Ciências dos Materiais I

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Prof. Me. Régis Barros
UNIDADE I
Ciência dos Materiais
No dia a dia da engenharia, de modo geral, os materiais:
E no cotidiano da engenharia?
 Necessitam suportar esforços.
 Também de aguentar desgaste.
 Apresentar vida útil.
 Viabilidade financeira de acordo 
com a aplicação. 
 Exemplo: estrutura de automóvel.
Fonte: https://www.dreamstime.com/car-chassis-
bottom-view-pickup-image110762425#res2568855
Metais:
 Amplamente utilizados em engenharia.
 Diversos tipos: aços, metais nobres.
 Boa condução de calor.
 Em geral, boa relação custo/benefício.
 Absorvem grande energia de deformação.
Materiais mais utilizados no cotidiano da engenharia
Exemplos de aplicação:
 Construção civil.
 Indústria de eletrônicos.
 Construção mecânica (máquinas etc.).
 Fins biológicos (vide imagem).
Fonte: 
https://www.dreamstime.com/ste
nt-being-placed-d-rendered-
medically-accurate-illustration-
stent-being-placed-
image127852015#res2568855
Cerâmicas:
Materiais mais utilizados no cotidiano da engenharia
 Principais aplicações: altas temperaturas e 
necessidade biológica.
 Quase sem contaminação 
por agente biológico.
 Utilizados em aplicações 
de alta temperatura.
 Frágeis.
 Não servem como material 
estrutural sob carga trativa.
Fonte: arquivo pessoal
Polímeros
 Boa relação peso/custo.
 Não resistem altas temperaturas.
 Diversos tipos e aplicações.
 Fácil processamento em relação aos 
outros materiais.
 Envelhecem com o tempo.
 Grande evolução da indústria química.
Materiais mais utilizados no cotidiano da engenharia
Exemplo:
Fonte: https://www.dreamstime.com/stock-
illustration-car-tire-d-rendering-single-
white-background-image46370677
Compósitos
 Unem características de 
dois ou mais materiais.
 Muito utilizados atualmente.
 Em geral, alto custo.
 Entender as características dos materiais 
envolvidos para gerar boa solução técnica.
Materiais mais utilizados no cotidiano da engenharia
Exemplo: material que repele água.
Fonte:
https://www.dreamstime.com/waterproof-material-layer-waterproof-
material-layer-can-moisture-reflect-heat-use-fabric-ads-brake-pads-
industrial-image159326053
 De acordo com o mercado.
 De acordo com a aplicação.
 Solução: pesquisa de mercado.
 De maneira mais aprofundada...
E como selecionar materiais?
Fonte: arquivo pessoal
SELEÇÃO DO MATERIAL
Escolha de uma solução
“material/método de proteção”
que, juntamente com uma 
configuração e um plano de qualidade,
assegure integridade a um 
componente durante todo o seu ciclo 
de vida, resistindo às solicitações 
impostas, no menor custo
ESPECIFICAÇÃO 
TÉCNICA
• Requisitos especiais 
de configuração, 
materiais, fabricação, 
inspeção, teste e 
certificação
• Códigos e Norma as 
serem atendidos
• Condições de 
operação específicas 
(temperatura, pressão, 
carga, pesos, 
ambientes)
HISTÓRICO
Falhas
PERFORMANCE
(função)
COMPRA
MONTAGEM
OPERAÇÃO
PROJETO Básico, Detalhamento
CLIENTE
RELATÓRIO DE SELEÇÃO DE MATERIAIS
DIAGRAMA DE SELEÇÃO DE MATERIAIS
ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA EM UM DESENHO
ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA DE COMPRA
PADRONIZAÇÃO EM UMA ESPECIFICAÇÃO
MODELOENGENHARIA
MEMÓRIA DE CÁLCULO
DISPONIBILIDADE
Geometrias
FABRICAÇÃO
FORNECEDORES
LITERATURA
CLIENTE
NORMAS
• Requisitos que indicam ou
restringem o uso de materiais
• Risco
CÓDIGOS 
E NORMAS
✓SAÍDAS
✓ATIVIDADE
✓ENTRADAS
SELEÇÃO DE MATERIAIS
Algumas características dos metais:
Aprofundando um pouco mais nos metais...
 Têm estrutura cristalina, ou seja, arranjo microestrutural repetitivo e ordenado. 
No microscópio, apresenta composição granular. 
 Ligação química característica: ligação metálica.
 A estrutura cristalina tem geometria de acordo com o metal.
 É composta, muitas vezes, de fases e outros elementos (ligas).
 Geometria da estrutura cristalina: estudada 
por meio da chamada célula unitária.
 Definição: Célula Unitária é o menor 
agrupamento de átomos no espaço 
possuindo a simetria do cristal que quando 
repetido em todas as direções resultará a 
estrutura cristalina original. Sistema 
Cristalino é a maneira como estão 
relacionadas as dimensões e ângulos 
das células unitárias.
Menor divisão de estudo: a célula unitária
Exemplos de representação:
Fonte: http://unespciencia.com.br/2018/03/01/fisica-94/
As principais células unitárias de metais são:
A. cúbica de corpo centrado.
B. cúbica de faces centradas.
 Principal diferença entre elas: 
densidade de átomos.
Menor divisão de estudo: a célula unitária
74% da célula é composta de átomos.
68% da célula é composta de átomos.
Fonte: http://unespciencia.com.br/2018/03/01/fisica-94/
 Defeitos: imperfeições na estrutura cristalina que melhoram as propriedades mecânicas.
Todo material apresenta defeitos!
 Nos metais: o principal defeito se chama discordância. É a falta de uma fileira de átomos.
 A discordância é responsável pelas grandes deformações na microestrutura dos metais.
 Quanto mais difícil de movê-la, maior a resistência do metal.
Fonte: http://unespciencia.com.br/2018/03/01/fisica-94/
 Grãos: provenientes da solidificação. 
As condições de solidificação e tratamento 
térmico influenciam no tamanho de grão.
A microestrutura 
Imagens da microestrutura do aço 1020:
Fonte: arquivo pessoal
Grão
 Materiais são compostos por fases.
 Fase: aspecto microscopicamente 
homogêneo num meio heterogêneo.
 São causadas devido às condições 
de processamento e composição química.
 Estudadas pelo diagrama de fases.
Composição química dos materiais
Fonte: Callister (2008).
1600
1400
1200
1000
800
600
400
0 1 2 3 4 5 6 6,70
1000Cementite (Fe3C)
α + Fe3C
727 ºC
α . Ferrite
912 ºC
γ Austenite
1394 ºC
1493 ºC
γ + L
2.14
1147 ºC
γ + Fe3C
Eutetoide
0.022
0.76
2500
Eutético
4.30
2000
1500
L
α
+ 
γ
25
Peritético 
1538 ºC
T
e
m
p
e
ra
tu
re
 (
ºF
)
Mais exemplos de microestrutura de alguns materiais:
Exemplos
Polímero
Fonte de todas as imagens do slide: 
https://nanohub.org/resources/5548/d
ownload/ch04_polymers.pdf
Liga de titânio Liga de cobre
Os materiais metálicos são constituídos por pelo menos um tipo de elemento químico metálico 
e os átomos se ligam através de ligações químicas denominadas ligações metálicas. Devido à 
natureza de grande mobilidade eletrônica das ligações metálicas, esta classe de materiais 
possui propriedades típicas como alta condutividade térmica e elétrica. De maneira geral, os 
materiais metálicos são bastante resistentes às solicitações mecânicas e podem ser 
conformados nas mais variadas formas. Estes materiais são aplicados em diversos setores da 
sociedade como: construção civil, utensílios de cozinha, indústria automobilística, aeronáutica, 
embalagens, eletrônica, implantes ortopédicos etc. Explique em poucas palavras o motivo de 
os materiais metálicos serem muito utilizados no cotidiano da engenharia.
Interatividade
Os materiais metálicos são muito utilizados pelos seguintes pontos:
a) Boa relação custo benefício.
b) Bom compromisso entre custo e resistência mecânica.
c) Métodos de processamento e fabricação amplamente conhecidos pela engenharia.
d) Relativa resistência sob ação do tempo, ainda mais quando protegidos.
Resposta
Regime elástico
 Material se deforma e volta ao 
formato original.
 Material se comporta como mola.
Regimes de carregamento do material
Regime elastoplástico
 Material se deforma a tal ponto que não 
volta mais ao formato original.
Fonte: https://sistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840793/LOM3079/A4PIM.pdf
mola relaxada (sem força)
Mola comprimida
Por uma força
F
Fx
→
→
Curva tensão-deformação
Regime 
elástico: 
material 
retorna ao 
formato 
original
Regime 
elastoplástico: 
material não 
retorna ao 
formato 
original
Área total: 
tenacidade 
(energia total 
absorvida até a 
ruptura)
Área sob a 
parte reta: 
resiliência 
(energia 
armazenada e 
devolvida)Fonte: Callister (2008).
Alongamento total
Alongamento uniforme
Limite de
escoamento
Limite de
resistência
Tensão
de ruptura
Módulo de
resiliência
T
e
n
s
ã
o
 d
e
 E
n
g
e
n
h
a
ri
a
Capacidade do material absorver
energia quando deformado
ELASTICAMENTE
O que significa cada região da curva?
 Área sob o regime elástico: resiliência.
 Área sob o regime elastoplástico: ductilidade.
 Área total sob a curva: tenacidade.
 Por exemplo, para fins estruturais é desejável o uso de materiais dúcteis, pois eles 
costumam se deformar muito antes de romper.
 O material que não se deforma muito, mas suporta bastante esforço, é chamado de frágil.
 Quanto maior o valor de E, mais rígido é o material.
Curva tensão-deformação
Regime elástico linear
Particularidades entre os regimes
Regime elastoplástico
 Inicia-se após o escoamento.
 Materiais que absorvem considerada 
energia de deformação nesse trecho são 
chamados de dúcteis.
 Materiais que armazenam considerada 
energia no trecho elástico são chamados 
de resilientes.
 A área total sob a curva do slide anterior é 
chamada de tenacidade.
E: módulo de elasticidade longitudinal. 
Governa o trecho elástico e é propriedade 
de cada material.
Fonte: BEER (2008).
Curva tensão-deformação
E = tan(θ) =
σf
θ
σi
(σf – σi)
(εif – εli)
ε (micro-strain = 10-6 mm/mm)
εifεli
σ(Mpa)
Exemplos de curva tensão-deformação:
Exemplos
Fonte: https://www.cimm.com.br/portal/noticia/exibir_noticia/7103-tensao-
deformacao-e-o-comportamento-dos-materiais
Material dúctil com patamar
de escoamento
Material não linear Material frágil
Material dúctil sem patamar
de escoamento definido
Aspecto da curva para diversos materiais
Fonte: 
http://joinville.ifsc.edu.br/~anael.krelling/Tecnologia%20em%20Mecatr%C3%B4nica/CIM24/
3%20-%20Propriedades%20Mec%C3%A2nicas%20dos%20Materiais.pdf
P
Cerâmica Metais
Polímero
Elastômero
ε
 O ensaio realizado para determinar todas essas propriedades é o ensaio de tração.
 Corpo de prova é tracionado até a ruptura.
Fonte: https://gelsonluz.com
Fratura dúctil
Fratura frágil
Fonte: http://static.sapucaia.ifsul.edu.br/professores/pedrini/FALHAS_mai_2016.pdf
Partes da 
máquina
Cabeçote 
móvel Colunas
de sustentação
fusos
Dispositivos
de fixação
base
 Imagem de ensaio de tração de um corpo de prova real:
 Obs.: as dimensões do corpo de prova são definidas por normas.
Fonte: https://precisaoeng.com/ensaio-tracao/
Fraturas vistas no microscópio
Fratura frágil
Fratura dúctil
Fonte: http://static.sapucaia.ifsul.edu.br/professores/pedrini/FALHAS_mai_2016.pdf
Alguns materiais que geralmente são dúcteis:
 Polímeros.
 Aços.
 Alumínio.
 Latão.
 Cobre.
 Geralmente suportam tração e compressão.
Características adicionais
Alguns materiais que geralmente são frágeis:
 Cerâmicas.
 Aços de ultra alta resistência.
 Materiais de construção civil.
 Geralmente, suportam muito bem 
apenas compressão.
Fatores como temperatura ambiente e 
taxa de aplicação de esforço também 
alteram a classificação do material 
como dúctil ou frágil.
O gráfico a seguir representa um ensaio de tração feito em laboratório:
Interatividade
Pela análise do gráfico, conclui-se:
a) O ponto C corresponde à ruptura do material.
b) O ponto D é a fratura.
c) O módulo de elasticidade é calculado pela 
inclinação do trecho AB.
d) O Escoamento ocorre no ponto E.
e) O ponto A representa a rigidez.
Fonte: Callister (2008).
Tensão
DeformaçãoA
B
C
D
E
 A alternativa correta é a C, uma vez que o módulo de elasticidade é calculado pelo trecho 
reto do regime elástico linear.
 O módulo de elasticidade é propriedade de cada material. Seu valor só é alterado quando a 
composição química do material é alterada. 
 Materiais mais flexíveis apresentam E menor. Materiais mais rígidos tendem a ter o 
valor de E maior.
Resposta
 Materiais – aplicações de engenharia, seleção e integridade (disponível no AVA).
 Ciência dos materiais – 6ª edição – James F. (disponível no AVA).
 Princípios de ciência dos materiais – Vlack (disponível no AVA).
 Mechanical behavior of materials – Norman Dowling.
Referências para estudo
ATÉ A PRÓXIMA!