Cap 1 - Introdução

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INTRODUÇÃO 
Ciência e Engenharia de Materiais 
As propriedades dos materiais definem o seu desempenho de um 
determinado componente, o processo de fabricação do mesmo. 
Os componentes da ciência e engenharia de materiais são o 
processamento –> estrutura –> propriedade -> desempenho. 
No que se refere às relações entres esses quatro componentes, 
a estrutura de um material depende de como ele é processado; o 
desempenho é uma função das suas propriedades. 
A estrutura de um material se refere ao arranjo dos seus 
componentes internos. Os elementos estruturais podem ser 
classificados com base no tamanho, sendo eles: 
- Estrutura subatômica que envolve os elétrons no interior dos 
átomos individuais, suas energias e interações com os núcleos. 
- Estrutura atômica que está relacionada com a organização de 
átomos para gerar moléculas ou cristais. 
- Nanoestrutura que trata de agregados de átomos que formam 
partículas (nanopartículas) que possuem dimensões em escala 
nanométrica (menores do que aproximadamente 100nm). 
- Microestrutura – aqueles elementos estruturais que estão 
sujeitos à observação direta usando algum tipo de microscópio 
(características estruturais que possuem dimensões entre 100 
nm e vários milímetros). 
- Macroestrutura – elementos estruturais que podem ser vistos 
a olho nu (com uma faixa de escalas entre vários milímetros e da 
ordem de um metro). 
Uma propriedade é uma característica de um dado material, em 
termos do tipo e da magnitude da sua resposta a um estímulo 
específico que lhe é imposto. Geralmente, as definições das 
propriedades são feitas de modo que elas sejam independentes 
da forma e do tamanho do material. 
Virtualmente, elas podem ser agrupadas em seis categorias: 
- Propriedades mecânicas: relacionam a deformação a uma 
carga ou força que é aplicada; os exemplos incluem o módulo de 
elasticidade (rigidez), a resistência e a tenacidade. 
- P. Elétricas – estão relacionadas a variações na temperatura 
ou gradientes de temperatura ao longo de um material, exemplos 
desse comportamento seria a expansão térmica e a capacidade 
calorifica. 
- P. Magnéticas – as respostas de um material à aplicação de um 
campo magnético, incluem a susceptibilidade magnética e a 
magnetização. 
- M. Ópticas – o estímulo é a radiação eletromagnéticas ou a 
radiação luminosa, exemplos seriam o índice de refração e a 
refletividade. 
- Características Deteriorativas – estão relacionadas com a 
reatividade química dos materiais, como exemplo a resistência a 
corrosão. 
O processamento irá influenciar na sua estrutura e 
consequentemente nas propriedades e desempenho. Um bom 
exemplo é o óxido de alumínio, onde temos três várias a depender 
do seu processamento que influencia na sua estrutura. Se ele for 
processado de modo que não haja poro em seu interior ele será 
totalmente transparente. Se ele for processado de modo que 
fique com muitos poros, isso fará com que ocorra uma reflexão 
da luz em maior grau o tronando opaco. 
A experiência mostra que as propriedades e os fenômenos 
associados a um material estão intimamente relacionados com 
sua composição e estrutura em todos os níveis, incluindo quas 
átomos estão presentes e como os átomos estão arranjadas no 
material, e que essa estrutura é o resultado de síntese e 
processamento. 
 
Classificação dos Materiais 
Os materiais sólidos são agrupados em três categorias básicas: 
metais, cerâmicas e polímeros, um esquema baseado sobretudo 
na composição química e na estrutura atômica. 
Adicionalmente, existem os compósitos, que são combinações de 
dois ou mais materiais diferentes. Outra categoria seria dos 
materiais avançados criados com base em altas tecnologias, 
como os biomateriais e os nano materiais. 
Metais 
São compostos por um ou mais elementos metálicos – ferro, 
alumínio, cobre, titânio, ouro, níquel – e com frequência também 
elementos não metálicos como o carbono, nitrogênio e oxigênio 
– em quantidades relativamente pequenas. 
Os átomos nos metais e nas suas ligas estão arranjados segundo 
uma maneira muito ordenada e, em relação às cerâmicas e aos 
polímeros, são relativamente densos. 
Em relação as características mecânicas, esses materiais são 
relativamente rígidos e resistentes, e ainda assim são dúcteis 
(ou seja, capazes de grandes quantidades de deformação sem 
sofre fratura) e são resistentes à fratura. 
Nos metais os elétrons não estão ligados a nenhum átomo em 
partículas, muitas das suas propriedades podem ser atribuídas 
INTRODUÇÃO 
diretamente a esses elétrons. Como exemplo, são condutores de 
eletricidade e calor e não são transparentes à luz visível. Além 
disso, alguns metais têm propriedades magnéticas desejáveis. 
Cerâmicas 
São compostos formados entre elementos metálicos e não 
metálicos, com maior frequência, são óxidos, nitretos e carbetos. 
Por exemplo, os materiais cerâmicos comuns incluem o óxido de 
alumínio, o dióxido de silício, o carbeto de silício, o nitreto de 
silício e, ainda, o que alguns chamam de as cerâmicas 
tradicionais – aqueles materiais compostos por minerais 
argilosos (porcelana), assim como o cimento e o vidro. 
Eles são rígidos e resistentes, assim como os metais. São 
tipicamente duras, os que o tornam quebradiços, ou seja, são 
extremamente frágeis devido à ausência de ductibilidade, 
Os materiais cerâmicos são tipicamente isolantes à passagem de 
calor e eletricidade (baixa condutividade elétrica) e são mais 
resistentes a temperaturas elevadas e a ambientes severos que 
os metais e os polímeros, 
Elas podem ser transparentes, translucidas ou opacas, a 
depender do processamento do material. 
Polímeros 
São os conhecidos materiais plásticos e de borracha. Muitos 
deles são compostos orgânicos que têm sua química baseada no 
carbono, hidrogênio e outros elementos não metálicos. Alguns 
polímeros conhecidos são o polietileno, náilon, poli (cloreto de 
vinila) (PVC), policarbonato, poliestireno e borracha de silicone. 
Possuem baixas massas específicas, não são tão rígidos e 
resistentes. São extremamente dúcteis e flexíveis (isto é, os 
plásticos), possuem baixa condutividade elétrica e não são 
magnéticos. 
Uma das maiores desvantagens dos polímeros é sua tendência a 
amolecer e/ou decompor em temperaturas modestas, o que, em 
algumas situações, limita seu uso. 
Compósitos 
São constituídos de mais de um tipo de material insolúveis entre 
si. Eles são desenhados para apresentarem a combinação das 
melhores características de cada material constituinte. Muitos 
dos recentes desenvolvimentos em materiais envolvem 
materiais compósitos. 
Um exemplo clássico é o compósito de matriz polimérica com 
fibra de vidro. O material compósito apresenta a resistência da 
fibra de vidro associado a flexibilidade do polímero. 
Semicondutores 
São materiais que apresentam propriedades elétricas que são 
intermediárias entre metais e isolantes. Além disso, as 
características elétricas são extremamente sensíveis à 
presença de pequenas quantidades de impurezas, cuja 
concentração pode ser controlada em pequenas regiões do 
material. 
Os semicondutores tornaram possível o advento do circuito 
integrado que revolucionou as indústrias eletrônicas e 
computadores. 
 
Como definir o melhor material para um 
determinado fim 
A escolha do material irá deperder não só do objetivo final, ou 
como será usada, como também do custo, tempo de vida, 
ductibilidade, aparência. 
Nem sempre será encontrado o material perfeito e para isso 
ocorrerá concessões ou meio termos, onde será analisado qual 
o material mais se adequaria aquela situação. 
Então como se deve proceder? 
O primeiro passo é delimitar as condições de operação aos quais 
o material estará exposto e levantar as propriedades requeridas 
para tal aplicação. O segundo levantamento está relacionado com 
a degradação que o material sofrerá durante o seu uso e por fim 
o custo que ele acarretará para que sejaproduzido, 
Em raras ocasiões um material reúne uma combinação ideal de 
propriedades, muitas vezes é necessário reduzir uma em 
benefício da outra. 
Um bom exemplo é a resistência e ductibilidade – um material 
resistente apresenta ductibilidade limitada.