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CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
2
Mariana Gerardi Mello
Londrina
Editora e Distribuidora Educacional S.A.
2024
 CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
1ª edição
3
2024
Editora e Distribuidora Educacional S.A.
Avenida Paris, 675 – Parque Residencial João Piza
CEP: 86041-100 — Londrina — PR
Homepage: https://www.cogna.com.br/
Diretora Sr. de Pós-graduação & OPM
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Conselho Acadêmico
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Coordenador
Mariana Gerardi Mello
Revisor
Elaine Cristina Marques Esper
Editorial
Beatriz Meloni Montefusco
Márcia Regina Silva
Paola Andressa Machado Leal
Rosana Silverio Siqueira
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)_____________________________________________________________________________ 
Mello, Mariana Gerardi
Ciências dos materiais/ Mariana Gerardi Mello, – Londrina: Editora 
e Distribuidora Educacional S.A 2024.
32 p.
ISBN 978-65-5903-656-1
1. Ciência e Engenharia dos Materiais. 2. Difusão em sólidos. 3. 
Propriedades dos materiais. I. Título. 
CDU 621
_____________________________________________________________________________ 
 Raquel Torres – CRB 8/10534
M527c 
© 2024 por Editora e Distribuidora Educacional S.A.
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Distribuidora Educacional S.A.
https://www.cogna.com.br/
4
SUMÁRIO
Apresentação da disciplina __________________________________ 05
Os materiais e sua estrutura atômica ________________________ 06
Estrutura cristalina e não cristalina dos materiais ___________ 17
Mecanismos de difusão e diagramas de fases _______________ 30
Propriedades dos materiais _________________________________ 40
CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
5
Apresentação da disciplina
Seja bem-vindo(a) à disciplina Ciência dos Materiais. Aqui, você aprenderá 
um pouco sobre a estrutura atômica e cristalina dos materiais, suas 
propriedades e como alterar estrutura, visando às alterações de 
propriedades.
Os materiais são compostos de átomos, os quais se ligam por meio 
de ligações químicas, formam estruturas cristalinas ou não e possuem 
defeitos na constituição de suas redes cristalinas e de seus grãos, que 
podem ser dosados de acordo com o que se deseja para os materiais. 
Portanto, compreender esses fenômenos faz com que possamos 
entender e controlar os defeitos, para que propriedades desejadas 
sejam alcançadas. Por isso, é importante entender mecanismos de 
difusão e formação de fases via estudo de diagrama de fases. 
Diagramas de fases são essenciais toda vez que trabalhamos com uma 
liga metálica. Se considerarmos a grande aplicação dos aços e ferros 
fundidos, só aí já percebemos a importância de conhecer esse assunto.
Aqui, entender todas essas premissas é só o princípio para compreender 
as propriedades dos materiais. E são tantas! Existem propriedades 
mecânicas, ópticas, elétricas, térmicas, magnéticas, de corrosão, entre 
outras. Elas governarão as aplicações dos materiais, então conhecê-las é 
o ponto de partida para alterá-las. 
Enfim, são muitas possibilidades e opções! E aí, está pronto para 
mergulhar no mundo fantástico dos materiais? Vamos nessa! Bons 
estudos! 
6
Os materiais e sua estrutura 
atômica
Autoria: Mariana Gerardi de Mello Nassif
Leitura crítica: Elaine Cristina Marques Esper
Objetivos
• Compreender os fundamentos da Ciência dos 
Materiais e sua importância na Engenharia de 
Materiais. 
• Analisar a estrutura atômica dos sólidos e sua 
relação com as propriedades dos materiais. 
• Explorar os diferentes tipos de ligações químicas e 
sua influência nas propriedades físicas e químicas 
dos materiais.
7
1. Introdução à Ciência dos Materiais e sua 
importância na Engenharia de Materiais
A Ciência dos Materiais é uma disciplina multidisciplinar que estuda 
a relação entre a estrutura, as propriedades e o processamento dos 
materiais. Ela desempenha um papel fundamental na Engenharia 
de Materiais, pois fornece as bases teóricas e práticas necessárias 
para o desenvolvimento e aprimoramento de novos materiais com 
propriedades específicas que permitem que aplicações específicas sejam 
realizadas para esses novos materiais.
Assim, a Ciência dos Materiais se preocupa com o conhecimento sobre 
a estrutura em diferentes escalas, que variam desde a escala atômica 
até a macroscópica, bem como as propriedades dos materiais e o que 
a modificação da estrutura resulta em alteração de propriedades. A 
engenharia de materiais, por sua vez, se preocupa em utilizar esses 
conhecimentos em aplicações cada vez mais complexas, extraindo 
o máximo de cada material, chegando, inclusive, à manipulação de 
propriedades para atender às necessidades específicas de cada aplicação.
A compreensão dos materiais é essencial para a criação de produtos 
inovadores e tecnologicamente avançados. Através do conhecimento 
em Ciência dos Materiais, os engenheiros são capazes de selecionar os 
materiais mais adequados para cada aplicação, levando em consideração 
fatores, como resistência mecânica, condutividade térmica, resistência à 
corrosão, entre outras propriedades importantes em um projeto.
1.1 Estrutura atômica dos sólidos
A estrutura atômica dos materiais descreve a organização dos átomos e 
é crucial para entender as propriedades e os comportamentos deles.
8
Os materiais podem ser classificados, de acordo com sua estrutura 
atômica, em cristalino ou amorfo (Figura 1).
Figura 1 – Representação das estruturas atômicas cristalina e 
amorfa 
Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Crystalline_or_amorphous_es.svg. Acesso 
em: 21 ago. 2024.
A estrutura cristalina é caracterizada por uma organização regular e 
repetitiva dos átomos em uma rede tridimensional. Essa organização 
é representada por uma célula unitária, que é a menor unidade que se 
repete ao longo de todo o cristal. Exemplos de sólidos com estrutura 
cristalina incluem todos os metais em estado sólidos, boa parte das 
cerâmicas e alguns polímeros, que são conhecidos por seu índice de 
cristalinidade, um valor percentual que indica o quão organizadas 
podem ser as moléculas de um polímero.
Já os sólidos amorfos não possuem uma estrutura ordenada, 
apresentando uma disposição aleatória dos átomos. Esses materiais 
não possuem uma célula unitária definida, e suas propriedades podem 
variar significativamente em diferentes regiões do material. Exemplos de 
sólidos amorfos incluem o vidro e os plásticos amorfos.
Os materiais cristalinos se organizam em múltiplos cristais e, por isso, 
formam sólidos policristalinos. Essa organização, na forma de múltiplos 
9
cristais, é conhecida como grãos, que possuem diferentes orientações 
cristalográficas. Cada grão possui uma estrutura cristalina bem definida, 
mas a orientação entre os grãos pode variar, como mostrado na Figura 
2. Essa estrutura é comumente encontrada em materiais metálicos.
Figura 2 – Representações da formação e estrutura dos grãos 
Fonte: Callister e Rethwisch (2024, [n. p.]).
A estrutura atômica dos sólidos influencia diretamente suas 
propriedades físicas e químicas. Por exemplo, a distância entre os 
átomos na estrutura cristalina determina a densidade do material. A 
disposição dos átomos também afeta a condutividade térmica e elétrica, 
a resistência mecânica, a dureza e a capacidade de deformação plástica.
Além disso, a estrutura atômica dos sólidos está relacionada à formação 
de defeitos, como lacunas, interstícios e discordâncias. Esses defeitospodem afetar significativamente as propriedades do material, como sua 
resistência à tração, ductilidade e tenacidade.
É importante lembrar que existem outros fatores que também afetam as 
propriedades físicas e químicas dos sólidos. Por exemplo, a composição 
química dos átomos presentes no material pode influenciar suas 
propriedades, como a reatividade química e a capacidade de formar 
ligações interatômicas. Outros fatores, como a temperatura, a pressão 
10
e o tratamento térmico, também podem ter um impacto significativo 
nas propriedades deles. Portanto, é importante considerar todos esses 
fatores em conjunto para entender completamente as propriedades 
físicas e químicas dos materiais.
A compreensão da estrutura atômica dos sólidos é essencial para 
projetar e desenvolver materiais com propriedades específicas. Através 
do controle da estrutura atômica, é possível modificar as propriedades 
dos materiais, tornando-os mais adequados para determinadas 
aplicações. Isso inclui a criação de ligas metálicas com propriedades 
superiores, a otimização da resistência à corrosão em materiais 
cerâmicos e a melhoria da transparência em vidros.
1.2 Ligação interatômica nos sólidos
A ligação interatômica nos sólidos é um aspecto fundamental para 
compreender as propriedades e os comportamentos dos materiais. Ela 
descreve a forma como os átomos se unem para formar uma estrutura 
sólida. 
Existem três tipos principais de ligação interatômica nos sólidos: ligação 
iônica, ligação covalente e ligação metálica. Cada tipo de ligação é 
caracterizado por diferentes interações entre os elétrons que compõem 
os átomos, como mostrado na Figura 3.
11
Figura 3 – Representação das ligações interatômicas 
Fonte: elaborada pela autora.
A ligação iônica ocorre quando há transferência completa ou parcial de 
elétrons entre átomos de diferentes elementos. Isso resulta na formação 
de íons positivos e negativos, que são atraídos pela força eletrostática. 
Essa ligação é comumente encontrada em compostos iônicos, como sais 
e cerâmicas, e é responsável por suas altas temperaturas de fusão e 
rigidez.
Essa ligação também contribui para a baixa condutividade elétrica em 
estado sólido, mas pode permitir a condução quando o material está em 
solução aquosa. Além disso, a ligação iônica influencia a solubilidade e a 
capacidade de dissociação em soluções.
A ligação covalente ocorre quando dois átomos compartilham um 
ou mais pares de elétrons. Essa ligação é mais comum em materiais 
orgânicos e em alguns compostos inorgânicos, como diamante e silício. 
A ligação covalente está associada a materiais com alta estabilidade 
química e resistência mecânica. Essa ligação é responsável por 
propriedades, como a tenacidade e a baixa condutividade elétrica. 
12
A presença de ligações covalentes fortes também pode influenciar a 
polaridade das moléculas, afetando propriedades, como a solubilidade e 
a reatividade química.
A ligação metálica ocorre em metais, nos quais os átomos estão 
dispostos em uma rede tridimensional e compartilham seus elétrons 
de valência. Essa ligação é caracterizada pela mobilidade dos elétrons, 
que formam uma nuvem eletrônica ao redor dos átomos. Essa nuvem 
eletrônica é responsável pela condução elétrica e térmica dos metais, 
bem como pela sua maleabilidade e ductilidade.
A presença de ligações metálicas também pode influenciar a resistência 
mecânica e a capacidade de deformação plástica dos materiais.
Além desses tipos de ligação, existem as interações de van der Waals, 
que ocorrem nas moléculas, portanto em compostos que possuem 
ligação covalente. Essas interações são mais fracas do que as ligações 
iônicas, covalentes e metálicas, mas ainda desempenham um papel 
importante nas propriedades de materiais poliméricos. 
A natureza da ligação interatômica nos sólidos influencia diretamente 
suas propriedades físicas e químicas. Por isso, é necessário conhecer 
não apenas a estrutura, mas também o tipo de ligação interatômica 
presente em um material. 
1.3 Propriedades físicas dos materiais relacionadas às 
ligações químicas
As ligações químicas nos materiais têm um impacto significativo nas 
suas propriedades físicas. A natureza das ligações afeta diretamente 
como os materiais se comportam em termos de condutividade elétrica, 
condutividade térmica, dureza, ponto de fusão, entre outros aspectos.
13
A condutividade elétrica dos materiais está diretamente relacionada 
às ligações químicas presentes. Materiais com ligações iônicas, por 
exemplo, geralmente têm baixa condutividade elétrica em estado sólido, 
pois os elétrons estão fortemente ligados aos íons e não podem se 
mover facilmente. No entanto, quando esses materiais são dissolvidos 
em água ou fundidos, os íons se separam e a condutividade elétrica 
aumenta. Por outro lado, materiais com ligações metálicas têm maior 
condutividade elétrica, pois os elétrons estão mais livres para se 
moverem.
A condutividade térmica dos materiais também é influenciada pelas 
ligações químicas. Materiais com ligações metálicas tendem a ter alta 
condutividade térmica devido à mobilidade dos elétrons na estrutura. 
Outro fator que auxilia é o elevado número de portadores de carga 
(elétrons) presente na estrutura do material. Por outro lado, materiais 
com ligações covalentes ou iônicas têm menor condutividade térmica, 
pois a transferência de calor ocorre, principalmente, através de 
vibrações atômicas e a mobilidade dos átomos nessas ligações é baixa.
A dureza dos materiais está relacionada às ligações químicas, à estrutura 
do material e à sua resistência a deformações permanentes. Materiais 
com ligações iônicas tendem a ser mais duros, pois as ligações são fortes 
e requerem mais energia para serem quebradas. Materiais com ligações 
metálicas tendem a ser mais maleáveis e menos duros, pois os átomos 
podem deslizar uns sobre os outros sem quebrar as ligações. Materiais 
com ligações covalentes, por sua vez, podem apresentar dureza elevada, 
como a do diamante, ou serem extremamente macios, como ocorre 
com o grafite. As diferenças e explicações a respeito da dureza ficam por 
conta da estrutura desses materiais, que é cristalino para o diamante e 
lamelar para o grafite.
O ponto de fusão dos materiais também é influenciado pelas ligações 
químicas. Materiais com ligações iônicas, normalmente, têm pontos 
14
de fusão elevados, pois a quebra das ligações requer uma quantidade 
significativa de energia. Materiais com ligações covalentes também 
podem ter pontos de fusão elevados, dependendo da força das ligações. 
Já materiais com ligações metálicas tendem a ter pontos de fusão 
intermediários, pois as ligações são mais fracas em relação à ligação 
iônica e podem ser facilmente rompidas.
1.4 Propriedades químicas dos materiais relacionadas às 
ligações químicas
As propriedades químicas dos materiais também são fortemente 
influenciadas pelas ligações químicas presentes. A natureza das ligações 
afeta diretamente como os materiais interagem com outras substâncias 
e reagem quimicamente.
A reatividade química dos materiais está relacionada às ligações 
químicas presentes. Materiais com ligações covalentes tendem a 
ser menos reativos, pois as ligações são estáveis e requerem uma 
quantidade significativa de energia para serem quebradas. Por outro 
lado, materiais com ligações iônicas ou covalentes são mais reativos, 
pois as ligações podem ser facilmente rompidas e os átomos ou íons 
podem interagir com outras substâncias.
A estabilidade química dos materiais também é influenciada pelas 
ligações químicas. Materiais com ligações covalentes tendem a ser mais 
estáveis e menos suscetíveis a reações químicas indesejadas, fato que 
torna os materiais poliméricos, por exemplo, um problema ambiental 
em seu descarte. Por outro lado, materiais com ligações mais fracas 
podem ser mais propensos a reagir com outras substâncias e sofrer 
alterações químicas.
15
A solubilidade dos materiais em diferentes solventes também é afetadapelas ligações químicas. Materiais com ligações iônicas tendem a ser 
solúveis em solventes polares, como água, pois os íons são atraídos 
pelas moléculas polares do solvente. Materiais com ligações covalentes 
não polares, por outro lado, tendem a ser solúveis em solventes não 
polares, como hidrocarbonetos.
A capacidade de absorção de energia dos materiais também está 
relacionada às ligações químicas. Materiais com ligações covalentes 
mais fortes tendem a ter maior capacidade de absorver energia, pois 
as ligações requerem mais energia para serem quebradas. Isso pode 
resultar em materiais com alta resistência a choques térmicos ou 
mecânicos.
Conectando à Realidade: Aplicação de Materiais na Indústria 
Automotiva
Na indústria automotiva, a Ciência dos Materiais desempenha um papel 
fundamental no desenvolvimento de materiais avançados para melhorar 
a eficiência, a segurança e o desempenho dos veículos. Compreender 
as propriedades dos materiais é essencial para selecionar os mais 
adequados para cada componente do automóvel.
Ao projetar um novo veículo, é necessário considerar a estrutura 
atômica dos materiais utilizados. Por exemplo, a utilização de aços que 
possuem estrutura cristalina permite obter produtos com alta resistência 
mecânica, essencial para a segurança estrutural do veículo.
A ligação interatômica é crucial para a escolha dos materiais na indústria 
automotiva. Por exemplo, a utilização de ligas de alumínio que possuem 
ligação metálica proporciona baixa densidade e alta condutividade 
térmica, tornando-os ideais para componentes como radiadores e 
blocos de motor. Nessa mesma linha de raciocínio, a utilização de 
16
ligas de titânio, que também possuem ligação metálica, proporciona 
alta resistência mecânica e baixa densidade, tornando-os ideais para 
componentes estruturais, como chassis e suspensões. Outro exemplo 
é a utilização de adesivos estruturais, que possuem ligações covalentes 
e permitem a união de diferentes materiais, proporcionando maior 
resistência e reduzindo o peso do veículo.
A utilização de polímeros termoplásticos que possuem ligações 
covalentes é outro exemplo, pois esse tipo de ligação proporciona maior 
flexibilidade e resistência ao impacto, ideal para a aplicação desses 
materiais em para-choques e painéis internos.
Podemos citar, ainda, a utilização de revestimentos anticorrosivos que 
possuem ligações covalentes, os quais são estáveis quimicamente e 
protegem a carroceria do veículo contra a corrosão causada por agentes 
químicos e condições ambientais adversas.
Em resumo, a aplicação dos conceitos da Ciência dos Materiais na 
indústria automotiva é essencial para o desenvolvimento de veículos 
mais seguros, eficientes e duráveis.
Referências
CALLISTER JR., W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e Engenharia de Materiais: uma 
introdução. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2024.
17
Estrutura cristalina e não 
cristalina dos materiais
Autoria: Mariana Gerardi de Mello Nassif
Leitura crítica: Elaine Cristina Marques Esper
Objetivos
• Identificar e descrever as estruturas cristalinas e não 
cristalinas dos materiais. 
• Avaliar a influência das imperfeições nos sólidos nas 
propriedades dos materiais. 
• Analisar a estrutura dos materiais e sua relação com 
as propriedades. 
18
1. Estrutura amorfa versus estrutura 
cristalina
Uma das principais diferenças entre materiais cristalinos e amorfos (não 
cristalinos) é a forma como os átomos estão organizados. Nos materiais 
cristalinos, os átomos se organizam em uma rede tridimensional, 
formando um padrão repetitivo que se estende por todo o material. Já 
nos materiais amorfos, os átomos estão dispostos de forma desordenada, 
sem um padrão definido.
As propriedades dos materiais amorfos são diferentes das propriedades 
dos materiais cristalinos. Os materiais amorfos tendem a ser menos 
resistentes, menos densos, conduz menos energia elétrica, serem mais 
frágeis e menos rígidos do que os materiais cristalinos. Além disso, eles 
geralmente possuem uma temperatura de transição vítrea, acima da qual 
se tornam mais viscosos.
A formação de materiais amorfos pode ocorrer de várias maneiras. 
Uma delas é o resfriamento rápido de um material fundido. Quando um 
material é resfriado rapidamente, os átomos não têm tempo suficiente 
para se organizar em uma estrutura cristalina, resultando em uma 
estrutura amorfa. Isso é muito comum para materiais cerâmicos, como 
o vidro, e para os polímeros. Mas, não confunda essa estrutura amorfa 
com a estrutura da martensita. Essa estrutura é obtida por meio do 
resfriamento rápido, porém continua sendo uma estrutura cristalina para 
o aço, mas menos organizada do que a perlita. 
Outro método de formação de materiais amorfos é a deposição física de 
vapor. Nesse processo, um material é evaporado e depositado em uma 
superfície, formando uma camada fina de material amorfo. Esse método 
é amplamente utilizado na fabricação de filmes finos para aplicações 
em eletrônica e revestimentos. O diamante CVD pode ser obtido dessa 
19
forma, e é uma estrutura muito menos organizada do que a estrutura do 
diamante.
Existem vários exemplos de materiais amorfos. Um dos mais conhecidos 
é o vidro, que é obtido através do resfriamento rápido de uma mistura 
de óxidos, como sílica, alumina e cal. O vidro possui uma ampla gama 
de aplicações, desde janelas e garrafas até fibras ópticas e telas de 
dispositivos eletrônicos.
Os polímeros amorfos também são exemplos de materiais amorfos. Os 
polímeros são compostos por cadeias moleculares longas e flexíveis, que 
se entrelaçam formando uma estrutura desordenada. Esses materiais 
são amplamente utilizados na indústria de plásticos, em produtos como 
embalagens, filmes e peças moldadas.
2. Estrutura cristalina
2.1 Redes cristalinas
A estrutura cristalina é um dos principais aspectos estudados na Ciência 
dos Materiais. Para entendermos o que é uma estrutura cristalina, é 
preciso entender que os átomos em um sólido cristalino estão dispostos 
em uma estrutura repetitiva e ordenada, formando uma unidade básica 
chamada célula unitária, que, por sua vez, corresponde à menor porção 
da estrutura cristalina que, quando repetida em todas as direções, forma 
o cristal completo, ao qual chamamos de estrutura cristalina.
A rede cristalina, ou o retículo cristalino, se refere ao tipo de célula 
unitária presente no material, e são os padrões geométricos que 
descrevem a organização dos átomos na célula unitária. 
20
O empilhamento de esferas, que, neste caso, são os átomos que 
compõem a célula unitária pode ocorrer de 14 formas diferentes, 
conhecidas como Redes de Bravais, que formam 14 tipos de redes 
cristalinas tridimensionais. Elas foram propostas pelo matemático e 
físico francês Auguste Bravais, em 1848, e podem ser classificadas de 
acordo com a simetria e a disposição dos átomos na célula unitária em:
• Cúbica simples ou cúbica primitiva (P): os átomos estão localizados 
apenas nos vértices da célula unitária cúbica.
• Cúbica de corpo centrado (I): além dos átomos nos vértices, há um 
átomo adicional no centro da célula unitária cúbica.
• Cúbica de face centrada (F): além dos átomos nos vértices, há um 
átomo adicional no centro de cada face da célula unitária cúbica.
• Tetragonal simples (P): os átomos estão localizados apenas nos 
vértices da célula unitária tetragonal.
• Tetragonal de corpo centrado (I): além dos átomos nos vértices, há 
um átomo adicional no centro da célula unitária tetragonal.
• Ortorrômbica simples (P): os átomos estão localizados apenas nos 
vértices da célula unitária ortorrômbica.
• Ortorrômbica de corpo centrado (I): além dos átomos nos vértices, 
há um átomo adicional no centro da célula unitária ortorrômbica.
• Ortorrômbica de face centrada (F): além dos átomos nos vértices, 
há um átomo adicional no centro de cada face da célula unitária 
ortorrômbica.
• Monoclínica simples (P): os átomos estão localizados apenas nos 
vértices da célula unitária monoclínica.21
• Monoclínica de corpo centrado (I): além dos átomos nos vértices, 
há um átomo adicional no centro da célula unitária monoclínica.
• Triclínica simples (P): os átomos estão localizados apenas nos 
vértices da célula unitária triclínica.
• Hexagonal simples (P): os átomos estão localizados apenas nos 
vértices da célula unitária hexagonal.
• Hexagonal de corpo centrado (I): além dos átomos nos vértices, há 
um átomo adicional no centro da célula unitária hexagonal.
• Hexagonal de face centrada (F): além dos átomos nos vértices, 
há um átomo adicional no centro de cada face da célula unitária 
hexagonal.
A Figura 1 mostra a esquematização das 14 Redes de Bravais.
Figura 1 – Redes de Bravais 
Fonte: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f4/Redes_de_Bravais.png. 
Acesso em: 21 ago. 2024.
2.2 Parâmetros de rede
Os parâmetros de rede são as medidas que descrevem as dimensões 
e os ângulos da célula unitária. Eles são utilizados para caracterizar a 
22
estrutura cristalina de um material. Os principais parâmetros de rede 
são:
Arestas: são os comprimentos dos lados da célula unitária ao longo dos 
eixos de simetria, que, normalmente, são representados pelas letras a, b 
e c.
Ângulos entre os lados da célula unitária: são os ângulos formados 
entre os lados da célula unitária, os quais são representados pelas letras 
α, β e γ.
2.3 Planos e direções cristalográficas
Os planos cristalinos são superfícies imaginárias que dividem um 
cristal em duas partes. Eles são definidos pela posição dos átomos que 
compõem o cristal e são representados por uma série de índices entre 
colchetes, como [hkl], e cada conjunto de índices representa um plano 
específico.
Os planos cristalinos são importantes na engenharia de materiais 
porque afetam as propriedades físicas e químicas dos materiais 
cristalinos. Por exemplo, a resistência mecânica de um material pode 
variar dependendo da orientação dos planos cristalinos em relação à 
direção de aplicação da força.
Além disso, os planos cristalinos também influenciam a forma como os 
materiais cristalinos se deformam. A deformação plástica, por exemplo, 
ocorre quando os planos cristalinos deslizam uns sobre os outros. Dessa 
forma, outra propriedade afetada pelos planos cristalinos é ductilidade 
dos materiais.
As direções cristalográficas, por sua vez, são linhas imaginárias que 
se estendem através de um cristal. Elas são definidas pela posição 
23
dos átomos que compõem o cristal e são representadas por uma 
série de índices entre colchetes, como [uvw]. Cada conjunto de 
índices representa uma direção específica. A orientação das direções 
cristalográficas pode afetar a morfologia dos cristais e a formação de 
defeitos cristalinos, como discordâncias.
Para determinar uma direção, deve-se determinar as coordenadas do 
ponto inicial e do ponto final do vetor, subtrair as coordenadas do ponto 
final das coordenadas do ponto inicial e apresentar esses números 
como os menores valores inteiros.
Observe direções e planos cristalinos presentes na Figura 2. Note que 
a segunda figura apresenta direções e planos cristalinos presentes em 
duas células cristalinas.
Figura 2 – Direções e planos cristalinos 
Fonte: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4d/Indices_miller_plan_
definition.svg/300px-Indices_miller_plan_definition.svg.png. Acesso em: 21 ago. 2024.
A Quando se estuda a estrutura cristalina de um material, muitas 
propriedades podem surgir da organização desse material, mas a 
alteração de propriedades é até mais efetiva quando a estrutura 
cristalina apresenta algum tipo de defeito. Por isso, é importante 
estudarmos esses defeitos. 
24
3. Imperfeições nos sólidos
As imperfeições nos sólidos são características intrínsecas dos materiais 
que afetam suas propriedades e desempenham um papel fundamental 
na Ciência dos Materiais. Essas imperfeições podem ser definidas como 
qualquer desvio da estrutura cristalina perfeita de um material sólido. 
Elas podem ocorrer em diferentes formas, como vacâncias, intersticiais, 
substitucionais, discordâncias, entre outras.
As vacâncias são imperfeições em que um átomo está ausente em sua 
posição ideal na estrutura cristalina. Isso ocorre quando um átomo 
é removido de sua posição normal, deixando um espaço vazio. Essas 
vacâncias podem ocorrer naturalmente durante a solidificação de um 
material ou podem ser introduzidas por processos de deformação ou 
tratamentos térmicos.
As imperfeições intersticiais ocorrem quando um átomo ocupa um 
espaço intersticial entre os átomos da estrutura cristalina. Esses átomos 
intersticiais podem ser de tamanho diferente dos átomos da matriz, o 
que pode afetar as propriedades do material.
As imperfeições substitucionais ocorrem quando um átomo é 
substituído por outro átomo de tamanho e carga diferentes. Isso pode 
ocorrer durante a solidificação ou por tratamentos térmicos específicos. 
Essas substituições podem afetar as propriedades do material, como a 
condutividade elétrica ou térmica.
As discordâncias são imperfeições lineares que ocorrem quando as 
camadas atômicas não estão perfeitamente alinhadas. Existem dois 
tipos principais de discordâncias: discordância de linha e discordância 
de plano. A discordância de linha ocorre quando uma linha de átomos 
está fora de alinhamento com as camadas adjacentes, enquanto a 
discordância de plano ocorre quando uma camada inteira de átomos 
está fora de posição.
25
Defeitos de vacâncias, intersticiais, substitucionais e discordâncias 
são muito comuns em materiais metálicos. Polímeros semicristalinos 
também apresentam esses e outros defeitos, como os de dobra 
de cadeia e pontas de cadeia fora da região cristalina. No caso das 
cerâmicas, além desses defeitos, também existem outros relacionados 
com a repulsão das cargas no material. Nos materiais semicondutores, 
são as imperfeições que tornam esses materiais aplicáveis em 
microchips, processadores, radares, fibras óticas etc. 
As imperfeições, de uma forma geral, afetam a movimentação dos 
átomos nos sólidos. Essa movimentação é estudada por meio de 
um mecanismo de difusão atômica, que ocorre quando os átomos 
se movem através da estrutura cristalina devido a gradientes de 
concentração ou gradientes de energia. Existem diferentes mecanismos 
de difusão, como a difusão por lacunas, em que os átomos se movem 
através de vacâncias, e a difusão por interstícios, em que os átomos se 
movem através de espaços intersticiais.
Controlar ou alterar essas movimentações é o que altera as 
propriedades dos materiais. Nas ligas metálicas, por exemplo, as 
imperfeições podem ser controladas para melhorar as propriedades 
mecânicas e a resistência à corrosão. Nas cerâmicas, as imperfeições 
podem afetar a condutividade elétrica e a resistência mecânica. Veremos 
algumas dessas influências a seguir. 
4. Influência das imperfeições nas 
propriedades dos materiais
As imperfeições nos materiais têm um impacto significativo em suas 
propriedades, afetando sua resistência mecânica, condutividade 
elétrica e térmica, estabilidade química, entre outras características. 
Compreender esses efeitos é essencial para projetar materiais com 
26
propriedades desejáveis e melhorar o desempenho dos materiais em 
diversas aplicações.
Começaremos pela resistência mecânica. As discordâncias, que são 
imperfeições lineares, podem atuar como obstáculos ao movimento 
de deslizamento dos planos atômicos, aumentando a resistência do 
material. Isso é observado em ligas metálicas, nas quais a introdução 
controlada de discordâncias pode melhorar a resistência mecânica do 
material. Um exemplo prático é o uso de tratamentos termomecânicos 
para introduzir discordâncias em aços, aumentando sua resistência e 
tenacidade.
As imperfeições também afetam a condutividade elétrica dos 
materiais. As vacâncias e as imperfeições intersticiais podem 
reduzir a condutividade elétrica, pois interrompem o fluxo de 
elétrons. Por outro lado, as substituições podemaumentar ou 
diminuir a condutividade elétrica, dependendo das propriedades do 
átomo substituinte. Um exemplo prático é o uso de dopantes em 
semicondutores, em que a introdução controlada de substituições 
pode alterar a condutividade elétrica e permitir a fabricação de 
dispositivos eletrônicos, como transistores e circuitos integrados, 
nos quais a dopagem permite o controle do fluxo de elétrons. Por 
exemplo, a introdução de impurezas do tipo p ou n em silício permite 
a fabricação de transistores de junção bipolar (BJT) ou transistores 
de efeito de campo (FET), que são componentes essenciais em 
circuitos eletrônicos. Nas células solares, a introdução controlada 
de imperfeições em materiais semicondutores permite a absorção 
eficiente da luz solar e a geração de corrente elétrica, melhorando a 
eficiência de conversão de energia. A condutividade térmica é outra 
propriedade que pode ser alterada. Nesse caso, as imperfeições 
costumam afetar a transferência de calor em um material, pois 
interferem no movimento dos átomos, que é o caso das discordâncias 
e das imperfeições intersticiais. No entanto, em alguns casos, as 
27
imperfeições podem aumentar a condutividade térmica. Por exemplo, 
nas cerâmicas, a introdução controlada de imperfeições pode criar 
caminhos preferenciais para a transferência de calor, melhorando a 
condutividade térmica do material.
A estabilidade química dos materiais também é influenciada pelas 
imperfeições. As vacâncias e as imperfeições intersticiais podem 
criar sítios reativos, nos quais reações químicas indesejáveis podem 
ocorrer, levando à degradação do material. Por outro lado, as 
substituições podem melhorar a estabilidade química, tornando 
o material mais resistente à corrosão ou à oxidação. Um exemplo 
prático é o uso de ligas metálicas com substituições específicas para 
melhorar a resistência à corrosão em ambientes agressivos. Por 
isso, elementos, como cromo e níquel, costumam ser adicionados 
ao aço. Para controlar e manipular as imperfeições nos materiais, 
existem diversas técnicas disponíveis, tais como os tratamentos 
térmicos específicos, que são utilizados para introduzir ou eliminar 
imperfeições. Nesse sentido, a recristalização é utilizada para eliminar 
discordâncias, e a têmpera, para introduzir discordâncias. Além 
disso, técnicas de dopagem podem ser empregadas para controlar 
as substituições em materiais semicondutores, e a nanotecnologia 
também oferece a possibilidade de manipular imperfeições em escala 
atômica, permitindo a criação de materiais com propriedades sob 
medida.
As imperfeições controladas em materiais têm diversas aplicações 
práticas. Por exemplo, na indústria aeroespacial, ligas metálicas com 
imperfeições controladas são utilizadas para fabricar componentes 
estruturais leves e resistentes. Além disso, nas indústrias de energia, 
materiais com imperfeições controladas são utilizados em turbinas 
eólicas, células solares e baterias de íons de lítio, melhorando sua 
eficiência e seu desempenho.
28
Conectando à Realidade: Exemplos Práticos 
Na indústria aeroespacial, é essencial utilizar materiais que sejam leves 
e resistentes para fabricar componentes estruturais de aeronaves. Uma 
forma de alcançar essas propriedades desejáveis é através da introdução 
controlada de imperfeições nas ligas metálicas.
A multiplicação das discordâncias nas ligas metálicas pode aumentar 
sua resistência mecânica, pois as discordâncias atuam como obstáculos 
ao movimento de deslizamento dos planos atômicos, dificultando a 
deformação plástica do material. Isso torna as ligas metálicas mais 
resistentes a forças externas, como as que atuam sobre uma aeronave 
durante o voo.
Além disso, a introdução controlada de substituições nas ligas metálicas 
pode melhorar sua resistência à corrosão. Substituir átomos de um 
metal por átomos de outro metal pode alterar a estrutura cristalina e 
criar uma barreira para a corrosão. Isso é especialmente importante na 
indústria aeroespacial, na qual as aeronaves estão expostas a ambientes 
agressivos, como a umidade e os produtos químicos presentes na 
atmosfera.
O exemplo prático que ilustra essa influência das imperfeições nos 
materiais é a utilização de ligas de alumínio na fabricação de aeronaves. 
O alumínio puro é um metal leve, porém relativamente fraco. Para 
torná-lo adequado para uso aeroespacial, é necessário adicionar outros 
elementos à sua estrutura, formando ligas metálicas mais resistentes.
Uma liga de alumínio comumente utilizada na indústria aeroespacial é a 
liga de alumínio 7075. Essa liga é composta, principalmente, por alumínio, 
mas também contém pequenas quantidades de zinco, magnésio, cobre 
e outros elementos. A adição desses elementos cria imperfeições 
controladas na estrutura cristalina do alumínio, melhorando suas 
propriedades mecânicas.
29
A introdução de discordâncias na liga de alumínio 7075 aumenta 
sua resistência mecânica, permitindo que a aeronave suporte cargas 
mais elevadas e resista a condições extremas, como turbulências e 
mudanças bruscas de temperatura. Além disso, a adição de elementos, 
como o cobre e o magnésio, melhora a resistência à corrosão da liga, 
protegendo-a da ação de agentes corrosivos presentes no ambiente 
aeroespacial.
Referências
CALLISTER JR., W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e Engenharia de Materiais: uma 
introdução. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2024.
30
Mecanismos de difusão e 
diagramas de fases
Autoria: Mariana Gerardi de Mello Nassif
Leitura crítica: Elaine Cristina Marques Esper
Objetivos
• Compreender os conceitos de difusão, seus 
mecanismos e os fatores envolvidos.
• Entender a solução sólida e o mecanismo de 
endurecimento por solução sólida.
• Discutir os princípios e as aplicações dos diagramas 
de fases.
31
1. Mecanismos de difusão em sólidos
A difusão em sólidos é um fenômeno fundamental que ocorre devido 
ao movimento de átomos ou moléculas através da estrutura cristalina. 
Existem diferentes mecanismos de difusão em sólidos, sendo os 
principais: difusão por lacunas, difusão intersticial e difusão por contorno 
de grão. Esses mecanismos são influenciados por fatores, como 
temperatura, concentração e microestrutura do material. O estudo desses 
mecanismos é essencial para entender a difusão em materiais e suas 
aplicações em áreas como tratamentos térmicos, crescimento e formação 
das estruturas cristalinas e dopagem de materiais semicondutores.
A difusão por lacunas é um dos mecanismos mais comuns de difusão 
em sólidos. Nesse processo, os átomos vizinhos deixam lacunas em suas 
posições na rede cristalina, e outros átomos se movem para ocupar essas 
lacunas. Isso ocorre mediante a aplicação de calor, que fornece energia 
para os átomos se moverem. A taxa de difusão por lacunas pode ser 
calculada usando a equação de Arrhenius, que relaciona a taxa de difusão 
com a temperatura. 
Outro mecanismo de difusão em sólidos é a difusão intersticial. Nesse 
mecanismo, os átomos se movem através de posições intersticiais, ou 
seja, os espaços vazios entre os átomos ao longo da rede cristalina. Assim, 
a difusão intersticial é comum em materiais com átomos menores que 
podem se encaixar nas posições intersticiais.
Outro mecanismo é a difusão por contorno de grão, que ocorre ao longo 
das interfaces entre os grãos individuais em um material policristalino. 
A difusão por contorno de grão ocorre devido à diferença de estrutura 
cristalina entre os grãos. Os átomos podem se mover mais facilmente 
ao longo dos contornos de grão, pois essas regiões apresentam uma 
estrutura cristalina menos ordenada. 
32
Um dos principais efeitos que utilizam os conceitos de difusão é o 
conceito de endurecimento por solução sólida. Para isso, é importante 
definirmos solução sólida: uma solução sólida é um tipo de mistura 
homogênea em que os átomos de um ou mais elementos são distribuídos 
uniformemente dentro da estrutura cristalina de um metal ou outro 
material sólido. Em outras palavras, é uma fasesólida contendo dois ou 
mais componentes misturados em nível atômico. Uma solução sólida 
não é uma mistura, pois seus componentes se dissolvem um no outro, 
formando uma nova fase.
O endurecimento por solução sólida é um mecanismo de fortalecimento 
dos materiais metálicos que ocorre quando átomos de um elemento 
(soluto) são adicionados a um metal base (solvente), formando uma 
solução sólida. Esse processo aumenta a resistência e a dureza do 
material ao dificultar o movimento das discordâncias, que são defeitos 
lineares na estrutura cristalina responsáveis pela deformação plástica.
Átomos de soluto são introduzidos na matriz do metal solvente. Esses 
átomos podem se posicionar em sítios substitucionais (substituindo 
átomos do solvente) ou intersticiais (ocupando espaços intersticiais entre 
os átomos do solvente).
A presença de átomos de soluto causa distorções na rede cristalina do 
metal solvente. Isso ocorre porque os átomos de soluto, geralmente, têm 
tamanhos diferentes dos átomos do solvente, criando tensões locais na 
estrutura cristalina.
As tensões locais causadas pelos átomos de soluto interagem com 
as discordâncias, dificultando seu movimento. O movimento das 
discordâncias é essencial para a deformação plástica, e qualquer 
impedimento a esse movimento aumenta a resistência do material.
33
Nem todos os elementos podem ser adicionados em grandes quantidades 
devido às limitações de solubilidade no metal solvente.
Como você deve ter percebido, o entendimento desses conceitos faz com 
que propriedades sejam mais bem compreendidas e possam ser alteradas. 
Além da difusão, que controla a cinética das transformações de fase e a 
evolução microestrutural dos materiais, outro conceito importante são 
os diagramas de fases, os quais fornecem o mapa das fases estáveis em 
diferentes condições de temperatura e de quantidade de cada material 
presente. A difusão e os diagramas de fases estão intimamente ligados, e 
entender essa relação é crucial para o desenvolvimento e processamento 
de materiais com propriedades desejadas.
2. Tipos de diagramas de fases
Os diagramas de fases são construídos com base em dados 
experimentais e cálculos termodinâmicos para determinar as condições 
em que ocorrem as transformações de fase. Essas transformações são 
regidas pelas leis da termodinâmica, que estabelecem as condições de 
equilíbrio entre as fases.
Relacionada ao equilíbrio termodinâmico, a regra das fases de Gibbs é 
uma fórmula fundamental na termodinâmica que relaciona o número 
de fases em equilíbrio com o número de componentes e as variáveis 
intensivas do sistema. Ela é expressa pela seguinte equação:
F = C - P + 2
Onde:
• F é o número de graus de liberdade (ou variáveis intensivas que 
podem ser alteradas independentemente sem mudar o número de 
fases em equilíbrio, como temperatura, pressão, concentração).
34
• C é o número de componentes químicos independentes no 
sistema.
• P é o número de fases em equilíbrio. Refere-se às diferentes 
formas físicas em que os componentes podem existir, como sólido, 
líquido e gás.
Essa fórmula pressupõe um equilíbrio termodinâmico, o que nem 
sempre ocorre em condições reais. 
Existem diferentes tipos de diagramas de fases, cada um adequado para 
diferentes sistemas materiais e composições. Os diagramas binários são 
aqueles que envolvem dois componentes e são os mais comuns entre os 
materiais metálicos. Quando se consideram dois elementos que formam 
apenas uma fase sólida, dizemos que o diagrama de fases é isomorfo. 
No entanto, aprofundaremos o estudo em um diagrama binário mais 
comum, o diagrama ferro-carbono, que é amplamente utilizado na 
metalurgia e engenharia de materiais, uma vez que o aço é um dos 
principais materiais aplicados industrialmente. 
Figura 1 – Diagrama de fases ferro-carbono 
Fonte: lightningmcqueen/adobe.adobe.com. 
35
No diagrama Fe-C, diferentes fases coexistem em função da temperatura 
e do teor de carbono. O ferro, em temperatura ambiente, forma uma 
estrutura do tipo cúbica de corpo centrado, e os átomos de carbono 
ficam localizados nos interstícios dessa estrutura CCC.
Sobre as principais informações que podem ser encontradas no 
diagrama de fases do sistema Fe-C, temos:
• Fases principais
• Ferrita (α): é uma solução sólida de carbono em ferro com 
estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC). Tem baixa 
solubilidade de carbono (máximo de 0,022% a 723 °C). É magnética 
até 768 °C (ponto de Curie).
• Austenita (γ): é uma solução sólida de carbono em ferro com 
estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC). Pode dissolver 
até 2,06% de carbono a 1147 °C. Não é magnética.
• Cementita (Fe₃C): é um composto intermetálico de ferro e carbono 
(6,67% de carbono). É dura e frágil.
• Perlita: é uma microestrutura constituída por lamelas alternadas 
de ferrita e cementita. Forma-se a partir da austenita durante o 
resfriamento lento.
• Transformações de fase
• Transformação Eutetoide: austenita se transforma em perlita 
ao resfriar abaixo de 727 °C para uma concentração de 0,8% em 
massa de carbono.
• Transformação Eutética: Líquido se transforma em austenita e 
cementita a 1147 °C e em uma concentração de 4,3% me massa de 
carbono.
36
• Transformação Peritética: líquido e ferrita se transformam em 
austenita a 1495 °C.
Os diagramas de fase também podem ser ternários, ou seja, envolver 
três componentes. Um exemplo é o diagrama alumínio-silício-magnésio, 
que é utilizado na indústria de fundição de ligas de alumínio. 
Além dos diagramas binários e ternários, existem também os diagramas 
de fases complexos, que envolvem mais de três componentes ou 
apresentam fases intermediárias. Esses diagramas são mais complexos 
e exigem uma análise mais detalhada. 
3. Aplicações dos diagramas de fases
Uma das aplicações dos diagramas de fases é no projeto de ligas. Ao 
analisar um diagrama de fases, é possível identificar as composições 
e temperaturas adequadas para obter propriedades específicas em 
uma liga. Por exemplo, se deseja-se desenvolver uma liga com alta 
resistência mecânica e boa resistência à corrosão, o diagrama de fases 
pode ser utilizado para determinar as composições e temperaturas que 
proporcionam essas características desejadas.
Outra aplicação importante dos diagramas de fases é no controle de 
processos de solidificação. Ao analisar o diagrama de fases de uma liga 
metálica, é possível determinar a sequência de transformações de fase 
que ocorrem durante a solidificação. Essas informações são cruciais para 
controlar a microestrutura resultante, que influencia diretamente as 
propriedades mecânicas e a capacidade de processamento do material. 
Portanto, os diagramas de fases são utilizados na indústria de fundição 
para garantir a obtenção de microestruturas desejadas nos produtos 
finais.
37
No caso do aço, por exemplo, as transformações de fases apresentadas 
no diagrama de fases ocorrem mediante resfriamento lento, sendo 
comuns os processos de recozimento e normalização na região próxima 
ou dentro da fase austenítica. O resfriamento lento resulta na formação 
de fase perlita. Para aumentar a resistência do aço, o processo de 
tempera envolve o resfriamento rápido após a austenitização do aço, 
que dá origem à fase martensita, de estrutura tetragonal de corpo 
centrado, mais dura do que a perlita. Por que isso acontece? Por falta 
de tempo hábil para que ocorra o processo de difusão e a estrutura CFC 
da austenita se torne a estrutura CCC da ferrita. Assim, o conhecimento 
em diagramas de fases e difusão leva à obtenção de um material com 
propriedades desejadas e únicas.
A seleção de materiais também se beneficia dos diagramas de 
fases. Ao considerar as propriedades desejadas e as condições de 
processamento, é possível utilizar o diagrama de fases para identificar 
os materiais que atendem a esses requisitos. Por exemplo, ao projetar 
um componente que será exposto a altas temperaturas, é importante 
escolher um material que não sofra transformaçõesindesejadas em sua 
microestrutura nessa faixa de temperatura. O diagrama de fases auxilia 
na escolha do material mais adequado para essa aplicação específica.
Além dessas aplicações práticas, os diagramas de fases também são 
utilizados em estudos científicos para entender o comportamento dos 
materiais em diferentes condições termodinâmicas. Eles permitem a 
compreensão dos fenômenos que ocorrem durante as transformações 
de fase, contribuindo para o desenvolvimento de novos materiais com 
propriedades específicas. 
38
Conectando à Realidade: Exemplos Práticos 
Você é um engenheiro de materiais trabalhando em uma empresa 
aeroespacial. Sua equipe recebeu a tarefa de desenvolver uma nova liga 
metálica para as pás das turbinas de motores a jato. Essas pás precisam 
ter alta resistência mecânica, resistência à corrosão e estabilidade em 
altas temperaturas para garantir a eficiência e segurança do motor.
Passos para resolver a situação:
Análise dos requisitos:
Identificar as propriedades mecânicas, a resistência à corrosão e a 
estabilidade térmica necessárias para as pás das turbinas.
Determinar a faixa de temperatura de operação das pás, que pode 
chegar a mais de 1.000 °C.
Consulta ao Diagrama de Fases:
Utilizar diagramas de fases binários e ternários para identificar possíveis 
combinações de elementos que formem ligas com as propriedades 
desejadas.
Por exemplo, consultar o diagrama níquel-crômio-alumínio (Ni-Cr-Al) para 
entender como diferentes teores desses elementos influenciam as fases 
presentes e suas propriedades mecânicas e térmicas.
Seleção dos elementos de liga:
Escolher elementos de liga que possam ser adicionados ao níquel para 
melhorar a resistência mecânica e a resistência à corrosão em altas 
temperaturas. Elementos, como cobalto (Co), molibdênio (Mo) e tântalo 
(Ta), são frequentemente utilizados para essas finalidades.
Verificar a solubilidade desses elementos no níquel e como eles afetam a 
microestrutura da liga, utilizando diagramas de fases apropriados.
39
Simulação e testes:
Realizar simulações computacionais para prever o comportamento da 
nova liga sob condições de operação.
Produzir amostras da liga e realizar testes de laboratório para avaliar 
suas propriedades mecânicas, resistência à corrosão e estabilidade 
térmica.
Otimização e ajustes:
Analisar os resultados dos testes e ajustar a composição da liga conforme 
necessário.
Utilizar o conhecimento sobre difusão em sólidos para entender 
como os tratamentos térmicos podem ser aplicados para otimizar a 
microestrutura e as propriedades da liga.
Implementação:
Após a validação da nova liga, iniciar a produção em escala das pás das 
turbinas utilizando a liga desenvolvida.
Monitorar o desempenho das pás em campo e realizar ajustes conforme 
necessário para garantir a qualidade e a durabilidade dos produtos
Referências
ASKELAND, D. R.; WRIGHT, W. J. Ciência e Engenharia dos Materiais. 9. ed. São 
Paulo: Cengage Learning, 2019.
CALLISTER JR., W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e Engenharia de Materiais: uma 
introdução. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2024.
40
Propriedades dos materiais
Autoria: Mariana Gerardi de Mello Nassif
Leitura crítica: Elaine Cristina Marques Esper
Objetivos
• Apresentar o panorama geral das principais 
propriedades dos materiais.
• Compreender as propriedades mecânicas dos 
materiais.
• Avaliar a resistência dos materiais.
• Investigar as propriedades térmicas dos materiais.
• Explorar as propriedades magnéticas dos materiais.
• Entender as propriedades ópticas dos materiais.
41
1. Introdução
O estudo das propriedades dos materiais é crucial para a Ciência dos 
Materiais e as engenharias, influenciando a eficiência, a segurança e 
a durabilidade dos produtos. Essas propriedades são classificadas em 
físicas, químicas e outras específicas.
Propriedades físicas incluem propriedades mecânicas (tensão, 
deformação, elasticidade, resistência, dureza), térmicas (condutividade 
térmica, expansão térmica), magnéticas (momento magnético, domínios 
magnéticos) e ópticas (reflexão, refração, absorção, transparência).
Já as propriedades químicas abrangem a reatividade química (oxidação, 
corrosão), a estabilidade química (térmica, à luz) e a composição química 
(elementos constituintes, estrutura molecular).
Ainda podemos nos referir a outras propriedades, como propriedades 
elétricas (condutividade, resistividade), acústicas (velocidade do som, 
absorção acústica), de processamento (usinabilidade, soldabilidade) e 
estruturais (densidade, porosidade).
Compreender essas propriedades é essencial para a seleção e aplicação 
adequada dos materiais em diversas indústrias, garantindo produtos 
eficientes, seguros e duráveis.
Aprofundaremos nosso estudo nas principais propriedades para 
variadas aplicações.
42
2. Propriedades mecânicas
2.1 Tensão e deformação
A tensão (σ ) é definida como a força aplicada por unidade de área 
em um material. É expressa em unidades de pressão, como Pascal 
(Pa) ou MegaPascal (MPa). A deformação (ε ), por sua vez, é a medida 
da mudança na forma ou no tamanho (comprimento deformado/
comprimento inicial) de um material em resposta à aplicação de uma 
força, sendo uma medida adimensional. A deformação pode ser elástica, 
quando o material retorna à sua forma original após a remoção da força, 
ou plástica, quando a deformação é permanente.
A Figura 1 mostra a curva tensão-deformação, uma representação 
gráfica da relação entre a tensão aplicada a um material e a deformação 
resultante. Essa curva é fundamental para entender o comportamento 
mecânico dos materiais. Inicialmente, a curva é linear, indicando um 
comportamento elástico, cuja tensão é proporcional à deformação. 
O ponto em que a curva deixa de ser linear é conhecido como limite 
de elasticidade, ou tensão de escoamento, ou limite de fluência, (σe) 
como mostrado no gráfico. Além desse ponto, o material começa a se 
deformar plasticamente. O ponto T mostrado no gráfico é o valor de 
tensão máxima (σmáx) suportada pelo material, conhecido também por 
limite de resistência à tração (LRT). Já o ponto k representa o ponto de 
ruptura do material.
O Módulo de Young, ou módulo de elasticidade, é uma medida da 
rigidez de um material. É definido como a razão entre a tensão e a 
deformação na região elástica da curva tensão-deformação. Materiais 
com um alto Módulo de Young são mais rígidos e menos propensos a 
deformações elásticas.
43
Figura 1 – Gráfico tensão-deformação 
Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fluencia.jpg. Acesso em: 21 ago. 2024.
2.2 Elasticidade e plasticidade
O comportamento elástico de um material é caracterizado pela 
sua capacidade de retornar à forma original após a remoção da 
força aplicada. Já o comportamento plástico envolve deformações 
permanentes, em que o material não retorna à sua forma original. A 
transição entre esses dois comportamentos é marcada pelo limite de 
elasticidade.
O limite de elasticidade é o ponto na curva tensão-deformação no qual 
o material deixa de se comportar elasticamente e começa a se deformar 
plasticamente. Esse ponto é crucial para o projeto de componentes que 
devem manter sua integridade estrutural sob cargas operacionais.
A deformação permanente ocorre quando um material é submetido 
a tensões além do seu limite de elasticidade. Essa deformação é 
irreversível e pode comprometer a funcionalidade e a segurança 
de componentes estruturais. Porém, para alguns processos de 
transformação, como trefilação ou laminação, a deformação 
permanente é importante tanto para dar forma ao produto final quanto 
para aumentar a resistência do material. 
44
2.3 Resistência dos materiais
Existem vários tipos de resistência mecânica importantes para 
os materiais que estão diretamente relacionados às aplicações 
de forças nos materiais, que podem ocorrer por meio de tração, 
compressão, cisalhamento ou torção. Assim, existem resistências à 
tração, à compressão e ao cisalhamento. A resistência àtração é a 
capacidade de um material de suportar forças que tendem a alongá-
lo. A resistência à compressão é a capacidade de suportar forças que 
tendem a esmagá-lo. A resistência ao cisalhamento é a capacidade 
de suportar forças que tendem a deslizar uma parte do material 
em relação à outra. Cada uma dessas resistências é crucial para 
diferentes aplicações e determina a escolha do material para usos 
específicos.
A dureza é a resistência de um material à penetração, geralmente 
medida pela resistência à penetração de um indentador. Materiais 
duros são utilizados em aplicações nas quais a resistência ao 
desgaste é importante, como em ferramentas de corte e superfícies 
de rolamento.
Outras resistências importantes para a aplicação dos materiais 
incluem a tenacidade e a resiliência. A tenacidade é a capacidade 
de um material absorver energia e se deformar plasticamente 
antes de fraturar. A resiliência é a capacidade de um material de 
absorver energia elástica e retornar à sua forma original. Ambos são 
importantes para materiais que devem suportar impactos e cargas 
dinâmicas.
Além de todas essas propriedades mecânicas para os materiais, 
também é importante prever ou entender o que acontecerá com 
o material durante o momento de sua quebra. Por isso, estudamos 
fenômenos como fadiga e fratura.
45
2.4 Fadiga e fratura
A fadiga é o enfraquecimento de um material devido a cargas cíclicas 
repetidas. Mesmo tensões abaixo do limite de elasticidade podem 
causar falhas por fadiga após um número suficiente de ciclos de 
carga. Vários fatores influenciam a fadiga, incluindo a amplitude e a 
frequência das cargas cíclicas, a presença de concentrações de tensão, a 
temperatura e o ambiente químico. Projetistas devem considerar esses 
fatores para garantir a longevidade e a segurança dos componentes.
A fratura pode ocorrer de forma dúctil, em que o material se deforma 
significativamente antes de quebrar, ou de forma frágil, em que 
a fratura ocorre com pouca ou nenhuma deformação plástica. A 
compreensão dos mecanismos de fratura é essencial para prevenir 
falhas catastróficas em componentes estruturais. Na Figura 2, regiões 
alveolares representando a fratura dúctil, e as regiões de fratura frágil 
são destacadas na segunda imagem.
Figura 2 – Fratura dúctil versus fratura mista 
Fonte: Connect Images/adobe.stock.com.
Além do entendimento de todas as propriedades mecânicas, a aplicação 
dos materiais é dependente de todas as outras propriedades. Neste tema, 
entenderemos quais são as propriedades térmicas, elétricas e ópticas.
46
3. Propriedades térmicas
3.1 Condutividade térmica
A condutividade térmica é a propriedade dos materiais que define a 
sua capacidade de conduzir calor. Existem três mecanismos principais 
de condução de calor: condução, convecção e radiação. A condução 
térmica é o mecanismo predominante em sólidos e ocorre através da 
transferência de energia cinética entre átomos e moléculas adjacentes. 
Em metais, a condução de calor é facilitada pela movimentação de 
elétrons livres, enquanto em materiais não metálicos, a condução ocorre 
principalmente através de vibrações da rede cristalina (fônons).
Os materiais condutores térmicos, como metais (cobre, alumínio), 
possuem alta condutividade térmica devido à presença de elétrons livres 
que facilitam a transferência de calor. Por outro lado, materiais isolantes 
térmicos, como a lã de vidro e o poliestireno expandido, possuem baixa 
condutividade térmica. Esses materiais são utilizados para minimizar 
a transferência de calor, sendo ideais para aplicações em isolamento 
térmico em edifícios e equipamentos.
3.2 Expansão térmica
A expansão térmica é a tendência dos materiais de mudar de volume 
em resposta a uma variação de temperatura. O coeficiente de expansão 
térmica (CET) é uma medida quantitativa dessa mudança, e é definido 
como a variação fracional no comprimento ou volume por unidade de 
variação de temperatura. Materiais com um alto CET expandem-se mais 
com o aumento da temperatura, enquanto materiais com um baixo CET 
apresentam menor expansão.
A expansão térmica tem um impacto significativo em diversas 
aplicações práticas. Em estruturas de engenharia, como pontes e 
47
edifícios, é essencial considerar a expansão térmica para evitar falhas 
estruturais. Juntas de dilatação são frequentemente incorporadas 
em projetos de construção para acomodar a expansão e a contração 
térmica. Em componentes eletrônicos, a diferença nos coeficientes de 
expansão térmica entre materiais pode levar a tensões internas e falhas 
prematuras, exigindo o uso de materiais compatíveis.
3.3 Capacidade térmica
A capacidade térmica, ou capacidade calorífica, ou calor específico, 
de um material é a quantidade de calor necessária para elevar a 
temperatura de uma unidade de massa do material em uma unidade 
de temperatura, sendo expresso em unidades de J/(kg·K). Materiais com 
alto calor específico podem absorver grandes quantidades de calor sem 
uma mudança significativa na temperatura, o que é útil em aplicações 
que exigem controle térmico, como em sistemas de resfriamento.
A radiação térmica é a transferência de calor através de ondas 
eletromagnéticas e pode ocorrer no vácuo. A compreensão desses 
mecanismos é crucial para o design de sistemas eficientes de 
gerenciamento térmico em diversas indústrias, incluindo a eletrônica e a 
aeroespacial.
3.4 Resistência ao choque térmico
A resistência ao choque térmico é a capacidade de um material de 
resistir a variações rápidas de temperatura sem sofrer danos, como 
trincas ou fraturas. Essa propriedade é particularmente importante 
em aplicações nas quais os materiais são expostos a ciclos térmicos 
extremos, como em motores de combustão interna, reatores nucleares 
e componentes aeroespaciais.
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Materiais cerâmicos avançados, como a alumina e o carbeto de silício, 
são conhecidos por sua alta resistência ao choque térmico. Esses 
materiais são utilizados em aplicações que exigem estabilidade térmica 
e resistência a variações bruscas de temperatura. Vidros borossilicatos, 
como o Pyrex, também apresentam boa resistência ao choque térmico 
e são amplamente utilizados em utensílios de cozinha e equipamentos 
laboratoriais.
4. Propriedades magnéticas
O momento magnético é uma propriedade fundamental dos materiais 
que descreve a força e a direção de seu magnetismo. Ele é gerado 
pelo movimento dos elétrons em torno do núcleo atômico e pelo 
spin dos elétrons. Em termos simples, o momento magnético pode 
ser visualizado como um pequeno ímã associado a cada átomo ou 
molécula. Se os elétrons de um material estão emparelhados, os 
momentos magnéticos se anulam, e se o material contém elétrons 
desemparelhados, os momentos magnéticos podem responder ou 
formar campos magnéticos. Assim, podemos entender que a soma dos 
momentos magnéticos individuais resulta no comportamento magnético 
macroscópico do material.
Os domínios magnéticos são regiões dentro de um material 
ferromagnético onde os momentos magnéticos dos átomos estão 
alinhados na mesma direção. Em um material não magnetizado, esses 
domínios estão orientados aleatoriamente, resultando em um campo 
magnético líquido nulo. Quando o material é magnetizado, os domínios 
se alinham na direção do campo magnético aplicado, aumentando a 
magnetização do material. A compreensão dos domínios magnéticos 
é crucial para explicar o comportamento magnético de materiais 
ferromagnéticos e suas aplicações práticas.
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4.1 Tipos de materiais magnéticos
Diamagnéticos
Materiais diamagnéticos são aqueles que exibem uma magnetização 
negativa em resposta a um campo magnético aplicado. Isso significa que 
eles criam um campo magnético oposto ao campo aplicado, resultando 
em uma leve repulsão. Exemplos de materiais diamagnéticos incluem 
cobre, ouro e bismuto. Embora o efeito diamagnético seja geralmente 
fraco, ele é uma propriedade universal de todos os materiais, sendo 
comum em polímeros, madeiras e na maioria dascerâmicas
Paramagnéticos
Materiais paramagnéticos possuem momentos magnéticos atômicos ou 
moleculares que se alinham parcialmente com um campo magnético 
aplicado, resultando em uma magnetização positiva. No entanto, essa 
magnetização é fraca e desaparece quando o campo magnético é 
removido. Exemplos de materiais paramagnéticos incluem alumínio, 
platina e oxigênio líquido. A magnetização paramagnética é geralmente 
observada a temperaturas elevadas, quando a energia térmica impede 
o alinhamento completo dos momentos magnéticos. A maioria dos 
materiais ferrosos são paramagnéticos, devido à presença de elétrons 
desemparelhados em sua estrutura. Se a magnetização do material 
ferroso for muito forte, ele se comportará como um ímã, ou seja, como 
um material ferromagnético.
Ferromagnéticos
Materiais ferromagnéticos exibem uma forte magnetização mesmo 
na ausência de um campo magnético externo. Isso ocorre devido ao 
alinhamento espontâneo dos momentos magnéticos em grandes 
regiões chamadas domínios magnéticos. Exemplos de materiais 
ferromagnéticos incluem ferro, níquel e cobalto. Esses materiais são 
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amplamente utilizados em aplicações tecnológicas devido à sua alta 
permeabilidade magnética e capacidade de reter magnetização.
Antiferromagnéticos e ferrimagnéticos
Materiais antiferromagnéticos possuem momentos magnéticos 
atômicos que se alinham em direções opostas, resultando em uma 
magnetização líquida nula. Exemplos incluem óxido de manganês 
(MnO) e óxido de ferro (FeO). Materiais ferrimagnéticos, por outro lado, 
possuem momentos magnéticos que se alinham em direções opostas, 
mas com magnitudes diferentes, resultando em uma magnetização 
líquida não nula. Exemplos incluem magnetita (Fe3O4) e granada de ítrio 
e ferro (YIG). Esses materiais são utilizados em aplicações como gravação 
magnética e dispositivos de micro-ondas.
Curva de Histerese - Ciclo de Magnetização e Desmagnetização
A curva de histerese descreve a relação entre o campo magnético 
aplicado e a magnetização resultante em um material ferromagnético. 
Durante a magnetização, a magnetização do material aumenta à medida 
que o campo magnético aplicado aumenta, até atingir a saturação, 
na qual todos os domínios magnéticos estão alinhados. Durante a 
desmagnetização, a magnetização diminui, mas não segue o mesmo 
caminho da magnetização, resultando em uma curva de histerese. 
Esse comportamento é devido à energia necessária para reorientar os 
domínios magnéticos.
Coercividade e remanência
A coercividade é a intensidade do campo magnético necessário para 
reduzir a magnetização de um material a zero após a saturação. A 
remanência é a magnetização residual que permanece em um material 
após a remoção do campo magnético aplicado. Materiais com alta 
coercividade e remanência são utilizados em ímãs permanentes, 
enquanto materiais com baixa coercividade são utilizados em núcleos 
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de transformadores e indutores, onde a facilidade de magnetização e 
desmagnetização é desejável.
5. Propriedades ópticas
A interação da luz com materiais pode resultar em três fenômenos 
principais: reflexão, refração e absorção. A reflexão ocorre quando 
a luz incide sobre uma superfície e é redirecionada de volta ao meio 
original. A quantidade de luz refletida depende das propriedades do 
material e do ângulo de incidência. A refração é a mudança na direção 
de propagação da luz ao passar de um meio para outro com diferentes 
índices de refração. A absorção ocorre quando a energia da luz é 
transferida para o material, geralmente convertendo-se em calor. A 
eficiência com que um material absorve luz depende de sua composição 
e estrutura.
O índice de refração é uma medida de quanto a velocidade da luz é 
reduzida dentro de um material em comparação com o vácuo. É definido 
como a razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz 
no material. Materiais com um índice de refração alto, como o vidro e o 
diamante, dobram a luz mais significativamente do que materiais com 
um índice de refração baixo, como o ar. O índice de refração é crucial 
para o design de lentes, prismas e outros dispositivos ópticos.
Transparência e opacidade
A transparência de um material é a sua capacidade de permitir a 
passagem da luz. Materiais transparentes, como o vidro e alguns 
plásticos amorfos, permitem que a luz passe através deles com mínima 
dispersão, permitindo uma visão clara através do material. Materiais 
translúcidos, como o papel vegetal e alguns tipos de vidro fosco, 
permitem a passagem de luz, mas dispersam-na de tal forma que 
objetos do outro lado não são claramente visíveis. Materiais opacos, 
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como metais e madeira, não permitem a passagem de luz, absorvendo 
ou refletindo toda a luz incidente.
Propriedades fotônicas
A emissão de luz ocorre quando um material libera energia na forma 
de fótons. Isso pode acontecer de várias maneiras, incluindo a emissão 
térmica, em que a energia térmica é convertida em luz, e a emissão 
estimulada, em que a luz incidente provoca a emissão de fótons 
adicionais. A absorção de luz, por outro lado, ocorre quando os fótons 
são absorvidos pelos átomos ou pelas moléculas do material, elevando-
os a estados de energia mais altos.
Fotoluminescência e fluorescência
A fotoluminescência é a emissão de luz por um material após a 
absorção de fótons. Existem dois tipos principais de fotoluminescência: 
fluorescência e fosforescência. A fluorescência é a emissão rápida 
de luz após a absorção, geralmente ocorrendo em nanosegundos. 
A fosforescência, por outro lado, é um processo mais lento, no qual 
a emissão de luz pode continuar por segundos ou até minutos após 
a excitação inicial. Esses fenômenos são explorados em diversas 
aplicações, desde marcadores biológicos até materiais de segurança.
Conectando à Realidade: Exemplos Práticos 
Uma das aplicações mais notáveis das propriedades ópticas é nas 
telecomunicações, nas quais as fibras ópticas revolucionaram a 
transmissão de dados. Utilizando o princípio da reflexão interna total, 
essas fibras permitem a transmissão de grandes volumes de dados a 
longas distâncias com mínima perda de sinal. Isso é essencial para a 
internet de alta velocidade, redes de comunicação global e sistemas de 
transmissão de televisão por cabo.
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Na área médica, as propriedades ópticas são exploradas em dispositivos, 
como endoscópios, que permitem a visualização interna do corpo 
humano sem a necessidade de procedimentos invasivos. As fibras ópticas 
são usadas para transmitir luz e imagens de alta resolução, facilitando 
diagnósticos precisos e tratamentos minimamente invasivos.
Os dispositivos optoeletrônicos, como LEDs (diodos emissores de luz) e 
lasers, são baseados nas propriedades de emissão de luz dos materiais. 
Os LEDs são amplamente utilizados em iluminação doméstica e pública, 
displays de dispositivos eletrônicos, semáforos e sinalização. Eles 
são eficientes em termos de energia, têm uma longa vida útil e estão 
disponíveis em uma ampla gama de cores. Os lasers, que produzem 
um feixe de luz coerente e altamente colimado, têm aplicações em 
comunicação óptica, cirurgia médica, corte e gravação de materiais e em 
tecnologias de impressão 3D.
Além disso, as propriedades ópticas são essenciais em tecnologias de 
visualização, como telas de cristal líquido (LCDs), telas de diodo orgânico 
emissor de luz (OLEDs) e projetores. Esses dispositivos dependem da 
manipulação precisa da luz para produzir imagens de alta qualidade 
em uma variedade de dispositivos, desde televisores e monitores de 
computador até smartphones e tablets.
Referências
ASKELAND, D. R.; WRIGHT, W. J. Ciência e Engenharia dos Materiais. 9. ed. São 
Paulo: Cengage Learning, 2019.
CALLISTER JR., W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e Engenharia de Materiais: uma 
introdução. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2024.
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