. Os materiais cerâmicos tam-
bém são tipicamente isolantes de calor e eletricidade, além de serem mais resistentes a 
temperaturas elevadas e ambientes severos que os metais e polímeros. Como exemplo, 
podemos citar os fornos das indústrias siderúrgicas (Figura 4). 
Figura 4: Alto forno de uma indústria siderúrgica. O forno é constituído de um material refratário (cerâmi-
ca) e é revestido por um material metálico.
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Polímeros
Os polímeros incluem os familiares materiais plásticos e de borracha. 
Muitos deles são compostos orgânicos que têm sua química baseada 
no carbono, no hidrogênio e em outros elementos não metálicos (por 
exemplo, O, N e Si). Além disso, eles têm estruturas moleculares muito 
grandes, em geral, na forma de cadeias que, com frequência, possuem 
uma estrutura composta por átomos de carbono. Alguns dos polímeros 
comuns e familiares são o polietileno (PET), o náilon, o cloreto de polivi-
nila (PVC), o poliestireno e a borracha silicone. Tipicamente, esses mate-
riais possuem massas específicas baixas, enquanto suas características 
mecânicas são, em geral, diferentes das características exibidas pelos 
materiais metálicos e cerâmicos — não são tão rígidos e nem tão resis-
tentes quanto esses materiais. (CALLISTER; RETHWISCH, 2016, p. 15)
Entretanto, em função de sua densidade reduzida, muitas vezes sua rigidez e sua resis-
tência mecânica em relação a sua massa são comparáveis às dos metais e das cerâmi-
cas. Ademais, muitos dos polímeros são extremamente dúcteis e flexíveis (plásticos), o 
que significa que são facilmente conformados de maneiras complexas, quando falamos 
de estrutura. Em geral, são relativamente inertes em se tratando do aspecto químico, não 
reagindo em um número significativo de ambientes. Uma das desvantagens característi-
cas dos polímeros é sua capacidade de decomposição a baixas temperaturas, que pode 
limitar seus usos. Outro ponto importante é que normalmente não são condutores e não 
são magnéticos. 
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Outros materiais
Alguns materiais não estão necessariamente classificados no rol de metais, cerâmicas 
ou polímeros; porém, desempenham papel importante no que concerne à aplicação para 
a sociedade. 
Compósitos
Um material identificado com o compósito é composto por pelo menos dois dos mate-
riais que descrevemos, como os polímeros, os metais e as cerâmicas. Esse material deve 
ter, necessariamente, propriedades que os materiais, separadamente, têm. Além disso, 
adquirem características e propriedades superiores às dos materiais separados. Por isso, 
são considerados materiais de grande relevância para a engenharia e, consequentemen-
te, para a sociedade. Alguns materiais são naturalmente considerados compósitos, tais 
como os ossos, as conchas e a madeira. Como exemplo de compostos desenvolvidos 
pelos avanços da engenharia e da ciência dos materiais, podemos citar o Forged Com-
posities ®, que é um compósito constituído de resina do tipo epóxi e fibra de carbono, 
desenvolvido pela parceria Lamborghini. 
MIDIATECA
Acesse a midiateca da Unidade 1 e veja o material complementar sobre compó-
sito, indicado pelo professor.
Semicondutores
Os semicondutores têm propriedades elétricas que são intermediárias entre aquelas exi-
bidas pelos condutores elétricos (metais e ligas metálicas) e os isolantes (cerâmicas e 
polímeros). Além disso, as características elétricas desses materiais são extremamente 
sensíveis à presença de mínimas concentrações de átomos ou impurezas; tais concen-
trações podem ser controladas em regiões muito pequenas do material. Os semicondu-
tores tornaram possível o advento dos circuitos integrados, os quais revolucionaram as 
indústrias de produtos eletrônicos e de computadores ao longo das três últimas décadas. 
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Biomateriais
Os biomateriais são empregados em componentes implantados no corpo humano para a 
substituição de partes do corpo doentes ou danificadas. Esses materiais não devem pro-
duzir substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com os tecidos do corpo (isto é, não 
devem causar reações biológicas adversas). Todos os materiais citados anteriormente – 
metais, cerâmicas, polímeros, compósitos e semicondutores – podem ser usados como 
biomateriais. A American Society for Testing and Materials (ASTM) lista diversas ligas de 
Cobalto (Co) que são recomendadas para aplicação em implantes cirúrgicos, dentre as 
quais as que contêm também elementos como Tungstênio (W), Níquel (Ni), Molibidenio 
(Mo) e Crômio.
Materiais inteligentes
Os materiais inteligentes são um grupo de novos materiais de última geração que estão 
sendo atualmente desenvolvidos e que terão uma influência significativa sobre muitas 
de nossas tecnologias. O adjetivo “inteligente” implica que esses materiais são capazes 
de sentir mudanças no ambiente e responder a isso de maneiras predeterminadas. Os 
componentes de um material inteligente incluem algum tipo de sensor (que detecta um 
sinal de entrada) e um atuador (que executa uma função resposta ou adaptação). Os 
atuadores podem provocar mudanças de forma, de posição, de frequência natural ou das 
características mecânicas em respostas a mudanças na temperatura, nos componentes 
elétricos e/ou magnéticos.
Um exemplo importante de um material inteligente, que tem função de atuador, 
são as cerâmicas piezoelétricas, que se expandem e se contraem em resposta 
à aplicação de um campo elétrico ou tensão; de maneira inversa, elas também 
geram um campo elétrico quando suas dimensões são alteradas. Uma das 
principais aplicações desse material é a balança de rodoviária. A explicação do 
sistema de piezoeletricidade é explicada na Figura 5.
Exemplo
20
Figura 5: Esquema mostra como a energia é gerada por meio da compressão do mate-
rial e como o material sofre deformação com a aplicação de corrente elétrica.
MIDIATECA
Acesse a Unidade 1 e veja o conteúdo complementar sobre nanomateriais, in-
dicado pelo professor.
21
Principais fatores ambientais que afetam as 
propriedades dos materiais 
Nesse momento, vamos tratar dos fatores ambientais e/ou externos que afetam ou in-
fluenciam as propriedades dos materiais. Nesse sentido, discutiremos o aspecto do meio 
ambiente de duas formas: I) variáveis e aspectos que alteram as propriedades mecânicas 
dos materiais; e II) considerações ambientais e sociais sobre a produção e reciclagem/
reuso dos materiais. 
I – Fatores ambientais que alteram as propriedades dos ma-
teriais 
Os materiais de engenharia estão inseridos em um sistema que está suscetível a diversas 
intempéries, que podem, em alguma medida, interferir em suas propriedades mecânicas. 
Nesse sentido, vamos ver algumas questões relacionadas à degradação de materiais. 
Em maior ou menor grau, a maioria dos materiais apresenta algum tipo de interação com 
um grande número de ambientes diferentes. Com frequência, tais interações compro-
metem a utilidade de um material como resultado da deterioração de suas propriedades 
mecânicas (por exemplo, a ductilidade e a resistência), de outras propriedades físicas ou 
de sua aparência. Ocasionalmente, para o pesar de um engenheiro, o comportamento de 
um material perante a degradação para uma dada aplicação é ignorado, sendo possível 
um alto potencial de consequências adversas. 
Os mecanismosde deterioração são diferentes para os três tipos de materiais:
Metais
Existe uma efetiva perda de material pela corrosão, seja pela perda de 
material ou pela incrustação.
22
Polímeros
As consequências e os mecanismos são diferentes dos outros materi-
ais. Os polímeros podem, literalmente, se dissolver quando expostos a 
um solvente líquido, ou podem absorver o solvente e inchar e, além de 
radiação ultravioleta e calor, podem causar danos às respectivas estru-
turas moleculares.
Cerâmicos
São relativamente resistentes à deterioração, que ocorre geralmente 
em temperaturas elevadas ou em ambientes extremos. Nesse caso, o 
processo também pode ser chamado de corrosão.
Em nossos lares, a corrosão é responsável pela deterioração de utensílios e 
eletrodomésticos. Nas indústrias, a corrosão acarreta problemas ligados aos 
custos de manutenção e substituição de equipamentos, perda de produtos e 
impactos ambientais decorrentes de vazamentos em tanques e tubulações 
corroídos, sem contar as vidas humanas postas em risco em acidentes e explo-
sões. Outra consequência da corrosão é a deterioração do mobiliário urbano e 
de monumentos históricos, que apresentam valor incalculável e são lentamente 
degradados pela ação de poluentes presentes na atmosfera.
Exemplo
Vamos ver de forma geral as características e alguns exemplos de corrosão e deteriora-
ção dos três materiais descritos: metais, cerâmicas e polímeros. 
Corrosão e deterioração nos metais
A corrosão é definida como ataque destrutivo e não intencional de um metal; esse ataque 
é eletroquímico e começa normalmente na superfície. O problema da corrosão metálica é 
de proporções significativas; em se tratando da questão econômica, estima-se que apro-
ximadamente 5% das receitas de uma nação industrializada sejam gastos na prevenção 
e manutenção da corrosão ou substituição de materiais que se tonaram inadequados em 
virtude de ações da corrosão. Como exemplo, temos a ferrugem em carrocerias e estru-
turas metálicas, radiadores, componentes estruturais de motores de carros etc. 
23
Em um contexto prático da engenharia, podemos citar o desabamento de uma 
ponte, que ocorreu no município de Laranjeiras, no estado do Sergipe. Segundo 
uma equipe de peritos formada por diversos engenheiros do CREA-SE (Conse-
lho Regional de Engenharia e Agronomia de Sergipe), a corrosão dos tirantes 
(cabos de aço) que sustentavam o estrado (pista) foi a causa do desabamento 
da ponte José Américo de Almeida (Ponte de Pedra Branca). 
Saiba mais
MIDIATECA
Acesse a midiateca da Unidade 1 e veja mais sobre desabamento no conteúdo com-
plementar indicado pelo professor.
Quais são os ambientes que favorecem a corrosão dos metais?
Os ambientes corrosivos incluem a atmosfera, soluções aquosas, solos, ácidos, bases, 
solventes inorgânicos e até mesmo o corpo humano. Dentre os ambientes, a atmosfera é 
responsável por muitas perdas. A umidade, que tem o oxigênio (O2) como principal agen-
te corrosivo, além de compostos à base de enxofre (S) e o cloreto de sódio (NaCl), que 
também contribuem de forma significativa. Detectamos esse tipo de consequência em 
atmosferas marinhas, onde o NaCl está presente em quantidades significativas. Por isso, 
diversos materiais metálicos e equipamentos eletrônicos em locais próximos a regiões 
praianas têm menor durabilidade. 
Soluções de ácido sulfúrico (H2SO4) diluído, que é produto da chuva ácida e muito co-
mum em ambientes industriais, podem causar problemas de corrosão em monumentos/
estátuas, estruturas metálicas e até mesmo no concreto.
Outro ambiente que favorece a corrosão de materiais metálicos é aquele composto por 
grandes quantidades de enxofre, como os combustíveis fósseis com essa característica. 
Segundo Furlan (2013, p. 14), 
24
o maior problema microbiano na indústria de refino de petróleo é a con-
taminação de produtos armazenados, que pode levar à perda da sua 
qualidade, à formação de borra e à deterioração de tubulações e tanques 
de estocagem. O óleo diesel apresenta os problemas microbiológicos 
mais sérios dentre os tipos de combustíveis comercializados. 
O processo de corrosão, quando tem como agente principal os micro-organismos, leva o 
nome de biocorrosão. A biocorrosão ocorre quando uma reação redox, com deterioração 
metálica, acontece por aceleração de micro-organismos. Por se tratar de uma reação 
de oxirredução, está catalisada pelos elétrons cedidos por meio dos metabolismos dos 
micro-organismos presentes no sistema.
MIDIATECA
Acesse a midiateca da Unidade 1 e veja o conteúdo complementar sobre a cor-
rosão de aços inoxidáveis austeníticos indicado pelo professor.
Corrosão de deterioração de polímeros
Os polímeros sofrem degradação de forma distinta dos metais. Por serem moléculas 
orgânicas, podem ser solubilizados e/ou dissolvidos por solventes orgânicos. Como con-
sequência, reagentes como gasolina ou tíner podem atacar plásticos e causar danos 
estruturais, expansão ou estufamento. Há, também, a possibilidade de ocorrência de al-
terações estruturais em decorrência de radiação eletromagnética — luz ultravioleta — ou 
ação térmica. Essas ações podem ocasionar a quebra de ligações químicas e, como 
consequência, a alteração, muitas das vezes irreversível, das propriedades físicas desse 
material. (CALLISTER; RETHWISCH, 2016).
A degradação dos materiais poliméricos se baseia em processos físico-químicos, que 
podem ocorrer das seguintes maneiras:
• Inchamento seguido de dissolução do polímero.
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Ação do clima (intemperismo): combinação da ação de agentes químicos (água, áci-
dos), com ruptura das ligações decorrente de radiação eletromagnética (luz, por 
exemplo), calor, agentes químicos, radiação (luz) e variação de temperatura.
Fatos que influenciam no processo: agentes químicos, O2 e luz ultravioleta (radiação so-
lar) rompem as ligações de maneira semelhante à energia térmica.
II - Considerações ambientais e sociais 
As tecnologias atuais e o desenvolvimento de novos materiais provocam impactos positi-
vos e negativos na sociedade. Ademais, os impactos podem ser de natureza ambiental e 
econômica e de alcance global, dado que todos os recursos materiais naturais podem vir 
de qualquer parte do planeta; a globalização tem efeitos econômicos, operacionais e os 
efeitos ambientais não estão adstritos às fronteiras geográficas de um país. (CALLISTER; 
RETHWISCH, 2016). 
Os materiais desempenham, de fato, um papel crucial nessa tríade tecnologia-economia-
-meio ambiente. Um material utilizado em algum produto final e que é então descartado, 
passa por vários estágios ou fases; esses estágios ou fases estão representados na Fi-
gura 6. 
Figura 6: Representação de todos os ciclos dos materiais.
Fonte: Adaptado de Callister (2012).
Síntese 
e 
processamento
Materiais 
engenheirados
Projeto, fabricação 
e montagem do 
produto
Aplicações:
Agricultura, construção, meio 
ambiente, defesa, informação/
comunicações, transporte, 
energia, saúde, extração/
produçãoResíduo
Reciclagem/ 
Reuso
Matérias-
primas
26
Esse esquema também é denominado Ciclo Total dos Materiais ou Ciclo dos Materiais, e 
representa o ciclo de vida de um material. As matérias-primas são extraídas de seus am-
bientes naturais no planeta por mineração, perfuração, cultivo etc. Essas matérias-primas 
são então purificadas, refinadas e convertidas em formas brutas, tais como metais, ci-
mento, petróleo, borrachas e fibras. A síntese e o processamento adicionais resultam em 
produtos que são aquilo que pode ser denominado como material engenheirado. Alguns 
exemplos incluem as ligas metálicas, as cerâmicas, os vidros, os compósitos, os semi-
condutores etc. Em seguida esses materiais são conformados, tratados e montados em 
produtos, dispositivos e utensílios que estão prontos para o consumidor — isso constitui 
o estágio de projeto, fabricação e montagem do produto. O consumidor adquire esses 
produtos e os utiliza até que se deteriorem e se tornem obsoletos, sendo descartados. 
Nesse momento,os produtos podem ser reutilizados ou descartados como rejeitos, sen-
do possível a incineração ou o descarte como resíduos sólidos em aterros sanitários. 
Dessa última forma, retornam para a terra e completam o ciclo dos materiais. 
Estimou-se que, em todo o mundo, cerca de 15 bilhões de toneladas de maté-
rias-primas são extraídas da Terra a cada ano; algumas dessas matérias-pri-
mas são renováveis, enquanto outras, não. Com o passar do tempo, está se 
tornando mais evidente que a Terra é um sistema fechado em relação aos seus 
materiais constituintes, e que seus recursos são finitos. Além disso, à medida 
que nossas sociedades amadurecem e as populações crescem, os recursos 
disponíveis tornam-se mais escassos. Assim, deve-se dar maior atenção a uma 
utilização mais efetiva desses recursos em relação ao ciclo dos materiais.
Importante
A reciclagem de produtos usados, em vez do seu descarte como resíduo, é um procedi-
mento desejável por diversas razões. 
1) Em primeiro lugar, o uso de materiais reciclados reduz a necessidade de extração 
de matérias-primas do planeta e, dessa forma, há conservação de recursos natu-
rais e eliminação de quaisquer impactos ecológicos associados à fase de extração. 
2) Em segundo lugar, as necessidades de energia para o refino e o processamento 
de materiais reciclados são, normalmente, menores que as de seus equivalentes 
naturais; por exemplo é necessária aproximadamente 28 vezes mais energia para 
refinar minérios naturais de alumínio do que para reciclar os resíduos de latas de 
bebidas de alumínio.
27
3) Por fim, não há necessidade de descarte de materiais reciclados. 
Dessa forma, o ciclo dos materiais é realmente um sistema que envolve interações e 
trocas entre materiais, energia e o meio ambiente. Além disso, os futuros engenheiros, 
em todo o mundo, devem compreender as inter-relações entre esses vários estágios, de 
modo a usar de maneira efetiva os recursos do planeta e minimizar os efeitos adversos 
sobre o nosso meio ambiente. 
Figura 7: Ciclo dos materiais.
Fonte: br.pinterest.com
COMO SEPARAR
Não reciclável
Etiquetas adesivas, papel carbono e 
celofane, papéis sanitários, papéis 
Reciclável
Jornais e revistas, folhas 
de cadernos, caixas de 
papelão em geral, fotocópias, 
envelopes
Reciclável
 
Não reciclável
Reciclável
Tampinhas de garrafas, latas de 
óleo, leite em pó e conservas, latas 
de refrigerante, cerveja e suco, 
alumínio, embalagens metálicas 
de congelados
Não reciclável
Clipes, grampos, espon-
jas de aço, tachinhas, 
pregos
Reciclável
Garrafas, copos, recipientes em 
geral
Não reciclável
ME
TA
L VIDRO
PLÁSTICOP
AP
EL
Cabos de panelas, tomadas
Canos, sacos, CDs, em-
balagens de produtos de 
limpeza, garrafas plásticas 
de refrigerante, suco e óleo
Espelhos, vidros planos 
e cristais, cerâmicas e 
porcelanas, tubos de TVs e 
computador
https://br.pinterest.com/pin/351140102169500092
28
MIDIATECA
Acesse a midiateca da Unidade 1 e veja o material complementar sobre o ciclo 
de consumo indicado pelo professor.
NA PRÁTICA
Você sabe como funcionam os processos de corrosão e quais são as formas 
de proteção de estruturas metálicas em navios? 
Já passou pelos estaleiros do Rio de Janeiro e se deparou com aqueles navios 
gigantes que atracam em nossos portos? Já imaginou o trabalho que os enge-
nheiros têm para cuidar de um equipamento como aqueles?
Sabemos que a atmosfera no Rio de Janeiro, por ser uma cidade litorânea e 
úmida, apresenta alta concentração de íons salinos, que aceleram fortemente 
os processos de corrosão. Nesse sentido, os engenheiros responsáveis pelos 
navios atracados devem ter um cuidado redobrado com as estruturas metáli-
cas das embarcações. Esse cuidado significa mitigar a degradação da corro-
são, delongando a vida útil do navio e, consequentemente, aumentando a ren-
tabilidade desse meio de transporte. Além da solução salina, outros agentes 
corrosivos podem atacar a estrutura metálica de uma embarcação e diminuir 
sua vida útil. São compostos químicos subprodutos da poluição antropogênica, 
tais como os derivados de enxofre (SOx), CO2 e o H2S (ácido sulfídrico). Uma 
das formas de minimizar a ação corrosiva desses compostos químicos pre-
sentes na água é o uso de tintas que proporcionam uma proteção adicional e 
prolongam a vida útil do navio.
29
NA PRÁTICA
Recipientes para Bebidas Carbonatadas
Bebidas carbonatadas são produtos compostos por água, gás carbônico e al-
gum tipo de xarope que dá cor e gosto. O gás carbônico (CO2) é um gás mo-
deradamente solúvel em água. Dentre essas bebidas, temos os refrigerantes, a 
água com gás e outras bebidas gaseificadas. 
Dentre as embalagens adequadas para o acondicionamento desses tipos de 
bebida, temos o vidro, que pode ter variados tamanhos e formas e preserva 
o líquido melhor do que outros tipos de embalagem, além de apresentar boas 
condições higiênicas, inerentes a esse tipo de recipiente. O vidro tem também a 
particularidade de ser bastante versátil em relação ao tipo de conteúdo, poden-
do acondicionar bebidas gaseificadas ou não. 
O processo de produção de uma garrafa de vidro envolve diversos equipa-
mentos especializados e emprega quantidades muito exatas de determina-
dos constituintes, dependendo da forma, do tamanho e do fim para o qual o 
recipiente é produzido. As embalagens de vidro podem ser recicladas quase 
que completamente.
As bebidas carbonatadas também são normalmente acondicionadas em latas 
de alumínio, que apresentam diversas vantagens, dentre as quais: grande ca-
pacidade de reciclagem; impressão em 360° ao longo do corpo da lata; boa 
resistência à corrosão (difícil oxidação) e leveza. 
30
NA PRÁTICA
Materiais piezoelétricos
A piezoeletricidade – ou efeito piezoelétrico – é uma propriedade de alguns 
materiais que, mediante uma tensão mecânica, tornam-se eletricamente po-
larizados, o que chamamos de efeito direto, e o contrário também é possível: 
quando colocados em uma diferença de potencial (DDP), esses materiais sofrem 
uma deformação mecânica. O efeito piezoelétrico com bastante detalhe porque 
este efeito tem muitas aplicações de suma importância na vida moderna. Em 
cada telefone celular, em cada computador, nos aparatos de GPS, nos relógios 
de pulso, em cada carro construído após 2000 e em inúmeros outros equipa-
mentos, há pelo menos um cristal de quartzo que oscila e, por meio do efeito 
piezoelétrico, gera um sinal elétrico oscilatório cujo período serve como base 
para medidas extremamente precisas de tempo. Como qualquer oscilação me-
cânica, a oscilação de um pedaço de quartzo sofre alguma perda de energia 
por amortecimento. Para manter a oscilação com a mesma amplitude, é ne-
cessário repor a energia perdida. Isso é feito com a ajuda do efeito piezoelétrico 
inverso. A oscilação elétrica é amplificada e jogada de volta nos eletrodos nas 
faces do cristal.
31
Resumo da Unidade 1
Nesta unidade, estudamos três categorias de materiais: metais, cerâmicos e polímeros. 
Essa classificação é feita com base nas características atômicas de cada material, espe-
cialmente nas ligações químicas. Ao sabermos a composição, a estrutura e as proprieda-
des dos materiais, estaremos munidos de conhecimentos que nos ajudarão na seleção 
dos materiais adequados para uma aplicação específica. Assim, é necessário saber as 
condições às quais os materiais estão expostos, de modo que os fatores ambientais que 
podem causar danos aos materiais sejam variáveis controláveis pelo engenheiro. 
Nesta unidade, abordamos diversos conceitos norteadores das ciências dos 
materiais que darão suporte aos demais termos de que trataremos nas outras 
unidades. Dentre os temas tratados, veremos os critérios para a seleção, que 
é a escolha técnico-científica baseada nas propriedades dos materiais de en-
genharia que nos ajudam a determinar o melhor material a ser utilizado nos 
projetos. Para isso, também conceituamos os metais, as cerâmicas, os políme-
ros, os compósitos e os demais materiais. Comoforma de alinharmos nossa 
preocupação com uma formação sustentável, detalhamos os fatores ambien-
tais que influenciam os materiais de engenharia, apontando a influência sobre o 
meio ambiente desde o ciclo produtivo, sua utilização e conservação.
CONCEITO
32
Referências 
CALLISTER JR., W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e Engenharia de Materiais: uma Intro-
dução. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012.
. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 
2016.
FURLAN, B. G. Corrosão Microbiana. 2013. Trabalho de Conclusão de Curso. (Escola de 
Engenharia de Lorena) – Universidade de São Paulo, Lorena, São Paulo. 2013. 47f. 
SHACKELFORD, J. F. Ciência dos Materiais. 6. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 
2008. Biblioteca Virtual.
Cristalinidade e imperfeições 
cristalinas
UNIDADE 2
34
Essencialmente, todos os materiais que possuem uma estrutura atômica organizada de-
vem ter uma atenção especial quanto ao estudo da sua estrutura cristalina. Nessa uni-
dade, vamos abordar como a estrutura cristalina se organiza no nível atômico e qual é 
o reflexo dessas características nas propriedades dos materiais de engenharia. E como 
nem tudo é perfeito, os materiais cristalinos também não são. Por isso, vamos investigar 
quais são os tipos de defeitos cristalinos e quais são os reflexos nos materiais usados 
pelos engenheiros. 
INTRODUÇÃO
OBJETIVO
Nesta unidade, você será capaz de analisar os tipos de imperfeições que existem e 
os papéis que elas representam ao afetar o comportamento dos materiais.
35
Estrutura cristalina − conceitos fundamen-
tais, célula unitária e sistemas cristalinos 
Conceitos fundamentais 
Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com a regularidade pela qual 
seus átomos ou íons estão arranjados em relação aos outros. Um material cristalino é 
um material no qual os átomos estão posicionados segundo um arranjo periódico ou 
repetitivo ao longo de grandes distâncias atômicas, ou seja, existe uma ordem a longo 
alcance, tal que, quando ocorre o fenômeno da solidificação, os átomos se posicionam 
num padrão tridimensional repetitivo, no qual cada átomo está ligado aos seus átomos 
vizinhos mais próximos (CALLISTER; RETHWISCH, 2012). Essencialmente todos os me-
tais, uma relevante parte dos materiais cerâmicos e alguns polímeros cristalizam-se, ou 
seja, podem formar estruturas/arranjos cristalinos quando estão no estado sólido. 
Mas por que devemos saber sobre a cristalinidade de um material? Algumas das pro-
priedades dos sólidos cristalinos dependem da estrutura cristalina do material, ou seja, 
como os átomos, íons ou moléculas estão arranjados será decisivo para a caracteriza-
ção dessas propriedades. Há diversos tipos de estruturas cristalinas dos materiais que já 
descrevemos na Unidade 1 (metais, cerâmicas e polímeros) e algumas dessas derivam 
de unidades básicas sobre as quais vamos estudar nesse momento. 
Célula unitária
A ordenação de longo alcance, que é uma característica dos cristais ― sólidos que pos-
suem estrutura cristalina ― podem ser observados na Figura 1. Essa imagem nos mostra 
uma característica relevante do significado do longo alcance, ou seja, os padrões são repe-
tidos muitas e muitas vezes por toda a estrutura do material. Esse modelo mostra um dos 
vários padrões, ou reticulados, que podem ser desenvolvidos quando apenas um tipo de 
átomo está presente. Como esse é repetido indefinidamente, torna-se conveniente dividir o 
que chamamos de rede cristalina em células unitárias, que são pequenos volumes, cada 
um tendo todas as características encontradas no cristal inteiro. Também podemos consi-
derar que são pequenas entidades que se repetem ao longo da estrutura cristalina. 
36
Figura 1: Efeito da repetição de uma unidade organizada no longo alcance.
Figura 2: Representação da célula unitária na rede cristalina.
Figura 3: Parâmetros de rede de uma célula unitária.
A geometria da célula unitária é definida por seus parâmetros de rede, conforme de-
monstrado abaixo.
αβ
b
x
y
z
c
a
γ
Parâmetros de rede:
• Comprimentos das arestas: a, b e c.
• Ângulos entre as arestas: α, β e γ.
Fonte: Adaptado de Callister e Rethwisch (2012).
37
Sistemas cristalinos
Os sistemas cristalinos representam grupos distintos de acordo com os arranjos atômi-
cos. Dessa forma, podemos considerar que há somente sete geometrias de células uni-
tárias que podem ser empilhadas para preencher o espaço tridimensional. Os sistemas 
cristalinos estão detalhados na Tabela 1. 
Sistema cristalino
Cúbico
Tetragonal
Ortorrômbico
Hexagonal
Romboédrico ou trigonal
Monoclínico
Triclínico
Relações axiais
a = b = c
a = b ≠ c
a ≠ b ≠ c
a = b ≠ c
a = b = c
a ≠ b ≠ c
a ≠ b ≠ c
Ângulo entre os eixos
α = β = γ = 90°
α = β = γ = 90°
α = β = γ = 90°
α = β = 90° e γ = 120°
α = β = γ ≠ 90°
α = γ = 90° e β ≠ 90°
α ≠ β ≠ γ ≠ 90
E como seria a geometria de cada um dos sistemas cristalinos?
Figura 4: Geometria dos sete sistemas cristalinos.
Cúbico 
Simples
Monoclínico 
simples
Monoclínico 
de bases 
centradas
Hexagonal Triclínico
Cúbico 
de corpo 
centrado 
(CCC)
Cúbico de 
faces cen-
tralizadas 
(CFC)
Tetragonal 
simples
Ortorrômbica 
simples
Ortorrômbico 
de corpo 
centrado
Ortorrômbico 
de bases 
centradas
Ortorrômbico 
de faces 
centradas
Tetragonal 
de corpo 
centrado
Romboédrico
Fonte: ebah.com.br
https://www.ebah.com.br/content/ABAAABvOAAA/estrutura-cristalina-dos-metais
38
Agora que já conhecemos as diferentes formas dos átomos dispostos de forma tridimen-
sional nas células unitárias, ou seja, as geometrias, como são os possíveis arranjos dos 
átomos nas células? 
Esses átomos vão ocupar posições específicas e formar o que chamamos de “Redes de 
Bravais”, que são 14 possíveis arranjos diferentes desses átomos nos espaços. 
Figura 5 – As 14 redes de Bravais
Cúbica 
Simples
Monoclínica 
simples
Monoclínica 
de base 
centrada
Hexagonal Triclínica
Cúbica 
de corpo 
centrado
Cúbica de 
faces cen-
tralizadas
Tetragonal 
simples
Ortorrômbi-
casimples
Ortorrômbico 
de corpo 
centrado
Ortorrômbica 
de bases 
centradas
Ortorrômbica 
de faces 
centradas
Tetragonal 
de corpo 
centrado
Romboédrica
Simples
Fonte: pt.slideshare.net
É importante ressaltar que todos os materiais cristalinos, teoricamente, estão dispostos 
com alguma das redes cristalinas de Bravais.
MIDIATECA
Acesse a midiateca da Unidade 2 e veja o conteúdo complementar indicado sobre a 
estrutura cristalina do óxido de ferro.
https://pt.slideshare.net/guilhermecuzzuol9/estrutura-cristalina-37503063
39
Polimorfismo e alotropia. Direções e planos 
cristalográficos 
Polimorfismo e alotropia 
Alguns materiais, sejam eles metais, não metais, sejam metaloides, podem ter mais de 
uma estrutura cristalina. Esse fenômeno é tecnicamente nominado como polimorfismo. 
Se considerarmos esses sólidos na forma elementar, podemos nomear esse fenômeno 
de alotropia. Um exemplo clássico é encontrado com o carbono, que possui o grafite, 
que é polimorfo nas condições ambientais, diferente do diamante, que é produzido em 
condições de pressão altíssimas. 
De acordo com Callister e Rethwisch (2016), 
[...] um metal comum que apresenta uma mudança alotrópica é 
o estanho. O estanho branco (ou β), que possui estrutura crista-
lina tetragonal de corpo centrado à temperatura ambiente, trans-
forma-se a 13,2 C no estanho cinza (ou α), que possui cristalina 
semelhante à do diamante (estrutura cúbica do diamante). A 
taxa na qual essa mudança ocorre é bem lenta, porém, quanto 
menor a temperatura, mais rápida é a taxa de transformação. 
Acompanhando essa transformação do estanho branco para o 
cinza, ocorre um aumento no volume (27%); de maneira corres-
pondente, ocorre uma diminuição na massa específica 7,30 g/
cm3 para 5,77 g/cm3. Consequentemente, essa diminuição no 
volume resulta na desintegração do estanho branco metálico 
em pó grosseiro alotrópico cinza. Essa transição de estranho 
branco em estanho cinza produziualguns resultados dramáti-
cos na Rússia em 1850.
Exemplo
40
O inverno daquele ano foi particularmente frio, com a ocorrência 
de temperaturas mínimas recordes durante longos períodos de 
tempo. Os uniformes de alguns soldados russos tinham botões 
de estanho, muitos dos quais se desfizeram em razão dessas 
condições extremamente frias, assim como também ocorreu 
com muitos tubos de estanho usados em instalações hidráu-
licas. Esse problema veio a ser conhecido como a ‘doença do 
estanho’ (p. 55 e 56).
O ferro é um dos principais materiais metálicos que apresentam o fenômeno da alotropia 
(Figura 6). Essa variação alotrópica é muito importante em processos metalúrgicos, pois 
permite a mudança de certas propriedades do aço, por meio de tratamentos térmicos. Para 
um metal, a presença de planos e direções compactos facilita na capacidade de deforma-
ção. A estrutura Cúbica de Corpo Centrado (CCC) tem menos direções compactas que a 
Cúbica de Faces Centradas (CFC), ou seja, é menos dúctil do que a estrutura CFC. Assim, 
podemos tornar o ferro mais dúctil, por meio do aquecimento, levando o ferro α a ferro γ.
Figura 6: Formas alotrópicas do Ferro (Fe).
Fontes: wfem.unicamp.br e passeidireto.com
1.500
Tempo
Te
m
pe
ra
tu
ra
 °c
1.539°c
1.394°c
912°c
768°c
Líquido
Ferro δ
Ferro γ
Ferro β
Ferro α
1.400
1.300
1.200
1.100
1.000
900
800
700
41
Outro exemplo importante de um material é a sílica (SiO2), que tem mais de uma estrutu-
ra cristalina. Por isso, apresenta várias formas polimórficas. O diagrama de fase pressão-
-temperatura para o sistema SiO2 mostra as temperaturas associadas às pressões em 
que ocorrem as transformações polimórficas.
As principais formas polimórficas da sílica são o quartzo, com estrutura fortemente uni-
da e estável, e os minerais tridimita e cristobalita.
Confirmado pelo exemplo dos estanhos na Rússia no final do século XVIII, geralmente, 
as transformações polimórficas e alotrópicas são acompanhadas de mudanças de den-
sidade e mudanças de outras propriedades físicas, como mostramos na tabela abaixo. 
Tabela 2 – Formas polimórficas da sílica.
Formas polimórficas da sílica (SiO2)
Quartzo
Tridimita
Cristobalita
Densidade (g/cm3)
2,65
2,27
2,32
MIDIATECA
Acesse a midiateca da Unidade 2 e leia o material complementar indicado sobre 
formas alotrópicas do carbono.
Direções e planos cristalográficos
Pontos, direções e planos na célula unitária
Em todos os materiais cristalinos é necessário especificar um ponto particular dentro 
da célula unitária. Nesse caso, vamos identificar uma direção cristalográfica ou algum 
plano cristalográfico de átomos.
42
Coordenadas de pontos
A posição de um ponto numa rede cristalina é definida, num sistema de coordenadas 
cartesianas, em termos do número de parâmetros de rede em cada direção. As coorde-
nadas são escritas como três distâncias separadas por vírgulas.
z
0,0,1/2
0,0,0
1,1,2
1,1,1
1,1,0
1/2,1/2,1/2
1/2,1/2,0
y
x
Figura 7: Coordenadas de pontos em uma célula unitária ortorrômbica.
Fonte: Van Vlack (1984). 
Direções Cristalográficas
O que são direções cristalográficas? 
Uma direção cristalográfica é definida como uma linha definida entre dois pontos, ou um 
vetor. É importante fazermos menção a direções específicas nas redes cristalinas, o que 
é particularmente muito importante no caso dos metais e ligas com propriedades que 
variam com a orientação cristalográfica. Ou seja, a direção cristalográfica é um ponto 
importante para sabermos as propriedades desse material. Uma direção cristalográfica é 
identificada por três índices, denominados índices de Miller, representados entre colche-
tes, da seguinte forma: [hkl]. Esses índices representam um vetor!
Como determinamos os índices de Miller para as direções? 
43
Estabeleça a 
origem do sistema 
de coordenadas.
Subtraia as 
coordenadas (final 
– inicial).
Determine as 
coordenadas 
iniciais do vetor.
Determine as 
coordenadas finais 
do vetor.
Caso obtenha 
valores não 
inteiros, esses 
três números são 
multiplicados ou 
divididos por um 
fator comum para 
obter o conjunto de 
menores números 
inteiros.
Vamos ver um exemplo?
Exemplo
x
y
z
1,1,1
0,0,0
44
x
Coordenadas finais do vetor
Coordenadas iniciais do vetor
Resultados da subtração
Redução
Índice de Miller [hkl]
y
11
00
11
z
1
0
1
Não se aplica
[111]
45
Defeitos pontuais. Defeitos lineares. Defei-
tos superficiais. Defeitos volumétricos 
As propriedades de alguns materiais são significativamente influenciadas 
pela presença de imperfeições. Portanto, é importante que o Engenheiro 
possua conhecimentos sobre os tipos de imperfeições que existem e os 
papéis que elas desempenham ao afetar o comportamento dos materiais. 
As propriedades mecânicas dos metais puros apresentam alterações sig-
nificativas quando esses materiais são ligados (isto é, quando são adicio-
nados átomos de impurezas) ― por exemplo, o latão (70% de Cobre/30% 
de Zinco) é muito mais duro e resistente do que o cobre puro. 
É possível citarmos também como exemplo dispositivos microeletrôni-
cos em computadores e calculadora, além de diversos itens em nossas 
cozinhas como utensílios domésticos que possuem as propriedades es-
pecíficas e de interesse para a sociedade, pois possuem as impurezas 
específicas (CALLISTER; RETHWISCH, 2016, p. 96).
Até esse ponto da unidade, consideramos que existe um ordenamento de átomos tal 
qual chamamos de retículo cristalino, que forma os materiais cristalinos. Porém, se-
gundo os autores, 
[...] um sólido ideal, ou seja, perfeitamente ordenado, é praticamente im-
possível de existir. Por isso, os materiais contêm uma série de imperfei-
ções denominadas defeitos cristalinos, que podemos conceituar como 
uma irregularidade na rede cristalina com uma ou mais das suas dimen-
sões na ordem do diâmetro atômico. A classificação das imperfeições é 
normalmente feita de acordo com a geometria ou a dimensionalidade do 
defeito. São apresentados abaixo os principais defeitos existentes numa 
estrutura cristalina de acordo com a dimensão (CALLISTER; RETHWIS-
CH, 2016, p. 96).
46
Tabela 3: Classificação dos defeitos de acordo com as dimensões.
Figura 8: Representação esquemática de uma impureza (átomo) intersticial e substitucional.
Fonte: paginapessoal.utfpr.edu.br
Dimensão
Defeito
210
SuperficiaisLinearesPontual
3
Volumétricos
Defeitos pontuais
São descontinuidades localizadas nos arranjos atômicos ou iônicos, teoricamente perfei-
tos, de uma estrutura cristalina. Os defeitos pontuais envolvem uma única posição espe-
cífica na rede. O defeito pontual mais simples é a lacuna. A necessidade da existência de 
lacunas é explicada considerando os princípios da termodinâmica, ou seja, se há lacunas 
há aumento da entropia. 
Conceitualmente, lacunas representam o resultado da ausência de um átomo em uma 
posição do retículo cristalino. As posições ditas “vazias” podem impactar em proprieda-
des, tais como a estabilidade física e a resistência ao longo de toda a rede. Vamos ver 
que essas impurezas podem ocupar espaços vazios ― interstícios ― da estrutura ou 
substituir átomos da rede (Figura 8). 
Um ponto importante a ser ressaltado: considerando que não há cristal ideal, como já 
dissemos anteriormente, todos os materiais cristalinos possuem esses tipos de defeitos, 
ou seja, as lacunas (Figura 9). 
Átomo 
intersticial
Átomo 
substitucional
47
Impureza Intersticial
Tem uma ocorrência quando um átomo ocupa um espaço vazio ― interstício ― da estru-
tura cristalina que estaria normalmente vazia. Em regra, o átomo intersticial é pequeno o 
suficiente para se alojar em um vazio da rede.
Um exemplo de impureza intersticial provocada pela engenharia e que traz consequên-
cias positivas é a austenita, que é um tipo de aço de estrutura CFC (Cúbica de Faces 
Centradas) que contém até 2,0% de carbono instersticial. Esse aço tem vasta aplicação, 
conforme podemos ver o trecho extraído do site da Tuper.com. 
Entre os principaistipos de aço inox estão os austeníticos, ferríticos e 
martensíticos. Os austeníticos (tipos 304, 304L, 316 e 316L) possuem 
de 17% a 25% de cromo e de 7% a 20% de níquel. Apresentam alta ducti-
lidade, ou seja, facilidade de trabalhar com o material, bom desempenho 
em soldagem e são o tipo de aço inox mais utilizado por apresentar boa 
resistência à corrosão. Os aços inoxidáveis desta classe não são magné-
ticos, ou seja, não são atraídos por ímãs (2015, citação do site).
Esse tipo de impureza acontece quando um átomo é substituído por um átomo de um 
elemento diferente daquele que forma a rede cristalina. Uma consequência dessa substi-
tuição, por conta da diferença de tamanho do átomo dito “impuro”, pode provocar distor-
ções na rede cristalina. Logicamente que quanto maior a diferença de tamanho entre o 
átomo que for substituído da rede com os átomos da impureza, maiores serão, espera-se, 
as distorções resultantes desse processo.
48
Um exemplo de material bastante comum para a sociedade e que a engenharia 
tem participação fundamental no seu processo produtivo é o latão. Trata-se de 
um material metálico formado por aproximadamente 60% de cobre e 30% de 
zinco substitucional. 
Seguem algumas propriedades físicas do latão: 
• Boa estampabilidade. 
• Moderada deformação a frio. 
• Ótima usinabilidade. 
Algumas aplicações: 
• Rodas. 
• Porcas. 
• Hastas de válvulas. 
• Bijuterias em geral. 
• Cartuchos para munição (Figura 9). 
• Engrenagens em geral (Figura 10).
• Zippers. 
Saiba mais
Figura 9: Munição de 9mm cujo 
cartucho é feito de latão.
Figura 10: Sistema de engrena-
gens de uns relógios cujas com-
posições são de latão.
49
Defeitos lineares
Um defeito linear acontece normalmente alguns átomos estão desalinhados. Esse de-
salinhamento nós chamaremos de discordância. As discordâncias são geradas durante 
o processo de cristalização do material ou quando o material sofre algum processo de 
deformação por esforço físico. Mesmo que as discordâncias estejam presentes em to-
dos os materiais, essas são particularmente aplicáveis no processo de compreensão da 
deformação e no aumento da resistência mecânica dos metais. 
Figura 11: Rede com defeitos lineares – discordâncias.
Figura 12: Movimento de deslocamento provocado por um defeito linear.
Movimento de discordâncias
A rede, quando submetida a uma tensão cisalhante, pode sofrer deslizamento e as dis-
cordâncias se movem em uma estrutura cristalina (Figuras 11 e 12). A movimentação 
normalmente ocorre num plano que segue uma direção contida nesse plano. Porém, 
não há uma movimentação das discordâncias em quaisquer direções. Em regra, onde há 
maior densidade de átomos, há maior deslizamento, pois há menor energia necessária 
para esse processo acontecer. 
50
Podemos trazer para nossa realidade uma característica importante dos metais que têm 
a estrutura CFC (Cúbica de Faces Centradas) e que possuem alta ductilidade, pois há 
uma densidade maior de átomos, ao passo que estruturas como HC (Hexagonal Com-
pacta) não têm uma densidade de átomos tão grande. 
Defeitos superficiais
Os defeitos superficiais ou interfaciais, segundo Callister e Rethwisch (2012), são contor-
nos que possuem duas dimensões e que normalmente separam regiões dos materiais 
que possuem estruturas cristalinas e/ou orientações cristalográficas diferentes. Vamos 
citar como exemplo de imperfeições o contorno de grão.
Os contornos de grão
Está presente em todos os materiais cristalinos e podem estar em todo ma-
terial (Figura 13). Onde há os contornos de grão pode haver algum desarranjo 
atômico na transição da orientação cristalográfica de um grão para a orien-
tação de um grão que está ao lado. Essa desordem atômica resulta em uma 
descontinuidade no plano de deslizamento de um grão para o outro e prejudica 
a movimentação das discordâncias.
Como exemplo prático, para ajustar as propriedades de uma liga metálica, há 
possibilidade de controlar e saber o tamanho do grão por meio de métodos 
analíticos, dentre os quais o ASTM E112-13 “Standard Test Methods for Determi-
ning Average Grain Size” ― Métodos de teste padrão para determinar o tamanho 
médio de grãos. Com isso, é possível, por exemplo, controlarmos a quantidade 
de áreas de contorno de grãos em aços austeníticos, e, com isso, elevar a resis-
tência mecânica desse material. 
Exemplo
51
Grão
Orientação da 
célula unitária
Contorno do 
grão
A
B
Um tipo especial de contorno de grão são as maclas, em que se observa uma específica 
simetria em espelho da rede cristalina; ou seja, os átomos de um lado do contorno estão 
localizados em uma posição que é a posição refletida do outro lado. A região refletida é 
nominada Macla, que é um mecanismo de deformação plástica, resultante de processos 
de tratamento térmico ― também conhecidas como maclas de recozimento — e de cisa-
lhamento — maclas de deformação. Exemplos de maclas estão ilustrados na Figura 14.
Figura 14: Contorno de Macla.
Fonte: e-agps.info
Figura 13: Contorno de grão.
Fonte: Adaptado de ebah.com.br
MIDIATECA
Acesse a midiateca da Unidade 2 e leia o conteúdo complementar indicado sobre 
contorno de grãos.
http://www.e-agps.info/angelus/cap6/defeitos.htm
52
Defeitos volumétricos
São agregados tridimensionais dos átomos ou poros. É comum dividi-los em três cate-
gorias.
1) “Porosidades”: causadas principalmente por gases que participam do processo de so-
lidificação. O efeito desejado é produzir uma diminuição na resistência mecânica, porém, 
também pode provocar fraturas devido a pequenas tensões.
2) Os “precipitados” são aglomerados de partículas cuja composição difere da compo-
sição original. São pequenas partículas que são introduzidas na matriz por reações nor-
malmente no estado sólido. Como aplicação, pode aumentar a resistência de ligas estru-
turais, funcionando como um obstáculo para o movimento das discordâncias.
3) “Inclusões” são partículas indesejáveis ou grandes partículas de precipitados. São ge-
ralmente defeitos indesejáveis na microestrutura, uma vez que sua presença provoca 
efeitos prejudiciais nas propriedades mecânicas, elétricas e ópticas.
NA PRÁTICA
As ligas de bronze, muito usadas pelos engenheiros, possuem vasta aplicação 
e podem ser um ótimo exemplo sobre como podemos aplicar conceitos de 
impurezas nos sólidos. O bronze é formado por uma solução de cobre (Cu), 
com alguns átomos substituídos por estanho (Sn), ou seja, forma uma solu-
ção sólida substitucional. O objetivo da liga formada com as impurezas é obter 
características diferentes e melhores do que o cobre isoladamente. O estanho 
pode aumentar a dureza e a resistência mecânica da liga, sem alterar uma ca-
racterística importante, que é a ductilidade.
53
Resumo da Unidade 2
Nessa unidade abordamos todos os aspectos relacionados à estrutura cristalina; desde 
a formação da célula unitária, até o reflexo das menores unidades organizadas dos mate-
riais em suas propriedades físicas e químicas. Ao compreender como funciona micros-
copicamente a estrutura de um material, passamos a compreender que nenhum material 
tem uma rede cristalina perfeita e que os defeitos cristalinos podem provocar efeitos 
positivos e negativos.
CONCEITO
Os principais conceitos abordados na unidade foram: célula unitária (são 
pequenos volumes organizados, cada um tendo todas as características en-
contradas no cristal inteiro). Também vimos que alguns materiais, sejam eles 
metais, não metais, sejam metaloides, podem ter mais de uma estrutura cris-
talina e esse fenômeno é tecnicamente nomeado de polimorfismo. Se consi-
derarmos esses sólidos na forma elementar, podemos denominar esse fenô-
meno de alotropia. Fechando nossa unidade, vimos que não existem cristais 
perfeitos, que há diversas imperfeições chamadas de defeitos cristalinos, que 
podem ser classificados como defeitos pontuais, defeitos lineares, defeitos 
superficiais e defeitos volumétricos.
54
Referências 
BROWN, T. L. Química: a ciência central. 13. ed. São Paulo: Person,2016. Biblioteca Virtual.
CALLISTER JR., W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia de materiais: uma intro-
dução. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012.
 . Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 
2016.
TUPER (site). Tuper explica as diferenças entre os principais tipos de aço inox. Publica-
do em 28 de agosto de 2015. Disponível em: <https://www.tuper.com.br/tuper-explica-as-
-diferencas-entre-os-principais-tipos-de-aco-inox/>. Acesso em: 1º abr. 2019.
SHACKELFORD, J. F. Ciência dos materiais. 6. ed. São Paulo: Pearson, 2008.
VAN VLACK, L. H. Princípios de ciência e tecnologia dos materiais. 4. ed. Rio de Janei-
ro: Campus-Elsevier, 1984.
https://www.tuper.com.br/tuper-explica-as-diferencas-entre-os-principais-tipos-de-aco-inox/
https://www.tuper.com.br/tuper-explica-as-diferencas-entre-os-principais-tipos-de-aco-inox/
Materiais metálicos
UNIDADE 3
56
Os metais puros em sua grande maioria não apresentam as propriedades necessárias 
para dadas aplicações em engenharia. Por isso é necessário que a tecnologia da En-
genharia transforme esses metais em ligas metálicas, que são resultado da mistura de 
metais entre si ou de metal com outra substância não metálica. As ligas metálicas são 
soluções sólidas que acrescentam novas propriedades e/ou as melhoram em relação ao 
metal puro. Nesse sentido, escolher um metal ou uma liga metálica para uso adequado é 
uma tarefa complexa e que exige do engenheiro conhecimentos fundamentais de ciência 
dos materiais. 
INTRODUÇÃO
OBJETIVO
Nesta unidade, você será capaz de:
• Analisar os diferentes tipos de materiais metálicos, observando as diferenças de 
composição, as propriedades que os distinguem para identificar suas aplicações 
típicas.
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Ligas ferrosas: propriedades e aplicações 
Os materiais metálicos consistem normalmente em combinações que envolvam elemen-
tos metálicos. É comum em engenharia a utilização das ligas metálicas, que nada mais 
são que soluções sólidas que envolvam metais e inclusive ametais. Mas a utilização de 
ligas não implica não ter aplicação de metais em elevado grau de pureza na prática. O 
cobre, por exemplo, pode ser usado no estado quimicamente quase puro. Porém, isso 
não ocorre com o ferro, que está quase sempre ligado ao carbono e a outros elementos 
e por isso, na prática, o ferro é usado na forma de liga metálica. 
Os metais possuem uma característica relevante, fundamentada pelo modelo do “Mar de 
Elétrons”, que descreve que os elétrons saem temporariamente da camada de valência 
e migram para o átomo vizinho e assim sucessivamente. Esse modelo explica a ligação 
metálica e justifica diversas propriedades dos materiais metálicos, tais como, boa capa-
cidade de condução de corrente elétrica e calor e uma aparência brilhosa. 
Ligas ferrosas 
As ligas ferrosas são aquelas nas quais o ferro é o principal componente, ou seja, ele é 
solvente da solução sólida. Nessa liga, o carbono, bem como outros elementos, pode 
estar presente e atua como soluto, pois se apresenta em quantidades bem menores do 
que o ferro. A vasta aplicação das ligas ferrosas se dá em virtude da abundância desse 
material no planeta Terra e, como consequência da grande oferta, a Engenharia desen-
volveu diversos processos modernos e eficientes para a produção de ligas ferrosas. A 
fabricação dessa liga é bastante viável, o material é muito versátil, o que conduz a um 
amplo espectro de aplicações em diversas áreas da sociedade. 
Classificação de ligas ferrosas
A classificação de ligas ferrosas é baseada no teor de carbono e podem existir três dife-
rentes grupos: 
a) Ferro: % de carbono < 0,005.
b) Aço: 0,005 < % de carbono < 2,11.
c) Ferro fundido: 2,11 < % de carbono < 6,67.
58
Aço é uma denominação genérica para ligas de ferro e carbono com teores de carbono 
variando de 0,005 a 2,11%, podendo evidentemente, e sendo bastante comum, conter 
outros elementos residuais do processo de produção, além de outros elementos adicio-
nados de propósito no intuito de conferir alguma propriedade inexistente no material. Se 
a liga metálica for formada apenas pela adição de carbono ao ferro, sem nenhum outro 
constituinte presente, este será chamado especificamente de aço-carbono. Do contrário, 
ligas de aço (ou aço-liga), indicam a presença de outros elementos metálicos em menor 
proporção. Ferro fundido é a designação genérica para ligas de ferro-carbono com teores 
de carbono mais elevados do que os descritos anteriormente, acima de 2,11%. 
Figura 1: Aço.
Aço
Os aços podem ser classificados segundo vários critérios, dentre os quais, o teor de 
carbono. 
Classificação do aço quanto ao teor de carbono 
Os aços podem ser classificados quanto ao teor de carbono, presente na liga metálica. 
Ao se acrescentar carbono no ferro aumenta-se a dureza do material. A resistência au-
menta e a ductilidade diminui com o teor de Carbono, são aços de relativa baixa dureza, 
oxidam-se facilmente e suas propriedades deterioram-se a baixas e altas temperaturas, 
sendo os mais usados e de mais baixo custo.
O carbono possui um raio atômico menor que o do ferro, mas não o suficiente para 
entrar em quantidades expressivas nos interstícios de suas células unitárias, e também 
não possui raio atômico grande o suficiente para entrar nas vacâncias presentes nessas 
mesmas células unitárias. Ligas substitucionais ocorrem quando um dos constituintes 
entram nas vacâncias das células unitárias. Quando os átomos de um dos elementos 
metálicos têm raio atômico suficientemente pequeno para entrar nos espaços entre as 
células unitárias, os interstícios, formam-se as ligas intersticiais. 
59
Aços baixo carbono têm teores menores de 0,3% no elemento carbono. Produzidos em 
maior quantidade, não respondem a tratamentos térmicos. A quantidade total de elemen-
tos de liga não é suficiente para alterar profundamente as estruturas dos aços resultan-
tes que são fáceis de conformar e soldar, são relativamente moles e fracos e possuem 
ductilidade e tenacidade excepcionais. As aplicações mais comuns dos aços baixo car-
bono são em chapas para a indústria automobilística, latas de folhas de flandres, pontes, 
placas para fabricação de tubos, caldeiras, peças de grandes dimensões em geral, perfis 
estruturais e construção civil.
Aços de alta resistência e baixa liga contêm outros elementos metálicos, esses elemen-
tos residuais (cobre, níquel, vanádio e molibdênio) estão presentes acima dos teores nor-
mais, porém não são superiores a 2%. Apresentam ótimas propriedades mecânicas, têm 
resistência a corrosão e soldabilidade e são amplamente usados na construção de estru-
turas de menor peso e custo reduzido. Utilizados na construção de edifícios altos, navios, 
pontes, equipamentos ferroviários e em obras de grande porte (Figura 2).
Figura 2: Vergalhões de aço para estruturas de concreto em um canteiro de obras.
Aço médio carbono - Apresenta teores de 0,25% a 0,6% no elemento carbono e podem 
ser tratados termicamente por austenitização, têmpera e revenido; após o tratamento 
se tornam mais resistentes, apresentam menor ductilidade e tenacidade. Sendo os aços 
mais comumente encontrados, têm inúmeras aplicações em construção civil e estrutu-
ras. Sua utilização está presente em rodas e equipamentos ferroviários, engrenagens. 
Aço bastante utilizado na produção de peças que necessitam de elevada resistência me-
cânica, ao desgaste e à tenacidade. 
Aço alto carbono - Apresentam teores superiores a 0,6% no elemento carbono, são os 
mais duros, os mais resistentes e os menos dúcteis, usados em uma condição endure-
cida e revenida, sendo resistentes ao desgaste e à abrasão. São utilizados na fabricação 
de aços, ferramentas com constituintes contendo geralmente cromo, vanádio, tungstênio 
e molibdênio na forma de carbeto, para elevar a dureza.
60
Os aços-carbono têm aplicações na construção de automóveis (carcaça, suspenção e 
direção), navios e aeronaves (trem de pouso). Apresentam uma larga gama de proprieda-
des, sãorelativamente baratos e representam 80% de toda a produção de aço. 
Aços de liga ou aços ligados apresentam teores superiores de diversos elementos me-
tálicos. Na verdade, são aços-carbono em que foram adicionados outros constituintes 
em um teor que venha a dar propriedades à liga ferrosa, como cromo, níquel, vanádio, 
molibdênio, tungstênio, cobalto, boro, cobre e residuais encontrados em maiores teores, 
como manganês, silício, fósforo e enxofre.
Elementos de liga aumentam a dureza e a resistência além de conferir propriedades es-
peciais como resistência à corrosão, estabilidade a baixas e altas temperaturas, dimi-
nuem o peso (relativo à resistência específica) e melhoram as propriedades elétricas e 
magnéticas.
Dentre os elementos de liga com utilizações mais expressivas, podem ser mencionados 
o níquel, que ao ser adicionado cerca de 2,5% aumenta a resistência ao impacto, cerca 
de 12 a 20% adicionados deixa o material com considerável resistência à corrosão em 
aços baixo carbono e, quando presentes nos aços com cerca de 36%, o coeficiente de 
expansão térmica fica com valores próximos a zero.
MIDIATECA
Acesse a midiateca da Unidade 3 e veja o conteúdo sobre aço indicado como mate-
rial complementar pelo professor.
O tungstênio (W) é o metal que apresenta a mais elevada temperatura de fusão, sendo 
evidentemente usado em materiais que serão submetidos a elevada temperatura. É um 
constituinte adicionado nas ligas ferrosas no intuito de aumentar a resistência térmica 
do material por formar partículas duras e resistentes ao desgaste, mantendo a dureza do 
material mesmo trabalhando a altas temperaturas. É comum o seu uso na fabricação de 
aços para ferramentas.
61
O cromo (Cr) é normalmente adicionado às ligas ferrosas para a obtenção dos aços crô-
micos ou inoxidáveis. A sua adição aumenta a resistência à corrosão e ao calor, aumenta 
a resistência ao desgaste (devido à formação de carbetos de cromo), aumenta a dureza 
e a resistência em aços baixa liga, é adicionado com o níquel e o molibdênio, para elevar 
a resistência à corrosão dos aços inoxidáveis.
Ferros fundidos
Formam uma classe de ligas ferrosas que possui teores de carbono acima de 2,11% (nor-
malmente entre 3,0 e 4,5%) que se fundem a temperaturas mais baixas, 1150 a 1300°C.
 
A cementita é metaestável e sob condições de resfriamento e composição pode-se dis-
sociar em carbono grafite. Apresentam teores de silício superiores a 1%. Existem três 
tipos de ferro fundido: o ferro fundido cinzento, com 2 a 4% de carbono, em que a grafite 
está como lamelas ou folhas; ferro fundido nodular, com teor de carbono variando de 3 
a 4%, tendo a grafite forma de nódulos ou esferas; ferro fundido vermicular, 2,5 a 4% de 
carbono, com a grafite na forma compacta. Um exemplo desse material é demonstrado 
na Figura 3.
Figura 3: Exemplo de utensílio doméstico feito de ferro fundido.
62
Ligas não ferrosas: propriedades e aplicações 
Ligas metálicas não ferrosas são aquelas que não têm como constituinte o elemento 
ferro no material. Usadas em geral em materiais que necessitam de propriedades como 
resistência à corrosão, resistência ao desgaste, condutores elétricos, resistência a altas 
temperaturas e peso reduzido.
De modo geral, por trabalharem com elementos mais caros que o ferro, são mais caras 
que as ligas ferrosas. São utilizadas em aplicações bem específicas. 
Cobre
O cobre com valores acima de 99% de pureza torna-se um excelente condutor de corren-
te elétrica e com aderência elevada ao vidro.
As propriedades mecânicas variam muito e dependem da forma como o metal foi obtido 
e do teor de elementos de liga presentes, mas normalmente é dúctil e maleável a frio.
Ligas de cobre
As ligas apresentam excelente condutibilidade elétrica, elevada condutibilidade térmica, 
elevada resistência à corrosão, algumas ligas podem atingir resistência elevada, resistên-
cia específica inferior ao aço e ao alumínio, mas a sua maior utilização é no estado puro 
(70 a 80%).
Os latões, ligas de cobre e zinco, apresentam resistência a tração superiores ao metal 
cobre. Um latão com 40% de zinco chega a ter o dobro de resistência.
Um latão com cerca de 30% de zinco apresenta um alongamento superior, em grandes 
proporções, ao metal cobre. Ligas com 70% de cobre, 29% de zinco e 1% de estanho pos-
suem excelente resistência à corrosão. 
Latões com cerca de 2% de alumínio apresentam boa resistência à corrosão devido a 
uma camada protetora de óxido de alumínio que se forma à superfície, podendo ser utili-
zados na confecção de tubos.
63
Latões com cerca de 1,5% de alumínio e 1,5% de níquel têm um acréscimo elevado na sua 
resistência mecânica e na sua resistência à corrosão em peças em contato com água 
doce, do mar, vapor e ácidos diluídos.
Os bronzes constituem uma família de ligas do cobre, tendo como principal elemento de 
liga o estanho. Essas ligas têm uma cor que passa do vermelho ao amarelo em função 
do teor de estanho. A composição dos bronzes inclui de modo geral 95% de cobre e 5% 
de estanho. Na prática industrial, o teor de estanho quase nunca ultrapassa 9%. 
Os bronzes mais comumente comercializados e de uso geral apresentam também valo-
res de zinco variando de 2 a 3% que oferecem uma melhora na fundibilidade, na resistên-
cia à tração e o alongamento. São utilizadas na fabricação de torneiras, tubos e peças a 
serem soldadas.
O estanho melhora as propriedades mecânicas do cobre. A resistência à tração é aumen-
tada, assim como o seu alongamento.
Bronzes com valores de níquel variando de 15 a 30% tornam o material resistente à cor-
rosão marinha.
MIDIATECA
Acesse a midiateca da Unidade 3 e veja o conteúdo sobre a fabricação dos fios de 
cobre indicado como material complementar pelo professor.
Alumínio
O alumínio é inerte ao ar, porque é protegido por uma camada de óxido de alumínio for-
mada na sua superfície. Protegido por essa camada, o alumínio não sofre ataque dos po-
luentes encontrados na atmosfera urbana, industrial e/ou marinha. O alumínio é o metal 
mais abundante na crosta terrestre, o seu processamento é caro, mas é um dos mate-
riais mais usados atualmente.
64
Ligas de alumínio 
O alumínio com elevado grau de pureza limita a sua utilização como material estrutu-
ral devido a sua fraca resistência. A sua utilização como liga amplia consideravelmente 
as suas aplicações. Forma normalmente ligas com manganês, cobre, magnésio, silício, 
ferro, níquel, lítio, dentre outros possíveis. Algumas ligas possuem resistência mecânica 
superior aos aços estruturais. Suas propriedades mecânicas variam muito com a pureza 
do metal e dos elementos de liga.
Ligas de alumínio e magnésio são fáceis de polir e conservam o polimento por muito 
tempo, são obtidos materiais fáceis de serem chapeados. Quando a essa liga é acrescen-
tado o manganês, aumenta-se a resistência mecânica sem modificar a deformabilidade. 
É industrializado em folhas e prestam-se ao embutimento e ao polimento, além de apre-
sentarem resistência marinha. 
Ligas de alumínio com cobre, titânio e magnésio apresentam resistência mecânica má-
xima ao choque e as vibrações. A melhoria nas propriedades mecânicas não altera a 
fundibilidade da liga.
De um modo geral, as ligas de alumínio têm ampla aplicação na construção civil e arqui-
tetura, embalagens, indústria aeroespacial, indústrias automobilística, ferroviária e naval, 
condutores elétricos de alta voltagem, utensílios de cozinha e ferramentas portáteis (Fi-
gura 4).
O teor de elementos de liga presentes gira em torno de 15%, dificilmente passando dis-
so. Manganês, ferro e/ou manganês presentes aumentam a resistência da liga. O cobre 
aumenta a usinabilidade, e o silício aumenta a resistência à corrosão. Adicionando-se 
manganês e silício aumenta-se a fluidez de fundição.
Figura 4: Peças de alumínio usadas em perfis de portas e janelas.
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Titânio
 
Metal abundante, mas com custo elevado de processamento, forma ligas com alumínio, 
estanho, vanádio, molibdênio, nióbio, manganês,