Livro Callister - Capítulo 01

Prévia do material em texto

Objetivos do Aprendizado
Após estudar este capítulo, você deverá ser capaz de fazer o seguinte:
 1. Listar seis diferentes classificações das propriedades dos 
materiais, as quais determinam sua aplicabilidade.
2. Citar os quatro componentes que estão envolvidos no 
projeto, na produção e na utilização dos materiais, e des-
crever sucintamente suas possíveis inter-relações.
3. Citar três critérios que são importantes no processo de 
seleção de materiais.
4. (a) Listar as três classificações principais dos materiais 
sólidos, e então citar as características químicas que 
distinguem cada uma delas.
(b) Citar os quatro tipos de materiais avançados e, para 
cada um deles, sua(s) característica(s) distinta(s).
5. (a) Definir sucintamente material/sistema inteligente.
(b) Explicar sucintamente o conceito de nanotecnologia 
e sua aplicação a materiais.
2   • 
1.1 PERSPECTIVA HISTÓRICA
Os materiais estão mais enraizados em nossa cultura do que a maioria de nós se dá conta. Nos trans-
portes, habitação, vestuário, comunicação, recreação e produção de alimentos — virtualmente, todos 
os seguimentos de nosso cotidiano são influenciados, em maior ou menor grau, pelos materiais. 
Historicamente, o desenvolvimento e o avanço das sociedades estiveram intimamente ligados às 
habilidades de seus membros em produzir e manipular materiais para satisfazer às suas necessidades. 
De fato, as civilizações antigas foram identificadas de acordo com seu nível de desenvolvimento em 
relação aos materiais (Idade da Pedra, Idade do Bronze, Idade do Ferro).1
Os primeiros seres humanos tiveram acesso a apenas um número muito limitado de materiais, 
aqueles que ocorrem naturalmente: pedra, madeira, argila, peles, e assim por diante. Com o tempo, 
eles descobriram técnicas para a produção de materiais que tinham propriedades superiores àque-
las dos materiais naturais; esses novos materiais incluíam as cerâmicas e vários metais. Além disso, 
descobriu-se que as propriedades de um material podiam ser alteradas por meio de tratamentos 
térmicos e pela adição de outros constituintes. Naquele ponto, a utilização dos materiais era um 
processo totalmente seletivo, que envolvia escolher, entre um conjunto específico e limitado de 
materiais, aquele que por suas características mais se adequava a uma dada aplicação. Somente em 
tempos mais ou menos recentes os cientistas compreenderam as relações entre os elementos estru-
turais dos materiais e suas propriedades. Esse conhecimento, adquirido aproximadamente ao longo 
dos últimos 100 anos, deu-lhes as condições para moldar, de modo significativo, as características dos 
materiais. Nesse contexto, desenvolveram-se dezenas de milhares de materiais diferentes, com ca-
racterísticas específicas, os quais atendem às necessidades da nossa moderna e complexa sociedade, 
e incluem metais, plásticos, vidros e fibras.
O desenvolvimento de muitas das tecnologias que tornam a nossa existência tão confortável 
está intimamente associado à disponibilidade de materiais adequados. Um avanço na compreen-
são de um tipo de material leva com frequência ao progresso gradativo de alguma tecnologia. 
Por exemplo, não teria sido possível fabricar os automóveis, sem a disponibilidade, a baixo 
custo, de aço ou de outro material substituto comparável. Nos tempos atuais, os dispositivos 
eletrônicos sofisticados dependem de componentes fabricados a partir dos chamados materiais 
semicondutores.
1.2 CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
Muitas vezes, é conveniente subdividir a disciplina Ciência e Engenharia de Materiais nas subdis-
ciplinas Ciência de Materiais e Engenharia de Materiais. Especificamente, a Ciência de Materiais 
envolve a investigação das relações entre as estruturas e as propriedades dos materiais. Em con-
traste, a Engenharia de Materiais, com base nas correlações estrutura-propriedade, projeta ou 
“engenhera” a estrutura de um material para obter nele um conjunto predeterminado de proprie-
dades.2 A partir de uma perspectiva funcional, o papel de um cientista de materiais é desenvolver 
ou sintetizar novos materiais, ao passo que um engenheiro de materiais é chamado para criar 
1As datas aproximadas para o início das Idades da Pedra, do Bronze e do Ferro foram 2,5 milhões a.C., 3500 a.C. e 1000 a.C., respectivamente.
2Ao longo deste texto, chamamos a atenção para as relações que existem entre as propriedades dos materiais e os elementos estruturais.
01capitulo01.indd 2 25/04/2016 21:03:42
Introdução • 3
Processamento Estrutura Propriedades Desempenho
Figura 1.1 Os quatro componentes da disciplina Ciência e Engenharia de 
Materiais e seu inter-relacionamento.
novos produtos ou sistemas usando materiais existentes, e/ou para desenvolver técnicas para o 
processamento de materiais. A maioria dos estudantes de Engenharia de Materiais é treinada para 
ser tanto um cientista de materiais quanto um engenheiro de materiais.
Estrutura é, a essa altura, um termo nebuloso que merece alguma explicação. De maneira 
sucinta, a estrutura de um material refere-se, em geral, ao arranjo dos seus constituintes inter-
nos. A estrutura subatômica envolve os elétrons nos átomos individuais e as interações com seus 
núcleos. Em nível atômico, a estrutura engloba a organização dos átomos ou das moléculas, uns 
em relação aos outros. O próximo nível estrutural na escala crescente das dimensões, que con-
tém grandes grupos de átomos que estão normalmente conglomerados, é chamado de micros-
cópico, e significa aquele que está sujeito a uma observação direta por meio de algum tipo de 
microscópio. Finalmente, os elementos estruturais que podem ser vistos a olho nu são chamados 
de macroscópicos.
A noção de propriedade merece alguma consideração. Em serviço, todos os materiais são expos-
tos a estímulos externos que causam algum tipo de resposta. Por exemplo, uma amostra submetida 
à ação de forças deformará, ou uma superfície metálica polida refletirá a luz. 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 a serem 
independentes da forma e do tamanho do material.
Virtualmente, todas as propriedades importantes dos materiais sólidos podem ser agrupadas em 
seis categorias diferentes: mecânica, elétrica, térmica, magnética, óptica e de deterioração. Para cada 
categoria existe um tipo característico de estímulo que é capaz de provocar diferentes respostas. As 
propriedades mecânicas relacionam a deformação com uma carga ou força que é aplicada; os exem-
plos incluem o módulo de elasticidade (rigidez), a resistência e a tenacidade. Para as propriedades 
elétricas, tais como a condutividade elétrica e a constante dielétrica, o estímulo é um campo elétrico. 
O comportamento térmico dos sólidos pode ser representado em termos da capacidade calorífica 
e da condutividade térmica. As propriedades magnéticas demonstram a resposta de um material 
à aplicação de um campo magnético. Para as propriedades ópticas, o estímulo é a radiação eletro-
magnética ou a radiação luminosa; o índice de refração e a refletividade são propriedades ópticas 
representativas. Finalmente, as características de deterioração estão relacionadas com a reatividade 
química dos materiais. Os capítulos seguintes discutem propriedades que se enquadram em cada 
uma dessas seis classificações.
Além da estrutura e das propriedades, dois outros componentes importantes estão envolvidos 
na Ciência e Engenharia de Materiais, que são o processamento e o desempenho. No que se refere 
às relações entre esses quatro componentes, a estrutura de um material dependerá de como ele é 
processado. Ademais, o desempenho de um material é uma função de suas propriedades. Desse 
modo, a inter-relação entre processamento, estrutura, propriedades e desempenho ocorre como está 
demonstrado na ilustração esquemática na Figura 1.1. Ao longo deste texto, chamamos a atenção 
para as relaçõesque existem entre esses quatro componentes em termos de projeto, produção e 
utilização dos materiais.
Apresentamos agora, na Figura 1.2, um exemplo desses princípios de processamento-estrutu-
ra-propriedades-desempenho: uma fotografia que apresenta três amostras com formato de discos 
delgados, colocadas sobre um material impresso. É óbvio que as propriedades ópticas (isto é, a 
transmitância da luz) de cada um dos três materiais são diferentes; o material mais à esquerda é 
transparente (ou seja, virtualmente, toda luz refletida passa através dele), enquanto os discos no 
centro e à direita são, respectivamente, translúcido e opaco. Todas essas amostras são do mesmo 
material, óxido de alumínio, mas aquela mais à esquerda é o que chamamos de monocristal, isto é, 
tem um elevado grau de perfeição, e dá origem à sua transparência. A amostra no centro é composta 
por um grande número de monocristais muito pequenos, todos ligados entre si; as fronteiras entre 
esses pequenos cristais espalham uma fração da luz refletida da página impressa, o que torna esse 
material opticamente translúcido. Finalmente, a amostra à direita é composta não apenas por um 
número muito grande de pequenos cristais interligados, mas também por inúmeros poros ou espaços 
vazios muito pequenos. Esses poros também espalham, de maneira efetiva, a luz refletida e tornam 
opaco esse material.
01capitulo01.indd 3 25/04/2016 21:03:43
4 • Capítulo 1
Figura 1.2 Três amostras de discos delgados, de óxido de 
alumínio, que foram colocadas sobre uma página impressa, 
com o objetivo de realçar suas diferenças em termos das 
características de transmitância da luz. O disco mais à es-
querda é transparente (isto é, praticamente toda luz refletida 
na página passa através dele), enquanto o disco no centro 
é translúcido (significando que parte dessa luz refletida é 
transmitida através do disco). O disco à direita é opaco, ou 
seja, nenhuma luz passa através dele. Essas diferenças nas 
propriedades ópticas são uma consequência de diferenças 
nas estruturas desses materiais, as quais resultaram da ma-
neira como os materiais foram processados.
P
re
pa
ro
 d
as
 a
m
os
tr
as
, P
. A
. L
es
si
ng
Dessa forma, as estruturas dessas três amostras são diferentes em termos dos contornos entre os 
cristais e da presença de poros, o que afeta as propriedades de transmitância óptica. Além disso, cada 
material foi produzido com a utilização de uma técnica de processamento diferente. E, certamente, 
se a transmitância óptica for um parâmetro importante em relação à aplicação final do material, o 
desempenho apresentado por cada um deles será diferente.
1.3 POR QUE ESTUDAR A CIÊNCIA E A ENGENHARIA DE MATERIAIS?
Por que estudamos os materiais? Muitos cientistas experimentais ou engenheiros, sejam eles mecâni-
cos, civis, químicos ou elétricos, irão uma vez ou outra deparar-se com um problema de projeto que 
envolve materiais. Os exemplos podem incluir uma engrenagem de transmissão, a superestrutura 
para um edifício, um componente de uma refinaria de petróleo, ou um chip de circuito integrado. 
Obviamente, os cientistas e engenheiros de materiais são especialistas que estão totalmente envolvi-
dos na investigação e no projeto de materiais.
Muitas vezes, um problema de materiais consiste na seleção do material correto entre os mui-
tos milhares que estão disponíveis. A decisão final normalmente se baseia em diversos critérios. 
Em primeiro lugar, as condições de serviço devem ser caracterizadas, uma vez que elas ditarão as 
propriedades necessárias do material. Raramente um material possui a combinação máxima ou 
ideal de propriedades. Dessa forma, pode ser necessário abrir mão de uma característica por outra. 
O exemplo clássico envolve a resistência mecânica e a ductilidade; normalmente, um material que 
possui alta resistência mecânica terá uma ductilidade apenas limitada. Em tais casos, pode ser neces-
sário um compromisso entre duas ou mais propriedades.
Uma segunda seleção a ser considerada é a deterioração das propriedades dos materiais du-
rante sua vida útil. Por exemplo, reduções significativas na resistência mecânica podem resultar da 
exposição a temperaturas elevadas ou a ambientes corrosivos.
Finalmente, a consideração definitiva provavelmente estará relacionada com aspectos 
econômicos: quanto custará o produto acabado? Um material pode apresentar um conjunto ideal 
de propriedades, mas pode ser de custo proibitivo. Novamente, algum comprometimento será 
inevitável. O custo de uma peça acabada inclui também os custos para sua conformação na forma 
desejada.
Quanto mais familiarizado estiver um engenheiro, ou um cientista, com as várias características 
e relações estrutura-propriedade, assim como com as técnicas de processamento dos materiais, mais 
capacitado e confiante estará para definir materiais com base nesses critérios.
1.4 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Os materiais sólidos foram agrupados convenientemente em três categorias básicas: metais, 
cerâmicas e polímeros. Esse esquema está baseado principalmente na composição química e 
na estrutura atômica. A maioria dos materiais se enquadra em um ou outro grupo distinto. 
Adicionalmente, existem os compósitos, que são combinações engenheiradas de dois ou mais 
01capitulo01.indd 4 25/04/2016 21:03:44
Introdução • 5
 
Falhas dos Navios Classe Liberty
E S T U D O D E C A S O
O seguinte estudo de caso ilustra um papel para o qual os cientistas e engenheiros de materiais são 
chamados para assumir na área de desempenho dos 
materiais: analisar falhas mecânicas, determinar suas 
causas, e então propor medidas apropriadas para evitar 
futuros incidentes.
A falha de muitos dos navios da classe Liberty3 
durante a Segunda Guerra Mundial é um exemplo bem 
conhecido e dramático da fratura frágil de um aço que 
era considerado dúctil.4 Alguns dos primeiros navios 
experimentaram danos estruturais quando se desenvol-
veram trincas nos seus cascos. Três deles se dividiram 
ao meio de forma catastrófica quando as trincas se 
formaram, cresceram até um tamanho crítico, e então 
se propagaram rápida e completamente até preencher 
o perímetro transversal do casco do navio. A Figura 1.3 
mostra um dos navios que fraturou no dia seguinte ao do 
seu lançamento.
Investigações subsequentes concluíram que um ou 
mais dos seguintes fatores contribuíram para cada falha:5
•   Quando  algumas  ligas metálicas  normalmente  dúc-
teis são resfriadas até temperaturas relativamente 
baixas, elas ficam suscetíveis a uma fratura frágil, 
ou seja, elas experimentam uma transição de dúctil 
para frágil com o resfriamento através de uma faixa 
de temperatura crítica. Os navios da classe Liberty 
foram construídos com um aço que experimentava 
uma transição de dúctil para frágil. Alguns deles fo-
ram posicionados no gelado Atlântico Norte, onde 
o metal originalmente dúctil experimentava fratura 
frágil quando as temperaturas caíam abaixo da tem-
peratura de transição.6
•   Os cantos das escotilhas (a porta) eram cantos vivos; 
esses cantos atuaram como pontos de concentração 
de tensões em que podia haver a formação de trincas.
3Durante a Segunda Guerra Mundial, 2.710 navios cargueiros da classe Liberty foram produzidos em massa pelos Estados Unidos para 
abastecer de alimentos e materiais os combatentes na Europa.
4Os metais dúcteis falham após níveis de deformação permanente relativamente grandes; contudo, muito pouca, ou mesmo 
nenhuma deformação permanente acompanha a fratura de materiais frágeis. As fraturas frágeis podem ocorrer repentinamente, na 
medida em que as trincas se espalham rapidamente; a propagação da trinca é normalmente muito mais lenta nos materiais dúcteis, 
e a eventual fratura leva mais tempo. Por essas razões, a modalidade dúctil de fratura é geralmente preferida. As fraturas dúctil e 
frágil são discutidas nas Seções 8.3 e 8.4.
5As Seções 8.2 a 8.6 discutem vários aspectos da falha.
6Esse fenômeno de transição de dúctil para frágil,assim como técnicas que são usadas para medir e aumentar a faixa de temperatu-
ras críticas, são discutidos na Seção 8.6.
Figura 1.3 O navio classe Liberty S.S. Schenectady, que em 1943 
falhou antes de deixar o estaleiro.
(Reimpresso com permissão de Earl R. Parker, Brittle Behavior of Engineering 
Structures, National Academy of Sciences, National Research Council, John 
Wiley & Sons, Nova York, 1957.)
(continua)
01capitulo01.indd 5 25/04/2016 21:03:46
6 • Capítulo 1
•   Os barcos alemães classe U estavam afundando na-
vios cargueiros mais rapidamente do que eles po-
diam ser repostos usando as técnicas de construção 
existentes. Consequentemente, tornou-se necessário 
revolucionar os métodos de construção para a fa-
bricação de navios cargueiros mais rapidamente e 
em maior número. Isso foi feito com a utilização de 
lâminas de aço pré-fabricadas que eram montadas 
usando-se solda, em vez do método convencional e 
demorado de uso de rebites. Infelizmente, as trin-
cas em estruturas soldadas podem se propagar sem 
impedimentos ao longo de grandes distâncias, o que 
pode levar a uma falha catastrófica. Contudo, quan-
do as estruturas são rebitadas, uma trinca deixa de se 
propagar quando ela atinge a aresta da chapa de aço.
•   Defeitos nas soldas e descontinuidades (isto é, sítios 
em que pode haver a formação de trincas) foram in-
troduzidos por operadores inexperientes.
Algumas medidas remediadoras que foram tomadas 
para corrigir esses problemas incluíram o seguinte:
•   Redução  da  temperatura,  da  transição  de  dúctil 
para frágil, do aço até um nível aceitável, mediante 
uma melhoria na qualidade do aço (por exemplo, 
pela redução dos teores das impurezas de enxofre 
e fósforo).
•   Arredondamento dos cantos das escotilhas, mediante 
a solda de uma tira de reforço curvada em cada canto.7 
•   Instalação  de  dispositivos  de  supressão  de  trincas, 
tais como tiras rebitadas e cordões de solda resisten-
tes, para interromper a propagação de trincas.
•   Melhoria na prática de soldagem e estabelecimento de 
códigos de soldagem.
Apesar das falhas, o programa de embarcações da 
classe Liberty foi considerado um sucesso por várias ra-
zões; a principal delas foi que os navios que sobrevive-
ram à falha foram capazes de suprir as Forças Aliadas 
no teatro de operações e, muito provavelmente, encur-
taram a guerra. Além disso, foram desenvolvidos aços 
estruturais, com resistência amplamente aprimorada 
às fraturas frágeis catastróficas. As análises detalhadas 
dessas falhas possibilitaram maior compreensão da for-
mação e do crescimento de uma trinca, e isso contribuiu 
para o surgimento da Mecânica da Fratura como área 
de conhecimento.
7O leitor pode observar que os cantos das janelas e portas de todas as estruturas marinhas e aeronáuticas são atualmente arredon-
dados.
materiais diferentes. Uma explicação sucinta dessas classificações de materiais e das suas ca-
racterísticas representativas será apresentada a seguir. Outra categoria é a dos materiais avan-
çados — aqueles que são usados em aplicações de alta tecnologia, como os semicondutores, os 
biomateriais, os materiais inteligentes e os materiais “nanoengenheirados”, que serão discutidos 
na Seção 1.5.
Metais
Os metais são compostos por um ou mais elementos metálicos (por exemplo, ferro, alumínio, co-
bre, titânio, ouro e níquel), e com frequência também por elementos não metálicos (por exemplo, 
carbono, nitrogênio, oxigênio) em quantidades relativamente pequenas.8 Os átomos nos metais e 
nas suas ligas estão arranjados de uma maneira muito ordenada (como discutido no Capítulo 3) 
e, em comparação às cerâmicas e aos polímeros, são relativamente densos (Figura 1.4). Quanto 
às características mecânicas, esses materiais são relativamente rígidos (Figura 1.5) e resistentes 
(Figura 1.6), e ainda assim são dúcteis (isto é, são capazes de se deformar intensamente sem so-
frer fratura), e resistentes à fratura (Figura 1.7); por isso são amplamente utilizados em aplicações 
estruturais. Os materiais metálicos possuem grande número de elétrons livres. Esses elétrons não 
estão ligados a qualquer átomo em particular. Muitas das propriedades dos metais podem ser 
atribuídas diretamente a esses elétrons. Por exemplo, os metais são bons condutores de eletrici-
dade (Figura 1.8) e de calor e não são transparentes à luz visível; uma superfície metálica, polida, 
possui uma aparência brilhosa. Além disso, alguns metais (isto é, Fe, Co e Ni) têm propriedades 
magnéticas interessantes.
A Figura 1.9 mostra vários objetos comuns e familiares que são feitos de materiais metálicos. 
Os tipos e as aplicações dos metais e das suas ligas serão discutidos no Capítulo 11.
8A expressão liga metálica refere-se a uma substância metálica que é composta por dois ou mais elementos.
01capitulo01.indd 6 25/04/2016 21:03:46
Introdução • 7
10
1,0
0,1
100
1.000
0,01
0,001
R
ig
id
ez
 [
m
ód
ul
o 
de
 e
la
st
ic
id
ad
e 
(o
u 
M
ód
ul
o 
de
 Y
ou
ng
)
(e
m
 u
ni
da
de
s 
de
 g
ig
ap
as
ca
l)
] 
(e
sc
al
a 
lo
ga
rí
tm
ic
a)
Compósitos
CRFV
CRFC
MadeirasPolímeros
PVC
 PTFE
 PE
Borrachas
PS, Náilon
Metais
Tungstênio
Ferro/Aço
Alumínio
Magnésio
Titânio
Cerâmicas
SiC
AI2O3
Si3N4
ZrO2
Vidro
Concreto
D
en
si
da
de
 (
g/
cm
3
) 
(e
sc
al
a 
lo
ga
rí
tm
ic
a)
40
20
10
8
6
4
2
1,0
0,8
0,6
0,2
0,4
0,1
Metais
Platina
Prata
Cobre
Ferro/Aço
Titânio
Alumínio
Magnésio
Compósitos
CRFV
CRFC
Madeiras
Polímeros
PTFE
PVC
PS
PE
Borracha
ZrO2
Al2O3
SiC,Si3N4
Vidro
Concreto
Cerâmicas
Figura 1.4
Gráfico de barras dos 
valores da massa es-
pecífica à temperatura 
ambiente para vários 
materiais metálicos, 
cerâmicos, polímeros e 
compósitos.
Figura 1.5
Gráfico de barras dos 
valores da rigidez (isto 
é, do módulo de elasti-
cidade) à temperatura 
ambiente para vários 
materiais metálicos, 
cerâmicos, polímeros e 
compósitos.
R
es
is
tê
nc
ia
 (
lim
it
e 
de
 r
es
is
tê
nc
ia
 à
 T
ra
çã
o,
 e
m
un
id
ad
es
 d
e 
m
eg
ap
as
ca
l)
 (
es
ca
la
 lo
ga
rí
tm
ic
a)
1.000
100
10
Náilon
PS
PE
PVC
PTFE
Polímeros
Ligas
de aço
Ouro
Ligas de
alumínio
Ligas de
Cu, Ti
Metais
CRFC
CRFV
Compósitos
MadeirasVidro
Si3N4
SiC
Cerâmicas
Al2O3
Figura 1.6
Gráfico de barras dos 
valores da resistência 
(isto é, do limite de 
resistência à tração) à 
temperatura ambiente 
para vários materiais 
metálicos, cerâmicos, 
polímeros e compó-
sitos.
01capitulo01.indd 7 25/04/2016 21:03:49
8 • Capítulo 1
C
on
du
ti
vi
da
de
 E
lé
tr
ic
a 
(e
m
 u
ni
da
de
s 
de
[o
hm
-m
et
ro
]–
1
) 
(e
sc
al
a 
lo
ga
rí
tm
ic
a)
108
104
1
10–12
10–8
10–4
10–16
10–20
 
Cerâmicas Polímeros
Semicondutores
Metais
R
es
is
tê
nc
ia
 à
 F
ra
tu
ra
 (
te
na
ci
da
de
 à
fr
at
ur
a,
 e
m
 u
ni
da
de
s 
de
 M
P
a 
 m
) 
(e
sc
al
a 
lo
ga
rí
tm
ic
a)
100
10
1,0
0,1
Compósitos
CRFVCRFC
Madeira
Náilon
Polímeros
Poliestireno
Polietileno 
Poliéster
Al2O3
SiC
Si3N4
Vidro
Concreto
Cerâmicas
Metais
Ligas
de aço
Ligas
de titânio
Ligas de
alumínio
Figura 1.7
Gráfico de barras da 
resistência à fratura 
(isto é, da tenacidade 
à fratura) à tem-
peratura ambiente 
para vários materiais 
metálicos, cerâmicos, 
polímeros e compó-
sitos.
(Reimpresso de Engine-
ering Materials 1: An In-
troduction to Properties, 
Applications and Design, 
terceira edição, M. F. 
Ashby, e D. R. H. Jones, 
p. 177 e 178, Copyright 
2005 com permissão da 
Elsevier.)
Figura 1.8
Gráfico de barras das 
faixas de condutivi-
dade elétrica à tem-
peratura ambiente 
para vários materiais 
metálicos, cerâmicos, 
polímeros e semicon-
dutores.
Cerâmicas
Cerâmicas são compostos formados entre elementos metálicos e não metálicos; na maioria das vezes, 
são óxidos, nitretos e carbetos. Por exemplo, alguns materiais cerâmicos comuns incluem o óxido 
de alumínio (ou alumina, Al2O3), o dióxido de silício (ou sílica, SiO2), o carbeto de silício (SiC), onitreto de silício (Si3N4) e, ainda, o que alguns se referem como cerâmicas tradicionais — aqueles 
materiais compostos por minerais argilosos (por exemplo, a porcelana), assim como o cimento e o 
vidro. Em relação ao comportamento mecânico, os materiais cerâmicos são relativamente rígidos e 
resistentes — os valores de rigidez e de resistência são comparáveis aos dos metais (Figuras 1.5 
e 1.6). Além disso, as cerâmicas são tipicamente muito duras. Historicamente, as cerâmicas sempre 
exibiram extrema fragilidade (ausência de ductilidade) e são altamente suscetíveis à fratura (Figura 
1.7). Entretanto, novas cerâmicas estão sendo engenheiradas para apresentar uma melhor resistência 
à fratura; esses materiais são usados como utensílios de cozinha, cutelaria, e até mesmo peças de 
motores de automóveis. Os materiais cerâmicos também são tipicamente isolantes à passagem 
de calor e eletricidade [têm baixa condutividade elétrica (Figura 1.8)] e são mais resistentes a tempe-
raturas elevadas e a ambientes severos que os metais e os polímeros. Em relação às suas características 
01capitulo01.indd 8 25/04/2016 21:03:51
Introdução • 9
Figura 1.9 Objetos familiares feitos de 
metais e ligas metálicas (da esquerda para a 
direita): talheres (garfo e faca), tesoura, moe-
das, uma engrenagem, um anel de casamento, 
e uma porca e um parafuso.
©
 W
ill
ia
m
 D
. C
al
lis
te
r,
 J
r.
ópticas, as cerâmicas podem ser transparentes, translúcidas ou opacas (Figura 1.2); alguns dos óxidos 
cerâmicos (por exemplo, Fe3O4) exibem comportamento magnético.
 Vários objetos cerâmicos comuns são mostrados na Figura 1.10. As características, os tipos e as 
aplicações dessa classe de materiais serão discutidos nos Capítulos 12 e 13.
Polímeros
Os polímeros incluem os familiares materiais plásticos e de borracha. Muitos deles são compostos 
orgânicos que têm sua química baseada no carbono, no hidrogênio e em outros elementos não metá-
licos (por exemplo, O, N e Si). Além disso, eles têm estruturas moleculares muito grandes, em geral 
na forma de cadeias, que com frequência possuem uma estrutura composta por átomos de carbono. 
Alguns dos polímeros comuns e familiares são o polietileno (PE), o náilon, o cloreto de polivinila 
(PVC), o policarbonato (PC), o poliestireno (PS) e a borracha silicone. Tipicamente, esses materiais 
possuem baixas massas específicas (Figura 1.4), enquanto suas características mecânicas são, em ge-
ral, diferentes das características exibidas pelos materiais metálicos e cerâmicos — eles não são tão 
rígidos nem tão resistentes quanto esses outros tipos de materiais (Figuras 1.5 e 1.6). Entretanto, em 
função de sua densidade reduzida, muitas vezes sua rigidez e sua resistência mecânica em relação à 
sua massa são comparáveis às dos metais e das cerâmicas. Adicionalmente, muitos dos polímeros são 
extremamente dúcteis e flexíveis (plásticos), o que significa que são facilmente conformados em for-
mas complexas. Em geral, quimicamente eles são relativamente inertes, não reagindo em um grande 
Figura 1.10 Objetos comuns feitos a partir 
de materiais cerâmicos: tesoura, uma xícara de 
chá de porcelana, um tijolo de construção, um 
azulejo de piso e um vaso de vidro.
©
 W
ill
ia
m
 D
. C
al
lis
te
r,
 J
r.
01capitulo01.indd 9 25/04/2016 21:03:53
10 • Capítulo 1
Figura 1.11 Vários objetos comuns feitos 
de materiais poliméricos: talheres plásticos 
(colher, garfo e faca), bolas de bilhar, um 
capacete de bicicleta, dois dados, uma roda 
de cortador de grama (cubo de plástico e 
pneu de borracha) e um vasilhame plástico 
para leite.
©
 W
ill
ia
m
 D
. C
al
lis
te
r,
 J
r.
número de ambientes. Uma das maiores desvantagens dos polímeros é sua tendência em amolecer 
e/ou decompor em temperaturas baixas, o que, em algumas situações, limita seu uso. Têm, também, 
baixa condutividade elétrica (Figura 1.8) e não são magnéticos.
A Figura 1.11 mostra vários artigos feitos de polímeros, que são familiares ao leitor. Os 
Capítulos 14 e 15 são dedicados a discussões sobre as estruturas, propriedades, aplicações e proces-
samento dos materiais poliméricos.
Recipientes para Bebidas Carbonatadas
E S T U D O D E C A S O
Um item comum que apresenta alguns requisitos interessantes em relação às propriedades dos 
materiais é o recipiente para bebidas carbonatadas. 
O material usado para essa aplicação deve satisfazer às 
seguintes restrições: (1) prover uma barreira à passa-
gem do gás carbônico, que está sob pressão no interior 
do recipiente; (2) ser atóxico, não reativo com a bebida 
e, de preferência, ser reciclável; (3) ser relativamente 
resistente e capaz de sobreviver a uma queda de uma 
altura de alguns metros quando estiver cheio com a be-
bida; (4) ser barato, incluindo o custo para a fabricação 
na forma final; (5) se for opticamente transparente, deve 
reter sua clareza óptica; e (6) ser capaz de ser produzido 
em diferentes cores e/ou ser capaz de ser adornado com 
rótulos decorativos.
Todos os três tipos de materiais básicos — metal 
(alumínio), cerâmica (vidro) e polímero (plástico poliés-
ter) — são usados em recipientes de bebidas carbona-
tadas (como pode ser visto nas fotografias que abrem 
este capítulo). Todos esses materiais são não tóxicos e 
não reagem com as bebidas. Além disso, cada material 
possui seus pontos positivos e negativos. Por exemplo, a 
liga de alumínio é resistente (mas pode ser deformada 
com facilidade), é uma barreira muito boa contra a difu-
são do gás carbônico, é reciclada com facilidade, resfria 
as bebidas com rapidez, e os rótulos podem ser pintados 
sobre a sua superfície. Por outro lado, as latas são optica-
mente opacas e caras para serem produzidas. O vidro é 
impermeável à passagem do gás carbônico, é um material 
relativamente barato e pode ser reciclado, mas racha e se 
quebra com facilidade, e as garrafas de vidro são pesadas. 
Embora o plástico seja algo resistente, possa ser fabrica-
do opticamente transparente, seja barato e de baixo peso 
e seja reciclável, ele não é tão impermeável à passagem 
do gás carbônico quanto o alumínio e o vidro. Por exem-
plo, você pode observar que as bebidas em recipientes de 
alumínio e de vidro retêm sua carbonização (isto é, sua 
“efervescência”) durante vários anos, enquanto as bebi-
das em garrafas plásticas de dois litros “ficam chocas” em 
apenas alguns meses.
01capitulo01.indd 10 25/04/2016 21:03:53
Introdução • 11
9Algumas vezes o termo fibra de vidro é usado como referência a um compósito de polímero reforçado com fibras de vidro, que tem como 
abreviação “PRFV”.
Compósitos
Um compósito é composto por dois (ou mais) materiais individuais, os quais se enquadram nas 
categorias discutidas anteriormente — metais, cerâmicas e polímeros. O objetivo de projeto de um 
compósito é atingir uma combinação de propriedades que não é exibida por nenhum material iso-
lado e, também, incorporar as melhores características de cada um dos materiais que o compõem. 
Existe um grande número de tipos de compósitos, que são obtidos por diferentes combinações de 
metais, cerâmicas e polímeros. Adicionalmente, alguns materiais de ocorrência natural também são 
compósitos — por exemplo, a madeira e o osso. Entretanto, a maioria dos compósitos que conside-
ramos em nossas discussões são sintéticos (ou feitos pelo homem).
Um dos compósitos mais comuns e familiares é aquele com fibra de vidro, no qual peque-
nas fibras de vidro são encerradas dentro de um material polimérico (normalmente um epóxi ou 
um poliéster).9 As fibras de vidro são resistentes e rígidas (mas também são frágeis), enquanto o 
polímero é mais flexível. Dessa forma, o compósito fibra de vidro resultante é relativamente rígido, 
resistente (Figuras 1.5 e 1.6) e flexível. Além disso, possui baixa massa específica (Figura 1.4).
Outro material tecnologicamente importante é o compósito de polímero reforçado com fibras de 
carbono (ou “PRFC”). Fibras de carbono são colocadas no interior de um polímero. Esses materiais 
são mais rígidose mais resistentes que os materiais reforçados com fibras de vidro (Figuras 1.5 e 1.6); 
no entanto, são mais caros. Os compósitos de PRFC são usados em algumas aeronaves e em aplicações 
aeroespaciais, assim como em equipamentos esportivos de alta tecnologia (bicicletas, tacos de golfe, 
raquetes de tênis, esquis e pranchas de snowboard) e, recentemente, em para-choques de automóveis. 
A fuselagem do novo Boeing 787 é feita principalmente com esses compósitos de PRFC.
O Capítulo 16 é dedicado a uma discussão sobre esses interessantes materiais compósitos.
1.5 MATERIAIS AVANÇADOS
Os materiais utilizados em aplicações de alta tecnologia (ou high-tech) são algumas vezes denomi-
nados materiais avançados. Por alta tecnologia subentendemos um dispositivo ou produto que opera 
ou que funciona usando princípios relativamente intrincados e sofisticados; alguns exemplos incluem 
os equipamentos eletrônicos (câmeras de vídeo, CD/DVD players etc.), computadores, sistemas de 
fibra óptica, espaçonaves, aeronaves e foguetes militares. Tipicamente, esses materiais avançados 
são materiais tradicionais cujas propriedades foram aprimoradas e também materiais de alto desem-
penho que foram desenvolvidos recentemente. Além disso, eles podem pertencer a todos os tipos 
de materiais (por exemplo, metais, cerâmicas, polímeros) e são em geral de alto custo. Os materiais 
avançados incluem os semicondutores, os biomateriais, e o que podemos chamar de “materiais do 
futuro” (ou seja, materiais inteligentes e materiais nanoengenheirados), que serão discutidos a se-
guir. As propriedades e as aplicações de uma variedade desses materiais avançados — por exemplo, 
os materiais que são usados em lasers, circuitos integrados, para o armazenamento magnético de 
informações, em mostradores de cristal líquido (LCD — liquid crystal display) e em fibras ópticas 
— também serão discutidas em capítulos subsequentes.
Semicondutores
Os semicondutores possuem propriedades elétricas que são intermediárias entre aquelas exibidas 
pelos condutores elétricos (por exemplo, os metais e as ligas metálicas) e os isolantes (por exemplo, 
as cerâmicas e os polímeros) — veja a Figura 1.8. Além disso, as características elétricas desses ma-
teriais são extremamente sensíveis à presença de mínimas concentrações de átomos de impurezas; 
tais concentrações podem ser controladas em regiões muito pequenas do material. Os semicondu-
tores tornaram possível o advento dos circuitos integrados, os quais revolucionaram as indústrias 
de produtos eletrônicos e de computadores (para não mencionar as nossas vidas) ao longo das três 
últimas décadas.
Biomateriais
Os biomateriais são empregados em componentes implantados no corpo humano para a substituição 
de partes do corpo doentes ou danificadas. Esses materiais não devem produzir substâncias tóxicas 
e devem ser compatíveis com os tecidos do corpo (isto é, eles não devem causar reações biológicas 
adversas). Todos os materiais citados anteriormente — metais, cerâmicas, polímeros, compósitos e 
semicondutores — podem ser usados como biomateriais.
01capitulo01.indd 11 25/04/2016 21:03:54
12 • Capítulo 1
Materiais Inteligentes
Os materiais inteligentes são um grupo de novos materiais de última geração, que estão sendo 
atualmente desenvolvidos e que terão uma influência significativa sobre muitas das nossas 
tecnologias. O adjetivo inteligente implica que esses materiais são capazes de sentir mudanças nos 
seus ambientes e assim responder a essas mudanças segundo maneiras predeterminadas — carac-
terísticas que também são encontradas nos organismos vivos. Adicionalmente, esse conceito de 
inteligente é estendido a sistemas razoavelmente sofisticados que consistem tanto em materiais inte-
ligentes quanto tradicionais.
Os componentes de um material (ou sistema) inteligente incluem algum tipo de sensor (que 
detecta um sinal de entrada) e um atuador (que executa uma função de resposta e adaptação). Os 
atuadores podem provocar mudança de forma, de posição, da frequência natural ou das caracte-
rísticas mecânicas em resposta a mudanças na temperatura, nos campos elétricos e/ou nos campos 
magnéticos.
Quatro tipos de materiais são normalmente utilizados como atuadores: as ligas com memória 
da forma, as cerâmicas piezelétricas, os materiais magnetoconstritivos e os fluidos eletrorreológicos/
magnetorreológicos. As ligas com memória da forma são metais que, após terem sido deformados, 
retornam às suas formas originais quando a temperatura é modificada (veja o item Materiais de 
Importância após a Seção 10.9). As cerâmicas piezelétricas expandem-se e contraem-se em resposta 
à aplicação de um campo elétrico (ou tensão); de maneira inversa, elas também geram um campo 
elétrico quando suas dimensões são alteradas (veja a Seção 18.25). O comportamento dos materiais 
magnetoconstritivos é análogo àquele exibido pelos materiais piezelétricos, exceto pelo fato de que 
respondem à presença de campos magnéticos. Ainda, os fluidos eletrorreológicos e magnetorreoló-
gicos são líquidos que apresentam mudanças drásticas na sua viscosidade quando há a aplicação, 
respectivamente, de campos elétricos e campos magnéticos.
Entre os materiais/dispositivos empregados como sensores estão as fibras ópticas (Seção 21.14), 
os materiais piezelétricos (incluindo alguns polímeros) e os sistemas microeletromecânicos (MEMS 
— microelectromechanical systems). (Veja a Seção 13.9.)
Por exemplo, um tipo de sistema inteligente é usado em helicópteros para reduzir o ruído aero-
dinâmico na cabine, que é produzido pelas lâminas do rotor em movimento. Sensores piezelétricos 
inseridos nas pás monitoram as tensões e as deformações em cada pá; os sinais de retorno desses 
sensores são alimentados por um dispositivo adaptador controlado por computador, que gera um 
antirruído e cancela o ruído produzido pelas pás.
Nanomateriais
Uma nova classe de materiais com propriedades fascinantes e uma excelente promessa tecnológica 
é a dos nanomateriais. Os nanomateriais podem ser de qualquer um dos quatro tipos básicos de ma-
teriais — metais, cerâmicas, polímeros e compósitos. No entanto, ao contrário desses outros mate-
riais, eles não são diferenciados com base em sua química, mas, em lugar disso, em função do seu 
tamanho; o prefixo nano indica que as dimensões dessas entidades estruturais são da ordem do 
nanômetro (10−9 m) — como regra, menos de 100 nanômetros (nm; isso equivale a aproximadamente 
500 diâmetros atômicos).
Antes do advento dos nanomateriais, o procedimento geral utilizado pelos cientistas para com-
preender a química e a física dos materiais consistia em partir do estudo de estruturas grandes e 
complexas e, então, investigar os blocos construtivos fundamentais que compõem essas estruturas, 
que são menores e mais simples. Essa abordagem é algumas vezes chamada de ciência de cima para 
baixo. Por outro lado, com o desenvolvimento dos microscópios de varredura por sonda (Seção 
4.10), que permitem a observação de átomos e moléculas individuais, tornou-se possível projetar e 
construir novas estruturas a partir dos seus constituintes no nível atômico, um átomo ou molécula de 
cada vez (isto é, “materiais projetados”). Essa habilidade em arranjar cuidadosamente os átomos 
oferece oportunidades para o desenvolvimento de propriedades mecânicas, elétricas, magnéticas, 
e de outras naturezas que não seriam possíveis de nenhuma outra maneira. A isso nós chamamos 
de abordagem de baixo para cima, e o estudo das propriedades desses materiais é denominado 
nanotecnologia.10
Algumas das características físicas e químicas exibidas pela matéria podem experimentar mu-
danças drásticas, na medida em que o tamanho da partícula se aproxima das dimensões atômicas. 
Por exemplo, materiais que são opacos no domínio macroscópico podem tornar-se transparentes na 
10Uma sugestão lendária e profética em relação à possibilidade da existência de materiais nanoengenheirados foi dada por Richard 
Feynman em sua palestra de 1959 na Sociedade Americanade Física, que tinha o título de “There’s Plenty of Room at the Bottom” (Existe 
Bastante Espaço no Fundo).
01capitulo01.indd 12 25/04/2016 21:03:54
Introdução • 13
nanoescala; alguns sólidos tornam-se líquidos, materiais quimicamente estáveis tornam-se combus-
tíveis, e isolantes elétricos tornam-se condutores. Além disso, as propriedades podem depender do 
tamanho nesse domínio em nanoescala. Alguns desses efeitos têm sua origem na mecânica quântica, 
enquanto outros estão relacionados com fenômenos de superfície — a proporção de átomos locali-
zada em sítios na superfície de uma partícula aumenta dramaticamente na medida em que o tamanho 
da partícula diminui.
Por causa dessas propriedades únicas e não usuais, os nanomateriais estão encontrando nichos 
na eletrônica, na biomedicina, no esporte, na produção de energia e em outras aplicações industriais. 
Algumas são discutidas neste livro, incluindo as seguintes:
•  Conversores catalíticos para automóveis (Materiais de Importância, Capítulo 4)
•  Nanocarbonos — fulerenos, nanotubos de carbono e grafeno (Seção 13.9)
•  Partículas de negro de fumo como reforço para pneus de automóveis (Seção 16.2)
•  Nanocompósitos (Seção 16.16)
•  Grãos magnéticos com nanodimensões que são usados para drives de discos rígidos (Seção 20.11)
•  Partículas magnéticas que armazenam dados em fitas magnéticas (Seção 20.11)
Sempre que um novo material é desenvolvido, seu potencial para interações nocivas e toxi-
cológicas com os seres humanos e animais deve ser considerado. As pequenas nanopartículas pos-
suem razões de área superficial por volume que são extremamente grandes, o que pode levar a altas 
reatividades químicas. Embora a segurança dos nanomateriais seja uma área relativamente inexplo-
rada, existem preocupações de que eles possam ser absorvidos para o interior do corpo através da 
pele, dos pulmões e do trato digestivo, em taxas relativamente elevadas, e de que alguns, se presentes 
em concentrações suficientes, venham a apresentar riscos à saúde, tais como danos ao DNA ou de-
senvolvimento de câncer de pulmão.
1.6 NECESSIDADES DOS MATERIAIS MODERNOS
Apesar do grande progresso que tem sido obtido ao longo dos últimos anos na disciplina da Ciência 
e Engenharia de Materiais, ainda existem desafios tecnológicos, que incluem o desenvolvimento 
de materiais cada vez mais sofisticados e especializados, assim como uma consideração do impacto 
ambiental causado pela produção de materiais. Dessa forma, torna-se apropriado abordar essas 
questões a fim de esclarecer tal perspectiva.
A energia nuclear é promissora, mas as soluções para os muitos problemas que ainda per-
manecem irão necessariamente envolver materiais, como combustíveis, estruturas de contenção, e 
instalações para o descarte de rejeitos radioativos.
Quantidade significativa de energia se encontra envolvida na área de transportes. A redução 
no peso dos veículos de transporte (automóveis, aeronaves, trens etc.), assim como o aumento da 
temperatura de operação dos motores, vão aumentar a eficiência dos combustíveis. Novos materiais 
estruturais de alta resistência e baixa massa específica ainda precisam ser desenvolvidos, assim como 
materiais com capacidade de suportar temperaturas mais elevadas, para serem usados nos compo-
nentes dos motores.
Ademais, existe uma reconhecida necessidade de encontrar novas e econômicas fontes de 
energia, e utilizar os recursos atuais de forma mais eficiente. Os materiais, sem dúvida alguma, 
desempenharão um papel significativo nesse desenvolvimento. Por exemplo, a conversão direta de 
energia solar em energia elétrica foi comprovada. As células solares empregam alguns materiais 
razoavelmente caros e complexos. Para assegurar uma tecnologia viável, é preciso desenvolver ma-
teriais que sejam altamente eficientes nesse processo de conversão, mas que também sejam menos 
dispendiosos.
A célula combustível de hidrogênio é outra tecnologia atrativa e factível para a conversão de 
energia, e tem a vantagem de não ser poluente. Ela está apenas começando a ser implementada em 
baterias para dispositivos eletrônicos e promete ser uma usina de energia para os automóveis. É 
necessário, ainda, desenvolver novos materiais para a fabricação de células combustíveis mais efi-
cientes e, também, para a utilização de bons catalisadores na produção de hidrogênio.
Além disso, a qualidade do meio ambiente depende da nossa habilidade em controlar 
a poluição do ar e da água. As técnicas de controle da poluição empregam vários materiais. 
Adicionalmente, os métodos de processamento e de refino de materiais devem ser aprimorados, 
de modo a produzir menor degradação do meio ambiente, isto é, menos poluição e menor destrui-
ção do ambiente pela mineração das matérias-primas. Também, substâncias tóxicas são produzidas 
em alguns processos de fabricação de materiais, e o impacto ecológico do seu descarte precisa ser 
considerado.
01capitulo01.indd 13 25/04/2016 21:03:54
14 • Capítulo 1
Figura 1.12 Cronogramas dos tópicos para o processamento/estrutura/propriedades/desempenho de (a) aços, (b) vitrocerâ-
micos, (c) fibras poliméricas e (d) semicondutores de silício.
Processamento
AÇOS
Estrutura
Estrutura cristalina,
polimorfismo
Soluções sólidas, 
discordâncias
Propriedades
mecânicas
Microestrutura de vários 
microconstituintes
Propriedades mecânicas
de ligas Fe-C
Aplicações das ligas de aço
Discordâncias, sistemas 
de deslizamento, 
mecanismos 
de reforço
Equilíbrios de fases,
o diagrama de fases
ferro-carbeto de ferro
Desenvolvimento da microestrutura,
ligas ferro-carbeto de ferro
Propriedades
Desempenho
Cap. 3 Cap. 4 Cap. 5 Cap. 6 Cap. 7 Cap. 9 Cap. 10 Cap. 11
Difusão�
� � �
�
�
����
�
�
�
Recristalização
Diagramas de transformação isotérmica, diagramas 
de transformação por resfriamento contínuo; 
tratamento térmico para martensita revenida
Tratamento térmico de aços
(a)
Processamento
VITROCERÂMICAS
Estrutura
Sólidos 
não cristalinos Policristalinidade
Propriedades 
mecânicas, 
térmicas, óticas
Opacidade e translucidez 
em isolantes
Aplicações
Estrutura atômica 
dos vidros de sílica
Propriedades
Desempenho
Cap. 3 Cap. 10 Cap. 12 Cap. 13 Cap. 21
Diagramas de transformação 
por resfriamento contínuo�
� ��
� �
�
� �Conceito de viscosidade
Cristalização, 
fabricação, 
tratamento térmico
(b)
Muitos dos materiais que usamos são derivados de recursos não renováveis (recursos que não po-
dem ser regenerados). Esses materiais incluem a maioria dos polímeros, cuja matéria-prima principal 
é o petróleo, e alguns metais. Esses recursos não renováveis, gradualmente vão se tornando cada vez 
mais escassos, o que exige (1) a descoberta de reservas adicionais; (2) o desenvolvimento de novos 
materiais que possuam propriedades que apresentem um impacto ambiental menos adverso; (3) inten-
sificação dos esforços de reciclagem e o desenvolvimento de novas tecnologias de reciclagem. Como 
consequência dos aspectos econômicos, não somente relativos à produção, mas também ao impacto 
ambiental e a fatores ecológicos, torna-se cada vez mais importante considerar o ciclo de vida completo 
dos materiais, “do berço ao túmulo”, levando-se em consideração o processo global de fabricação.
As funções que os cientistas e engenheiros de materiais desempenham em relação a esses aspec-
tos, e em relação a questões ambientais e sociais, serão discutidas em mais detalhes no Capítulo 22.
1.7 CORRELAÇÕES/PROCESSAMENTO/ESTRUTURA/PROPRIEDADES/DESEMPENHO
Como mencionado anteriormente (Seção 1.2), a Ciência e a Engenharia de Materiais envolvem 
quatro componentes que estão inter-relacionados: processamento, estrutura, propriedades e desem-
penho (Figura 1.1). Não obstante o restante do livro discutir esses componentes para os diferentes 
tipos de materiais, decidiu-se por direcionar a atenção do leitor ao tratamento de componentes 
individuais para vários materiais específicos. Enquanto algumas dessas discussões são encontradas 
dentro de um único capítulo,outras estão espalhadas ao longo de vários capítulos. Para o último 
caso, e para cada material que selecionamos, foi criado um cronograma dos tópicos que indica os 
locais (por seções) onde tratamentos dos quatro componentes podem ser encontrados. A Figura 1.12 
01capitulo01.indd 14 25/04/2016 21:03:58
Introdução • 15
 Processamento
 SEMICONDUTORES DE SILÍCIO
Estrutura
Estrutura eletrônica, 
ligações interatômicas
Propriedades elétricas
Estrutura da banda eletrônica
Circuitos integrados
 Propriedades
Desempenho
Cap. 3 Cap. 4 Cap. 5 Cap. 18
�
�
�
�
��
Circuitos integrados
Especificação 
da composição �
Difusão
Processamento
FIBRAS POLIMÉRICAS
Estrutura
Estrutura eletrônica, 
ligações interatômicas
Propriedades mecânicas, 
fatores que afetam
Temperatura de fusão, 
fatores que afetam
Degradação
Aplicações
Moléculas de polímeros, 
polímeros cristalinos
 Propriedades
Desempenho
Cap. 2 Cap. 14 Cap. 15 Cap. 17
� �
Polímeros 
termoplásticos� �
�
�
�
�
Polimerização, aditivos, fusão, 
conformação de fibras
�
Temperatura de fusão, 
fatores que afetam
Figura 1.12 (continuação)
(c)
(d)
apresenta os cronogramas dos tópicos para os seguintes materiais: aços, vitrocerâmicos, fibras poli-
méricas e semicondutores de silício. Adicionalmente, próximo ao final de cada capítulo com alguma 
discussão sobre processamento, estrutura, propriedades e/ou desempenho para pelo menos um 
desses quatro materiais, é fornecido um resumo na forma de um ou mais mapas de conceitos. Um 
mapa de conceitos consiste em um diagrama que ilustra as relações entre os conceitos. Essas relações 
são representadas por meio de setas de conexão (frequentemente horizontais); cada seta aponta (da 
esquerda para a direita) de um conceito para outro. A organização dessas conexões é hierárquica, 
isto é, um conceito à esquerda de uma seta deve ser conhecido antes que um conceito à direita possa 
ser compreendido. Para cada mapa, pelo menos um dos seus conceitos é discutido no seu capítulo; 
outros conceitos podem ser tratados em um capítulo anterior e/ou posterior. Por exemplo, a Figura 
1.13 apresenta uma porção de um mapa de conceitos para o processamento de ligas de aço que apa-
rece no Capítulo 10.
Diagrama de fases
ferro-carbeto de ferro
(Capítulo 9)
Diagramas de 
 transformação 
 isotérmica
(Capítulo 10) 
Diagramas de 
 transformação por 
 resfriamento contínuo
(Capítulo 10) 
Tratamento 
 térmico de aços
(Capítulo 11) 
Figura 1.13 Porção de um mapa de conceitos para o processamento de uma liga de aço que 
pode ser encontrado no Capítulo 10.
01capitulo01.indd 15 25/04/2016 21:04:00
16 • Capítulo 1
RESUMO
• Existem seis classificações diferentes das propriedades dos materiais que determinam suas aplica-
ções: mecânica, elétrica, térmica, magnética, óptica e de deterioração.
• Um aspecto da ciência de materiais é a investigação das relações que existem entre as estruturas 
e as propriedades dos materiais. Por estrutura, queremos dizer a maneira como algum(ns) com-
ponente(s) interno(s) do material está(ão) arranjado(s). Em termos da dimensão (e com o seu 
aumento), os elementos estruturais incluem elementos subatômicos, atômicos, microscópicos e 
macroscópicos.
• Com relação ao projeto, à produção e à utilização dos materiais, existem quatro elementos a se-
rem considerados: processamento, estrutura, propriedades e desempenho. O desempenho de um 
material depende das suas propriedades, as quais, por sua vez, são uma função da(s) sua(s) estru-
tura(s); adicionalmente, a(s) estrutura(s) é(são) determinada(s) pela maneira como o material foi 
processado.
• Três critérios importantes na seleção dos materiais são as condições em serviço às quais o material 
será submetido, qualquer deterioração das propriedades dos materiais durante a operação e os 
aspectos econômicos ou custo da peça fabricada.
• Com base  na  química  e  na  estrutura  atômica,  os materiais  são  classificados  em  três  categorias 
gerais: metais (elementos metálicos), cerâmicas (compostos entre elementos metálicos e não me-
tálicos) e polímeros (compostos cuja composição inclui carbono, hidrogênio e outros elementos 
não metálicos). Além disso, os compósitos são compostos por pelo menos dois tipos de materiais 
diferentes.
• Outra categoria dos materiais é a dos materiais avançados, utilizados em aplicações de alta tec-
nologia. Esses materiais incluem os semicondutores (que possuem condutividades elétricas inter-
mediárias entre os condutores e os isolantes), os biomateriais (que devem ser compatíveis com os 
tecidos do corpo), os materiais inteligentes (aqueles que sofrem mudanças e reagem a essas mu-
danças nos seus ambientes de maneira predeterminada) e os nanomateriais (aqueles que possuem 
características estruturais na ordem do nanômetro, alguns dos quais podem ser projetados em uma 
escala atômica/molecular).
Ciência e 
Engenharia de 
Materiais
Classificação dos 
Materiais
Materiais Avançados
REFERÊNCIAS
Ashby, M. F., and D. R. H. Jones, Engineering Materials 1: An 
Introduction to Their Properties, Applications, and Design, 4th 
edition, Butterworth-Heinemann, Oxford, England, 2012.
Ashby, M. F., and D. R. H. Jones, Engineering Materials 2: An 
Introduction to Microstructures and Processing, 4th edition, 
Butterworth-Heinemann, Oxford, England, 2012.
Ashby, M., H. Shercliff, and D. Cebon, Materials Engineering, Science, 
Processing and Design, Butterworth-Heinemann, Oxford, 
England, 2007.
Askeland, D. R., P. P. Fulay, and W. J. Wright, The Science and Engineering 
of Materials, 6th edition, Cengage Learning, Stamford, CT, 2011.
Baillie, C., and L. Vanasupa, Navigating the Materials World, Academic 
Press, San Diego, CA, 2003.
Douglas, E. P., Introduction to Materials Science and Engineering: A 
Guided Inquiry, Pearson Education, Upper Saddle River, NJ, 2014.
Fischer, T., Materials Science for Engineering Students, Academic Press, 
San Diego, CA, 2009.
Jacobs, J. A., and T. F. Kilduff, Engineering Materials Technology, 5th 
edition, Prentice Hall PTR, Paramus, NJ, 2005.
McMahon, C. J., Jr., Structural Materials, Merion Books, Philadelphia, 
PA, 2004.
Murray, G. T., C. V. White, and W. Weise, Introduction to Engineering 
Materials, 2nd edition, CRC Press, Boca Raton, FL, 2007.
Schaffer, J. P., A. Saxena, S. D. Antolovich, T. H. Sanders, Jr., and S. 
B. Warner, The Science and Design of Engineering Materials, 2nd 
edition, McGraw-Hill, New York, NY, 1999.
Shackelford, J. F., Introduction to Materials Science for Engineers, 7th 
edition, Prentice Hall PTR, Paramus, NJ, 2009.
Smith, W. F., and J. Hashemi, Foundations of Materials Science and 
Engineering, 5th edition, McGraw-Hill, New York, NY, 2010.
Van Vlack, L. H., Elements of Materials Science and Engineering, 6th 
edition, Addison-Wesley Longman, Boston, MA, 1989.
White, M. A., Physical Properties of Materials, 2nd edition, CRC Press, 
Boca Raton, FL, 2012.
PERGUNTAS
1.1 Selecione um ou mais dos seguintes itens ou dispo-
sitivos modernos e faça uma busca na Internet para 
determinar qual(is) material(is) específico(s) é(são) 
usado(s) e quais propriedades específicas esse(s) ma-
terial(is) possui(em) para o dispositivo/item funcionar 
corretamente. Por fim, escreva um texto curto no qual 
você relata suas descobertas.
Baterias de telefone celular/câmera digital
Mostradores de telefone celular
Células solares
01capitulo01.indd 16 25/04/2016 21:04:00
Introdução • 17
Palhetas de turbinas eólicas
Células combustíveis
Blocos de motores de automóveis (excluindo o 
ferro fundido)
Carrocerias de automóveis (excluindo os aços-liga)
Espelhos de telescópio espacial
Blindagem pessoal militar
Equipamentos esportivos
Bolas de futebol
Bolas de basquete
Bastões de esqui
Botas de esqui
Pranchas de snowboard
Pranchas de surfe
Tacos de golfe
Bolas de golfe
Caiaques
Quadros leves de bicicleta
1.2 Liste três itens (além daqueles que estão mostrados na 
Figura 1.9) feitos a partir de metais ou suas ligas.Para 
cada item, anote o metal ou liga específico que é usado 
e pelo menos uma característica que torna esse o mate-
rial escolhido.
1.3 Liste três itens (além daqueles que estão mostrados na 
Figura 1.10) feitos a partir de materiais cerâmicos. Para cada 
item, anote a cerâmica específica que é usada e pelo menos 
uma característica que torna esse o material escolhido.
1.4 Liste três itens (além daqueles que estão mostrados na Figura 
1.11) feitos a partir de materiais poliméricos. Para cada item, 
anote o polímero específico que é usado e pelo menos uma 
característica que torna esse o material escolhido.
1.5 Classifique cada um dos seguintes materiais em metal, 
cerâmica ou polímero. Justifique cada escolha: (a) latão; 
(b) óxido de magnésio (MgO); (c) Plexiglas®; (d) policlo-
ropreno; (e) carbeto de boro (B4C); e (f) ferro fundido.
01capitulo01.indd 17 25/04/2016 21:04:00