gabarito ciencias e propriedades dos materiais

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Gabarito
utoatividades
CIÊNCIA E PROPRIEDADE DOS 
MATERIAIS
Centro Universitário Leonardo da Vinci
Rodovia , nº .BR 470 Km 71, 1 040
Bairro Benedito - CEP 89130-000
I daialn - Santa Catarina - 47 3281-9000
Elaboração:
Revisão, Diagramação e Produção:
Centro Universitário Leonardo da Vinci - UNIASSELVI
2017
Prof. Jony Cesar Tomelin
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UNIDADE 1
TÓPICO 1
1 Descreva com suas palavras a importância da ciência dos materiais 
para a sociedade moderna.
R.: O conhecimento acerca das características e propriedades dos materiais 
é importante para a sociedade moderna, tendo em vista que grandes avanços 
tecnológicos tiveram como base o estudo das propriedades dos materiais, e 
quais métodos poderiam ser utilizados para alterar essas propriedades para 
a obtenção de um melhor desempenho. Na atualidade, grandes esforços 
estão sendo tomados no sentido de se produzir materiais que facilitem os 
processos de reciclagem, direta ou indiretamente. Para o Engenheiro de 
Produção, a busca por processos mais eficientes passa, em alguns casos, 
pela utilização e aprimoramento de materiais com desempenho específico e 
adequado a esses processos, contribuindo para a minimização da utilização 
de recursos naturais e desperdício energético, o que também traz grandes 
benefícios para a sociedade.
2 Defina quais são as principais características que diferenciam metais, 
polímeros, cerâmicas e compósitos.
R.: De uma forma geral, correspondente ao estudo desse primeiro tópico, 
podemos citar algumas características típicas das diferentes classes de 
materiais:
Metais: São bons condutores de calor e energia elétrica. Boas propriedades 
mecânicas podem ser obtidas e alteradas através de tratamentos térmicos. 
Apresentam deformação plástica, permitindo a identificação de falha antes da 
ruptura. São normalmente cristalinos, e aplicados como elementos estruturais 
e mecânicos.
Polímeros: São processados à baixa temperatura. Apresentam-se na forma de 
cadeias longas ligadas entre si por ligações fracas. São mais leves que os metais, 
sendo possível, em muitos casos, substituir partes metálicas por polímeros.
Cerâmicas: São intrinsecamente frágeis: não se deformam plasticamente. 
No entanto, apresentam forte energia de ligação e ponto de fusão elevado, 
Centro Universitário Leonardo da Vinci
Rodovia , nº .BR 470 Km 71, 1 040
Bairro Benedito - CEP 89130-000
I daialn - Santa Catarina - 47 3281-9000
Elaboração:
Revisão, Diagramação e Produção:
Centro Universitário Leonardo da Vinci - UNIASSELVI
2017
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o que permite a sua utilização em altas temperaturas (cerâmicas cristalinas). 
Os vidros (cerâmicas amorfas) também são frágeis, apresentam temperatura 
de fusão menor, porém apresentam características ópticas interessantes para 
algumas aplicações.
Compósitos: Esse tipo de material surgiu com a finalidade de se obter sinergia 
entre propriedades de duas ou mais classes de materiais. Com eles é possível 
se obter propriedades diferentes daquelas obtidas separadamente por cada 
material constituinte, permitindo melhorar o desempenho.
3 Defina as características de cada partícula subatômica: prótons, 
elétrons e nêutrons.
R.: Prótons: O próton é uma unidade do átomo que apresenta massa de 
1,67 x 10-27 kg e carga positiva, cuja magnitude é de 1,60 x 10-19 C. Eles se 
localizam no núcleo do átomo.
Nêutrons: Unidade do átomo que apresenta massa de 1,67 x 10-27 kg, porém 
não apresenta carga. Os nêutrons se localizam no núcleo do átomo.
Elétrons: Os elétrons apresentam carga da mesma magnitude da dos prótons, 
porém negativa. Sua massa é cerca de 10000 vezes menor que a do próton. 
Eles circulam através do núcleo em órbitas determinadas.
TÓPICO 2
1 Descreva com suas palavras a origem da energia de ligação entre os 
átomos.
R.: Ao aproximarmos dois átomos, surgem duas forças concorrentes: atração 
e repulsão. Os átomos se atraem mutuamente ao serem aproximados a 
partir de uma longa distância comparado às suas dimensões, e essa atração 
depende das características de ligação de cada tipo de átomo. No entanto, a 
sobreposição das camadas eletrônicas acontece a uma determinada distância 
interatômica, o que faz com que, a partir desse ponto, haja uma crescente 
força de repulsão. O equilíbrio entre essas forças exprime a força de ligação. 
Para separarmos os átomos ligados, precisamos impor uma energia externa, 
equivalente à energia de ligação.
2 Descreva quais são os tipos de ligação entre átomos.
R.: As ligações entre os átomos podem ser primárias ou secundárias. As 
ligações primárias compreendem: as ligações iônicas, onde os elétrons são 
doados e recebidos para ambos atingirem a configuração de gás inerte; 
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as ligações covalentes, onde os átomos são compartilhados para se obter 
uma configuração estável de gás inerte; as ligações metálicas, onde alguns 
elétrons não pertencem a átomos específicos, formando uma nuvem de 
elétrons livres. As ligações secundárias são mais fracas que as primárias, e 
são resultantes de forças de atração entre partes positivas e negativas de 
átomos ou moléculas. 
3 Quais os tipos de ligação predominantes em cada classe de materiais?
R.: As cerâmicas óxidas são normalmente compostas por ligações iônicas. Os 
metais apresentam predominantemente ligações metálicas. Já os polímeros 
apresentam ligações iônicas e covalentes, correspondentes às ligações dentro 
da cadeia polimérica ou ligações cruzadas, e ligações secundárias, que são 
forças que existem entre as cadeias poliméricas, que as mantêm unidas, 
além de serem responsáveis por uma grande parcela das propriedades dos 
polímeros.
4 Qual a relação entre o ponto de fusão e a magnitude da energia de 
ligação?
R.: Para que ocorra a fusão de um determinado material é necessário romper 
a energia de ligação entre os seus átomos. Portanto, materiais com maior 
energia de ligação tendem a apresentar maior temperatura de fusão.
TÓPICO 3
1 Defina célula unitária.
R.: Célula unitária é a menor unidade de repetição da estrutura cristalina 
de um material. Em outras palavras, são análogas aos tijolos utilizados na 
construção de uma parede.
2 Determine o parâmetro de rede a de uma célula unitária do tipo CCC 
em função do raio atômico.
R.: Localize na célula CCC um triângulo retângulo onde a hipotenusa é uma 
das diagonais internas do cubo. Ela apresenta comprimento igual a 4R. 
Portanto, pode-se demonstrar que:
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TÓPICO 4
1 O que é um monocristal? Qual a utilidade de materiais monocristalinos?
R.: Um monocristal consiste em um material que apresenta apenas um grão. 
Os monocristais apresentam aplicações bastante específicas. Estes materiais 
apresentam propriedades geométricas fortemente dependentes da geometria 
de sua célula unitária, ou seja: podemos ter propriedades bastante diferentes 
em função da orientação do monocristal. Essas propriedades distintas são 
usadas no campo da eletrônica, como no desenvolvimento de monocristais 
de silício.
2 Diferencie um material monocristalino de um material policristalino.
R.: Diferentemente dos materiais monocristalinos, os materiais policristalinos, 
que correspondem à grande maioria dos materiais cristalinos, são compostos 
por diversos grãos. Esses grãos são nucleados já no processo de solidificação, 
e crescem a partir da ordenação dos átomos nesses pequenos núcleos. Como 
o crescimento de cada grão se orienta de forma diferenciada, no encontro 
de dois grãos em crescimento forma-se uma interface imperfeita, a qual 
chamamosde contorno de grão.
3 Defina material amorfo.
R.: Os materiais amorfos não apresentam ordenação de seus átomos, ou 
apresentam ordenação, porém não é de longo alcance no material.
Assim, ao substituirmos d na primeira equação, temos:
A diagonal da face do cubo pode ser expressa em função da aresta do cubo 
da seguinte forma:
Onde a representa a aresta do cubo e d representa a diagonal de uma das 
faces do cubo.
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TÓPICO 5
1 O que são lacunas? Qual a sua dependência com a temperatura?
R.: Lacunas são sítios vazios dentro de uma estrutura cristalina de 
determinado material. A quantidade de lacunas aumenta exponencialmente 
com o aumento da temperatura.
2 O que são discordâncias? Desenhe esquematicamente uma 
discordância linear.
R.: Discordâncias são defeitos lineares. Esses defeitos são gerados no próprio 
processo de solidificação dos materiais ou nos processos de fabricação, 
como na conformação mecânica dos aços. Uma discordância linear consiste 
em um semiplano extra na estrutura de arranjo dos átomos. O desenho da 
discordância linear deve ser equivalente à figura 27 do Caderno de Estudos.
3 Qual é a influência do contorno de grão na resistência mecânica?
R.: Os contornos de grão consistem em regiões onde as ligações químicas 
entre os átomos do material não são completas, consistindo em um ponto 
de maior fragilidade no material. Porém, no caso específico dos materiais 
metálicos, estes atuam também como barreira ao movimento de discordâncias. 
Dessa forma, grãos menores implicam em maior quantidade de contornos de 
grão por unidade de volume, o que contribui para a inibição da deformação 
plástica, o que pode resultar em aumento da resistência do material.
TÓPICO 6
1 Defina isoterma.
R.: Uma isoterma consiste em uma linha traçada horizontalmente em um 
diagrama de fases, através da qual podemos verificar, por exemplo, em 
conjunto com as linhas que delimitam as fases no diagrama, a composição e 
percentual das fases para cada composição química da liga estudada, para 
a temperatura selecionada.
2 Qual é a diferença entre linha solvus e linha liquidus?
R.: A linha solvus delimita a solubilidade entre duas fases distintas (por 
exemplo, α e β), enquanto a linha liquidus delimita a região do diagrama que 
contém fase(s) sólida(s) da região que contém somente fase líquida.
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3 O que é um ponto invariante?
R.: O ponto invariante compreende a transformação, no aquecimento, de 
uma composição de duas fases sólidas em uma fase líquida, em uma mesma 
temperatura. Analogamente, no resfriamento, o líquido resfriado se solidifica 
em duas fases sólidas em uma mesma temperatura.
4 Que informação se pode obter através da aplicação da regra da 
alavanca em uma determinada liga?
R.: Através da regra da alavanca podemos determinar o percentual de cada 
fase presente no diagrama, para uma determinada temperatura. Dessa forma, 
através da análise de várias isotermas e utilizando a regra da alavanca, 
podemos determinar a evolução do percentual de cada fase conforme 
aquecemos ou resfriamos a liga no intervalo de temperaturas estudado.
5 Qual é a importância da utilização da linha de amarração em diagramas 
de fases?
R.: A linha de amarração permite o cálculo da composição química de cada 
fase no diagrama, em função da temperatura. Dessa forma, podemos, por 
exemplo, determinar o gradiente de composição química na microestrutura 
formada a partir de um processo de solidificação.
UNIDADE 2
TÓPICO 1
1 Descreva e defina os tipos de tensão que podem ser determinados 
no gráfico de tensão vs. deformação.
R.: No gráfico de tensão vs. deformação podemos identificar a tensão limite 
de escoamento, tensão de resistência e tensão de ruptura. Em muitos casos, 
a tensão de escoamento não é facilmente identificável. Nesses casos se 
utiliza uma deformação padrão, traçando-se uma linha paralela à curva de 
carregamento no campo elástico. A tensão de escoamento caracteriza a 
transição do regime elástico para o regime plástico. A partir desse estágio, 
verificamos a influência do movimento nas discordâncias (nos metais) gerando 
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deformação permanente. A tensão de resistência compreende o maior valor 
de resistência apresentado no gráfico. A partir desse ponto, um “pescoço” ou 
estricção é formado, e a deformação plástica passa a se concentrar em uma 
região restrita. A tensão de ruptura compreende o valor de tensão registrado 
no momento da falha catastrófica do material (ruptura).
2 O que diferencia um material dúctil de um material frágil?
R.: Um material é chamado de dúctil quando apresenta a capacidade de se 
deformar plasticamente. Já um material frágil apresenta pouca ou nenhuma 
deformação plástica. Os materiais cerâmicos, de uma forma geral, são 
considerados frágeis.
3 Quais são as variáveis envolvidas no processo de falha por fluência?
R.: A falha por fluência depende da presença de uma tensão mecânica, aliada 
a uma temperatura de trabalho suficientemente elevada (tipicamente da 
ordem de 40% da temperatura de fusão do material). Tubulações contendo 
gases aquecidos e pressurizados podem ser suscetíveis a esse tipo de falha.
4 Quais características devem ser consideradas para aumentar a vida 
em fadiga de um componente?
R.: A vida em fadiga do componente depende das características do material e 
também das características de projeto do componente, bem como da presença 
de defeitos. Os esforços para melhorar o componente devem ser direcionados 
para evitar a nucleação de trincas e inibir a sua propagação. Um acabamento 
superficial ruim pode gerar concentração de tensão, assim como cantos 
vivos, consistindo em pontos preferenciais para o surgimento de defeitos. 
Colocar a superfície em um estado de compressão, através de jateamento, 
por exemplo, e/ou utilizar materiais que apresentam a característica de 
arredondamento progressivo da ponta da trinca com a deformação plástica 
(de forma geral, materiais mais dúcteis) são alternativas interessantes para 
melhorar o desempenho.
TÓPICO 2
1 Em que consiste o índice de refração de um material?
R.: Ao atravessar um material, a luz, que consiste em uma onda 
eletromagnética, sofre uma redução em sua velocidade, quando comparada 
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à velocidade da luz no vácuo. Essa desaceleração se dá pela polarização 
dessa onda, pois ao atravessar um material transparente, ela interage com a 
nuvem de elétrons dos átomos do material. O índice de refração corresponde 
à razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz no material.
2 Descreva o fenômeno que observamos como cor.
R.: A cor de um material é um fenômeno gerado pela absorção seletiva de 
comprimentos de onda de luz incidente. O material absorve fótons com energia 
específica, gerando excitação de elétrons. O decaimento desses elétrons 
naturalmente gera um fóton, porém, não necessariamente com o mesmo 
comprimento de onda do fóton incidente. Dessa forma, a cor do material 
irá depender da frequência ou comprimento de onda da luz emitida para o 
material, e também da luz reemitida pelo material.
3 Descreva sucintamente o funcionamento de um laser de rubi.
R.: Um bastão de rubi apresenta uma de suas faces completamente reflexiva 
e outra parcialmente reflexiva. Uma lâmpada de xenônio emite fótons 
característicos que excitam os elétrons do Cr+3, e o decaimento desses 
elétrons gera uma grande quantidade de fótons. Os fótons viajam para 
frente e para trás no bastão, sendo refletidos pela superfície reflexiva. O 
laser é resultado dos fótons colimados provenientes desse processo, maisespecificamente daqueles fótons produzidos paralelamente ao eixo do bastão 
de rubi, que saem pela superfície parcialmente reflexiva.
4 Quais as vantagens da utilização das fibras óticas frente aos 
tradicionais cabos elétricos para transmissão de informações?
R.: As fibras óticas, por utilizarem os fótons como meio de transmissão dos 
dados, apresentam algumas vantagens em relação à transmissão por elétrons. 
As fibras óticas são extremamente finas e apresentam poucos defeitos, além 
de o sinal dentro da fibra sofrer reflexão total, o que permite atingir longas 
distâncias de transmissão com pouca perda de informação. Além disso, a 
densidade de informação permitida é muito superior à apresentada pela 
transmissão eletrônica, além de a massa dos cabos ser bem menor.
TÓPICO 3
1 Por quais motivos os materiais metálicos são intrinsecamente 
condutores?
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R.: Nos materiais metálicos, devido às características das ligações metálicas, 
uma parcela dos elétrons não pertence a átomos específicos, formando o que 
chamamos de nuvem de elétrons. Esses elétrons podem ser movimentados quando 
aplicamos uma diferença de potencial (d.d.p.), gerando uma corrente elétrica.
2 Quais são as diferenças entre os materiais isolantes e semicondutores?
R.: Tanto os materiais isolantes como os semicondutores apresentam uma 
estrutura de bandas eletrônicas de valência e de condução, separadas por 
regiões proibidas. Os elétrons da banda de valência podem ser movimentados 
para a banda de condução em um material isolante, porém, a energia 
necessária para que isso ocorra é bastante elevada, e precisaremos inferir 
uma grande diferença de potencial. Os materiais semicondutores apresentam 
níveis discretos na zona proibida, que são gerados pela presença de 
impurezas específicas. Dessa forma, o material passa a conduzir elétrons, 
diminuindo a sua resistividade. 
3 Cite três fatores que afetam a resistividade dos materiais metálicos.
R.: Temperatura, presença de impurezas e deformação plástica.
4 O que é um material supercondutor?
R.: Quando diminuímos a temperatura de um material até próximo à 
temperatura absoluta (0K), os movimentos vibracionais dos átomos são de 
baixa amplitude e praticamente não interferem no espalhamento dos elétrons. 
Dessa forma, a condutividade do material é substancialmente aumentada. 
Alguns materiais, considerados supercondutores, apresentam resistividade 
praticamente nula a temperaturas muito baixas, porém tecnicamente 
aplicáveis, passando a apresentar um aumento substancial da condutividade 
quando o material se aproxima dessa temperatura crítica.
TÓPICO 4
1 Em que consiste um material diamagnético? Qual a diferença entre 
um material diamagnético e um material paramagnético?
R.: Quando aplicamos um campo magnético H a um material diamagnético, 
um campo B é gerado no material, em direção oposta. Todos os materiais 
apresentam essa característica, que é associada à alteração do movimento 
orbital dos elétrons. Um material paramagnético apresenta momentos 
magnéticos permanentes, orientados aleatoriamente. Quando aplicamos um 
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campo magnético externo, esses momentos se alinham em direção oposta 
a esse campo magnético.
2 O que caracteriza um material magnético?
R.: Os materiais magnéticos apresentam cancelamento incompleto dos spins 
dos elétrons. A estrutura atômica desses materiais permite que determinados 
momentos magnéticos estejam alinhados, gerando uma magnetização sem 
a necessidade de aplicarmos um campo magnético externo.
3 O que diferencia um material antiferromagnético de um material 
ferrimagnético?
R.: Em um material antiferromagnético existem dipolos magnéticos que 
se encontram alinhados, porém, em direções opostas, o que resulta em 
magnetismo nulo. No material ferrimagnético também temos dipolos alinhados 
em direções opostas, no entanto, nem todos esses dipolos se cancelam 
mutuamente. Dessa forma, existe uma magnetização líquida nesse tipo de 
material.
4 Em que situações práticas os materiais magnéticos moles são 
aplicados? E os materiais magnéticos duros?
R.: Como os materiais magnéticos moles apresentam pouca histerese, 
são normalmente aplicados em situações onde ocorre oscilação de campo 
magnético (transformadores). Já os materiais magnéticos duros são mais 
propícios a serem utilizados em imãs permanentes, devido à sua capacidade 
de manutenção da magnetização.
TÓPICO 5
1 Descreva a condução de calor em um material através dos fônons.
R.: Os fônons são ondas elásticas, de pequeno comprimento de onda 
e elevada frequência. A energia adicionada ao material é convertida em 
vibrações dos átomos dos retículos cristalinos, ou seja, energia na forma 
de calor é transmitida através da vibração dos átomos, o que compreende a 
transmissão de calor através dos fônons. Importante observar que, além do 
mecanismo de transporte por vibrações da rede, a energia térmica também 
pode ser transportada por meio de elétrons.
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2 O que é capacidade calorífica?
R.: A capacidade calorífica exprime a quantidade de calor que necessitamos 
adicionar ao material para que este se eleve em uma unidade de temperatura 
(que pode ser ºC, K, ºF).
Quando consideramos a quantidade de calor para elevar uma unidade de 
temperatura de uma dada unidade de massa, tratamos de calor específico. 
3 Qual é a relação entre a rigidez do material e coeficiente de expansão 
térmica linear?
R.: A expansão térmica dos materiais se relaciona diretamente com as 
características de sua curva de energia de ligação. Quando adicionamos 
progressivamente energia ao material na forma de calor, a amplitude de 
vibração dos átomos aumenta. Quando os átomos estão ligados mais 
fortemente entre si, a energia necessária para promover uma maior amplitude 
de vibração desses átomos tende a ser maior. Macroscopicamente, o que 
se observa no material é uma menor taxa de expansão por unidade de 
temperatura para materiais com ligações químicas mais rígidas.
4 Classifique em ordem crescente as classes de materiais em função 
do coeficiente de expansão térmica linear.
R.: De forma geral, podemos classificar os materiais em função do coeficiente 
de expansão térmica linear da seguinte forma: cerâmicas, metais e polímeros. 
Essa classificação apresenta ligação direta com a magnitude da energia de 
ligação dos materiais.
5 Qual é a relação entre a condutividade térmica e a condutividade 
elétrica?
R.: A condução dos dois tipos diferentes de energia (térmica e elétrica) é 
realizada através do movimento dos elétrons. A energia térmica pode ser 
transportada também por fônons.
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TÓPICO 6
1 Cite uma vantagem e uma desvantagem da técnica de microscopia 
ótica, quando comparada à técnica de microscopia eletrônica de 
varredura.
R.: Vantagens: Baixo custo, praticidade. Desvantagens: Qualidade da análise 
depende da qualidade da preparação da amostra, limitação de aumento e 
profundidade de foco.
2 Um aço SAE 1020 apresenta dureza de 105HB. Calcule a sua 
resistência à tração (Mpa).
R.: 
3 Cite quais características do corpo de prova ou componente devem 
ser mensuradas antes de iniciar o ensaio de tração.
R.: De acordo com o tipo de seção reta (circular, quadrada, ou outra), mensurar 
as dimensões para o cálculo da área da seção reta, e comprimento entre os 
dispositivos de fixação da amostra no equipamento de tração.
4 No espectrômetro de infravermelho, analisamos a energia absorvida 
ou transmitida pelo material pela incidência de uma luz monocromática 
com comprimento de onda na região do infravermelho. Qual 
característicaa onda emitida deve ter para que esta seja absorvida 
pelo material?
R.: As moléculas do material irão absorver seletivamente os comprimentos 
de onda correspondentes à sua energia de vibração. 
5 Qual resultado iríamos obter ao analisar um vidro comum em um 
difratômetro de raios-X? Explique.
R.: Um vidro, sendo um material amorfo (não apresenta ordenação dos 
seus átomos de longo alcance), não apresenta planos de átomos definidos 
que permitam a difração das ondas de raios-X emitidas para a amostra de 
forma que ocorram interferências construtivas. Dessa forma, o gráfico não 
apresentará picos característicos.
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6 Qual tipo de ensaio não destrutivo você utilizaria para verificar a 
presença de trincas em uma solda? Por quê?
R.: A presença de trincas superficiais em uma solda pode ser avaliada pelo 
ensaio de líquidos penetrantes. O que justifica a sua aplicação é a praticidade, 
baixo custo e facilidade de interpretação dos resultados, além da possibilidade 
de avaliar soldas em equipamentos sem afetar a sua integridade (sem 
necessidade de retirada de amostras).
UNIDADE 3
TÓPICO 1
1 Quais são as semelhanças, em termos de microestruturas e 
propriedades, entre um material compósito metal-cerâmica e um aço? 
Faça uma análise comparando os dois materiais.
R.: Na microestrutura de um aço comum ao carbono, como, por exemplo, um 
aço SAE 1020, temos as fases ferrita e perlita. A ferrita é uma solução sólida de 
ferro e carbono, enquanto a perlita consiste em lamelas intercaladas de ferrita 
e cementita. A cementita é um carboneto de ferro (Fe3C) e, portanto, consiste 
em um microconstituinte cerâmico. Um material compósito metal-cerâmica 
apresenta carbonetos (fase cerâmica) ligados a uma fase contínua metálica. 
Em certos aspectos, a microestrutura de um compósito metal-cerâmica se 
assemelha à apresentada pelos aços, pois ambas contêm carbonetos, que 
apresentam estrutura cristalina com poucos sistemas de escorregamento. Os 
mecanismos de encruamento e restrição ao movimento das discordâncias 
são equivalentes: O movimento das discordâncias é restringido pela presença 
dos carbonetos, o que gera encruamento.
2 Quais processos descritos nessa unidade poderiam estar envolvidos 
no processo de fabricação de um parafuso?
R.: Dentre outros processos e etapas específicas, o processo de fabricação 
de parafusos usualmente envolve a utilização de arames metálicos de seção 
reta inicial maior, que são geralmente estirados até o diâmetro adequado ao 
produto, gerando deformação plástica e aumentando a sua resistência por 
encruamento. A conformação da cabeça do parafuso pode ser realizada por 
forjamento.
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3 Descreva sucintamente o processo de secagem de um material 
cerâmico. Qual dos processos de fabricação apresentados tem menor 
consumo energético na etapa de secagem?
R.: Em um estado inicial, as partículas sólidas estão separadas por uma fase 
contínua de água. À medida que se segue o processo de secagem, ocorre a 
eliminação progressiva da água, resultando na aproximação das partículas, 
o que observamos macroscopicamente como a retração da peça. Em um 
segundo estágio, as partículas se tocam, tornando-se uma fase contínua, 
enquanto a água remanescente entre as partículas é eliminada. Os processos 
de fabricação que utilizam menores teores de umidade irão naturalmente 
representar um menor consumo energético para a eliminação dessa água 
na secagem. É o caso do processo de prensagem do pó.
4 Qual a principal diferença entre materiais termoplásticos e termofixos, 
em termos de processamento?
R.: Os termoplásticos apresentam ligações secundárias entre suas cadeias, 
que são ligações fracas. Ao serem aquecidos no processo de fabricação, 
as cadeias adquirem mobilidade, permitindo a conformação em diferentes 
formatos. Após resfriamento, o material volta a adquirir rigidez. Esse processo 
pode ser realizado repetidamente, o que permite a sua reciclagem. Os 
materiais termofixos formam ligações fortes entre as cadeias poliméricas 
no seu processamento, o que resulta, no posterior reaquecimento, na 
ruptura dessas ligações, resultando na degradação do material. Portanto, 
após processados, não conseguimos reprocessá-los da mesma forma. Isso 
naturalmente limita a sua reciclagem.
5 Quais são as vantagens de utilizarmos um componente fabricado com 
a utilização de um material compósito contendo fibras cerâmicas, 
quando comparado à utilização do mesmo componente fabricado com 
o mesmo material cerâmico da fibra? Considere que o componente 
estará em solicitação mecânica na aplicação.
R.: Os materiais cerâmicos apresentam elevada sensibilidade a defeitos. 
Essa sensibilidade a defeitos limita sua confiabilidade, tendo em vista que 
o seu comportamento mecânico fica vinculado a uma probabilidade de se 
encontrar um defeito crítico no material, em muitos casos não detectáveis 
por técnicas de caracterização não destrutivas. Em um material compósito 
com fibras cerâmicas, reduzimos a probabilidade de que um defeito crítico 
gere a ruptura do componente. As fibras apresentam menores dimensões, 
o que naturalmente elimina os defeitos de maior tamanho, que podem ser 
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encontrados em materiais cerâmicos de maiores dimensões. Além disso, a 
ruptura de fibras defeituosas pode não representar a perda da integridade 
do componente, enquanto uma trinca em um material cerâmico pode crescer 
com a aplicação de tensão mecânica e, se atingir o tamanho crítico, pode se 
propagar e gerar a falha do componente.
TÓPICO 2
1 Selecione o material mais adequado para o eixo da aeronave do 
problema exemplo apresentado no Tópico 2, considerando que 
este deve suportar um momento de torção de 550 MPa. Qual será o 
consumo de combustível da aeronave para o eixo selecionado?
Material Res is tênc ia ao cisalhamento (MPa)
Fibra de vidro em matriz 
epóxi 75
Aço 4340 800
Ferro fundido nodular 320
Dado:
t = Resistência ao cisalhamento
MT= Momento de torção
D = Diâmetro
R.: Inicialmente, faz-se necessário obter uma equação do diâmetro em função 
da massa, densidade do material e comprimento do eixo. O desenvolvimento 
é apresentado no Caderno de Estudos, tendo como resultado:
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Agora podemos calcular o índice de desempenho (P) de cada eixo em função 
do material utilizado. Podemos adicionar os dados restritos do problema na 
equação anterior, o que resulta em:
Resolvendo a equação para a massa (m), temos:
Para o índice de desempenho, ignoramos as constantes e invertemos a 
equação, do que resulta:
Calculando o índice de desempenho para cada material, temos:
Material Densidade (Kg/m3) Res is tênc ia ao cisalhamento (MPa) P (x10
-3)
Fibra de Vidro em 
Matriz Epóxi 2100 75 8,46
Aço 4340 7850 800 10,97
Ferro fundido nodular 7100 320 6,58
Portanto, concluímos que o eixo deve ser fabricado em aço 4340, pois irá 
apresentar a melhor relação entre massa e resistência ao cisalhamento para 
a aplicação.
A massa do eixo pode ser calculada pela expressão:
Agora, precisamos substituir o diâmetro D na equação da resistência ao 
cisalhamento, dada no problema:
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Conforme informações do problema no Caderno de Estudos, “cada quilo de 
material a mais no avião representa um custo de R$ 0,084 por hora de voo.” 
Portanto, o eixo representa um consumo de R$ 377,41 por hora de voo, e nas 
40 mil horas de voo estimadas para a aeronave, representará um consumo 
total de R$ 15.096 mil.
2 O setor de pesquisa e desenvolvimento da sua empresaestá 
elaborando um projeto de uma prensa responsável pelo dobramento 
de chapas para a fabricação de cantoneiras de aço. Cite e descreva 
pelo menos três fatores a serem considerados no projeto da matriz 
metálica a ser utilizada na prensa.
R.: 1 – A matriz precisa atender aos requisitos mecânicos de projeto. Para 
isso, será necessária a identificação das tensões mecânicas envolvidas 
durante o seu uso pretendido, bem como a aplicação no cálculo de fatores 
de segurança adequados. A matriz não poderá sofrer deformação plástica, 
pois a deformação permanente poderá alterar as dimensões do produto e 
prejudicar o seu correto funcionamento. 
2 – Precisaremos determinar uma lista de materiais que atendem aos 
requisitos do projeto. Após determinação dos materiais que se adequariam 
ao processo de fabricação da matriz, precisaremos verificar a disponibilidade 
do material no mercado, bem como a disponibilidade de equipamentos ou de 
empresas prestadoras de serviços para a realização de tratamentos térmicos 
e superficiais, quando necessários.
3 – Precisaremos também avaliar o custo do material relacionado à sua vida 
útil na aplicação. Esta informação dependerá de uma avaliação do número 
de ciclos de dobramento correspondentes à vida útil calculada da matriz, e 
sua relação com outros parâmetros de custo de fabricação.
TÓPICO 3
1 Cite três características dos polímeros que contribuem de forma 
negativa para o processo de reciclagem.
R.: Degradam naturalmente com a luz ultravioleta; dificuldade de separação 
por tipo por meio visual; utilização de muitos tipos de polímero em um mesmo 
produto, sendo necessário separá-los antes de reciclá-los.
2 Determine um fluxograma, incluindo as etapas do processo, de uma 
empresa que produz artefatos de alumínio a partir de latas de alumínio 
descartadas.
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3 Por que a reciclagem dos vidros é mais simples do que a reciclagem 
das cerâmicas cristalinas?
R.: Os vidros são processados a temperaturas mais baixas, quando comparado 
às cerâmicas cristalinas. As propriedades das cerâmicas cristalinas, em muitos 
casos, são completamente alteradas no processo de queima, o que significa 
a perda de propriedades importantes para o processo de fabricação. Como 
exemplo, podemos citar a perda das características dos materiais argilosos, 
que possibilitam a sua conformação com a utilização de umidade.
R.: