Resumo Cmat P1 e P2 (Renan)

Prévia do material em texto

ENG1015 Introdução a Ciência e E
 
Renan Salvate Campos 
 
Estrutura 
A estrutura de um material se refere ao arranjo dos 
seus componentes internos, sendo ele macroscópico 
ou microscópico. 
Propriedades 
Uma propriedade de um material consiste em uma 
peculiaridade do material em termos do tipo e da 
magnitude de sua resposta a um estímulo específico 
que lhe é imposto. 
Podem ser agrupadas em seis categorias:
• Mecânicas: 
Se referem à deformação a uma carga ou fo
ça aplicada 
• Elétricas: 
Se referem à condutividade elétrica e a con
tante dielétrica 
• Térmicas: 
É representada em termos da capacidade c
lorífica e da condutividade térmica
• Magnéticas: 
Demonstram a resposta a aplicação de um 
campo magnético. 
• Óticas: 
Representa as respostas a estímulos à radi
ção eletromagnética e é caracterizada pelos 
índices de refração e refletividade.
• Deteriorativas: 
Se referem à reatividade química dos mater
ais. 
Processamento e desempenho
O processamento define a estrutura do material e o 
desempenho se da através de suas propriedades.
Processamento Estrutura Propriedade
Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais 
Os Materiais 
A estrutura de um material se refere ao arranjo dos 
seus componentes internos, sendo ele macroscópico 
Uma propriedade de um material consiste em uma 
peculiaridade do material em termos do tipo e da 
nitude de sua resposta a um estímulo específico 
Podem ser agrupadas em seis categorias: 
Se referem à deformação a uma carga ou for-
Se referem à condutividade elétrica e a cons-
representada em termos da capacidade ca-
lorífica e da condutividade térmica 
Demonstram a resposta a aplicação de um 
Representa as respostas a estímulos à radia-
ção eletromagnética e é caracterizada pelos 
ão e refletividade. 
Se referem à reatividade química dos materi-
Processamento e desempenho 
O processamento define a estrutura do material e o 
desempenho se da através de suas propriedades. 
 
Classificação dos materiais:
Metais 
• São compostos por um ou mais elementos 
metálicos e alguns não metálicos em pequ
nas quantidades. 
• Seus átomos são arranjados de maneira ord
nada. 
• São densos, rígidos, resistentes, dúcteis (d
formam sem fraturar)
• Possuem elétrons não localizados, por isso 
são bons condutores de eletricidade e calor.
• São opacos, porém brilham quando polidos.
• Possuem propriedades magnéticas desejáveis.
Cerâmicas: 
• São compostos por materiais metálicos e não 
metálicos, na maioria
nitretos e carbetos.
• São rígidos e resistentes.
• Não são dúcteis nem resistem a fraturas
• São isolantes de calor e eletricidade.
• Resiste a altas temperaturas.
• Podem ser opacos, translúcidos ou transp
rentes. 
• Quando são constituídos a base de óxidos, 
xibem comportamento magnético.
Polímeros 
• São compostos por materiais não metálicos
• Estrutura molecular muito grande
• Baixa densidade. 
• Não são rígidos nem resistentes
• Muito dúcteis e flexíveis
• Inertes quimicamente
• Amolecem ou decompõem
ras modestas. 
• Baixa condutividade elétrica 
• Não são magnéticos
Compósitos 
Compósitos são compostos por dois ou mais materiais 
individuais. Seu objetivo é obter as propriedades n
Desempenho
P á g i n a | 1 
Classificação dos materiais: 
stos por um ou mais elementos 
metálicos e alguns não metálicos em peque-
 
Seus átomos são arranjados de maneira orde-
São densos, rígidos, resistentes, dúcteis (de-
formam sem fraturar). 
Possuem elétrons não localizados, por isso 
ondutores de eletricidade e calor. 
São opacos, porém brilham quando polidos. 
Possuem propriedades magnéticas desejáveis. 
São compostos por materiais metálicos e não 
metálicos, na maioria, consistidos de óxidos, 
nitretos e carbetos. 
resistentes. 
Não são dúcteis nem resistem a fraturas 
São isolantes de calor e eletricidade. 
Resiste a altas temperaturas. 
Podem ser opacos, translúcidos ou transpa-
Quando são constituídos a base de óxidos, e-
xibem comportamento magnético. 
São compostos por materiais não metálicos. 
Estrutura molecular muito grande. 
 
Não são rígidos nem resistentes. 
Muito dúcteis e flexíveis. 
Inertes quimicamente. 
Amolecem ou decompõem-se em temperatu-
Baixa condutividade elétrica e térmica. 
Não são magnéticos. 
Compósitos são compostos por dois ou mais materiais 
Seu objetivo é obter as propriedades ne-
ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 2 
 
Renan Salvate Campos 
cessárias que não são encontradas em materiais iso-
lados e incorporar as melhores características dos 
seus componentes. 
Semicondutores 
Possuem propriedades elétricas intermediária dos 
condutores e isolantes. São muito sensíveis a impure-
zas. Foram os responsáveis pelo desenvolvimento de 
circuitos integrados e principalmente pela informáti-
ca. 
Biomateriais 
São componentes empregados no interior do corpo 
humano. Não devem produzir toxinas, nem oxidarem. 
Devem ser compatíveis com o organismo. Podem ser 
formados por qualquer tipo de material. 
Nanomateriais 
São componentes elaborados em escala nano métrica 
(10-9). Criados para terem tamanhos e propriedades 
específicas para seu uso. 
Aplicação e processamento de ligas metálicas 
 
As ligas metálicas podem ser conformadas ou fabrica-
das em componentes úteis. Tem suas propriedades 
modificadas pelos processos de fabricação e por tra-
tamentos específicos. 
As ligas são classificadas em duas classes, as ferrosas 
onde o ferro é o principal componente e as não-
ferrosas onde o ferro não está presente. 
Ligas ferrosas 
São importantes como materiais de construção e são 
produzidos em larga escala devido a grande concen-
tração de ferro na crosta terrestre, por serem baratas 
de se extrair e manipular e por sua grande versatilida-
de. Sua desvantagem é a suscetibilidade à corrosão. 
Aços 
São ligas constituídas principalmente de ferro e car-
bono podendo ter a presença de outros elementos. 
Suas propriedades mecânicas dependem da concen-
tração de carbono. 
Aços com baixo teor de carbono 
É o mais produzido, contém menos do que 0,25% de 
peso de C e não respondem a tratamentos térmicos 
que visem à formação de martensita, uma fase meta-
estável composta por Fe que está supersaturada 
com C e que é o produto de uma transformação atér-
mica da austenita. 
 
Figura 1: Martensita 
A resistência é obtida através de trabalho a frio. 
Microestrutura constituída de ferrita e perlita. 
 
Figura 2: Ferrita 
 
Figura 3: Perlita 
Tem baixa dureza e resistência, mas grande ductili-
dade (capacidade de suportar deformação plástica 
antes de fraturar) e tenacidade (capacidade de absor-
ver energia antes da fratura). 
São aplicáveis em automóveis (carcaça), formas estru-
turais, tubulações, edificações, pontes e latas esta-
nhadas. 
ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 3 
 
Renan Salvate Campos 
 
Figura 4: Estrutura de Aço com baixo teor de carbono 
• Limite de escoamento: 275 MPa 
• Limite de resistência: 415 a 550 MPa 
• Ductilidade: 25% AL 
Existem também aços de alta resistência e baixa liga 
formados por elementos como Cu, V, Ni e Mo. 
São mais resistentes, Limite de resistência ≤ 48MPa, 
mas igualmente dúcteis , conformáveis e usináveis. 
São mais resistentes a corrosão na CNTP. 
Aços com médio teor de carbono 
São ligas produzidas com concentrações de C entre 
0,25% a 0,60% do peso. São tratadas termicamente 
por: 
• Austenitização : Transformação em austenita 
por aquecimento. 
• Têmpera: Resfriamento rápido a partir de 
temperatura acima da Tc . Trasnforma auste-
nita em martensita. Aumenta tenacidade. 
• Revenimento: Aquecimento até abaixo da Tc e 
resfriamento adequando. Ajusta propriedades 
mecânicas. 
Possuem microestrutura da martensita revenida mais 
freqüentemente. 
 
Figura 5: Martensita Revenida 
Possuem baixa endurecibilidade e são tratados termi-
camente em secções muito finas. 
Sãomais resistentes que os aços de baixo teor de 
carbono, porém menos dúcteis e tenazes. 
São aplicados a rodas e trilhos de trens, engrenagens 
e peças de máquinas que demandam grande resistên-
cia. 
• Limite de escoamento: 430 a 585 MPa 
• Limite de resistência: 605 a 780 MPa 
• Ductilidade: 33% a 19% AL 
Aços com alto teor de carbono 
São ligas que possuem teores de carbono entre 0,60% 
a 1,40% de peso. 
São os mais duros e resistentes, porém os menos dúc-
teis. 
São usados em condições endurecidas e revenidas e 
capazes de resistir a desgastes. 
Chamados de aços-ferramenta quando combinados 
com Cr, V, W e Mo e utilizados como facas de lâminas 
de corte, lâminas de serras, molas e arames de alta 
resistência. 
 
Figura 6: Lâmina com aço de alto teor de carbono 
Aços inoxidáveis 
São altamente resistentes a corrosão e tem como 
principal elemento o Cr, 11% do peso. 
São divididos em Martensíticos, Ferríticos e Austení-
ticos. São usados em altas temperaturas, acima de 
1000ºC e ambientes severos como fornos, aeronaves, 
mísseis e usinas nucleares. 
 
Figura 7: Aço Inoxidável 
 
Figura 8: Panela de aço inoxidável 
 
ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 4 
 
Renan Salvate Campos 
Diagrama de Fases 
Diagramas de fases são importantes para relacionar a 
microestrutura e propriedades mecânicas. 
Conceitos básicos 
Componentes são metais puros ou compostos que 
compõem uma liga metálica. 
Sistema pode se referir a um corpo específico feito do 
material considerado ou uma série de ligas compostas 
pelo mesmo material. 
Limite de solubilidade é a concentração máxima de 
soluto que pode ser dissolvida no solvente para for-
mar uma solução sólida a determinada temperatura. 
Fase é uma porção homogênea do sistema que possui 
características físicas e químicas uniformes. 
Sistemas compostos por apenas uma fase são homo-
gêneos enquanto que os formados por mais fases são 
heterogêneos. 
Microestrutura é uma característica definida pelo 
tamanho e organização dos grãos que formam o ma-
terial. Ela é importante pára definir as propriedades 
mecânicas do material. Pode ser: 
CCC cúbica de corpo centrado: 
 
CFC cúbica de face centrada: 
 
Equilíbrio de fases consiste na constância das fases do 
sistema ao longo do tempo. Em determinadas varia-
ções de meio esse equilíbrio pode ser afetado tempo-
rariamente. 
Existem sistemas metaestáveis que após um desequi-
líbrio não retornam mais a ele, o que torna necessário 
um maior cuidado ao lidar com esse tipo de material. 
Diagrama de fase 
As informações sobre o controle da estrutura das 
fases de um sistema é descrito pelo diagrama de fase. 
Definido por três parâmetros: temperatura, pressão e 
composição. 
Pode ser unitário se representar apenas um compo-
nente ou binário se representar ligas. 
 
� Para temperatura T=300K e pressão P=70 bar a água é 
líquida. 
Sistemas isomorfos binários 
Considerando o diagrama de fases dos compostos A e 
B, temos a temperatura na vertical e a % em peso do 
componente B em relação ao A na horizontal: 
 
� O líquido L é uma solução homogênea 
� A fase sólida α é uma solução sólida substitu-
ciona 
� O Sistema é isomorfo, pois os elementos têm 
solubilidade completa. 
� As linhas se interceptam quando o sistema é 
puro. 
ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 5 
 
Renan Salvate Campos 
� A composição das fases pode ser determina-
da, caso o ponto especificado esteja em uma 
composição monofásica, basta verificar sua 
composição no eixo x, case esteja em região 
bifásica segue: 
o Traçar uma linha de amarração iso-
térmica paralela ao eixo x no ponto 
determinado. 
o Localizar a interseção com as frontei-
ras. 
o Traçar perpendiculares da interseção 
até o eixo x para encontrar a porcen-
tagem dos componentes. 
 
� x% de A e y% de B para temperatura T=420ºC e 65%pB 
da liga na fase α+L 
� Para determinar a quantidade das fases usa-
mos a regra da alavanca, se o ponto estiver 
localizado em uma região monofásica, essa 
fase representa 100%, ou seja, 1. Se o ponto 
estiver em fase bifásica, segue: 
o Traça a linha de amarração isotérmica 
sobre o ponto. 
o A fração da fase é dada pela razão en-
tre o comprimento do segmento que 
liga o ponto até a interseção da linha 
de amarração com a linha de fronteira 
e o comprimento total da linha de 
amarração. 
 
� Quantidade de α é 15/45 = 0,33 = 33% 
� Quantidade de L é 30/45 = 0,67 = 67% 
Desenvolvimento da Microestrutura em 
ligas Isomorfas 
Resfriamento em condições de equilíbrio 
É importante examinar o desenvolvimento da micro-
estrutura quando o material é resfriado. Em condições 
de equilíbrio o sistema resfria lentamente. Analisando 
o diagrama temos que: 
 
1. Para uma composição de 50% em peso de B à 
temperatura 800ºC toda a solução é líquida 
2. Para 50%p B e 500ºC as fases α e L estão pre-
sentes e suas quantidades e composições po-
dem ser determinadas. 
3. Para 50%p B e 300ºC a solução está inteira-
mente na fase α. 
Sistemas Eutéticos Binários 
Algumas ligas binárias são representadas por diagra-
mas eutéticos binários. 
ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 6 
 
Renan Salvate Campos 
Neles existem três regiões monofásicas sendo L uma 
fase líquida, α uma fase sólida rica no elemento A e β 
uma fase sólida rica no elemento B. 
Ela existe quando os componentes não têm solubili-
dade completa, ou seja, não é isomorfo e sim eutéti-
co. 
 
� A linha solvus é o limite de solubilidade das 
fases α e β, tendo como pontos de solubilida-
de máxima A e B respectivamente. 
� A linha líquidus é o limite de fusão da mistura 
� O ponto E é o ponto eutético. Para uma de-
terminada concentração a mistura se solidifi-
ca por completo sem passar por fases inter-
mediárias. É ali que ocorre a reação eutética: 
����� ⇌ ����� + 	���� 
Desenvolvimento microestrutural em ligas eutéticas 
Com o resfriamento lento em condições de equilíbrio 
pode-se analisar diversas representações de formação 
de microestruturas eutéticas: 
� α Puro 
 
o O sólido formado com o resfriamento 
nessa condições é exclusivamente α. 
 
� α com pequenas porções de β 
 
o Nesse caso, o sólido α é formado em 
um primeiro momento, então peque-
nas porções de β são solidificados por 
cima. 
 
ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 7 
 
Renan Salvate Campos 
� α Pró-eutetóide 
 
o O sólido α é solidificado antes da rea-
ção eutética, por isso chama-se pró-
euteóide. A Liga recebe o nome de 
Hipoeutetóide. Uma situação seme-
lhante ocorre com o sólido β, e a liga 
se nomeia Hipereutetóide. 
 
� Eutetóide 
 
o Para essa concentração ocorre a rea-
ção eutética, os sólidos α e β se solidi-
ficam juntos em configuração de La-
melas. 
Sistemas ferro-carbono 
De todas as ligas, a de ferro-carbono é uma das mais 
importantes, pois dela fabrica-se o aço e o ferro fun-
dido. 
Diagrama de fase Ferro-Carbono 
O ferro puro quando aquecido apresenta duas mu-
danças de estrutura cristalina antes de se fundir. 
� A temperatura ambiente sua forma estável é 
a ferrita. Representada por α tem estrutura 
CCC. 
� A 912ºC a ferrita é transformada em austeni-
ta. Representada por γ tem estrutura CFC. 
� A 1394ºC a austenita é transformada em ferri-
ta novamente. Representada por δ tem estru-
tura CCC. 
� A 1538ºC ele se funde. 
Quando o ferro não está mais puro e tem uma con-
centração de 6,7%p de Carbono, é chamado de Ce-
mentita (Fe3C) e é o limite de concentração entre aços 
e ferros fundidos. Acima dessa concentração é a grafi-
ta. 
O carbono é uma impureza intersticial do ferro. A 
Ferrita α tem solubilidade máxima de 0,022% a 727ºC, 
é baixa devido a estrutura CCC. É magnética abaixo de 
768ºC e tem ρ=7,88 g/cm³. 
A Austenita γ não é estavel abaixo de 727ºC, tem 
solubilidade máxima de 2,14% a 1147ºC. Aestrutura 
CFC tem espaços intersticiais maiores, por isso a solu-
bilidade é maior. Não é magnética. 
A Ferrita δ é semelhante a Ferrita α, exeto pela faixa 
de temperatura. 
A Cementita (Fe3C) se forma quando o limite de solu-
bilidade do carbono na Ferrita é exedido abaixo de 
727ºC e pode coexistir com a Austenita entre essa 
temperatura até 1147ºC. Ela é dura e frágil. 
 
Desenvolvimento da microestrutura em ligas 
ferro-carbono 
A estrutura formada pelo resfriamento da Austenita 
em composição eutética é a Perlita composta por 
Ferrita e Cementita, apresenta propriedades mecâni-
cas intermediárias entre as componentes. 
ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 8 
 
Renan Salvate Campos 
 
Ligas Hipoeutetóides 
Quando o resfriamento ocorre antes do ponto eutéti-
co, aparece a liga hipoeutetóide, formada por uma 
Ferrita pró-eutetóide nos contornos de grãos da Per-
lita. 
 
Ligas Hipereutetóides 
Quando o resfriamento ocorre após o ponto eutético, 
aparece a liga hipereutetoide formada por Cementita 
pró-eutetóide nos contornos de grão da Perlita. 
 
 
ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 9 
 
Renan Salvate Campos 
Discordâncias – Defeitos Lineares 
 
Uma discordância é um defeito linear em torno do 
qual alguns átomos de estruturas estão desalinhados. 
Discordância de aresta 
Um defeito causado pelo término de um plano de 
elétrons no interior da estrutura. É linear, pois ocorre 
ao redor da linha na extremidade do semiplano, cha-
mada de linha de discordância e é perpendicular ao 
plano da página. 
 
Discordância em espiral 
Um defeito causado por uma tensão cisalhante apli-
cada na lateral da estrutura, causando uma torção no 
plano de deslizamento. É linear, pois ocorre ao redor 
da linha de discordância que sai da estrutura. 
 
Discordância Mista 
Normalmente os grãos apresentam discordâncias de 
aresta e em espiral simultaneamente, isso faz com 
que a linha de discordância faça curvas para se ade-
quar às discordâncias. 
Vetor de Burgers 
É um vetor que representa a direção e a magnitude 
das discordâncias. Representado por 
�� é perpendicu-
lar a linha de discordância de aresta e paralelo a linha 
de discordância em espiral. 
� Toda estrutura cristalina possui discordâncias, 
que foram introduzidas durante a solidifica-
ção, deformação plástica e como conseqüên-
cia das tensões térmicas causadas por um rá-
pido resfriamento. Elas são essenciais para 
impedir o deslizamento dos planos de elé-
trons aumentando a resistência do material. 
Propriedades mecânicas dos materiais 
 
Conceitos de tensão e deformação 
Ensaio de tração 
O ensaio de um material é feito para averiguar suas 
propriedades. Uma amostra é deformada normalmen-
te até sua fratura. 
No ensaio de tração o corpo-de-prova é alongado pela 
máquina aplicando forças contrárias externas em suas 
extremidades. A medição do ensaio é a tensão aplica-
da e o alongamento do corpo-de-prova. 
A tensão de engenharia σ padroniza a tensão aplicada 
à seção transversal do corpo-de-prova. 

 �
�
��
 ����� 
A deformação de engenharia ε é definida como a 
variação da deformação dividida pelo comprimento 
original. 
ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 10 
 
Renan Salvate Campos 
� �
∆�
��
 �%� 
Deformação Elástica 
A tensão e a deformação são proporcionais entre si e 
dependem de um módulo de elasticidade E [GPa] 
característico do material. 

 � � ∙ � 
O processo de deformação proporcional a tensão, é 
uma deformação elástica. O gráfico deve ser linear: 
 
�A deformação elástica é temporária, quando a car-
ga é liberada, o material volta a sua condição normal. 
É caracterizada como uma pequena alteração no es-
paçamento atômico e no alongamento de suas liga-
ções, que não se rompem. 
Deformação Plástica 
Quando a tração aplicada sobre um elemento é maior 
do que a suportada pela transformação elástica, ocor-
re à deformação plástica, uma deformação não recu-
perável. 
A deformação plástica ocorre na quebra das ligações 
atômicas seguidas pela formação de ligações com 
outros átomos. 
Para sólidos cristalinos, essa deformação ocorre por 
meio do escorregamento, envolvendo o movimento 
das discordâncias. Para sólidos não cristalinos ocor-
rem por escoamento viscoso. 
 
Propriedades de tração 
Escoamento e limite de escoamento 
As estruturas são projetadas para garantir que ocor-
ram apenas deformações elásticas quando sofrem 
tração, a partir do momento que sofrem o escoamen-
to, ou seja, inicia-se a deformação plástica, o material 
perde suas funcionalidades. 
Esse escoamento ocorre quando a linearidade da de-
formação elástica é modificada, esse ponto chama-se 
limite de escoamento e pode ser determinado pela 
interseção da curva tensão-deformação com uma reta 
paralela a reta de deformação elástica, distanciada de 
0,002 dela. 
 Limite de resistência a tração 
Após o início do escoamento a tensão aumenta até 
um valor máximo e diminui até a sua fratura. O ponto 
de máximo é o limite de resistência a tração e o pon-
to de fratura é o limite de resistência a fratura. 
A partir do LRT começa a ocorrer o empescoçamento, 
até antes dele, a deformação era linear. 
Em projetos, o valor do limite de resistência descrito 
com o valor do limite de escoamento, devido ao fato 
de que se o material alcançar o limite de resistência 
real já sofreu transformação plástica e ficou inutilizá-
vel. 
Diagrama tensão deformação 
 
Ductilidade 
A ductilidade é a medida do grau de deformação plás-
tica sofrida pelo material até sua fratura. 
ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 11 
 
Renan Salvate Campos 
� Material com pouca deformação plástica 
(<5%Al) é frágil. 
� Material com muita deformação plástica é 
dúctil. 
A ductilidade é expressa em porcentagem de alon-
gamento (%Al) 
%�� �
�� ∙ ��
��
∙ 100 
Onde l é o comprimento, sendo f na fratura e i no 
início. 
Resiliência 
Resiliência é a capacidade de um material absorver 
energia quando deformado e permitir a recuperação 
dessa energia quando a carga é retirada. 
Associado ao módulo de resiliência UR é dado pela 
metade da tensão no escoamento multiplicado pela 
deformação no escoamento, e sua unidade é [Pa] ou 
[J/m³]: 
"# �
1
2
∙ 
% ∙ �% �

%
&
2�
 
Materiais resilientes possuem altos limites de escoa-
mento e baixos módulos de elasticidade, molas por 
exemplo. 
Tenacidade 
A capacidade do material absorver energia te sua 
fratura é dada pela sua tenacidade. 
Representada pela área da curva tensão-deformação 
até sua fratura, ou seja, materiais tenazes são resis-
tentes e dúcteis. Sua unidade é [MPa] ou [J/m³]. 
Discordâncias e deformação plástica 
A deformação plástica ocorre devido ao movimento 
das discordâncias quando o material é submetido a 
tensões. 
A discordância de aresta sofre um escorregamento 
perpendicular a sua linha de discordância, que rompe 
todas as ligações atômicas por onde passa até emergir 
na superfície do material. 
Já na discordância em espiral, o movimento da de-
formação é perpendicular a tensão, como se provo-
casse um rasgo no material, rompendo as ligações até 
emergir na superfície. 
A densidade das discordâncias de um material é ex-
pressa como o comprimento total de discordâncias 
por unidade de volume. 
Encruamento 
O fenômeno segundo o qual um metal dúctil se torna 
mais duro e mais resistente quando sofre uma defor-
mação plástica é chamada de encruamento. 
Esse trabalho a frio aumenta a densidade das discor-
dâncias, deixando-as mais próximas ou aumentando 
sua quantidade. Com isso, uma discordância atrapalha 
o deslocamento da outra e o material fica mais duro e 
resistente, porém mais frágil. 
O aumento da resistência é proporcional a quantidade 
de trabalho aplicada. Para desfazê-la é necessário um 
trabalho a quente, como o recozimento.Estrutura dos Polímeros 
Moléculas de Hidrocarbonetos 
A maioria dos polímeros são materiais orgânicos, con-
seqüentemente formados por hidrocarbonetos. 
As moléculas que possuem ligações covalentes duplas 
e triplas são insaturadas, Ex: Etileno (C2H4) e Acetileno 
(C2H2). 
As moléculas que possuem ligações covalentes sim-
ples são saturadas, Ex: Metano (CH4), Etano (C2H6), 
Propano (C3H8). 
Grupos comuns de hidrocarbonetos 
• Alcoois ' − )* 
• Éteres ' − ) − ' 
• Ácidos ' − +,-
.-/ 
• Aldeídos + � )/.
#. 
• Aromático 
 R 
 
ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 12 
 
Renan Salvate Campos 
Química das moléculas poliméricas 
A forma genérica de representação de um polímero é: 
 
Onde R representa um átomo ou grupo orgânico, de-
finido assim o tipo de polímero que a cadeia com n 
meros caracteriza. 
• Quando todas as unidades repetidas são i-
guais, o polímero é um Homopolímero. 
• Quando as unidades repetidas são diferentes, 
o polímero é um Copolímero. 
Os tipos mais comuns são? 
• Politetrafluoretileno, Teflon 
• Cloreto de Polivinila, PVC 
• Polietileno, PE 
• Polipropileno PP 
• Poliestireno PS 
Peso molecular 
Polímeros com cadeias muito longas têm peso mole-
cular elevado. Durante a polimerização as cadeias 
crescem em tamanhos variados resultando numa dis-
tribuição do peso molecular. 
O peso molecular médio é determinado pela viscosi-
dade e pressão osmótica do material. 
Forma Molecular 
As macromoléculas poliméricas são formadas por 
grandes cadeias que podem se dobrar e enrolar for-
mando um emaranhado, e um polímero consiste de 
várias cadeias juntas de forma desorganizadas. 
Algumas características dependem dessa estrutura, 
como grandes alongamentos elásticos, flexibilidade e 
propriedades mecânicas e térmicas. 
Quanto mais simples for a unidade repetida, mais 
movimento tem o polímero, logo uma maior desorga-
nização. 
Estrutura Molecular 
Polímeros lineares 
São aqueles em que as unidades repetidas são ligadas 
por uma única cadeia. São os mais flexíveis: 
PE, PVC, PS, Náilon e Fluorcarbonos 
 
Polímeros ramificados 
São aqueles que têm cadeias ramificadas laterais liga-
das a cadeia principal. Sua compactação é prejudicada 
em relação a linear, resultando na redução de sua 
massa específica. 
LDPE – Polietileno de baixa densidade. 
 
 
 
 
Polímeros com ligações cruzadas 
São cadeias interligadas por ramificações. Obtida du-
rante a síntese é irreversível. 
Processo de vulcanização da borracha. 
 
 
 
 
 
Polímeros em rede 
Monômeros multifuncionais contêm mais de três liga-
ções covalentes, formam redes tridimensionais e pos-
suem propriedades distintas. 
Epoxi, Poliuretano e fenol-formaldeído 
 
Polímeros Termoplásticos 
A classificação dos polímeros é dada devido as suas 
características térmicas. 
ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 13 
 
Renan Salvate Campos 
Os polímeros termoplásticos amolecem com o au-
mento de temperatura e endurecem com o resfria-
mento em um processo reversível. 
Com o aumento da temperatura as ligações atômicas 
se rompem, permitindo o deslocamento das cadeias 
adjacentes e voltam a se ligar quando resfriadas. 
São eles: PE, OS, PET, PVC 
Polímeros termorrígidos 
Tem estrutura em rede e se tornam duros em sua 
síntese, não amolecem com o aquecimento e são mais 
duros e resistentes que os termoplásticos. 
São eles: Borracha Vulcanizada, Epóxi, Resina Fenóli-
ca, Resina Poliéster. 
Comportamento mecânico 
Tensão-deformação 
Existem três tipos diferentes de comportamentos 
tensão-deformação para os polímeros: 
a) Polímero Frágil que fratura durante a defor-
mação elástica 
b) Plásticos, com deformação inicial elástica, se-
guido por um escoamento e deformação plás-
tica. 
c) Totalmente elástica, a classe dos elastômeros, 
borrachas. 
 
O módulo de elasticidade e a ductilidade são determi-
nados de forma semelhante aos metais. 
A curva 2 tem o limite de escoamento na tensão no 
ponto de máximo. 
A variação de temperatura influencia nas característi-
cas do polímero com maior sensibilidade que nos me-
tais, produzindo uma maior ductilidade. 
Deformação viscoelástica 
Polímeros que variam suas propriedades entre extre-
mos conforme a temperatura são viscoelásticos. 
A baixas temperaturas são sólidos como vidro, em 
temperatura ambiente parecem borracha e em eleva-
das temperaturas são viscosos ou líquidos. 
A deformação elástica é dependente do tempo, e não 
instantânea, logo, não é completamente reversível. 
Deformação de elastômeros: Vulcanização 
O processo de formação de ligações cruzadas em elas-
tômeros consiste em um processo químico irreversível 
conduzido em temperaturas elevadas. Com a adição 
de enxofre, os átomos de carbono que faziam ligações 
duplas se unem a ele e conseqüentemente às cadeias 
se unem também. Aumenta com isso o módulo de 
elasticidade, limite de resistência a tração, a resistên-
cia a oxidação. A capacidade de alongamento é redu-
zida. 
Plásticos 
Os polímeros plásticos apresentam rigidez estrutural e 
uma grande variedade de características e proprieda-
des. Podem ser termoplásticos ou termofixos, e de-
vem ser utilizados abaixo da temperatura de transição 
vítrea (amorfo) ou temperatura de fusão (cristalino) 
ou devem possuir ligações cruzadas suficientes para 
manterem-se inalterados com o aquecimento. 
São eles: PE, PP, PVC, PS, Fluorcarbono, Epóxis, Fenó-
licos e Poliesteres. 
Elastômeros 
As propriedades dos elastômeros dependem do grau 
de vulcanização. Os mais comuns são a borracha na-
tural, o SRB utilizado em pneus de automóveis, o N-
BR, importante por sua resistência ao intumescimento 
(crescimento, expansão) e a borracha de silicone 
composta por átomos alternados de silício e oxigênio, 
que possuem alta flexibilidade a baixa temperatura e 
mantém a estabilidade em temperatura elevada. A-
lém de serem biocompatíveis e algumas vulcanizarem 
em temperatura ambiente. 
 
ENG1015 Introdução a Ciência e E
 
Renan Salvate Campos 
 
Materiais compósitos seguem o princípio de ação 
combinada, ou seja, as melhores propriedades de 
materiais distintos são combinadas para gerar um 
novo material com propriedades ideais para sua apl
cação. 
São compostos por duas fases. A Matriz
nua e envolve a segunda, a fase dispersa
segunda responsável pela classificação do compósito. 
Ela pode ser composta de partículas, fibras ou estr
turas. 
Compósitos reforçados por partículas
Os compósitos que tem sua resistência aumentada 
por dispersão são compostos por partículas de escala 
nanométrica. O aumento da resistência se deve ao 
fato de as partículas impedirem o movimento das 
discordâncias da matriz quando esse suporta uma 
carga. Limite de escoamento, resistência a tração 
dureza são melhoradas. 
Os compósitos com resistência aumentada por 
culas grandes são compostos por partículas de outro 
material, de tamanho considerável e distribuição h
mogênea. Servem para aumentar a resistência da 
matriz ou ocupar volume do mesmo no caso de um 
material caro. Um exemplo são os cermetos
tos de cerâmica-metal muito utilizado como ferr
menta de corte para aços endurecidos. Pneus de a
tomóveis com borracha e negro de fumo, partículas 
provenientes da combustão que aumentam a resi
tência a tração, tenacidade, resistência a tração e à 
abrasão. 
Compósitos
Partículas
Partículas 
Grandes
Dispersão
Fibras
Contínuas
Descontínuas
Estrutural
Laminadas
Sanduiche
Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais 
Compósitos 
princípio de ação 
ou seja, as melhores propriedades de 
materiais distintos são combinadas para gerar um 
novo material com propriedades ideais para sua apli-
Matriz, que é contí-
fase dispersa. Sendo a 
ponsável pela classificação do compósito. 
Ela pode ser composta de partículas, fibras ou estru-
 
Compósitos reforçados por partículasOs compósitos que tem sua resistência aumentada 
são compostos por partículas de escala 
aumento da resistência se deve ao 
fato de as partículas impedirem o movimento das 
discordâncias da matriz quando esse suporta uma 
Limite de escoamento, resistência a tração e 
Os compósitos com resistência aumentada por partí-
são compostos por partículas de outro 
material, de tamanho considerável e distribuição ho-
mogênea. Servem para aumentar a resistência da 
matriz ou ocupar volume do mesmo no caso de um 
cermetos, compósi-
metal muito utilizado como ferra-
. Pneus de au-
tomóveis com borracha e negro de fumo, partículas 
provenientes da combustão que aumentam a resis-
tência a tração, tenacidade, resistência a tração e à 
Concreto 
Um compósito comum com partículas grandes, a brita 
e a areia, agregados por uma cerâmica, o cimento. 
Pode ser asfáltico para pavimentação ou Portland 
para estruturas. 
O concreto Portland é composto por cimento Po
tland, um agregado fino (areia), um agregado 
(brita) e água. As partículas servem para reduzir o 
custo do concreto. Deve existir uma porção adequada 
de cada material para garantir características ideais. É 
muito resistente a compressão, porém frágil a tração, 
por isso ele é comumente reforçad
Concreto armado 
Antes do concreto curar, podem ser inseridos no seu 
interior vergalhões de aço, o que aumenta sua resi
tencia a tração, compressão e cisalhamento. Pode ser 
mais reforçado com adição de materiais fibrosos de
de que não se decomponham em c
posição ao cimento. 
Concreto pretendido 
Outra forma de fortalecer é o concreto é o pretensi
namento. Colocam-se cabos de aço totalmente tr
cionados na forma do concreto, quando este seca os 
cabos são soltos e a compressão dos cabos dão uma 
grande resistência a tração ao concreto. O concreto 
deve ser de alta qualidade, pequena contração e baixa 
taxa de fluência. 
Concreto reforçado com fibras
A orientação das fibras é importante assim como a 
sua concentração. As fibras podem estar totalmente 
alinhadas, quando são contínuas ou parcialmente 
alinhadas ou aleatórias quando são descontínuas. 
Sendo a distribuição uniforme, melhor a qualidade.
Compósitos com fibras contínuas alinhadas
O comportamento tensão deformação depende da 
composição dos componen
ção da tração; 
No caso de uma tensão longitudinal
mesmo sentido das fibras acontecem etapas:
Alinhadas
Dispersas
P á g i n a | 14 
compósito comum com partículas grandes, a brita 
e a areia, agregados por uma cerâmica, o cimento. 
ltico para pavimentação ou Portland 
O concreto Portland é composto por cimento Por-
tland, um agregado fino (areia), um agregado grosso 
e água. As partículas servem para reduzir o 
to do concreto. Deve existir uma porção adequada 
de cada material para garantir características ideais. É 
muito resistente a compressão, porém frágil a tração, 
por isso ele é comumente reforçado. 
Antes do concreto curar, podem ser inseridos no seu 
interior vergalhões de aço, o que aumenta sua resis-
tencia a tração, compressão e cisalhamento. Pode ser 
mais reforçado com adição de materiais fibrosos des-
de que não se decomponham em contato com a ex-
Outra forma de fortalecer é o concreto é o pretensio-
se cabos de aço totalmente tra-
cionados na forma do concreto, quando este seca os 
cabos são soltos e a compressão dos cabos dão uma 
rande resistência a tração ao concreto. O concreto 
deve ser de alta qualidade, pequena contração e baixa 
Concreto reforçado com fibras 
A orientação das fibras é importante assim como a 
sua concentração. As fibras podem estar totalmente 
inhadas, quando são contínuas ou parcialmente 
alinhadas ou aleatórias quando são descontínuas. 
Sendo a distribuição uniforme, melhor a qualidade. 
Compósitos com fibras contínuas alinhadas 
O comportamento tensão deformação depende da 
composição dos componentes e da direção da aplica-
tensão longitudinal, ou seja, no 
mesmo sentido das fibras acontecem etapas: 
ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 15 
 
Renan Salvate Campos 
1- A fibra e a matriz se deformam elasticamente, 
em seguida a matriz escoa mas as fibras con-
tinuam a deformação elástica. 
2- A matriz escoa até a fratura, se as fibras fratu-
rarem antes, não serão todas ao mesmo tem-
po, algumas fibras permanecerão intactas ga-
rantindo a coesão do compósito 
Compósitos com matriz polimérica 
Consistem em uma resina polimérica como matriz e 
fibras como meio de reforço. É muito utilizada devido 
a facilidade de fabricação a temperatura ambiente e 
do baixo custo. As mais comuns são: 
• GFRP – Fibra de Vidro 
• CFRP – Fibra de Carbono 
• Fibra de Aramida 
Compósitos com matriz metálica 
As matrizes metálicas são feitas para trabalhos em 
temperaturas elevadas, tem maior rigidez e resistên-
cia a abrasão e fluência. O reforço melhor a conduti-
vidade térmica e a estabilidade dimensional. Não de-
grada em fluidos orgânicos. São mais caros e tem utili-
zação restrita a componente de motores, reforços 
estruturais e veículos aeroespaciais. 
Compósitos com matriz cerâmica 
Resistentes a temperatura e oxidação, os cerâmicos 
seriam perfeitos se não fosse à fragilidade. 
A tenacidade é melhorada com a incorporação de 
partículas cerâmicas, que impedem à propagação das 
trincas aumentando também a resistência à tração. 
São muito utilizados como ferramentas de corte de 
aços endurecidos. 
Compósitos Carbono-Carbono 
Uma matriz de carbono reforçada por fibras de carbo-
no é cara e possui alto módulo e limites de resistência. 
Resiste a altas temperaturas, são tenazes e resistem à 
fluência, baixa expansão e condutividade térmica. 
Oxidam a altas temperaturas. 
São empregados em motores de foguetes, superfícies 
de atrito para reentrada na atmosfera, e em veículos 
de alto desempenho. 
Compósitos laminados 
 Formadas por uma série de lâminas de alta resistên-
cia, que são empilhadas em sentidos diferentes e uni-
das uns aos outros. Tem uma alta resistência em to-
das as direções do plano bidimensional. Aplicado no 
esqui moderno. 
Painéis Sanduíche 
Projetadas para ser de baixo peso com resistência 
elevada, consiste em duas laminas externas unidas a 
um núcleo mais espesso. 
As lâminas são rígidas e resistentes, já o núcleo é leve 
e possui baixo módulo de elasticidade. 
O núcleo suporta as lâminas e resiste a tensões de 
cisalhamento. 
São usados em telhados, pisos e paredes de prédios, 
aviões e espaçonaves. 
 
Propriedades elétricas 
 
A exploração das propriedades elétricas de um mate-
rial é verificar suas repostas a campos elétricos. 
Condução elétrica 
Lei de Ohm 
A facilidade de um material de transmitir corrente 
elétrica é uma das principais características elétricas 
do material. Ela pode ser representada pela Lei de 
Ohm. 
0 � ' ∙ 1 
Onde, V [Volt = J/C] é uma voltagem aplicada ao ma-
terial, R [Ω = V/A] a resistência do material e i [A = C/s] 
a corrente que passa por ele. 
ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 16 
 
Renan Salvate Campos 
Outra característica é a resistividade, que diferente da 
Resistência, não está relacionada à geometria da a-
mostra. 
2 �
' ∙ �
�
 
Onde ρ [Ω∙m] é a resistividade, R a resistência, A [m²] 
a área da seção transversal perpendicular a corrente e 
l a distancia entre os dois pontos de medição da vol-
tagem. 
Condutividade elétrica 
A condutividade σ também pode ser usada para re-
presentar as propriedades elétricas do material. Ela 
nada mais é do que o inverso da resistividade, ou seja, 
indica a capacidade do material induzir corrente elé-
trica. 
A intensidade do campo elétrico ou diferença de po-
tencial E é dada pela voltagem que percorre o materi-
al dividia pelo seu comprimento, ou pode ser descrita 
como a densidade de corrente J (J = i/A) dividida pela 
condutividade do material: 
� �
0
�
�
3
 
Os materiais sólidos exibemuma grande faixa de con-
dutividade, isso pode ser usada para classificar os 
materiais conforme sua capacidade de conduzir cor-
rente. Podendo se dividir em 3 grupos: Condutores, 
semicondutores e isolantes. 
• Condutores: Em sua maioria metais, σ ≈ 107 
• Semicondutores: 10-6 ≤ σ ≤ 104 
• Isolantes: 10-10 ≤ σ ≤ 10-20 
Estruturas das bandas de energia 
 
Para cada átomo individual existem níveis energéticos 
discretos que podem ser ocupados pelos elétrons, os 
quais estão arranjados em camadas. 
 
Quando um átomo está sozinho, ele apresenta sua 
ordenação eletrônica comum, porém, quando ele está 
na presença de outros átomos, a distâncias pequenas, 
o núcleo de um átomo influencia no outro. Essa influ-
encia faz com que os estados atômicos se dividam em 
uma série de outros estados para formar as bandas de 
energia eletrônica. 
A extensão dessa divisão depende do espaço inter-
atômico, quando menor ele for, mais divisões ocor-
rem. 
Entre bandas adjacentes, pode existir espaços vazios, 
no espaço entre as bandas, não há lugar disponível 
para ocupação dos elétrons. Porém, podem existir 
estados vazios em uma banda, em que em princípio 
nenhum elétron a ocupa, mas um elétron de outra 
banda pode preenchê-la. 
Os elétrons de cada átomo em um sólido estão sujei-
tos à interação com os átomos vizinhos. Ao aproxi-
marmos um átomo isolado a outros, os níveis de e-
nergia de cada um são perturbados levemente pela 
presença do vizinho, pois o Princípio de Exclusão de 
Pauli não permite que ocupem níveis de energia i-
guais. Se aproximarmos um grande número de áto-
mos, teremos um grande número de níveis de energia 
próximos uns dos outros, formando uma "banda de 
energia" quase contínua no lugar dos discretos níveis 
de energia que os átomos teriam individualmente. 
Existem quatro tipos diferentes de banda: 
ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 17 
 
Renan Salvate Campos 
 
A) banda eletrônica encontrada em metais como o 
cobre, onde existem estados eletrônicos disponíveis 
abaixo e adjacentes aos estados preenchidos 
B) banda eletrônica encontrada em metais como 
magnésio, onde existe superposição das bandas mais 
externas. 
C) banda eletrônica de isolantes, a estrutura da banda 
de valência está separada das bandas de condução 
por um longo espaço. 
D) banda eletrônica de semicondutores, a estrutura 
da banda de valência está separada das bandas de 
condução por um pequeno espaço. 
A energia correspondente ao estado preenchido mais 
elevado é chamada de Energia de Fermi, nos metais, 
ela se encontra na mais alta posição dos esta-
dos/bandas preenchidas e nos isolantes e semicondu-
tores, se encontra no meio do espaçamento entre as 
bandas. 
Condução em termos de banda 
Somente podem ser influenciados por um campo elé-
trico, aqueles elétrons que tem energia maior do que 
a energia de Fermi, chamados de elétrons livres. Nos 
semicondutores e isolantes, também encontramos os 
buracos, entidades com energia menor do que a de 
Fermi e participam da condução eletrônica. 
A condutividade elétrica está diretamente ligada a 
quantidade de elétrons livres e buracos. Da mesma 
forma é feita a distinção entre condutores, semi e 
isolantes. 
Metais 
Para os metais é muito simples levar os elétons livres 
para os estados vazios, como ela está bem próxima do 
estado preenchido, qualquer energia levemente mai-
or que a energia de Fermi, que excite o elétron é ca-
paz de fazê-lo. 
Semicontudores e isolantes 
Nesse caso, os estados vazios adjacentes a banda pre-
enchida não estão disponíveis. Para que os elétrons se 
tornem livres é necessária uma excitação com energia 
suficiente para ultrapassar o espaçamento. Quanto 
maior o espaçamento, maior a energia necessária, 
logo quanto menor o espaçamento, maior será a con-
dutividade elétrica do material. 
Semicondução Intrínseca 
Os semicondutores intrínsecos são aqueles que apre-
sentam estrutura de banda eletrônica conforme mos-
trado no item D, ou seja, uma banda de valência está 
completamente separada da outra por um espaço 
“proibido” relativamente estreito. 
Os dois semicondutores básicos são o Silício (Si) e o 
Germânio (Ge), que apresentam energia de espaça-
mento de 1,1 eV e 0,7 eV respectivamente, valores 
menores do que 2 eV, que é o limite para semicondu-
tores. Além de integrarem o mesmo grupo na tabela 
periódica, eles se ligam por ligações covalentes. 
Outros compostos semicondutores são: 
• Arseneto de Gálio (GaAs) 
• Antimônio de Índio (InSb) 
• Sulfeto de Cádmio (CdS) 
• Telureto de Zinco (ZnTe) 
Esses elementos, quando fora do composto apresen-
tam características isolantes. 
Buracos 
Na semicondutividade intrínseca quando um elétron é 
excitado para a banda de condução, fica faltando um 
elétron nas ligações covalentes ou nos esquemas de 
bandas, um estado vazio nas bandas de valência. 
Essa falta de elétron pode ser vista como um buraco, 
que “se move” conforme os outros elétrons preen-
chem o lugar daquele que foi excitado. 
Semicondução Extrínseca 
Na semicondução Extrínseca o comportamento elétri-
co é caracterizado pelas impurezas, que induzem um 
excesso de elétrons livres ou buracos 
ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 18 
 
Renan Salvate Campos 
Tipo n 
Imaginando uma cadeia de silícios, por exemplo, com 
valência 4, se for adicionada uma impureza substitu-
cional de valência 5, um elétron ficará livre para ser 
levado para as bandas de condução. Quando esse 
elétron livre é excitado para a banda de condução, 
nenhum buraco se forma na banda de valência, por 
isso, impurezas desse tipo são chamadas de doadoras. 
Ex.: P, As e Ab. 
Tipo p 
Um efeito oposto ocorre quando é adicionada a essa 
cadeia de silício uma impureza de valência 3. Dessa 
forma, surge um buraco nas ligações covalentes, que 
faz com que os elétrons se movimentem para cobri-lo, 
ou seja, o buraco “se move” e gera a condução elétri-
ca. Quando esse buraco chega ao topo da banda de 
valência, cria um estado no espaço entre as bandas, 
mas sem criar nenhum elétron livre, por conta disso é 
chamada de receptoras. Ex.: Al, B, Ga 
O processo de transformar ligas e materiais com pure-
za extremamente elevada em supercondutores com a 
adição de impurezas é chamado de dopagem. 
Dispositivos semicondutores 
A junção Retificadora p-n 
Um retificador, ou diodo é um dispositivo que permite 
que uma corrente passe em somente uma direção, 
por exemplo, transforma corrente alternada em con-
tínua. Uma junção retificadora p-n é construída como 
uma única peça de semicondutor, e dopada de modo 
a ser do tipo n em um lado e do tipo p em outro. 
Quando uma bateria é ligada a peça, o terminal posi-
tivo pode ser conectado ao lado p e o negativo ao 
lado n, formando um fluxo para frente, ou seja, polari-
zação direta. A polaridade oposta forma fluxo reverso, 
ou seja, polarização inversa. 
 
Curva V-I 
 
O transistor 
O transistor é de essencial importância para a infor-
mática. Eles são capazes de amplificar um sinal elétri-
co e servem também como interruptores nos compu-
tadores para o processamento e o armazenamento de 
informações. Os tipos principais são os transistores de 
junção e o MOSFET (transistor semicondutor de efeito 
de campo metal-óxido). 
Leds 
Os leds são diodos emissores de luz. Dispositivos que 
convertem elétrons em fótons. A junção PN polarizada 
diretamente injeta elétrons da corrente, na banda de 
condução, nos buracos na banda de valência da região 
tipo P e emitem fótons. 
 
São formados por semicondutores e suas cores de-
pendem no material que os formam. Dependendo do 
material, o gap de energia entre as duas bandas é 
menor ou maior, essa energia define a cor da luz emi-
tida. 
 
ENG1015 Introdução a Ciência e E
 
Renan Salvate Campos 
Fontes de energia renovável
A crescente procura por energias alternativas fazemnecessária o desenvolvimento de tecnologia que t
nha a mesma eficiência e preços menores do que a 
produção energética atual. 
Hidráulica 
Eletricidade gerada pela força da água, a energia p
tencial da represa é transformada em cinética nas 
comportas e em elétrica nas turbinas. Energia renov
vel de baixa emissão em funcionamento
graves prejuízos ambientais para implantação.
Eólica 
Eletricidade gerada pela força dos ventos, a energia 
cinética movimenta as pás dos cata-ventos e a turbina 
a transforma em energia elétrica. Existem 2.000 us
nas eólicas no mundo, sendo 4 no Brasil, com geração 
de 1MW até 10 MW. Energia limpa, nenhuma emissão 
de poluentes, porém cara e pouca geração. Depende 
muito de fatores ambientais. 
Solar 
Eletricidade gerada pela excitação das fotocélulas pela 
luz solar. O sol transforma, por fusão nuclear, 657 
milhões de toneladas de H2 em 653 milhões de ton
ladas de He. Somente 2 bilionésimos da energia irr
diada chega a Terra. Energia limpa e abundante, p
rém ainda cara. 
Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais 
Fontes de energia renovável 
 
A crescente procura por energias alternativas fazem 
necessária o desenvolvimento de tecnologia que te-
nha a mesma eficiência e preços menores do que a 
gerada pela força da água, a energia po-
tencial da represa é transformada em cinética nas 
comportas e em elétrica nas turbinas. Energia renová-
vel de baixa emissão em funcionamento, mas com 
ambientais para implantação. 
 
gerada pela força dos ventos, a energia 
ventos e a turbina 
. Existem 2.000 usi-
nas eólicas no mundo, sendo 4 no Brasil, com geração 
de 1MW até 10 MW. Energia limpa, nenhuma emissão 
tes, porém cara e pouca geração. Depende 
 
Eletricidade gerada pela excitação das fotocélulas pela 
luz solar. O sol transforma, por fusão nuclear, 657 
em 653 milhões de tone-
2 bilionésimos da energia irra-
diada chega a Terra. Energia limpa e abundante, po-
Biomassa 
Eletricidade gerada pela queima de gazes liberados na 
decomposição de matéria orgânica em aterros sanit
rios controlados. Polui menos que a queima de
bustíveis fósseis e apresenta uma solução para o 
cúmulo de lixo. Necessário um grande controle para 
evitar vazamento de substâncias tóxicas nos 
freáticos. 
Células de combustíveis
Descoberta em 1839 possui um funcionamento muito 
simples, e consegue gerar uma grande quantidade de 
energia. 
Dois eletrodos conectados externamente por um ci
cuito elétrico e separados por um eletrólito são e
postos, sob a presença de um 
nio como combustível de um lado e ao
O hidrogênio se divide em um íon H
anodo. O O2 percorre o eletrólito para se encontrar 
com o H+ e formar água e calor, e o elétron gera co
rente elétrica. 
P á g i n a | 19 
 
Eletricidade gerada pela queima de gazes liberados na 
decomposição de matéria orgânica em aterros sanitá-
rios controlados. Polui menos que a queima de com-
bustíveis fósseis e apresenta uma solução para o a-
cúmulo de lixo. Necessário um grande controle para 
evitar vazamento de substâncias tóxicas nos lençóis 
 
Células de combustíveis 
Descoberta em 1839 possui um funcionamento muito 
nsegue gerar uma grande quantidade de 
 
Dois eletrodos conectados externamente por um cir-
cuito elétrico e separados por um eletrólito são ex-
postos, sob a presença de um catalisador, ao Hidrogê-
de um lado e ao O2 no outro. 
rogênio se divide em um íon H+ e um elétron no 
percorre o eletrólito para se encontrar 
e formar água e calor, e o elétron gera cor-
ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 20 
 
Renan Salvate Campos 
 
Conceitos gerais 
Baseia seu funcionamento em células eletroquímicas 
comuns, como as pilhas, por exemplo, contém dois 
eletrodos, positivo e negativo. Gera eletricidade da 
queima de um combustível, que no caso pode ser o 
Hidrogênio puro, obtido diretamente da célula ou 
outros combustíveis como o CH4 ou C2H5OH (etanol). 
Reação 
Movida pela concentração de O2, sendo alta no lado 
do Catodo e quase nula no lado do Anodo, funciona 
com a difusão de íons no seu interior, e a reação se 
completa no lado do Anodo 
2*& � 4*
5 + 46. 
)& + 46
. � 2)&
. 
2*& + )& � 4*
5 + 2)&
. � 2*&) 
Vantagens e desvantagens 
Duas vezes mais eficientes que motores a combustão. 
Reação silenciosa. Emissão de calor e vapor de água. 
Custo 4 vezes maior do que combustível fóssil. 
Tipos de células 
AFC – Célula Alcalina 
Utiliza KOH como combustível, e tem 60% de eficiên-
cia. Desenvolvida pela NASA em 1930 e é utilizada em 
ônibus espaciais. Dura mais de 80.000 horas de vôo, 
mas usa Pt como catalisador, por isso é muito cara. 
PEFC – Célula a eletrólito polimérico 
Também conhecida como membrana de troca de pró-
tons, tem de 40% a 50% de eficiência. Possui alta den-
sidade de corrente, facilidade de funcionamento, po-
rém utiliza Pt como catalisador. 
 Exemplos 
� Projeto NECAR armazena as células de com-
bustível e reservatório de hidrogênio sob os 
bancos. 
� Projeto AUTOnomia da GM tem um chassi 
removível com as células, e reservatórios de 
hidrogênio, assim como o motor. Deixa livre o 
interior da cabine. 
� Motocicleta ENV pesa até 80kg e faz 0 a 
100km/h em 14s 
Desvantagens do H2 nos carros 
O H2 não é um combustível, e deve ser processado. 
Tem armazenamento perigoso quando comparado a 
combustíveis fósseis. Têm de 30% a 50% de perda de 
energia para sua obtenção, compressão e transforma-
ção em energia. Não existe infra-estrutura de distribu-
ição. 
 
DMFC – Células de metanol direto 
Utilizando um eletrólito polimérico, retira o H2 dire-
tamente do metanol dispensando a necessidade de 
reforma do combustível. Utilizado em dispositivos 
portáteis. 
PAFC – Células de ácido fosfórico 
Utiliza ácido fosfórico como eletrólito. Foi a primeira 
tecnologia a ser comercializada. Funciona em unida-
des estacionárias ou em grandes veículos. Tem efici-
ência de 80%. Utiliza Pt como catalisador, por isso é 
muito caro. 
MCFC – Células de carbonato fundido 
Utiliza um eletrólito de sal carbonato fundido, que 
trabalha a alta temperatura. Tem eficiência de 60% a 
85%. Vantajosa por usar Ni como catalisador, e pode 
ser alimentada por hidrocarbonetos. 
SOFC – Células de óxido sólido 
Utiliza como eletrólito a Zircônia (ZrO2) e a Ítria (Y2O3). 
Trabalha em altas temperaturas, entre 800ºC e 
1000ºC. Eficiência de 85%. Vantajosa por usar Ni co-
ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 21 
 
Renan Salvate Campos 
mo catalisador, e pode ser alimentada por hidrocar-
bonetos. Apresenta alto desgaste de materiais. 
Mais eficiente e menos poluente do que combustíveis 
fósseis: 
 
Catodo 
O material mais utilizado é a Manganita de Lantânio 
dopada com Estrôncio (LSM) por possuir alta conduti-
vidade elétrica, coeficiente de expansão térmica (CET) 
compatível com outros componentes da pilha, estabi-
lidade química, porosidade suficiente para o transpor-
te de O2. 
Anodo 
O material mais utilizado é o NiO/YSZ que se reduz 
facilmente a Ni/YSZ em atmosfera de H2. Serve para 
promover um local adequado para a reação do H2 com 
os íons provenientes do eletrólito e remover os elé-
trons resultantes da reação para o circuito externo. 
Possui porosidade adequada, estabilidade química e 
física em atmosfera oxidante e redutora, CET adequa-
do, boa condutividade elétrica, alta condutividade 
catalítica e é compatível quimicamente com a pilha. 
Eletrólito 
Deve ser um material sólido capaz de transportar íons 
de oxigênio. A combinação ZrO2 + Y2O3 promove o 
transporte dos íons pelas vacâncias de oxigênio. A 
Zircônia pura é instável, com a presença da Ítria, ela 
fica estável e apresenta mais vacâncias para o oxigê-
nio. 
A mistura possui baixa porosidade, para impedir a 
passagem de gases, deve ser muito fina para a passa-
gem dos íons, tem alta condutividade para íons de 
oxigênio, baixa condutividade eletrônicapara diminuir 
as perdas da corrente no circuito externo, CET compa-
tível e deve trabalhar a altas temperaturas. 
Zircônia - ZrO2 
Possui estrutura cristalina CFC, sendo o Zr nas extre-
midades e no meio das faces. As vacâncias são lugares 
aonde deveriam estar os átomos de O2, mas estão 
vazios. 
 
O processo de difusão do Oxigênio ocorre com saltos 
dos íons, entre as posições da rede. Como o espaço é 
pequeno, demanda muita energia, logo, alta tempera-
tura. 
Célula unitária 
 
 
Tensão elétrica 
A tensão elétrica máxima é de 0,7V, limitada pela 
energia de Gibbs de formação da água. A corrente 
depende do número de moléculas reagindo por ins-
tante, o que pode aumentar em áreas maiores. Para a 
elevação da tensão, são necessárias várias células 
ligadas em série. 
Empilhamento 
Existem duas formas de empilhamento, em tubos ou 
em pilhas: 
ENG1015 Introdução a Ciência e Engenharia de Materiais P á g i n a | 22 
 
Renan Salvate Campos 
 
Fluxo de gases 
 
Interconectores 
Os conectores que fazem a transferência da corrente 
da célula para o circuito deverem resistir às elevadas 
temperaturas e ao ambiente hostil. 
Cerâmicos 
• LaCrO3 é o mais utilizado pois suporta as tem-
peraturas de 800ºC a 1000ºC 
• Resistente ao ambiente oxidativo e redutor. 
• Baixa condutividade térmica e elétrica. 
• Difíceis de conformar 
Metais 
• Cr, Fe e Ni são os mais utilizados para células 
de temperaturas intermediárias. 
• Baixo custo 
• Boa condutividade térmica, reduzindo a tem-
peratura da célula. 
• Alto CET