Aula 1

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SELEÇÃO DE MATERIAISSELEÇÃO DE MATERIAIS
MECÂNICOSMECÂNICOS
SELEÇÃO DE MATERIAIS:SELEÇÃO DE MATERIAIS:
PROPRIEDADESPROPRIEDADES
MECÂNICAS E ELÉTRICASMECÂNICAS E ELÉTRICAS
Autor: Dra. Roberta Paye Bara
Revisor : A l lan Berbert
IN IC IAR
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introduçãoIntrodução
A seleção de materiais envolve conhecer a evolução dos materiais ao longo da
história da humanidade, bem como compreender as propriedades mecânicas
dos materiais metálicos e as propriedades elétricas.
O objetivo é evitar acidentes e também garantir que o produto não quebre ou
sofra uma fratura (porque fratura pode ser só uma trinca) por falta da análise
das propriedades mecânicas ligadas à tensão, deformação e dureza.
Os acidentes que envolvem essas propriedades incluem choques elétricos em
produtos em que isso não deveria ocorrer, ou o produto pode quebrar e os
pedaços da peça gerar ferimentos nas pessoas que estavam manuseando o
produto.
Esses assuntos serão aprofundados nesta unidade. Veremos o que é a base para
a escolha de materiais em projetos e que isso depende do conhecimento prévio
sobre materiais, da de�nição de materiais metálicos, poliméricos e cerâmicos.
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A seleção de materiais envolve compreender que é necessário relacionar
viabilidade econômica no desenvolvimento do produto com as propriedades
que o produto deverá possuir para atender às necessidades de utilização e
outros critérios que por ventura sejam exigidos, por exemplo, limitações de
fornecedores, exigência de clientes ou respeito a alguma legislação ambiental.
Materiais em Projeto
O desenvolvimento de produtos possui diversas etapas de projeto, desde
veri�car o portfólio de produtos quanto à viabilidade de mercado, incluindo a
análise de maquinário necessário para criação do produto e passando pela
análise dos materiais que serão utilizados no desenvolvimento do produto, até a
embalagem.
Os materiais são avaliados no projeto considerando aspectos econômicos, como
Introdução àIntrodução à
Seleção de MateriaisSeleção de Materiais
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disponibilidade de fornecedores locais, visto que quanto maior a distância do
fornecedor, maior será a chance de encarecer o valor. Ainda dentro dos
aspectos econômicos, são considerados os processos de fabricação que o
material exige e as propriedades mecânicas. Por exemplo, para um determinado
produto é veri�cado que três tipos de ligas metálicas atendem às necessidades
de resistência mecânica do produto �nal, porém a primeira liga possui um preço
muito elevado em comparação com as outras e a segunda necessita que seja
processada por uma técnica que exige um maquinário cujo preço é muito
elevado. Assim, nesse caso, a melhor escolha será a terceira liga, pois possui
preço mais acessível e não exige um processamento oneroso.
Além das questões econômicas, é fundamental analisar o material conforme
suas características mecânicas, ou seja, se a escolha do material contempla o
uso para qual o produto será submetido. Para isso, devem-se incluir as
condições de resistência a intempéries locais. Quando não há um minucioso
trabalho de pesquisa para identi�car as condições em que o material estará
submetido, podem ocorrer acidentes. Um exemplo é o desabamento de parte
do viaduto da BR 116 (Régis Bittencourt), em 2005. Esse acidente resultou na
morte de um caminhoneiro que passava no local no momento em que a
estrutura cedeu. Na imagem a seguir, é possível observar que esse trecho da
rodovia possuía dois viadutos paralelos, sendo que parte do viaduto sentido
Paraná desabou na encosta da represa do Capivari (CENACID, 2005).
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Figura 1.1 - Vista da parte do viaduto da BR 116 que desabou em 2005
Fonte: CENACID (2005).
No estudo sobre materiais, temos a ciência dos materiais e a engenharia de
materiais. Em resumo, a ciência dos materiais contempla os conhecimentos
básicos sobre estrutura interna dos materiais, bem como as propriedades e as
formas de processamento. Já a engenharia de materiais consiste na aplicação da
ciência dos materiais no desenvolvimento de produtos. A maioria dos materiais
utilizados na engenharia de materiais pode ser catalogada em materiais
metálicos e materiais não metálicos, sendo que os materiais não metálicos
podem ser materiais cerâmicos ou materiais poliméricos (SMITH; HASHEMI,
2012). Vale lembrar que materiais poliméricos são todos os materiais compostos
por polímeros.
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Figura 1.2 - Relação entre as ciências dos materiais e outras áreas
Fonte: Adaptado de Smith e Hashemi (2012, p. 4).
A partir da Figura 1.2, percebemos a relação entre engenharia e ciência dos
materiais com outras áreas. A ciência dos materiais pode ser aplicada, por
exemplo, na medicina, com os biomateriais e os materiais que compõem
equipamentos médicos, e também na geologia, com o aperfeiçoamento dos
materiais utilizados para fazer as brocas de perfuração geológica.
A Evolução dos Materiais
O homem pré-histórico utilizava os materiais disponíveis na natureza, como
pedras, conchas e madeira, para sobreviver. Há indícios de pedras lascadas com
formato pontiagudo que indicam que, em alguns momentos, houve um
interesse em aperfeiçoar o material disponível para atender a uma necessidade
(nesse caso, a necessidade da caça).
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Historicamente, o desenvolvimento das civilizações se sustentou no
desenvolvimento de ferramentas para o trabalho humano (no trabalho com
animais, na agricultura ou demais atividades econômicas) e na fabricação de
armas. Conforme resultado de indícios arqueológicos encontrados até o
presente momento,  temos as idades dos metais como a última fase da pré-
história. A partir desse início da metalurgia, a humanidade aperfeiçoou técnicas
e materiais. Veja a seguir o infográ�co sobre os materiais ao longo da história.
Figura 1.3 - Pedra lascada exposta no Museu da Natureza na Serra da Capivara
(Piauí)
Fonte: Mario Cesar Mendonça Gomes / Wikimedia Commons.
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Ao longo da história da humanidade ocorreram várias tentativas de aperfeiçoar
processos de fabricação e de tratamento dos materiais. Nas últimas décadas,
com o advento da internet, que facilitou o acesso à informação e o
compartilhamento rápido de pesquisas, houve uma maior difusão de pesquisas
voltadas à evolução dos processos de criação e processamento dos materiais.
Isso é evidenciado em linhas de pesquisa voltadas para os biomateriais e
materiais compósitos.
Os biomateriais são materiaisque precisam ser biocompatíveis com o
organismo humano, como os que são utilizados para implantes. O termo
biocompatível de�ne os materiais que não produzem substâncias tóxicas
quando em contato com �uidos e tecidos vivos; não são necessariamente
inertes. Um exemplo são os �os de sutura para cirurgias internas que são
absorvidos com o tempo (há uma reação, mas ela não é tóxica).
Já os compósitos são um grupo de materiais que podem ser aplicados em
diversas áreas. Eles consistem na associação de dois ou mais tipos de materiais,
por exemplo, o compósito plástico e �bra de coco, que é utilizado atualmente
para criar vasos de plantas.
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saibamaisSaiba mais
Explore as linhas de pesquisa, as imagens do
laboratório e as publicações. É uma área muito
importante da engenharia mecânica com
aplicações médicas e odontológicas, cujos
ensaios de caracterização das amostras
incluem testes que simulam o desempenho
dos materiais no organismo humano.
Para saber mais sobre biomateriais, acesse o
site a seguir do Laboratório de Biomateriais e
Eletroquímica do Departamento de Engenharia
Mecânica da Universidade Federal do Paraná.
ACESSAR
Na evolução dos materiais, há um grupo conhecido como materiais inteligentes,
que alteram suas propriedades (mecânicas, elétricas ou de forma) conforme os
estímulos que recebem. Esses estímulos podem ser alteração na temperatura,
tensão, luz, umidade, campo elétrico ou magnético. Um exemplo são os metais
memória que, em função de algum estímulo pré-programado, retornam ao
formato da programação. Uma aplicação de metal memória de forma são os
stents , reforço expansível. Trata-se de estruturas metálicas utilizadas para
desobstruir artérias ou conter aneurismas. O stent é um metal com memória de
forma que, na temperatura ambiente, apresenta-se linear (normalmente como
uma estrutura tubular) e, em contato com a temperatura corporal, muda a sua
forma para o formato de uma mola, desobstruindo a artéria. Isso só é possível
porque a liga metálica com memória de forma (por exemplo, a liga cromo-
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http://www.demec.ufpr.br/portal/gbio/
http://www.demec.ufpr.br/portal/gbio/
cobalto e o nitinol, que é uma liga de níquel com titânio) foi programada para
reagir assim com relação ao estímulo da temperatura corporal (SMITH;
HASHEMI, 2012) e (AL-MUBARAK et al ., 2004).
Há materiais que geram um campo elétrico quando estimulados por uma força
mecânica. Essa característica é denominada piezeletricidade, e os materiais que
a possuem são conhecidos como materiais piezelétricos. Essa reação pode ser
estimulada inversamente, ou seja, ao submeter esses materiais a um campo
elétrico externo, haverá uma resposta mecânica (SMITH; HASHEMI, 2012). Um
exemplo são os buzzers (transdutores piezoelétricos), mecanismos que podem
ser utilizados em uma placa de arduino que, ao receber o estímulo externo de
um campo elétrico, cria uma vibração gerando um som.
Os nanomateriais são estruturas com dimensões da ordem do nanômetro (
10 −9m) e podem ser compostos de metais, polímeros, cerâmicos ou compósitos.
A utilização de estruturas tão pequenas possibilita o aperfeiçoamento de
propriedades mecânicas, elétricas e magnéticas, como no caso dos grãos
magnéticos que são utilizados no drivers de discos rígidos (CALLISTER JR.;
RETHWISCH, 2018).
praticarVamos Praticar
Leia o trecho a seguir.
“Os materiais inteligentes são um grupo de novos materiais de última geração que
estão sendo atualmente desenvolvidos e que terão uma in�uência signi�cativa sobre
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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 – características que também são
encontradas nos organismos vivos”.
CALLISTER JR, W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia de materiais : uma
introdução. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018. p. 11.
Ao longo da história da humanidade foram aprimoradas as técnicas de utilização dos
materiais, incluindo aperfeiçoamento da fabricação. Considerando a evolução dos
materiais, assinale a alternativa que apresenta corretamente a nomenclatura utilizada
como característica dos materiais que não liberam substâncias tóxicas quando em
contato com �uidos corporais.
a) Compósito.
b) Memória de forma.
c) Biomaterial.
d) Biocompatível.
e) Piezeletricidade.
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As  propriedades mecânicas dos metais descrevem como cada material metálico
reage em relação a estímulos externos, como mudança de temperatura, de
umidade, de pressão, de ph ou em caso de impacto. A época da Segunda Guerra
Mundial foi um momento em que se buscou construir navios de forma mais
rápida, sem uma criteriosa análise cientí�ca, a �m de combater as tropas
alemãs. O problema foi que os primeiros navios da Classe Liberty apresentaram
falhas catastró�cas, visto que trincas nos navios se propagaram tão rapidamente
e de forma tão severa que eles se partiram ao meio.
PropriedadesPropriedades
Mecânicas dosMecânicas dos
MetaisMetais
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Após uma sequência de ocorrências catastró�cas, foram buscar entender o que
poderia ter afetado a estrutura. Os navios da classe Liberty foram construídos
no Atlântico Norte, onde as chapas metálicas do casco �cavam na transição
dúctil para frágil, ou seja, a temperatura em que estava submetido o navio
facilitava a fragilidade e a consequente formação de trincas. Além disso, as
chapas foram soldadas em vez de rebitadas para agilizar o processo de
fabricação dos navios e os cantos das escotilhas tinham um formato que fazia
com que se tornassem pontos de concentração de tensões facilitando a geração
de trincas (CALLISTER JR; RETHWISCH, 2018).
Existem diversos ensaios para de�nir propriedades mecânicas dos materiais,
todos conforme normas ASTM ( American Society for Testing and Materials ), para
que, independentemente do local, do laboratório e das barreiras linguísticas,
exista a possibilidade de serem repetidos da mesma forma e mantendo os
mesmos padrões. Os principais ensaios realizados nos metais são ensaios de:
tração, compressão, �exão, dureza, �uência, impacto, fadiga e envelhecimento
Figura 1.4 - Fratura do navio Liberty
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 5).
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acelerado.
Conceito de Tensão-Deformação
Quando uma estrutura metálica é tracionada (tensionada positivo, que é o
mesmo que esticada) em um único sentido, ocorre uma deformação da
estrutura, mas o que é analisado é se essa deformação continua após a retirada
da força que estava tracionando, pois se a estrutura retorna às dimensões
iniciais (antes de ser submetida à força de tração), é denominada deformação
elástica. Quando a estrutura metálica não retorna às dimensões iniciais, é
denominada deformação plástica (SMITH; HASHEMI, 2012). Essa característica de
deformação plástica de alguns metais é utilizada na estampagem (processo de
fabricação), em que chapas metálicas são pressionadas em formas para se obter
o formato desejado (como paralamas ou portas de veículos).
Figura 1.5 - Grá�code resistência à tração
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 7).
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O ensaio de tração consiste em submeter um corpo de prova do material que se
deseja testar, de forma que suas extremidades estejam �xadas e sejam
esticadas gradativamente até a ruptura do material. Os parâmetros tensão de
engenharia (σ) e deformação de engenharia (ϵ) dependem da área transversal da
seção da amostra (A0), da força instantânea aplicada na direção perpendicular à
seção transversal (F), do comprimento inicial do corpo de prova (l0) e do
comprimento durante a aplicação da força de tração (l). Onde,
Tensão da engenharia é σ =
F
A0
Deformação de engenharia é ϵ =
l− l0
l0
=
Δl (variaão do comprimento da amostra)
l0 ( comprimento inicial da amostra )
Na prática, os valores de deformação de engenharia são multiplicados por 100,
sendo descritos como deformação percentual ou alongamento percentual.
Figura 1.6 - Corpo de prova para ensaio de tração
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 158).
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O corpo de prova, conforme a descrição da �gura 1.6, é colocado no
equipamento de ensaio de tensão-deformação por tração, conforme
representado a seguir.
Figura 1.7 - Modelo de equipamento para ensaio de tensão-deformação sob
tração
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 158).
Por exemplo, considere um corpo de prova de alumínio comercialmente puro,
com 1,30 mm de largura, 0,10 cm de espessura e 20,3 mm de comprimento, que
foi submetido a uma força de 11.120 N. São marcados dois pontos no centro da
amostra no sentido longitudinal (o mesmo sentido onde será aplicada a força). A
distância entre esses dois pontos é de 5,0 mm inicialmente e, depois de aplicada
uma força de tração, a distância entre as marcas passa para 6,5 mm. Calcule a
deformação e a tensão de engenharia.
Solução: primeiro é importante destacar que nem todas as medidas estão com
a mesma unidade, então vamos reescrever usando todas as medidas em
milímetros e identi�car quais são os valores das variáveis:
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Tensão da engenharia é σ =
F
A0
 e deformação de engenharia é ϵ =
l− l0
l0
. Sabendo
que  A0 = (1, 30 mm × 1, 0 mm) = 1, 30 mm2, F = 11.120 N, l = 6, 5 mm e l0 = 5, 0 mm, a
tensão da engenharia é σ =
F
A0
=
11.120 N
1 , 30mm2
= 8.553, 85 N /mm2. A deformação de
engenharia é ϵ =
l− l0
l0
=
6 , 5 mm − 5 , 0 mm
5 , 0 mm
=
1 , 5 mm
5 , 0 mm
= 0, 3, sendo o alongamento
percentual = 0, 3 × 100.
Usualmente, esses dados são fornecidos em forma de tabela (são dados das
ligas metálicas conhecidas) e são calculados dessa forma por ensaios nos casos
do desenvolvimento de novos materiais, como compósitos.
Os resultados obtidos no ensaio são descritos na forma de grá�co de tensão-
deformação, que pode ser observado a seguir. Observe que, ao longo da curva,
são representadas as mudanças no corpo de prova, desde a deformação
elástica, passando pela deformação plástica até o ponto de fratura.
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Figura 1.8 - Grá�co de tensão-deformação até o ponto de ruptura do corpo de
prova
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 166).
Como as forças aplicadas nas extremidades do corpo de prova são iguais, há um
estrangulamento no centro do corpo de prova até a fratura. Veja que só uma
região central é deformada. Essa ocorrência é denominada estricção, o que, em
algumas referências, é chamada de “pescoço”. É nessa área que ocorrerá a
fratura.
A ductilidade descreve o grau de deformação plástica (aquela deformação
irreversível, que não volta após a redução da carga de tensão) que ocorre no
material no momento da fratura, e é medido em função do alongamento
percentual. A ductilidade aumenta com o aumento da temperatura, enquanto
que o limite de resistência à tração diminui (CALLISTER; RETHWISCH, 2018). Por
isso, a ductilidade pode ser descrita como alongamento percentual ou na forma
de redução percentual na área , onde Af é a área da seção transversal no ponto
de fratura e A0 é a área da seção transversal inicial.
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A maioria dos metais e ligas metálicas apresenta uma relação linear entre tensão
e deformação na área elástica do diagrama de tensão-deformação de
engenharia. Essa relação é de�nida pela lei de Hooke na forma de σ = Eϵ,
sabendo que σ é tensão da engenharia, ϵ é deformação de engenharia e E  é o
módulo de elasticidade (também conhecido como módulo de Young). A medida
E descreve a rigidez de um material. Por exemplo, o módulo de elasticidade do
aço é de 207 GPa (independente do tratamento térmico ou teor de carbono).
Quando a tensão aplicada resulta em uma deformação plástica signi�cativa, é
denominada tensão de escoamento. Quando não há um ponto bem de�nido
entre a deformação elástica e a deformação plástica no grá�co de tensão-
deformação, é feita a opção de utilizar um ponto no início da   tensão de
escoamento. Quando já ocorreu uma certa deformação plástica, geralmente
0,2% de deformação plástica (mas isso varia, por exemplo no Reino Unido o
limite convencional é 0,1%).
A tensão de escoamento a 0,2% é conhecida como tensão limite convencional de
Figura 1.9 - Diagrama de tensão-deformação de latão
Fonte: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 167).
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elasticidade a 0,2%, que é de�nida no diagrama de tensão-deformação de
engenharia. Para obter a tensão de escoamento a partir do diagrama de tensão-
deformação, primeiro é necessário traçar uma reta paralela à região elástica
passando pelo ponto correspondente a 0,2%, ou seja, 
0 , 2
100
= 0, 002 m/m, que é
igual a 0,002 mm/mm. O local onde essa reta interceptar o grá�co será o ponto
no qual deverá ser traçada uma perpendicular para obter o valor de tensão de
escoamento, que, nesse caso, corresponde a  250 MPa.
Outro fator importante é o coe�ciente de Poisson (v), que representa a razão
negativa das deformações transversal e longitudinal, em que v = −
ϵx
ϵz
= −
ϵy
ϵz
. Os
valores do coe�ciente de Poisson são tabelados e de fácil consulta. Os materiais
metálicos, por exemplo, �cam na faixa de 0,25 e 0,35.
A resiliência consiste na habilidade dos materiais de absorver a energia quando
são deformados elasticamente. Após a retirada da carga, é possível recuperar
essa energia. O módulo de resiliência corresponde à energia de deformação por
unidade de volume necessária para tensionar o material desde o estado sem
carga até sua resistência ao escoamento.
A tenacidade consiste na habilidade de um material absorver a energia e se
deformarplasticamente antes de fraturar. É a propriedade que é analisada nos
ensaios de impacto.
A tensão verdadeira é de�nida por σV =
F
Ai
, pois corresponde à carga instantânea
(F) aplicada, dividida pela área instantânea da seção transversal (Ai). Já a
deformação verdadeira, ϵV = ln
li
l0
 ou ϵV = ln
A0
Af
,  corresponde ao logaritmo natural
da razão entre os comprimentos instantâneo (li) e original (l0) do corpo de prova
(CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018) e (NEWELL, 2010).
Por exemplo, um corpo de prova de aço é testado sob tração até sua fratura,
tendo sido determinado que ele tem resistência à fratura, expressa em tensão
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de engenharia, σf de 460 MPa. Considerando que A0 = 128 mm2 e Af = 89 mm2,
determine a tensão verdadeira σv e a deformação verdadeira ϵV.
Solução: Primeiro, é preciso identi�car os valores que serão utilizados. Vamos
obter F, que é F = σf ⋅ A0 =(460 × 106 N /m2)(128 mm2)( 1 m2106 mm2) = 58.800 N
Observe que Af corresponde à área instantânea no momento da ruptura.
Agora, vamos de�nir a tensão verdadeira: σv =
58.800 N
(89 mm2)( 1 m2106 mm2)
= 660 × 106 N /m2
Vimos que a deformação verdadeira é ϵV = ln
li
l0
, contudo ela também pode ser
escrita como ϵV = ln
A0
Af
, logo ϵV = ln
128
89
= ln 1, 4 = 0, 36.
Há também o ensaio de tensão-deformação sob compressão, similar ao de
tração, porém o sentido da força é contrário, comprimindo o corpo de prova.
Dureza
A dureza de um material depende da resistência à abrasão (desgaste por
fricção), ou seja, consiste na resistência da superfície do material à penetração
de um material conhecido como indentador. Existem alguns tipos de ensaio de
dureza em que o cálculo para dureza do material dependerá do formato do
indentador, que poderá ser esférico, piramidal ou cônico e de material cuja
dureza seja conhecida, com alta dureza, como carboneto de tungstênio ou
diamante. O ensaio consiste em aplicar, lentamente, uma carga ao indentador
sobre a amostra de metal e depois analisar a marca para calcular a dureza.
Quanto mais macio, mais profunda será a marca formada (NEWELL, 2010) e
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(SMITH; HASHEMI, 2012). Como é realizada uma marca com o indentador na
amostra, não ocorre dano catastró�co (não há fratura), ou seja, é um ensaio
mecânico não destrutivo.
O ensaio Rockwell consiste na possibilidade de uso de vários indentadores
combinados com várias possibilidades de cargas, que podem ser aplicadas em
ligas metálicas e alguns tipos de polímeros. O cálculo de dureza é de�nido pela
diferença na profundidade do indentador com uma carga inicial baixa e uma
carga �nal maior.
Figura 1.10 - Máquina de ensaio de dureza Rockwell
Fonte: Smith e Hashemi (2012, p. 169).
No ensaio Brinell, o indentador é uma esfera de aço ou carboneto de tungstênio
com 10 mm de diâmetro. No ensaio Vickers, o indentador é uma pirâmide de
base quadrada. No ensaio de microdureza Knoop, o indentador é de diamante,
com uma forma piramidal, com base em forma de losango (SMITH; HASHEMI,
2012). Os ensaios de microdureza são utilizados para medir a dureza de
amostras muito pequenas e de materiais muito frágeis, como materiais
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cerâmicos.
Variabilidade nas Propriedades dos
Materiais
A variabilidade nas propriedades dos materiais trata do fato de que algumas
propriedades aferidas para os materiais não são exatas. Isso ocorre porque
podem haver pequenas imprecisões de calibração ou falhas na homogeneidade
das amostras. Quando ocorre essa variação, é realizada uma média e calcula-se
o desvio-padrão (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018).
Fatores de Projeto e Segurança
Os fatores de projeto e segurança envolvem procedimentos de projeto para
proteção contra falhas, considerando a variação das propriedades mecânicas
dos materiais, para que não ocorram falhas e consequentes acidentes
ambientais ou que possam vitimar pessoas. Ao longo do século XX, o
procedimento consistia em reduzir a tensão aplicada por um fator de segurança
de projeto, que ainda é considerado um procedimento aceitável em alguns
casos estruturais. No geral, quanto mais o produto pode interferir na vida das
pessoas, maior será o coe�ciente de segurança (um fator de segurança) aplicado
aos materiais que compõem o produto (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018). Por
exemplo, o elevador cujos cabos são projetados para receber uma tração de
sete vezes o peso recomendado (ou mais), nesse caso, possui um coe�ciente de
segurança mínimo de 7 (MACHADO, 2016).
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reflitaRe�ita
Em todos os projetos de produto é
necessário considerar a viabilidade
econômica, contudo, em alguns
projetos, é utilizado um fator de
segurança em que o produto é
projetado para atender a uma demanda
muito maior à qual será submetido. Isso
é considerado um desperdício? Por
quê? Por de�nição, um coe�ciente de
segurança é um fator de segurança
para garantir um desempenho seguro.
Fonte: Panitz (2003, p. 75).
As incertezas nas propriedades mecânicas aferidas e nas tensões aplicadas em
serviço resultam nos fatores de projeto e segurança.
Em situações estáticas e menos críticas utilizando materiais dúcteis, é utilizada a
tensão de projeto σp = N
′ × σc, em que σc é o nível de tensão calculado e N
′ é o
fator de projeto (o valor varia conforme a aplicação do material, mas sempre é
maior que 1). Já a tensão de trabalho, σt =
σl
N
 (também conhecida como tensão
admissível), pode ser utilizada no lugar da tensão de projeto. Ela depende da
resistência ao escoamento do material, em que N é o fator de segurança. Os
valores de N variam conforme a aplicação do produto, considerando diversos
aspectos de projeto, mas, principalmente, o risco de perdas de vida em função
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de possíveis falhas.
praticarVamos Praticar
Considere um corpo de prova de uma liga metálica com 1,30 mm de largura, 0,10 cm
de espessura e 20,3 mm de comprimento que foi submetido a uma força de 10.000 N.
São marcados dois pontos no centro da amostra no sentido longitudinal (o mesmo
sentido em que será aplicada a força). A distância entre esses dois pontos é de 4,0 mm
inicialmente e, depois de aplicada uma força de tração, a distância entre as marcas
passa para 6,4 mm. Qual o valor da ductilidade dessa liga metálica?
a) 7.692, 3 N /mm 2.
b) 8.553, 85 N /mm2.
c) 0,3.
d) 60%.
e) 0,6.
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As propriedades elétricas dos materiais estudam o comportamento dos
materiais quando submetidos a um estímulo externo correspondente a um
campo elétrico, por exemplo. Dentro das propriedades elétricas dos materiais,
são avaliadas as características relacionadas à condutividade elétrica, à
ferroeletricidade e à piezoeletricidade.
Condutividade Elétrica
A condutividade elétrica é a capacidade do material de permitir o transporte de
cargas elétricas. São chamados de condutores os materiais em que esse
transporte ocorre facilmente, o que, por sinal, é uma característica dos metais.
São denominados isolantes os materiais em que não há transporte de carga
elétrica; e semicondutores os materiais que possuem valores intermediários
para transporte de cargas elétricas (entre isolantese condutores) (SANTOS,
2015). Na maioria dos materiais, os elétrons livres são agitados na presença de
PropriedadesPropriedades
ElétricasElétricas
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uma corrente elétrica.
A banda de energia eletrônica do material de�ne o número de elétrons livres,
por isso que esta depende de como se dá o arranjo das bandas mais externas
com as demais bandas. Para compreender o conceito de bandas, é necessário
relembrar a distribuição eletrônica conforme o diagrama de Linus Pauling, com
os subníveis s, p, d e f. Os elétrons nos níveis mais baixos são �rmemente ligados
e formam o grupo dos elétrons centrais.
Nos materiais isolantes, os elétrons são fortemente ligados ao átomo através de
ligações iônicas ou covalentes, não há elétrons livres para permitir a condução
de eletricidade. “Uma banda eletrônica é uma série de estados eletrônicos com
espaçamento próximo uns dos outros em termos de energia, e pode existir uma
dessas bandas para cada subcamada eletrônica encontrada no átomo isolado.”
(CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018, p. 710)
Figura 1.11 - (a) níveis de energia em um único átomo de sódio; (b) con�guração
eletrônica em um átomo de sódio
Fonte: Santos (2015, p. 541).
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Quanto mais os átomos se aproximam, cada um dos estados atômicos 1s e 2s se
divide para formar a banda de energia eletrônica, que consiste em 12 estados.
Para os metais, há dois tipos de banda possíveis quando são ocupados os
estados eletrônicos antes e depois de uma excitação dos elétrons.
Figura 1.12 - Energia dos elétrons em função da separação interatômica para
um agregado de 12 átomos
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 668).
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Figura 1.13 - Em um metal, a ocupação dos estados eletrônicos pode ocorrer
antes (a) e depois (b) de uma excitação dos elétrons
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 671).
Nos semicondutores e nos isolantes, as estruturas das bandas são semelhantes,
pois em ambos os casos existe uma zona proibida em que há um espaçamento
acima do normal entre as bandas. Esse espaçamento é estreito nos
semicondutores e nos isolantes é relativamente grande. Esses espaços, ou
“buracos” de ausência de elétrons na camada de valência, também podem
participar do processo de condução.
Os semicondutores podem ser classi�cados como intrínsecos e extrínsecos. Nos
intrínsecos, as propriedades elétricas dependem do fato do material se
apresentar na forma pura, sendo iguais as concentrações de elétrons e
espaçamentos (buracos). Já nos semicondutores extrínsecos, o comportamento
elétrico depende da presença de impurezas. A classi�cação destes depende de
os elétrons (extrínseco tipo n) ou os espaçamentos (extrínseco tipo p) serem os
portadores da carga dominante. Há classi�cação para as impurezas: as que
contribuem para um excesso de elétrons são as impurezas doadoras; e as que
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introduzem um excesso de espaçamentos (buracos) são classi�cadas como
impurezas receptoras. O aumento da temperatura e o aumento do teor de
impurezas diminuem a mobilidade dos elétrons e buracos nos semicondutores
extrínsecos.
A condutividade elétrica de um semicondutor intrínseco é σ = n|e|μe + p|e|μb, em
que p é o número de buracos por metro cúbico, μb é a mobilidade dos buracos,
μe é a mobilidade dos elétrons, n é a concentração e e é a carga elétrica (
1, 6 × 10 −19C).
Nas temperaturas baixas, a concentração dos elétrons cai drasticamente e essa
ocorrência é conhecida como freeze out :
Em baixas temperaturas, abaixo de aproximadamente 100 K, a
concentração de elétrons cai drasticamente com a diminuição da
temperatura e se aproxima de zero em 0 K. Ao longo dessas
temperaturas, a energia térmica é insu�ciente para excitar os elétrons
do nível doador do P para a banda de condução. Essa é denominada
região de temperatura de congelamento (freeze out), uma vez que os
portadores carregados (isto é, os elétrons) estão “congelados” junto
aos átomos de dopagem (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018, p. 710).
Por meio de duas placas metálicas é possível criar um capacitor de placas
paralelas, aplicando uma voltagem, sendo que uma placa será carregada
negativamente e a outra positivamente. A capacitância será C =
Q
V
 (em coulomb
por volt = farad), em que Q é a quantia de carga armazenada em cada placa e V a
voltagem aplicada no capacitor. Contudo, existe uma constante universal
denominada permissividade que está relacionada com a susceptibilidade
elétrica de um material, ou seja, à habilidade de um material se polarizar em
função do estímulo de um campo elétrico. A constante dielétrica de um material
é como a característica em resistir à polarização a partir do estímulo de um
campo elétrico, por isso é propriedade dos materiais isolantes. Também
conhecida como permissividade relativa (ϵr), a constante dielétrica é de�nida
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como ϵr =
ϵ
ϵ0
 , em que ϵ0 é a permissividade no vácuo (valor constante igual a
8, 85 × 10 −12 F /m) e ϵ é a permissividade do material.
Caso seja inserido algum material entre as placas, a capacitância será alterada,
podendo diminuir ou aumentar dependendo do material entre elas, se for
condutor ou isolante. Essa é a base para criação de sensores capacitivos.
A característica dos materiais aumentarem a capacidade de armazenamento de
cargas dos capacitores ocorre em decorrência da polarização (que consiste no
deslocamento reversível das nuvens eletrônicas pelo material em decorrência de
um estímulo externo), que pode ser eletrônica (ocorre para todo o átomo),
iônica (ocorre somente em materiais iônicos) ou de orientação (ocorre somente
em substâncias que apresentam dipolos permanentes).
saibamaisSaiba mais
No vídeo “Tema 05 – Materiais Condutores |
Experimentos – Condutividade elétrica”, do
canal “Física Universitária” da Universidade
Virtual do Estado de São Paulo, são
apresentadas algumas experiências para
exempli�car e de�nir os conceitos de
condutividade elétrica.
Para saber mais, assista ao vídeo a seguir.
ASS IST IR
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Ferroeletricidade e Piezoeletricidade
Ferroeletricidade é o nome da característica também conhecida como
polarização espontânea, em que um material se polariza sem a presença de um
campo elétrico. Existem materiais como o titanato de bário que, quando
aquecidos acima de 120 °C, perdem o comportamento de ferroelétricos. Alguns
outros materiais ferroelétricos são: niobato de potássio, sal de Rochelle e
zirconato-titanato de chumbo.
Já a característica de piezoeletricidade correspondeao fenômeno de, ao receber
um estímulo externo de um campo elétrico, o material reagir com um
comportamento mecânico de vibração. É função que vale a recíproca, ou seja,
quando recebe o estímulo externo de uma vibração mecânica (como um toque),
responde com um campo elétrico. Um exemplo são os buzzers , que
normalmente são utilizados em placas de arduino. Eles enviam o sinal elétrico
que é convertido em som (pela vibração mecânica) e são utilizados nos mais
diversos projetos de automação, tendo como função emitir som (com diferentes
frequências). Alguns exemplos de materiais piezoelétricos são: zirconato de
chumbo, titanato de bário, titanato de chumbo e niobato de potássio.
praticarVamos Praticar
Leia o trecho a seguir.
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“Mais recentemente, o uso de dispositivos [...] cresceu drasticamente como
consequência do aumento na automatização e da atração por parte dos consumidores
em relação a aparelhos so�sticados modernos. Os dispositivos piezoelétricos estão
sendo usados em muitas das aplicações atuais, incluindo nas indústrias: automotiva —
balanceamento de rodas, alarmes de cinto de segurança, indicadores de desgaste da
banda de rolamento de pneus, portas sem chave e sensores de air-bag ;
computadores/eletrônica — microfones, alto-falantes, [...]”.
CALLISTER JR, W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia de materiais : uma
introdução. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018. p. 708.
A citação apresentada trata de algumas das aplicações dos materiais que, ao
receberem um estímulo externo de um campo elétrico, respondem com um
comportamento mecânico, vibrando e gerando som, sendo que também ocorre o
inverso. Assinale a alternativa que apresenta corretamente o nome dessa
característica.
a) Polarização.
b) Condutividade.
c) Ferroeletricidade.
d) Piezoeletricidade.
e) Permissividade.
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indicações
Material
Complementar
F ILME
Piezoeletricidade
Ano: 2011
Comentário: É apresentada uma animação que esclarece
o funcionamento da piezoeletricidade, com destaque
para animação que representa o piezoelétrico invertido e
a geração de ultrassom. Assista ao vídeo a seguir.
TRA ILER
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https://catalogcdns3.ulife.com.br/content-cli/ENG_SEMECA_20/unidade_1/ebook/index.html#
L IVRO
Materiais e Design
Editora: Elsevier
Autor: Michael Ashby e Kara Johson
ISBN: 978-85-352-3842-6
Comentário: Esse livro aborda diversas questões
referentes à escolha de material quando se está
desenvolvendo um produto, como as relações das
propriedades mecânicas dos materiais com a aplicação
do produto, análise da viabilidade econômica e até
inclusão de perspectivas ambientais.
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conclusão
Conclusão
Há muitos avanços na área de materiais, mas mesmo com todos esses avanços é
imprescindível conhecer as propriedades dos materiais, em especial dos
metálicos. Isso possibilita escolher qual utilizar em um projeto ou em um
produto, pois suas características mecânicas e elétricas descrevem as respostas
que darão em função dos estímulos externos. Com isso, podem ser evitadas
falhas que venham a gerar aumento de custos operacionais, perda de insumos,
inviabilidade do uso do produto ou o pior, que são as perdas humanas.
referências
Referências
Bibliográ�cas
AL-MUBARAK et al . Carotid Artery Stenting : Current Practice and Techniques.
Editora Lippincott Williams & Wilkins, 2004.
CALLISTER JR., W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia de materiais :
uma introdução. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018.
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CENACID. Deslizamento e queda de ponte sobre a represa Capivari-Cachoeira
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Desastres , UFPR. Disponível em: http://www.cenacid.ufpr.br/portal/missao
/deslizamento-e-queda-de-ponte-sobre-a-represa-capivari-cachoeira-campina-
grande-do-sul-pr-250105/ . Acesso em: 8 abr. 2020.
IDADE do bronze. Britannica Escola , 2020. Disponível em:
https://escola.britannica.com.br/artigo/Idade-do-Bronze/480850 . Acesso em: 9
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Graduação, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal
Fluminense, 2016. Disponível em: https://app.u�.br/riu�/bitstream/1/1785
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PANITZ, M. A. Dicionário técnico : português-inglês. Porto Alegre: EDIPUCRS,
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SANTOS, G. A. dos. Tecnologia dos materiais metálicos : propriedades,
estruturas e processos de obtenção. São Paulo: Érica, 2015.
SMITH, W. F.; HASHEMI, J. Fundamentos de engenharia e ciência dos
materiais . 5. ed. Editora McGraw-Hill, 2012.
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http://www.cenacid.ufpr.br/portal/missao/deslizamento-e-queda-de-ponte-sobre-a-represa-capivari-cachoeira-campina-grande-do-sul-pr-250105/
http://www.cenacid.ufpr.br/portal/missao/deslizamento-e-queda-de-ponte-sobre-a-represa-capivari-cachoeira-campina-grande-do-sul-pr-250105/
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https://escola.britannica.com.br/artigo/Idade-do-Bronze/480850
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https://app.uff.br/riuff/bitstream/1/1785/1/LeonardoCardosoMachadoSemAssinatura.pdf
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