Nota de Aula 01 - Classificacao e Propriedades dos Materiais

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Class. Propriedades dos Materiais - Revisão 06 Profa. Lucia Barbosa Página 1 
 
 
 
 
 FUNDAÇÃO EDSON QUEIROZ 
UNIVERSIDADE DE FORTALEZA 
 
Centro:________ Disciplina:________________________ _________________ Turma:_______ 
Data:___/___/___ 
 Aluno(a):________________________________________ ___ Matrícula:__________________
 
 
 
CLASSIFICAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS DE ENGEN HARIA 
 
1 – Introdução 
 
Materiais de Construção Mecânica é uma disciplina muito importante para o engenheiro 
mecânico, pois os materiais têm desempenhado um papel determinante na história da 
humanidade. A matéria nesta disciplina será exposta de tal modo que inicialmente serão 
discutidas as principais propriedades dos materiais. A seguir será estudada a organização dos 
átomos nos materiais metálicos, cerâmicos e poliméricos. Nesta parte serão tratados assuntos 
como ligações químicas, sólidos cristalinos, defeitos cristalinos e microestrutura. A seguir serão 
vistos os diagramas de fases e os processos de deformação dos metais policristalinos. 
Posteriormente serão detalhados os ensaios mecânicos que são utilizados para determinação 
das principais propriedades mecânicas. 
 
A abordagem considerada neste curso apresenta algumas ênfases. Por exemplo, os 
materiais cristalinos serão tratados com maior detalhamento que os amorfos. Os materiais 
metálicos ocuparão maior espaço que os cerâmicos, poliméricos e compósitos. As propriedades 
mecânicas serão discutidas em maior detalhe que todas as outras. Estas ênfases foram ditadas 
pela importância econômica e pelas aplicações destes materiais na engenharia mecânica. 
 
 
2 – Engenharia x Ciência dos Materiais 
 
A Ciência dos Materiais se ocupa com as relações entre a microestrutura e as 
propriedades dos materiais. O núcleo desta ciência é o estudo da microestrutura dos materiais. 
 
Ciência e Engenharia de Materiais (CEM) é a área da atividade humana associada com a 
geração e com a aplicação de conhecimentos que relacionem composição, estrutura e 
processamento às suas propriedades e usos. 
 
Os engenheiros estudam os materiais porque ao projetar componentes ou utilizá-los em 
diversas aplicações da engenharia terão de estar conscientes das suas propriedades e dos 
problemas que esses materiais originam. 
 
 
3 – Classificação dos Materiais 
 
Os materiais podem ser classificados de diversas formas. A classificação mais utilizada é 
baseada na composição. 
 
3.1) Metálicos 
• Composição: combinação de elementos metálicos (metal/metal e metal/não metal); 
• Grande número de elétrons livres (ligação metálica); 
• Muitas propriedades estão relacionadas a esses elétrons livres; 
• Propriedades gerais: 
� Resistência mecânica de moderada a alta; 
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� Moderada plasticidade; 
� Tenacidade de moderada a alta; 
� Opacidade; 
� Boa condutividade elétrica e térmica. 
• Exemplos: 
� Ligas ferrosas: aços com baixo, médio e alto teor de carbono, aços liga; 
� Ferros fundidos: cinzento, nodular, maleável e branco; 
� Ligas não ferrosas: cobre e suas ligas, alumínio e suas ligas. 
 
3.2) Cerâmicos 
• Composição: combinação de elementos metálicos e não-metálicos (óxidos, carbetos e 
nitretos); 
• Tipos de ligação: caráter misto (iônico-covalente); 
• Propriedades gerais: 
� Isolantes elétricos e térmicos; 
� Refratários; 
� Inertes quimicamente (mais resistentes a ambientes agressivos que os metais e os 
polímeros); 
� Duros e frágeis (quebradiços). 
• Exemplos: cerâmicas tradicionais (à base de argila), cerâmicas de alto desempenho, 
vidros e cimento. 
 
3.3) Poliméricos 
• Composição: compostos orgânicos (carbono, hidrogênio, oxigênio e outros elementos 
tais como nitrogênio, enxofre e cloro); 
• São macromoléculas formadas a partir de unidades estruturais menores (monômeros); 
• Tipos de materiais: 
� Termoplásticos; 
 São compostos de longos fios lineares ou ramificados. A vantagem deste material 
está na remoldagem pois estes plásticos podem ser reciclados varias vezes. 
� Termofixos; 
 Possuem uma estrutura mais rígida pois ligações cruzadas unem os fios de 
polímeros. Não podem ser reciclados. 
� Elastômeros. 
 São macromoléculas que recuperam a sua forma e dimensões iniciais, após 
cessar a aplicação de uma tensão (possui propriedades elásticas). O termo 
borracha é um sinônimo usual de elastômero. 
• Propriedades gerais: 
� Baixa densidade; 
� Boa flexibilidade e capacidade de conformação; 
� Boa tenacidade; 
� Geralmente pouco resistentes a altas temperaturas. 
• Exemplos: polietileno (PE), borracha, teflon, PVC, baquelite, etc. 
 
3.4) Compósitos 
• Composição: resultado da combinação de dois ou mais materiais distintos em suas 
propriedades físicas. 
� Matriz; 
� Reforçador. 
• Projetados para apresentar as melhores características de cada um dos materiais 
envolvidos (ex: a fibra de vidro adquire a resistência à tensão do vidro e a flexibilidade 
do polímero); 
• Exemplos: fibra de vidro, fibra de carbono, pneus com banda de aço, concreto, fibras 
poliméricas (PET, kevlar). 
 
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4 – Propriedades Mecânicas 
 
A determinação e/ou conhecimento das propriedades mecânicas é muito importante para 
a escolha do material para uma determinada aplicação, bem como para o projeto e fabricação 
de um componente ou peça. As propriedades mecânicas definem o comportamento ou resposta 
à aplicação de esforços mecânicos, pois estas estão relacionadas à capacidade do material 
resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper e sem se deformar de forma 
incontrolável. 
 
Força (tensão) ⇒⇒⇒⇒ Deformação 
 
As propriedades consideradas mais importantes na seleção de materiais utilizados na 
engenharia são: 
 
4.1) Resistência Mecânica 
É a capacidade que tem um material de resistir a esforços externos nele aplicados. É a 
carga ou tensão suportada pelo material, dentro de certas condições. 
Ex: esforços de tração, compressão, dobramento ou flexão, torção, cisalhamento (ver Figura 1). 
 
Figura 1 – Representação esquemática de tipos de solicitação mecânica 
 
 
Fonte: www.ruy.alexandre.zzl.org/arquivos/engmat2propmec.pdf 
 
a) Tração 
A tração ocorre quando a força axial aplicada estiver atuando com o sentido dirigido para 
o exterior da peça. 
 
b) Compressão 
A compressão ocorre quando a força axial aplicada estiver atuando com o sentido dirigido 
para o interior da peça. 
 
c) Cisalhamento 
A tensão de cisalhamento ou tensão de corte é um tipo de tensão gerada por forças 
paralelas aplicadas em sentidos opostos porém em direções semelhantes. 
 
d) Flexão 
A flexão ocorre quando o esforço gerado promove uma deformação perpendicular à força 
aplicada. 
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e) Torção 
Quando uma peça, normalmente cilíndrica, sofre o efeito de um torque e uma força 
resistente, ela tende a sofrer torção. As deformações causadas a uma peça que sofre torção 
são deslocamentos angulares de uma seção em relação a outra. 
 
f) Flambagem 
A flambagem ou encurvadura ocorre em peças esbeltas (a área da seção transversal é 
pequena em relação ao seu comprimento), quando submetidas a um esforço axial e estas 
sofrem flexão transversal. 
 
4.2) Elasticidade 
É a capacidade que um material apresenta de deformar-se e recuperar a forma primitiva 
ou inicial logo que cesse o esforço que provocou a deformação (deformações temporárias). 
 
4.3) Plasticidade 
É a capacidade que um material apresenta de deformar-sepermanentemente, sem 
apresentar fissuras ou trincas, desde que submetido a cargas compatíveis com suas 
propriedades mecânicas. 
 
4.4) Dureza 
É a resistência que um material apresenta à deformação plástica permanente, originada 
por risco, penetração, corte, choque, atrito, etc. 
 
4.5) Ductilidade 
Corresponde à capacidade de um material poder se deformar apreciavelmente antes de 
romper. 
 
4.6) Fragilidade 
Corresponde à capacidade de um material romper apresentando pequena ou nenhuma 
deformação. 
 
4.7) Resiliência 
É a capacidade de um material absorver energia quando deformado elasticamente e 
devolvê-la, quando descarregado do esforço dinâmico que provocou a deformação. 
 
4.8) Tenacidade 
É a capacidade de um material deformar-se plasticamente e absorver energia antes de 
romper ou a capacidade de um material absorver energia até romper (quando submetido a um 
esforço dinâmico). 
 
4.9) Fadiga 
Ocorre quando um membro sob tensão de uma máquina ou estrutura começa a falhar sob 
a ação de uma tensão muito menor que a equivalente à sua tensão estática, se a tensão é de 
natureza cíclica, repetitiva ou alternada. 
 
4.10) Fluência 
Deformação plástica que ocorre em um material sob tensão constante ou praticamente 
constante em função do tempo e que pode levar o material à ruptura. A fluência só é 
preocupante quando o material está sujeito a altas temperaturas. 
 
 
5 – Propriedades Físicas 
 
As propriedades físicas são inerentes ou características aos próprios materiais, 
independentemente de qualquer solicitação. A mais importante delas é a densidade. Outras 
são: porosidade, umidade e microestrutura. 
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5.1) Densidade 
A densidade é uma propriedade da matéria que relaciona massa e volume. Em outras 
palavras, ele define a quantidade de massa contida em uma substância por unidade de volume. 
 
Densidade = massa / volume 
 
Os materiais metálicos apresentam uma ampla faixa de densidades, que vão desde 
materiais leves como o lítio (0,53 g/cm3) e o berílio (1,87 g/cm3) até materiais pesados como o 
tungstênio (19,3 g/cm3) e o irídio (22,65 g/cm3). Os materiais poliméricos são em geral muito 
leves e apresentam, na sua maioria, densidade entre 0,95 e 2,20 g/cm3. Já os materiais 
cerâmicos são em geral mais leves que os metálicos e mais pesados que os poliméricos. 
 
 
6 – Propriedades Térmicas 
 
As propriedades térmicas mais importantes para o engenheiro mecânico são: 
 
6.1) Ponto de Fusão 
O ponto de fusão é a temperatura em que um material passa do estado sólido para o 
estado líquido. A temperatura do ponto de fusão de cada material varia. O conhecimento da 
temperatura de fusão é fundamental pois produz importantes consequências em várias 
operações metalúrgicas como fundição, forjamento, soldagem, tratamento térmico, etc. 
 
6.2) Condutividade Térmica 
É o fenômeno pelo qual o calor é transportado das regiões de alta temperatura para as 
regiões de baixa temperatura de um material. É a propriedade que caracteriza a habilidade de 
um material para transferir calor. 
 
6.3) Coeficiente Linear de Dilatação Térmica 
A elevação da temperatura aumenta a amplitude de vibração dos átomos. Como 
consequência, ocorre uma expansão térmica do reticulado cristalino, traduzida na prática por 
um aumento de dimensões. A maioria dos sólidos aumenta de dimensões durante o 
aquecimento e contrai durante o resfriamento. Existe uma boa correlação entre o coeficiente de 
dilatação térmica e a energia de ligação. Materiais que apresentam ligações químicas fortes 
possuem coeficiente de dilatação térmico baixo. Este é o caso da maioria dos materiais 
cerâmicos e dos materiais metálicos com altos pontos de fusão, como o molibdênio e o 
tungstênio. 
 
 
Referências 
 
Callister Jr. W. D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. LTC, cap1, 5ed., 2002. 
 
Shackelford, J. F. Ciência dos materiais . Pearson Practice Hall, cap 1, 6ed. 2008. 
 
www.joinville.udesc.br/portal/professores/daniela/materiais/aula1 (acesso em 21/01/2013) 
 
www.ruy.alexandre.zzl.org/arquivos/engmat2propmec.pdf (acesso em 24/01/2013) 
 
www.brasilescola.uol.com.br/quimica/polimeros-termoplasticos-termofixos.htm (acesso em 
23/01/2016/