Introdução à Ciência dos Materiais

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06/03/2012
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CIÊNCIA DOS MATERIAISCIÊNCIA DOS MATERIAIS
Curso de Engenharia Civil
2012/02
Assunto
1. Introdução ao estudo dos materiais de
construção
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Introdução
Ciência dos materiais faz parte do conhecimento 
básico para todas as engenharias!
As propriedades dos materiais definem:
� O desempenho de um determinado componente e o processo de fabricação 
do mesmo
• Ciência dos materiais engloba disciplinas
científicas tradicionais:
– Física
– Química
– Matemática
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História dos Materiais
• Historicamente, o desenvolvimento e o avanço das
sociedades têm estado intimamente ligados às
habilidades dos seus membros em produzir e
manipular materiais para satisfazer as suas
necessidades.
– As civilizações antigas foram designadas de acordo com o
domínio dos materiais:
• Idade da Pedra
• Idade do Ferro
• Idade do Cobre
• Idade do Bronze
História dos Materiais
Os primeiros seres humanos tinham acesso a apenas a 
materiais naturais: pedras, argila, madeira, ossos e peles.
Com o passar do tempo eles descobriram técnicas para a 
produção de materiais que tinham propriedades superiores 
às dos produtos naturais: cerâmica e vários metais.
Além disso, foi descoberto que as propriedades de um 
material poderiam ser alteradas através de tratamentos 
térmicos e pela adição de outras substancias.
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• Aproximadamente nos últimos 60 anos os
cientistas compreenderam as relações entre a
estrutura e a propriedade dos materiais.
• Dezenas de milhares de materiais diferentes
foram desenvolvidos, atendendo as
necessidades da nossa sociedade moderna:
Metais, plásticos, vidros e fibras.
História dos Materiais
O número de materiais cresceu muito nas últimas 
décadas e a tendência é de se proliferarem 
mais num futuro próximo
• Modificação de materiais naturais
• Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos métodos de extração de matéria-
prima da natureza
• Desenvolvimento de materiais com menor impacto ambiental
• Novas tecnologias de reciclagem de materiais
• Combinação de materiais conhecidos para a formação de novos materiais
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• A Ciência dos Materiais:
Estrutura: arranjo de seus componentes internos
– Nível atômico: átomos ou moléculas
– Nível subatômico: elétrons no interior dos átomos
Propriedades: resposta aos estímulos impostos
– Mecânica, elétrica, térmica, magnética, ótica e deteriorativa
Estrutura x Propriedades
Estrutura PropriedadesProcesso Desempenho
Ciência e engenharia de materiais
Processamento: conjunto de técnicas para obtenção de materiais com formas
e propriedades específicas.
Desempenho: resposta do material a um estímulo externo, presente nas
condições reais de utilização.
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Transmitância à luz de três amostras de óxido de alumínio com 
estruturas diferentes.
Por que estudar Ciência dos Materiais?
� Engenheiros irão uma vez ou outra ficar expostos a um 
problema de projeto que envolva materiais.
� Muitas vezes, um problema de materiais consiste na seleção 
do material correto dentre muitos milhares de materiais 
disponíveis.
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QUANTOS MATERIAIS DIFERENTES EXISTEM ?
COMO ESCOLHER ??
Aproximadamente 80000 
diferentes, contando as variantes 
de tratamento térmico e composição
de cada material
METÁLICO CERÂMICO
POLIMÉRICO
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O que considerar na seleção do 
material?
• Finalidade/uso/condições de serviço
• propriedades requeridas para tal aplicação
• Aparência
• Estética do produto/obra final
• Durabilidade em serviço
• Por exemplo, elevadas temperaturas e ambientes 
corrosivos diminuem consideravelmente a resistência 
mecânica
• Custo (Importante!!!)
• Um material pode reunir um conjunto ideal de 
propriedades, porém com custo elevadíssimo
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Classificação dos materiais
CLASSIFICAÇÕES BÁSICAS:
�Metais
�Cerâmicos
�Polímeros
Como definir qual o melhor material para um determinado fim?
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• Somente em raras ocasiões é que um material
possui a combinação máxima ou ideal de
propriedades.
• Quanto mais familiarizado estiver um
engenheiro com as várias características e
relações estrutura-propriedade, bem como as
técnicas de processamento dos materiais,
mais capacitado ele estará para fazer opções.
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Seleção dos Materiais
PRFC = Polímero reforçado com fibra de carbono
Seleção dos Materiais
PRFC = Polímero reforçado com fibra de carbono
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Seleção dos Materiais
PRFC = Polímero reforçado com fibra de carbono
Quais os critérios que um engenheiro deve 
adotar para selecionar um material?
• Em primeiro lugar, o engenheiro deve
caracterizar quais as condições de operação
que será submetido o referido material e
levantar as propriedades requeridas para tal
aplicação, saber como esses valores foram
determinados e quais as limitações e
restrições quanto ao uso dos mesmos.
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• A segunda consideração na escolha do
material refere-se ao levantamento sobre o
tipo de degradação que o material sofrerá em
serviço.
Quais os critérios que um engenheiro deve 
adotar para selecionar um material?
• Finalmente, a consideração talvez mais
convincente é provavelmente a econômica:
• Qual o custo do produto acabado??? Um
material pode reunir um conjunto ideal de
propriedades, porém com custo elevadíssimo.
Quais os critérios que um engenheiro deve 
adotar para selecionar um material?
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• Além das questões vistas, devem ser levadas
em conta, em determinada escolha de
material, as questões ambientais ligadas ao
consumo de energia, poluição, descarte, etc.
Consumo de Energia Estimado para a Produção de 
Diferentes Materiais de Construção (MJ/ton)
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• Estas decisões devem ser tomadas na fase de
projeto, em que, através de processos e
métodos de cálculos baseados em modelos e
conceitos estabelecidos, são escolhidos os
materiais pelas suas propriedades conhecidas
e testadas em laboratório ou obras.
• Por exemplo:
– A escolha de uma classe de resistência
característica (fck) mais elevada no projeto de
estruturas de concreto (exemplo: concreto de alta
resistência – CAD) permite que se obtenham
secções mais esbeltas, de menor massa e carga
nas fundações.
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CONCRETO PRÉ-MOLDADO - FABRICADO
-Grande controle de qualidade 
(durabilidade)
-Redução significativa de resíduos 
sólidos (benefício ambiental) 
-Rapidez na construção (maior custo 
inicial, porém, menor custo final)
-Confere maior limpeza e organização ao 
canteiro de obra
- No entanto, há limitações 
arquitetônicas (na forma, altura, e etc.)
CONCRETO MOLDADO NO LOCAL
-Menor custo inicial
- Equipamentos tradicionais
- Maior flexibilidade nas formas 
arquitetônicas
-Não necessita de mão-de-obra 
especializada
No entanto, é uma construção de 
longo prazo e com geração de 
muito resíduo (problema 
ambiental).
Materiais de construção
• Propriedades desejadas:
– Resistência a baixas e altas temperatura
– Resistência a água, água do mar, ácidos e álcalis.
– Resistência a corrosão
– Durabilidade
– Resistência mecânica
– Baixo Peso
– Baixo custo
– Resistência ao fogo
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