01 - TM1 - Materiais de Engenharia - 1 Parte

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Tecnologia dos Materiais I 
3º P Engenharia Mecânica 
Materiais de Engenharia – Estrutura Atômica e 
Estrutura dos Sólidos Cristalinos 
Professor: MSc. José Dimas de Arruda 
E-mail: jdimasarruda@gmail.com 
Evolução da utilização de materiais: 
Materiais de Engenharia 
Classificação: 
DEFINIÇÃO: 
 
– substâncias com propriedades que as tornam úteis na 
construção de máquinas, estruturas, dispositivos e 
produtos. 
– Em outras palavras, os materiais do universo que o 
homem utiliza para “fazer coisas”. 
Metálicos Polímeros Cerâmicos 
Subgrupos dentro de famílias dos 
tipos de materiais: 
•Podemos citar algumas 
propriedades mecânicas a 
serem observadas: 
•Rigidez, tenacidade, limite 
de resistência, densidade, 
etc... 
Caracterização dos materiais 
Caracterização dos materiais 
Rigidez (Módulo de Elasticidade) 
Caracterização dos materiais 
Limite de Resistência 
Caracterização dos materiais 
Resistência à Fratura 
FONTE: Meyers, M. A. and Chawla, K. K.: Mechanical Behavior of 
Materials. Cambridge University Press, 2009 
Tetraedro de Thomas: 
Áreas e sub 
áreas do 
conhecimento 
de Engenharia 
de Materiais 
aplicados no 
estudo do 
comportamento 
mecânico de 
Materiais. 
FONTE: Dagoberto Brandão Santos, 64º Congresso ABM, 2009 
A Estrutura de um Material 
Classificação dos Materiais 
Materiais Metálicos: 
Os materiais metálicos são normalmente combinações de 
elementos metálicos. 
Eles apresentam um grande número de elétrons livres, isto é, 
elétrons que não estão presos a um único átomo. Muitas das 
propriedades dos metais são atribuídas a estes elétrons. 
- Excelentes condutores de eletricidade e calor; 
- Não são transparentes à luz; 
- São resistentes mas deformáveis. 
Classificação dos Materiais 
Materiais Poliméricos: 
- Compreendem os materiais comuns de plástico e 
borracha; 
- São compostos orgânicos que têm sua química baseada 
no carbono, no hidrogênio e em outros elementos não-
metálicos; além disso, eles possuem estruturas 
moleculares muito grandes; 
- Possuem tipicamente baixas densidades e podem ser 
extremamente flexíveis. 
Classificação dos Materiais 
Materiais Cerâmicos: 
São compostos entre os elementos metálicos e não metálicos; 
eles são frequentemente óxidos, nitretos e carbetos. 
- Exemplos de cerâmicos: compostos por minerais argilosos, 
cimento e vidro; 
- São materiais tipicamente isolantes à passagem de 
eletricidade e calor; 
- São mais resistentes a altas temperaturas e ambientes 
abrasivos do que os metais e polímeros; 
- São duros porém muito quebradiços. 
Classificação dos Materiais 
Materiais Compósitos: 
- Vários materiais compósitos, que consistem em mais de um 
tipo de material, têm sido desenvolvidos pela engenharia. A 
fibra de vidro é um exemplo familiar, no qual fibras de vidro 
são incorporadas no interior de um material polimérico; 
- Um compósito é projetado para mostrar uma combinação 
das melhores características de cada um dos materiais que 
o compõe. A fibra de vidro adquire resistência do vidro e 
flexibilidade do polímero. 
Classificação dos Materiais 
Materiais Semicondutores: 
- Suas propriedades elétricas são intermediárias entre os 
condutores e os isolantes elétricos: Ge e Si; 
- As características elétricas destes materiais são 
altamente sensíveis à presença de impurezas na 
estrutura atômica destes materiais. 
Classificação dos Materiais 
Materiais Avançados: 
- Materiais tradicionais cujas propriedades foram 
aprimoradas ou materiais de alto desempenho 
recentemente desenvolvidos. 
- Fibra ótica; Fibra de Carbono; Biomateriais; 
Nanomateriais e outros. 
Ligações Atômicas nos Sólidos 
Mecânica Quântica 
 
Ramo da Física voltado ao estudo de sistemas físicos 
cujas dimensões são próximas ou abaixo da escala 
atômica. Ex.: moléculas, átomos, elétrons, prótons. 
Átomo 
 
Do latim “atomum”, “um átomo é a quantidade menor de 
um elemento químico com existência própria, considerada 
indivisível”. 
O átomo é formado por um núcleo com prótons e nêutrons 
e por vários elétrons orbitais. 
Modelo Atômico de Bohr 
Os elétrons orbitam ao redor do núcleo atômico em orbitais 
distintos, agrupados em níveis energéticos; 
A energia do elétron é quantizada: aos elétrons permite-se 
apenas que possuam valores de energia específicos 
(níveis de energia), “quantum”; 
Dualidade onda-partícula 
Existe uma distribuição de probabilidades no espaço em 
torno do núcleo onde o elétron pode estar. 
As energias dos elétrons também são quantizadas, mas 
para cada camada eletrônica há vários níveis de energia. 
Dualidade onda-partícula 
• O comportamento dos 
elétrons é parecido com o da 
luz. Ora eles se comportam 
como onda, ora como partícula. 
• Durante o seu movimento 
normal ao redor do núcleo, o 
comportamento dos elétrons é 
de onda e quando recebem um 
fóton, eles se comportam como 
partícula. 
• A posição do elétron é 
considerada como sendo a 
probabilidade de um elétron 
estar em vários locais ao redor 
do núcleo (nuvem eletrônica) 
Ligações Atômicas nos Sólidos – 
Interatômicas primárias 
 
 
LIGAÇÕES IÔNICAS 
Envolve a transferência de elétrons de um átomo 
(geralmente metálico) para outro (geralmente não 
metálico) devido à grande diferença de 
eletronegatividade; 
Tabela Periódica dos Elementos 
LIGAÇÕES COVALENTES 
Envolve o compartilhamento dos elétrons de valência de 
átomos adjacentes; 
Pequena diferença de eletronegatividade entre os 
elementos. 
LIGAÇÕES COVALENTES 
LIGAÇÃO METÁLICA 
 Átomos dos metais 
possuem de um a três 
elétrons de valência; 
 Os elétrons de valência 
passam a se comportar 
como elétrons “livres”: 
- Apresentam a mesma 
probabilidade de se 
associar a um grande 
número de átomos 
vizinhos; 
- Formam uma “nuvem 
eletrônica”; 
- Os elétrons livres atuam 
como uma “cola” para 
manter juntos os 
núcleos iônicos. 
Ligações secundárias 
• Ocorrem atrações entre 
dipolos gerados pela 
assimetria de cargas 
• São muito fracas, se 
comparadas às ligações 
químicas primárias; 
• O mecanismo dessas ligações é 
similar ao das ligações iônicas, 
porém não existem elétrons 
transferidos. 
• As ligações secundárias podem 
ser: 
Ligações de Van der Waals (elétrons): 
– Dipolos Induzidos Flutuante. 
– Dipolos Induzidos Permanentes. 
– Pontes de Hidrogênio. 
Ligações secundárias 
Diferença entre Dipolos Induzidos Flutuante e 
Permanente: 
Ponte de Hidrogênio 
É um caso especial de ligação 
entre moléculas polares 
É o tipo de ligação 
secundária mais forte; 
Ocorre entre moléculas em 
que o H está ligado 
covalentemente ao flúor 
(como no HF), ao oxigênio 
(como na água) ou ao 
nitrogênio (por exemplo, NH3). 
Comparativo: Energias de Ligação e Temperaturas de 
Fusão para Várias Substâncias 
Cristalinidade dos Materiais 
Material Cristalino: 
 
os átomos estão situados em 
um arranjo que se repete ao 
longo de todo o volume do 
material; 
Material amorfo: 
 
os átomos não se arranjam 
de maneira organizada; 
Sólidos não cristalinos (Amorfos) 
Os materiais não cristalinos ou amorfos, são aqueles onde 
não há organização atômica de longas distâncias: 
Monocristais 
Quando em um sólido cristalino, o arranjo periódico e 
repetido de átomos é perfeito ou se estende por toda a 
totalidade da amostra 
Policristais 
Organização da estrutura cristalina em sua solidificação, 
formando grãos: 
Policristais 
Organização da estrutura cristalina em sua solidificação, 
formando grãos: