Tópico 2 - Estrutura e propriedade dos materiais

Prévia do material em texto

Estrutura e propriedade dos materiais
Apresentação
Todas as obras da construção civil são realizadas com recurso de materiais de construção, sendo 
assim, exige-se o conhecimento adequado de sua estrutura e das suas propriedades, além dos 
processos de fabricação ou de transformação, de modo a garantir um nível preestabelecido de 
qualidade para determinado produto. 
Nesta Unidade de Aprendizagem, você aprenderá que toda e qualquer atividade humana, a partir 
de certas matérias-primas e por meio de processos de fabricação para obter um produto final, pode 
ser controlada. Dessa forma, torna-se necessário conhecer o processamento das matérias-primas. 
Bons estudos.
Ao final desta Unidade de Aprendizagem, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
Identificar como o processamento das matérias-primas pode influenciar a estrutura 
macroscópica e microestrutural dos materiais.
•
Relacionar estrutura interna com propriedades dos materiais (composição química, resistência 
mecânica, peso, propriedade de absorção de energia, maleabilidade, conformabilidade, etc.).
•
Reconhecer as macropropriedades dos materiais: propriedade mecânica, elétrica, térmica, 
magnética, óptica e deteriorativa.
•
Desafio
A pedra artificial obtida pela moldagem, secagem e cozedura de argilas ou de misturas contendo 
argilas se chama cerâmica. Em certos casos, pode ser suprimida alguma das etapas citadas, mas a 
matéria-prima é a argila. Nos materiais cerâmicos a argila fica aglutinada por uma pequena 
quantidade de vidro, o qual segue pela ação do calor de cocção sobre os componentes da argila.
A argila é utilizada há muitos anos para os mais variados usos, sendo assim, você, como gestor de 
materiais, deve explicar por que tijolos, azulejos e porcelanatos têm desempenho diferentes entre 
si, mesmo sendo originários da argila queimada, relacionando a porosidade, o grau de vitrificação e 
o tipo de argila utilizada.
Infográfico
As propriedades macroscópicas de um material variam de acordo com o tipo e a intensidade da 
resposta para um determinado estímulo imposto. Entre as principais propriedades dos materiais 
estão as mecânicas, elétricas, térmicas e deteriorativas.
No Infográfico a seguir você vai conhecer essas propriedades.
Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para 
acessar.
https://statics-marketplace.plataforma.grupoa.education/sagah/915837cf-97d7-4f36-b9b2-411660f7d5bd/b9f1ac0e-988c-4c12-826c-301323edc9a6.jpg
Conteúdo do livro
Os materiais estão presentes no cotidiano do homem: vestimentas, transporte, abrigo, 
comunicação, alimentação, entre outros. O desenvolvimento do homem se associa à habilidade em 
identificar e aperfeiçoar os materiais disponíveis para melhor atender suas necessidades. O mesmo 
ocorre com os materiais encontrados na natureza que são utilizados nos processos de construção 
civil. 
Leia o capítulo Estrutura e propriedade dos materiais, que faz parte da obra Materiais da construção, 
base teórica desta Unidade de Aprendizagem, no qual você vai aprender que toda e qualquer 
atividade humana, a partir de certas matérias-primas e por meio de processos de fabricação para 
obter um produto final, pode ser controlada. 
Boa leitura.
MATERIAIS DA 
CONSTRUÇÃO
Roberta Centofante
Estrutura e propriedade 
dos materiais
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
 � Identificar como o processamento das matérias-primas pode influen-
ciar a estrutura macroscópica e microestrutural dos materiais.
 � Relacionar estrutura interna com propriedades dos materiais (compo-
sição química, resistência mecânica, peso, propriedade de absorção 
de energia, maleabilidade, conformabilidade, etc.).
 � Reconhecer as macropropriedades dos materiais: propriedade mecâ-
nica, elétrica, térmica, magnética, óptica e deteriorativa.
Introdução
Neste capítulo, você aprenderá que toda e qualquer atividade humana, 
a partir de certas matérias-primas e por meio de processos de fabricação 
para obter um produto final, pode ser controlada. Dessa forma, torna-se 
necessário conhecer o processamento das matérias-primas, bem como 
sua influência na estrutura dos materiais que comporão.
Assim, levando em conta que todas as obras da construção civil são 
realizadas com recurso de materiais de construção, exige-se o conheci-
mento adequado de sua estrutura e das suas propriedades, além dos 
processos de fabricação ou de transformação, para garantir um nível 
preestabelecido de qualidade para determinado produto.
Influência do processamento das 
matérias-primas na estrutura dos materiais
A área da Engenharia associada à geração e à aplicação de conhecimentos 
relacionando composição, estrutura e processamento de materiais com as suas 
propriedades e usos é conhecida como Ciência e Engenharia dos Materiais. 
Tem como objetivos desenvolver materiais já conhecidos – visando a novas 
aplicações ou melhorias no desempenho –, novos materiais para aplicações 
conhecidas e novos materiais para novas aplicações.
Os materiais classificam-se da seguinte forma.
 � Metais: são substâncias inorgânicas compostas por um ou mais ele-
mentos metálicos, podendo conter elementos não metálicos. São resis-
tentes e bons condutores de eletricidade. Muitas de suas propriedades 
atribuem-se ao grande número de elétrons não localizados.
 � Polímeros: materiais sintéticos, compreendem os plásticos e as borra-
chas. São compostos orgânicos com cadeia molecular de longa extensão 
sem cristalinidade.
 � Cerâmicos: compostos inorgânicos com elementos metálicos e não 
metálicos. Incluem também os minerais argilosos, cimento e vidro. São 
duros, porém muito quebradiços e podem ser cristalinos, não cristalinos 
ou a mistura de ambos.
 � Compósitos: materiais reforçados com fibras ou partículas. São com-
binações de dois ou mais materiais, em que um elemento de reforço 
é envolvido por uma matriz. A matriz pode ser polimérica, metálica 
ou cerâmica.
 � Biomateriais: substâncias naturais ou sintéticas toleradas de forma 
transitória ou permanente pelos diversos tecidos que constituem o 
organismo humano. São empregados para implantes no corpo humano.
Assim, considerando a variação da composição dos materiais de acordo 
com a sua natureza química e a estrutura associada ao seu arranjo, pode-se 
e deve-se analisá-la em diferentes escalas. Entre as escalas analisadas, estão 
a microestrutura e a macroestrutura. Dessa forma, tendo em vista que os 
materiais passam por sistemas de processamento para que sejam produzidos, 
deve-se conhecer a sua estrutura interna e suas propriedades objetivando es-
colher os mais adequados para cada aplicação e desenvolvimento dos melhores 
métodos de processamento.
Estrutura e propriedade dos materiais2
O material cerâmico, por exemplo, consiste em materiais que resistem 
a elevadas temperaturas, geralmente funcionando como isolantes elétricos; 
além disso, são quimicamente estáveis sob condições ambientais severas e, 
normalmente, duros e frágeis. No entanto, esses materiais têm diferentes 
composições, podendo ser classificados em silicatos, óxidos, carbetos e nitre-
tos. Ainda, com base na sua aplicação, podem ser classificados como vidros, 
cerâmicas avançadas, cerâmicas tradicionais, abrasivos e cimento. A cerâmica 
vermelha, que compreende produtos cerâmicos que, após a queima, apresentam 
colocação vermelha, de acordo com Maia (2012) tem como matéria-prima as 
argilas comuns e apresenta várias etapas de processamento, como extração, 
pré-preparo da matéria-prima, preparação da mistura (moagem e dosagem), 
conformação, corte, secagem, queima e, por fim, inspeção e estocagem dos 
produtos acabados. Sendo a argila uma mistura de diferentes minerais com 
tamanhos variados de partículas e, ainda, obtidos de diferentes fontes e com 
teores distintos de argilominerais, representa um material a ser analisado 
adequadamente por suas propriedades de granulometria, plasticidade e com-
posição mineralógica,pois estas determinarão a qualidade das peças a serem 
fabricadas. Existem diversos tipos de argila, como caulim, bentonita, argila 
de grês, argila vermelha, refratária e argila bola.
No caso de cerâmicas tradicionais, empregadas em tijolos, louças, refratários 
e abrasivos, em geral, pela porosidade, não são boas condutoras de calor e 
devem ser aquecidas em altíssimas temperaturas antes de fundir. Além disso, 
são resistentes e rígidas, mas também bastante frágeis, devendo, por isso, ser 
utilizadas técnicas especiais de processamento do material para que fiquem 
suficientemente resistentes à fratura, ao ponto de poderem ser usadas em 
aplicações estruturais por meio de uma modificação da estrutura interna. Entre 
os processos de fabricação da cerâmica utilizada em obras de engenharia, 
como exploração de jazida, extração de matéria-prima, tratamento, molda-
gem, cozimento e secagem, o cozimento se caracteriza como o processo mais 
importante, de acordo com Ambrozewicz (2015), pois toda a água é eliminada 
nessa fase, ocorrendo mudanças químicas e estruturais na argila. A queima/
cozimento divide-se em três fases: desidratação, complementando a secagem; 
oxidação, queima a matéria orgânica e elimina o carvão e o enxofre para evitar 
possíveis patologias e melhorar a qualidade do produto; e vitrificação, quando 
a sílica se funde formando pequenas quantidades de vidro que aglutinam os 
demais elementos e fecham os poros dando resistência ao material, fase em 
que ocorrem as mudanças químicas.
Segundo Callister Junior (2006), a composição dos materiais consiste em 
um conceito de química com significados similares, mas ligeiramente dife-
3Estrutura e propriedade dos materiais
rentes, caso se refira a uma substância pura ou a uma mistura. A composição 
química de uma substância pura corresponde às quantidades relativas dos 
elementos que constituem essa substância, podendo ser expressa por meio da 
fórmula química da substância. Já o termo “estrutura”, quando relacionado a 
um material, refere-se normalmente ao arranjo interno dos seus constituintes, 
que dependem da escala na qual será analisado o material. Essa escala pode 
variar desde dimensões atômicas até dimensões de milímetros ou metros; 
assim, a forma de processamento das matérias-primas influencia diretamente 
na estrutura dos materiais, tanto em escala micro quanto macro.
Com o tempo, descobriram-se técnicas para a produção de materiais para 
conferir propriedades superiores às dos produtos naturais e que as propriedades 
de um material podem ser alteradas, por exemplo, por tratamentos térmicos ou 
adição de outras substâncias. Dessa forma, pode-se definir o processamento 
de matérias-primas como um conjunto de técnicas empregadas para obtenção 
de materiais com formas e propriedades específicas, de acordo com Callister 
Junior (2006). Por exemplo, o óxido de alumínio (Al2O3) pode ser processado 
por diferentes métodos, resultando em materiais com distintas propriedades — 
as diferenças ópticas são uma consequência de diferenças nas estruturas desse 
material, resultadas da maneira como foi processado. Assim, é possível obter, 
a partir de um único material, dispositivos ópticos com o uso em tecnologia de 
laser e smartphones, sendo transparente e resistente, ou, ainda, translúcido e 
resistente ao vapor de sódio (lâmpada de vapor de sódio) ou, também, isolante 
elétrico resistente (vela de ignição).
Os processos de micromanufatura são utilizados para elementos plásticos, 
metálicos e compósitos para a produção de peças pequenas, em particular em 
larga escala. Todos os produtos manufaturados ou fabricados são constituídos 
de átomos. Guazzelli e Perez (2009) afirmam que nanotecnologias, por exemplo, 
conseguem criar novos materiais sintéticos ou modificar os existentes a partir 
dos átomos ou moléculas. 
De acordo com Pereira (2009), os plásticos fazem parte da família dos 
polímeros, os quais se constituem de moléculas caracterizadas pela repetição 
múltipla de uma ou mais espécies de átomos, formando macromoléculas que 
se ligam através de reações químicas. A matéria-prima dos plásticos é o pe-
tróleo, rico em carbono, podendo ser feitas várias combinações nas moléculas 
resultando em uma variedade quase infinita de plásticos com propriedades 
químicas diferentes. A maioria dos plásticos é quimicamente inerte e incapaz 
de sofrer reações químicas com outras substâncias, tornando-se de difícil 
desintegração; por isso, pode-se armazenar álcool, sabão, água, ácido ou 
gasolina em um recipiente de plástico sem dissolvê-lo.
Estrutura e propriedade dos materiais4
Segundo Mortimer e Machado (2013), de acordo com características como a 
plasticidade, é possível separar os polímeros em termoplásticos, que podem ser 
moldados pelo aquecimento e ser reciclados, e termofixos (ou termorrígidos), 
que não permitem um reprocessamento, não podendo ser reciclados. Durante 
o processamento de alguns tipos de plástico, a matéria-prima é aquecida para 
um rearranjo de átomos, dando origem aos plásticos termofixos, cujo formato, 
após o resfriamento e o endurecimento, mantém-se, sem que consigam voltar 
à sua forma original.
Segundo Smith e Hashemi (2012), em estado sólido, alguns processos 
envolvidos na produção e utilização de materiais de engenharia estão rela-
cionados à velocidade a qual os átomos se movem. Portanto, em muitos deles 
ocorrem reações que envolvem um rearranjo espontâneo dos átomos em 
outros arranjos atômicos novos ou mais estáveis. No processamento da maior 
parte dos materiais metálicos, por exemplo, são, em um primeiro momento, 
fundidos em um forno que funciona como reservatório de material líquido, 
ao qual é possível adicionar elementos de liga para obter ligas com diferentes 
composições.
De acordo com Ferraz (2003), a partir do aquecimento do minério de ferro 
(matéria-prima para produção do aço), cuja origem básica é o óxido de ferro, 
em fornos especiais em presença de carbono e de fundentes, adicionados para 
auxiliar a produção da escória, dá-se origem ao denominado ferro-gusa, que 
contém de 3,5 a 4,0% de carbono em sua estrutura. Após esse processo, e 
como resultado de uma segunda fusão, tem-se o ferro fundido, com teores 
de carbono entre 2 e 6,7%. Por fim, o aço consiste no resultado da descarbo-
natação do ferro-gusa, ou seja, é produzido a partir deste, controlando-se o 
teor de carbono para o máximo 2% e obtendo-se, assim, uma liga metálica 
constituída basicamente de ferro e carbono, em que os aços diferenciam-se 
entre si pela forma, o tamanho e a uniformidade dos grãos que os compõem 
e, ainda, por sua composição química, que pode ser alterada em razão do 
interesse de sua aplicação final.
Estrutura interna e as propriedades 
dos materiais
A determinação e o conhecimento das propriedades dos materiais são muito 
importantes para a escolha do material para determinada aplicação, bem como 
para o projeto e a fabricação de algum componente, visto que o comportamento 
5Estrutura e propriedade dos materiais
de um material depende do agrupamento e da organização dos átomos e da 
estrutura interna.
Cada um dos materiais tem características próprias: o ferro fundido é duro 
e frágil; o aço é bastante resistente; o vidro transparente e frágil; o plástico 
impermeável; a borracha elástica; o tecido bom isolante térmico, etc. Então, 
dureza, fragilidade, resistência, impermeabilidade, elasticidade e condução 
de calor consiste em alguns exemplos de propriedades específicas de cada 
material, intimamente relacionadas à natureza das ligações que existem entre 
os átomos, ou seja, as propriedades dos materiais dependem da composição 
química e da microestrutura (arranjo cristalino, tamanho dos grãos, defeitos) 
do material.
De acordo com Callister Junior (2006), a compreensão de muitas proprie-
dades físicas dos materiais baseia-se no conhecimento das forças interatômicas 
que unem os átomos, prendendo-os. Desse modo, pode-se ilustrar melhor os 
princípios das ligações atômicas considerando-se ainteração entre dois átomos 
isolados à medida que são colocados em proximidade desde uma separação 
infinita — em grandes distâncias, as interações entre eles são desprezíveis. 
Contudo, à medida que os átomos se aproximam, cada um deles exerce uma 
força sobre o outro, e a magnitude dessa força, denominada atrativa ou repul-
siva, é função da separação ou distância interatômica. 
Há três tipos diferentes de ligações primárias ou químicas encontradas nos 
sólidos — iônica, covalente e metálica —, em geral, originando-se da tendência 
dos átomos de adquirir estruturas eletrônicas estáveis. Callister Junior (2006) 
afirma que a natureza da ligação depende das estruturas eletrônicas dos áto-
mos constituintes e que, para cada tipo, a ligação envolve, necessariamente, 
os elétrons de valência. Além destas, forças e energias secundárias ou forças 
de van der Waals também são encontradas em muitos materiais. E, embora 
mais fracas, influenciam as propriedades físicas de alguns materiais, sendo 
representadas pelas ligações entre moléculas polares e dipolos induzidos, 
ligações dipolo permanentes e pontes de hidrogênio.
A ligação iônica, encontrada em compostos cuja composição envolve tanto 
elementos metálicos quanto não metálicos, dá-se pela atração entre íons de 
carga elétrica contrária (íons positivos – cátions e íons negativos – ânions), 
motivada por forças coulombianas. De acordo com Callister Junior (2006), 
na ligação iônica, a magnitude é igual em todas as direções ao redor do íon; 
portanto, para que os materiais iônicos sejam estáveis em um arranjo tridimen-
sional, todos os íons positivos devem ter íons carregados negativamente. Nos 
materiais cerâmicos, por exemplo, a ligação predominante é iônica, situação em 
que as energias de ligação são relativamente altas. Dessa forma, os materiais 
Estrutura e propriedade dos materiais6
iônicos são materiais duros e quebradiços e, ainda, isolantes elétricos e térmi-
cos. Ainda assim, vale lembrar que a ligação atômica nesses materiais varia 
desde puramente iônica até totalmente covalente: muitas cerâmicas exibem 
uma combinação dos dois tipos de ligação, e o nível do caráter iônico depende 
das eletronegatividades dos átomos. Além disso, duas características dos íons 
componentes em materiais cerâmicos cristalinos influenciam a estrutura do 
cristal — a magnitude da carga elétrica em cada um dos íons componentes 
(o cristal deve ser eletricamente neutro) e os tamanhos relativos dos cátions 
e ânions (raios iônicos).
Os materiais cerâmicos são formados por espécies químicas metálicas e não 
metálicas, com ligações iônicas e covalentes com elétrons ligados em posições 
definidas e fixas. Suas principais propriedades são resistência mecânica, baixa 
deformação na ruptura, estabilidade a altas temperaturas, resistência ao ataque 
químico e isolamento elétrico.
A ligação covalente se dá por meio de uma aproximação muito intensa 
entre dois elementos químicos que se ligarão, de maneira que alguns elétrons 
da camada de valência de um dos átomos circundam o núcleo do outro átomo, 
e vice-versa. Desse modo, os elementos não perdem nem ganham elétrons, 
mas sim os compartilham. Para Callister Junior (2006), as ligações covalentes 
podem ser muito fortes, como no diamante, muito duro e com temperatura de 
fusão muito alta, ou muito fracas, como no bismuto, que funde em temperatura 
muito baixa em comparação ao diamante. Os materiais poliméricos tipificam 
essa ligação, sendo a estrutura molecular básica uma longa cadeia de átomos 
de carbono que se encontram ligados entre si de maneira covalente.
O carbono, por exemplo, é um elemento que existe em várias formas 
polimórficas e também no estado amorfo, ou seja, aqueles em que os átomos 
não representam qualquer tipo de regularidade ou organização em termos de 
sua disposição espacial, ou, caso exista algum ordenamento, ocorre a curto 
alcance. Esse grupo de materiais, segundo Callister Junior (2006), não se 
enquadra, na realidade, dentro de qualquer um dos esquemas de classificação 
tradicionais para metais, cerâmicas e polímeros. O diamante, à temperatura 
e à pressão atmosférica ambientes, é um polimorfo do carbono, em que cada 
átomo de sua estrutura se liga a quatro outros átomos de carbono por ligações 
covalentes. A superfície de perfuratrizes e de outras ferramentas, como discos 
de corte, tem sido revestida com películas de diamante com o objetivo, por 
exemplo, de aumentar a dureza superficial dos materiais. 
Outro polimorfo do carbono é a grafita, com uma estrutura cristalina 
muito diferente da do diamante, sendo mais estável à temperatura e à pres-
são atmosférica ambientes, em que alguns elétrons participam de uma fraca 
7Estrutura e propriedade dos materiais
ligação do tipo van der Waals, e, como consequência, dá origem a excelentes 
propriedades lubrificantes. A grafita é utilizada com frequência como ele-
mento de aquecimento em fornos elétricos, soldas, moldes de fundição para 
ligas metálicas e cerâmicas, para materiais refratários e isolamentos de alta 
temperatura por suas propriedades de elevada resistência e boa estabilidade 
química a temperaturas elevadas.
Já os metais são compostos da combinação de elementos metálicos com 
grande quantidade de elétrons livres, não ligados a qualquer átomo em parti-
cular, constituindo-se na denominada ligação metálica, que se configura em 
uma nuvem eletrônica com o compartilhamento dos elétrons entre átomos 
vizinhos. Então, as propriedades dos metais derivam dessa sua constituição, 
em que, microscopicamente, apresentam uma estrutura cristalina na qual os 
átomos se dispõem de forma ordenada.
Tanto metais quanto ligas têm resistência mecânica relativamente elevada, 
bem como alta rigidez, ductilidade ou conformabilidade, além de resistência 
a choques mecânicos, e são particularmente úteis em aplicações estruturais, 
embora metais puros raramente sejam usados. Por isso, a combinação de 
metais, chamadas de ligas, permitem melhorar uma propriedade específica 
desejada ou obter uma melhor combinação de propriedades pela modificação 
da estrutura interna do material. De acordo com Callister Junior (2006), para 
aços com elevada resistência, por exemplo, a melhor combinação de caracte-
rísticas mecânicas pode ser obtida se uma microestrutura predominantemente 
martensítica for desenvolvida ao longo de toda a sua seção reta. Essa microes-
trutura é convertida em martensita revenida durante um tratamento térmico 
de revenimento. A martensita é um microconstituinte formado quando ligas 
de ferro-carbono austenitizadas são resfriadas rapidamente (ou temperadas) 
até uma temperatura relativamente baixa, e a transformação martensítica 
ocorre quando a taxa de tempera é rápida o suficiente para prevenir a difusão 
do carbono. O endurecimento consiste em um parâmetro usado para avaliar a 
influência da composição sobre a suscetibilidade à formação de uma estrutura 
predominantemente martensítica durante um tratamento térmico específico.
Sabe-se, ainda, que os cientistas de materiais examinam o aço com o 
auxílio de microscópios para determinar se suas propriedades podem ser 
alteradas, a fim de atender os requisitos desejados. Ao considerar o aço em 
chapas, quando empregado na fabricação de chassis de automóveis, é preciso 
empregar um material com resistência bastante elevada, mas que possibilite a 
Estrutura e propriedade dos materiais8
conformação de superfícies com propriedades aerodinâmicas. Outro aspecto 
considerado é a economia de combustível; portanto, o aço em chapas deve 
ser também leve e fino. Além disso, tais tipos de aço precisam, em caso de 
colisão, absorver quantidades significativas de energia, significando, em 
suma, requisitos contraditórios. Dessa forma, características como composição 
química, resistência mecânica, peso, propriedades de absorção de energia e 
maleabilidade devem ser levadas em consideração.
Como ocorre com os metais e os materiais cerâmicos, as propriedades dos 
polímeros estão relacionadas demaneira complexa aos elementos estruturais 
do material. Os polímeros se constituem em moléculas de cadeia longa com 
grupos repetitivos que apresentam ligações covalentes geralmente muito for-
tes. Os principais elementos dessa cadeia são carbono, hidrogênio, oxigênio, 
nitrogênio, flúor e outros elementos não metálicos. As cadeias se unem entre 
si por ligações secundárias (forças de van der Waals) relativamente fracas. 
Suas propriedades principais são baixa resistência, baixa densidade, facilidade 
de conformação em formas complexas, difícil reparação e, em geral, baixa 
resistência aos raios ultravioleta. De acordo com Callister Junior (2006), 
algumas das características mecânicas e térmicas dos polímeros representam 
uma função da habilidade dos segmentos da cadeia em experimentar uma 
rotação em resposta a aplicações de tensões ou a vibrações térmicas. As 
características físicas de um polímero dependem do seu peso molecular, da 
sua forma e, também, das diferenças na estrutura das cadeias moleculares. As 
técnicas modernas de síntese de polímeros permitem um controle considerável 
sobre várias possibilidades estruturais. Entre as estruturas moleculares, estão 
as lineares, ramificadas, com ligações cruzadas, em rede, além de várias 
configurações isoméricas.
Portanto, os materiais são escolhidos a partir de um banco de dados obtidos 
por meio de ensaios laboratoriais, os quais, muitas vezes, podem não se ajustar 
exatamente às aplicações reais de Engenharia, embora funcionem como um 
norte para a escolha do melhor material. Por exemplo, materiais com a mesma 
composição química podem ter propriedades mecânicas muito diferentes, 
determinadas por sua microestrutura. Além disso, mudanças de tempera-
tura, natureza cíclica das tensões aplicadas, alterações químicas causadas 
pela oxidação, corrosão ou erosão, mudanças microestruturais causadas pela 
temperatura, ação de eventuais defeitos introduzidos durante a fabricação e 
outros fatores são capazes de alterar o comportamento mecânico dos materiais.
9Estrutura e propriedade dos materiais
Para saber mais sobre como a estrutura interna dos materiais influencia nas suas 
propriedades, sugerimos o livro Fundamentos da Engenharia e Ciência dos Materiais, 
de William F. Smith e Javad Hashemi, publicado pela McGraw-Hill/Bookman em 2012.
Macropropriedades dos materiais
Pode-se conceituar a propriedade de um material de acordo com o tipo e a 
intensidade da resposta a um estímulo imposto a este. Entre as propriedades 
dos materiais, estão as mecânicas, físicas, elétricas, térmicas, magnéticas, 
ópticas, químicas e de degradação (corrosão, oxidação, desgaste).
As propriedades mecânicas correspondem a um conjunto de propriedades 
de grande importância na indústria mecânica, as quais surgem quando o 
material está sujeito a esforços de natureza mecânica. Isso quer dizer que se 
avalia a capacidade do material de transmitir ou resistir aos esforços que lhe 
são aplicados, ou seja, determina-se a maior ou menor capacidade que o ma-
terial apresenta não só durante o processo de fabricação, mas também durante 
sua utilização. O comportamento de um material quando sujeito a esforços 
mecânicos define as propriedades mecânicas; dessa forma, solicitações como 
cargas, peso próprio, ação do vento, etc. podem ser chamadas de esforços 
mecânicos, a que constantemente se submetem os materiais de construção. 
Existem alguns comportamentos dos materiais quanto à deformação, 
quando solicitados a um esforço, que podem ser elásticos ou plásticos. O 
comportamento elástico refere-se ao momento em que, quando se aplica uma 
tensão no material e ele deforma, seguida da remoção desse carregamento, 
sua estrutura inicial é recuperado. O comportamento plástico se dá quando 
não ocorre essa recuperação inicial após a retirada de tensão, mas uma re-
cuperação parcial.
A plasticidade pode se apresentar no material como maleabilidade — pro-
priedade que um material (p. ex., um aço) apresenta de poder ser laminado, 
estampado, forjado, entortado e repuxado — e como ductilidade, que corres-
ponde ao oposto da fragilidade — os materiais, ao sofrerem a ação de uma 
força, deformam-se plasticamente sem se romperem. Uma característica do 
Estrutura e propriedade dos materiais10
material dúctil é suportar uma elevada deformação (geralmente compreendem 
os materiais com baixo teor de carbono). Quando o material tem a capacidade 
de absorver pouca energia até a fratura é denominado frágil, ou seja, rompe-se 
com baixa deformação.
Entre as propriedades mecânicas, a mais importante é a resistência mecâ-
nica, a qual corresponde à resistência à ação de determinados tipos de esforços, 
como a tração e a compressão, isto é, permite que o material consiga resistir à 
ação dos esforços. A resistência mecânica está relacionada às forças internas 
de atração existentes entre as partículas que compõem o material e, também, 
relaciona a deformação com a aplicação de uma carga.
A dureza consiste na resistência do material à penetração, ao desgaste 
mecânico e à deformação plástica permanente. Em geral, materiais duros são 
também frágeis e, quanto maior a dureza, maior a resistência ao desgaste. E, 
ainda, a fragilidade corresponde à propriedade na qual o material apresenta 
baixa resistência a choques, podendo-se dizer que se trata de materiais duros 
que tendem a quebrar quando sofrem choques ou batidas (p. ex., o vidro).
Os materiais também podem ter comportamentos distintos quanto à tena-
cidade e à resiliência. A primeira é a capacidade de absorver energia antes da 
ruptura, diferindo-se da resistência à tração, que significa a medida necessária 
de tensão para o material romper. E a resiliência equivale à capacidade de 
absorver energia quando a ruptura ocorre no estado elástico, ou seja, trata-se da 
capacidade do material de absorver energia quando deformado elasticamente.
Segundo Callister Junior (2006), a aplicabilidade dos materiais cerâmicos 
é limitada em certos aspectos em virtude de suas propriedades mecânicas, 
em muitos aspectos inferiores, por exemplo, às dos metais. A principal des-
vantagem consiste em uma disposição à fratura metrófica de maneira frágil, 
com muito pouca absorção de energia, em que o processo de fratura frágil 
refere-se à formação e à propagação de trincas pela seção reta do material 
em uma direção perpendicular à carga aplicada. Para os polímeros, suas 
propriedades mecânicas são especificadas por meio de muitos dos mesmos 
parâmetros usados para os metais, como módulo de elasticidade, limite de 
resistência à tração e resistências ao impacto e à fadiga — aqui, o aumento 
da temperatura, por exemplo, ou a diminuição da taxa de deformação levam a 
uma diminuição do modulo de tração, a uma redução do limite de resistência 
à tração e a uma melhoria da ductilidade.
Já as propriedades elétricas determinam o comportamento dos materiais 
quando submetidos à passagem de uma corrente elétrica. Elas podem ser 
11Estrutura e propriedade dos materiais
classificadas como condutividade elétrica, que corresponde à capacidade de 
determinados materiais de conduzir a corrente elétrica, e, ainda, resistividade, 
a resistência que o material oferece à passagem da corrente elétrica, como a 
capa plástica que recobre o fio elétrico.
Vale ressaltar que a capacidade isolante de um material nem sempre é 
proporcional à espessura, existindo outros fatores, como área específica e 
porosidade, que influenciam nessa característica. A madeira, por exemplo, é 
um material que apresenta comportamento isolante quando seca; no entanto, 
quando úmida, tem característica condutora.
Ainda, as propriedades térmicas são as que determinam o comportamento 
dos materiais quando submetidos a variações de temperatura, tanto no proces-
samento do material quanto na sua utilização. Tal propriedade é verificada no 
comportamento que o material pode oferecer quando em trabalho (materiais 
resistentes a altas ou baixas temperaturas), ou seja, um material pode contrair 
ou dilatarcom a temperatura e sua estrutura se alterar.
O conhecimento dessa propriedade também está relacionado à fabricação 
do material onde o ponto de fusão corresponde à temperatura que o material 
passa do estado sólido para o líquido e o ponto de ebulição, a temperatura 
em que o material passa do estado líquido para o gasoso. E, ainda, dentro das 
propriedades térmicas, está a dilatação térmica, a propriedade que faz com 
que os materiais, em geral, aumentem de tamanho em temperaturas elevadas, 
e a condutividade térmica, a capacidade que determinados materiais têm de 
conduzir o calor.
Os materiais metálicos apresentam plasticidade, isto é, podem ser deformados ao 
se quebrarem e são bons condutores de calor e de eletricidade. Essas propriedades 
térmica e elétrica estão ligadas à mobilidade dos elétrons e dos átomos da estrutura 
desses materiais. Em comparação a materiais não metálicos, é possível verificar que, 
em sua maioria, são maus condutores de calor e eletricidade.
A Figura 1 mostra uma fotografia de um cubo quente fabricado a partir de 
um material isolante à base de fibra de sílica. Apenas alguns segundos após 
ter sido retirado de um forno quente, o cubo pode ser segurado pelas arestas 
Estrutura e propriedade dos materiais12
com as mãos nuas. A condutividade térmica desse material é tão pequena 
que a condução de calor do seu interior para a superfície é muito reduzida.
Figura 1. Cubo quente feito a partir de material isolante.
Fonte: Callister Junior (2006).
Para as construções, por exemplo, a condutividade térmica consiste em 
um parâmetro muito importante, pois permite estimar o fluxo de calor através 
de uma parede, ou seja, ao se considerarem dois ambientes separados por um 
elemento com diferentes temperaturas, o calor do ambiente mais quente será 
transmitido por condução externa e radiação para a superfície da parede, 
atravessando por condutividade interna e transmitindo-se para o ambiente 
frio por condutividade externa e radiação.
A propriedade magnética é aquela que demonstra a resposta de um material 
à aplicação de um campo magnético, como o equipamento envolvido na técnica 
de ressonância magnética.
Já a propriedade óptica é aquela em que o estímulo é a radiação eletro-
magnética ou a radiação luminosa, verificada pela transmitância de luz de 
três amostras de óxido de alumínio, uma em monocristral, outra em vários 
13Estrutura e propriedade dos materiais
monocristais muito pequenos e conectados entre si e outra com vários cristais 
muito pequenos e grande número de poros, conforme mostra a Figura 2.
Figura 2. Transmitância de luz nas amostras de óxido de alumínio.
Fonte: Adaptada de Callister Junior (2006)
Monocristal
Vários monocristais muito
pequenos conectados entre si
Vários cristais muito pequenos
e grande números de poros
A propriedade química de um material é aquela relacionada à reatividade 
química dele — uma barra de aço pode ser dobrada até a forma de uma ferradura 
utilizando-se um conjunto de porca e parafuso e, enquanto a peça fica imersa 
em água do mar, trincas de corrosão sob tensão se formam ao longo da parte 
dobrada, ou seja, nas regiões em que as forças de tração são maiores. Tais 
propriedades dizem respeito à diminuição da eficiência do material quando 
em contato com outros materiais ou com o ambiente. Em obras, é comum a 
ocorrência de corrosão (a ácidos e soluções salinas) e fadiga.
De acordo com Callister Junior (2006), os mecanismos de deterioração 
são diferentes para os três diferentes tipos de materiais. Nos metais, existe 
uma perda efetiva de material, seja ela por dissolução (corrosão), seja pela 
formação de uma incrustação ou película de material não metálico (oxidação). 
Os materiais cerâmicos são relativamente resistentes à deterioração, geral-
mente em elevadas temperaturas ou em meio externo. No caso dos polímeros, 
os mecanismos e as consequências são diferentes, sendo utilizado o termo 
“degradação”. Estes podem dissolver quando expostos a um solvente líquido 
ou absorver o solvente e sofrer inchamento.
Estrutura e propriedade dos materiais14
AMBROZEWICZ, P. H. L. Materiais de construção: normas, especificações, aplicação e 
ensaios de laboratório. São Paulo: Pini, 2015. 460 p.
CALLISTER JUNIOR, W. D. Fundamentos da ciência e engenharia de materiais. 2. ed. Rio 
de Janeiro: LTC, 2006. 702 p.
FERRAZ, H. O Aço na Construção Civil. Revista Eletrônica de Ciências, São Carlos, n. 22, 
out.-dez. 2003. Disponível em: <https://www.ft.unicamp.br/~mariaacm/ST114/O%20
A%C7O%20NA%20CONSTRU%C7%C3O%20CIVIL.pdf>. Acesso em: 8 out. 2018.
GUAZZELLI, M. J.; PEREZ, J. Nanotecnologia: a manipulação do invisível. CV Artes Grá-
ficas Ltda. Ipê; Dom Pedro de Alcântara: Centro Ecológico, 2009. 44 p. Disponível em: 
<http://www.centroecologico.org.br/novastecnologias/novastecnologias_1.pdf>. 
Acesso em: 8 out. 2018.
MAIA, F. S. Avaliação de massas cerâmicas, processamento e propriedades dos produtos de 
cerâmica vermelha do polo cerâmico de Campos dos Goytacazes. 2012. 115 f. Dissertação 
(Mestrado em Engenharia e Ciência dos Materiais)– Universidade Estadual do Norte 
Fluminense Darcy Ribeiro, Campos dos Goytacazes, 2012. Disponível em: <http://uenf.
br/posgraduacao/engenharia-de-materiais/wp-content/uploads/sites/2/2013/07/
Diserta%C3%A7%C3%A3o-Fernanda-dos-Santos-Maia.pdf>. Acesso em: 8 out. 2018.
MORTIMER, E. F.; MACHADO, A. H. Química: ensino médio. 2. ed. São Paulo: Scipione, 
2013. 3 v.
PEREIRA, F. S. G. Polímeros: fundamentos científicos e tecnológicos. Recife: Instituto 
Federal de Educação, Ciência e Tecnologia, 2009. 94 p. (Apostila de curso).
SMITH, W. F.; HASHEMI, J. Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais. 5. ed. Porto 
Alegre: AMGH; Bookman, 2012. 734 p.
Leitura recomendada
SHACKELFORD, J. F. Ciência dos materiais. 6. ed. São Paulo: Pearson, 2008. 576 p.
15Estrutura e propriedade dos materiais
Conteúdo:
Dica do professor
Materiais naturais são transformados, permitindo que um novo material seja utilizado em diversas 
situações, nas quais estes não seriam apropriados. Sendo assim, é importante conhecer as 
classificações dos materiais naturais para que se faça o melhor uso de suas propriedades.
Na Dica do Professor a seguir, você vai ver as três classificações básicas de materiais, as quais você 
precisa saber para definir qual é o melhor material a ser utilizado na construção de uma edificação.
Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar.
https://fast.player.liquidplatform.com/pApiv2/embed/cee29914fad5b594d8f5918df1e801fd/e3bf75ec0dac53da6cf3f361b4fd9f55
Exercícios
1) Os materiais podem ser de várias classes de acordo com as suas propriedades. 
O objetivo de estudar suas tecnologias consiste em:
A) controlar precisamente e individualmente os átomos para fabricar materiais com 
propriedades e desempenho específicos.
B) fabricar materiais com novas propriedades.
C) controlar as propriedades dos materiais.
D) estudar e produzir materiais a nível macro para fabricar materiais com propriedades 
específicas.
E) controlar os átomos, em geral, para fabricar materiais com desempenho específico.
2) A determinação e o conhecimento dos materiais são muito importantes para a escolha do 
material para determinada aplicação.
Essa escolha é a partir:
A) de um banco de dados obtidos por meio de ensaios laboratoriais.
B) da análise do agrupamento e da organização dos átomos.
C) da estrutura interna do material.
D) da análise das características físicas do material.
E) da avaliação da composição química dos materiais.
O carbono é um elemento que existe em várias formas polimórficas e também no estado amorfo.
A figura a seguir representa, respectivamente, quais estruturas desse elemento?
3) 
A) Uma célula unitária para a estrutura cristalina da grafita e a estrutura do diamante.
B) Uma estrutura de um sólido cristalino de carbono simples e a estrutura do diamante.
C) Uma célula unitária para a estrutura cúbica do diamante e aestrutura da grafita.
D) A estrutura de uma célula de carbono da grafita e a estrutura cristalina do diamante.
E) A estrutura da grafita e uma célula unitária para a estrutura cristalina cúbica do diamante.
4) O estudo das propriedades elétricas aborda os conceitos de resistividade e condutividade 
elétrica, pois são as mais relevantes quanto aos materiais de construção. 
Assinale a alternativa que define essas propriedades corretamente. 
A) Condutividade elétrica é a resistência à passagem da corrente elétrica através de um material, 
e a resistividade é a facilidade com que um material é capaz de transmitir uma corrente 
elétrica.
B) Condutividade elétrica é a facilidade com que um material é capaz de transmitir uma corrente 
elétrica, e a resistividade é a resistência à passagem da corrente elétrica através de um 
material.
C) Condutividade elétrica é a capacidade que um material apresenta de absorver energia, e a 
resistividade é a facilidade com que um material é capaz de transmitir uma corrente elétrica.
D) Condutividade elétrica é a facilidade com que um material é capaz de transmitir uma corrente 
elétrica, e a resistividade é a capacidade que um material apresenta em absorver a energia.
E) Condutividade elétrica é a resistência à passagem da corrente elétrica através de um material, 
e a resistividade é a capacidade que um material apresenta em absorver a energia.
5) A compreensão de muitas propriedades físicas dos materiais baseia-se no entendimento das 
forças existentes entre as moléculas. 
Em relação às ligações atômicas, assinale a alternativa correta. 
A) Cada ligação tem por objetivo fazer com que os átomos adquiram ligações metálicas.
B) As ligações não costumam ocorrer concomitantemente em um mesmo material.
C) Há três tipos de ligações diferentes: iônica, covalente e a força de Van der Waals.
D) As ligações atômicas em alguns materiais podem ser puramente iônicas ou covalentes.
E) A ligação metálica se dá por meio de uma aproximação muito intensa dos elementos.
Na prática
A estrutura amorfa é aquela observada em materiais que poderiam apresentar uma estrutura 
cristalina quando solidificados em condições especiais, ou seja, quando é resfriado a partir do 
líquido e exibe um aumento contínuo de sua viscosidade. Essas estruturas também podem ser 
chamadas de estruturas vítreas, as quais são formadas por arranjos atômicos aleatórios e sem 
simetria.
Sendo assim, o vidro na construção civil deve ser fabricado com os devidos cuidados para que 
sejam garantidas as suas propriedades e a sua estrutura.
Confira a seguir essa estrutura. 
Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar.
https://statics-marketplace.plataforma.grupoa.education/sagah/0723413b-f944-41ca-b316-858656b9830e/0a0078cc-f40e-4155-a957-97d4bf3593c0.jpg
Saiba +
Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto, veja abaixo as sugestões do professor:
Micro e nano manufatura: uma revisão de literatura
No link a seguir, você terá acesso a um artigo que aborda o sistema de manufatura industrial, por 
meio de processos micro e nano com base em uma revisão de literatura.
Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar.
https://www.aedb.br/seget/arquivos/artigos13/41818470.pdf