Materiais de Construção Mecânica

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Materiais de 
Construção Mecânica
� Introdução
� Classificação dos materiais
� Propriedades dos materiais 
� Estruturas
� Diagramas de Fases
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Considerações Iniciais
� Apresentações
� Critério de Avaliação
� Avaliação 1 
� Avaliação 2 
Média = (Avaliação 1 + Avaliação 2) / 2
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Considerações Iniciais
� Conteúdo
� Introdução
� Classificação dos materiais
� Propriedades dos materiais
� Estrutura cristalina dos metais,Solidificação,Solução 
Sólida, Ligas metálicas, Solubilidade.
� Diagrama de Equilíbrio
� Diagrama F-C
� Classificação dos aços
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Propriedades Mecânicas
Propriedades 
Composição
Química Microestrutura Processamentos
5
Estrutura
� Estrutura de um material está relacionada
ao arranjo de seus componentes internos.
� O termo estrutura é de certa forma
genérico, e compreende desde aspectos
grosseiros, com dimensões superiores a
0,1 mm (macroestrutura) até detalhes na
organização interna dos átomos (estrutura
eletrônica).
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Escalas - Estruturas
Estruturas
7
Classificação dos níveis de estrutura segundo a 
ordem de grandeza
Nível Estrutural Dimensões
Aproximadas
Detalhes 
Identificados
Macroestrutura > 100µµµµm Segregação, trincas, 
porosidades
Microestrutura 100 µµµµm a 0,1 µµµµm Tamanho de grão, 
microconstituintes, 
microtrincas.
0,1 µµµµm a 1 Angström Precipitados 
submicroscópicos
Estrutura Cristalina 10 Angströns a 1 
Angströns
Células unitárias, 
parâmetros de rede, 
defeitos cristalinos
Estrutura Eletrônica < 1 Angström Níveis atômicos, 
defeitos eletrônicos
8
Exemplos
Fissura ocorrida devido a concentração de 
impurezas. Aspecto da secção transversal 
de um trilho. Tamanho natural.
9
Exemplos
Trincas de têmpera.
10
� Exemplo: Inclusões de óxido de
cobre (Cu2O) em cobre de alta
pureza (99,26%), laminado a frio e
recozido a 800 oC.
Exemplo
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� Micro-estrutura composta
por veios de grafita sobre
uma matriz perlítica.
� Grão de perlita: é constituído por
lamelas alternadas de duas fases:
ferrita (ou ferro-α) e cementita (ou
carboneto de ferro).
Exemplo
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Propriedade
� Todos os materiais estão expostos a estímulos 
externos que provocam algum tipo de resposta.
�Uma amostra sujeita a uma força irá sofrer 
uma deformação;
�Uma superfície metálica polida irá repletir a 
luz;
� Propriedade é uma peculiariedade do material 
em termos do tipo e da intensidade da resposta 
a um estímulo específico que lhe é imposto. 
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Propriedades
� Tipos de propriedades relevantes de 
materiais sólidos:
�Mecânica;
� Elétrica;
�Térmica;
�Magnética;
�Óptica;
�Deteriorativa.
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15
Classificação dos 
Materiais
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Introdução
� A produção e transformação de materiais em bens
acabados, constitui uma das mais importantes
atividades de uma economia moderna;
� Um produto, para ser manufaturado, requer uma etapa
de planejamento de seu processo de produção;
� Nesta etapa são selecionados diversos materiais, de
acordo com custos e, principalmente, com as
necessidades técnicas exigidas.
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Introdução
Os materiais são analisados e desenvolvidos dentro do
ramo do conhecimento denominado de "Ciência e
Engenharia de Materiais“.
Ciência dos Materiais: envolve a investigação das
relações que existem entre estruturas e propriedades dos
materiais.
Engenharia de Materiais: com base na relação estrutura-
propriedade, consiste no projeto ou engenharia da
estrutura de um material para produzir um conjunto pré-
determinado de propriedades dos materiais.
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Introdução
� Por conveniência, a maioria dos materiais de
engenharia é classificada em três classes principais:
materiais metálicos, materiais poliméricos
(plásticos) e materiais cerâmicos.
� Em adição a estes três tipos, um estudo mais
abrangente deve incluir um outro tipo, que exibe,
atualmente, grande importância tecnológica: os
materiais compósitos ou conjugados.
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Classificação dos materiais
Recipiente de bebidas fabricado a
partir de três tipos de materiais
diferentes: lata de alumínio (metal),
garrafas de vidro (cerâmico) e
garrafas pláticas (polímeros).
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Materiais Metálicos
� Os materiais metálicos são
substâncias inorgânicas
compostas por um ou mais
elementos metálicos e
podem, também, conter
elementos não-metálicos.
� Exemplos de materiais
metálicos: aço, cobre,
alumínio, níquel e titânio.
� Elementos não-metálicos
como carbono, nitrogênio e
oxigênio podem estar
contidos em materiais
metálicos.
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Materiais Metálicos
� Os metais tem uma estrutura
cristalina, na qual os átomos
estão arranjados de maneira
ordenada;
� Eles, em geral, são bons
condutores térmicos e
elétricos;
� Quase todos os metais são
mecanicamente resistentes,
dúcteis e muitos mantém
esta resistência mesmo em
altas temperaturas.
Prótese femural de titânioPrótese femural de titânio
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Materiais poliméricos
� Materiais poliméricos são
geralmente compostos orgânicos
baseados em carbono, hidrogênio
e outros elementos não-metálicos.
� São constituídos de moléculas 
muito grandes (macro-moléculas)
� Tipicamente, esses materiais
apresentam baixa densidade e
podem ser extremamente flexíveis
� Materiais poliméricos incluem
plásticos e borrachas.
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Materiais Cerâmicos
� Materiais cerâmicos são geralmente uma
combinação de elementos metálicos e não-metálicos.
�São geralmente isolantes de calor e eletricidade.
� São mais resistentes à altas temperaturas e à
ambientes severos que metais e polímeros.
� Com relação às propriedades mecânicas as
cerâmicas são duras,
porém frágeis.
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Materiais Cerâmicos
� A esse grupo de materiais pertencem os:
� Vidros
� Produtos a base de argila
� Refratários
� Cimentos
25
Classificação dos Materiais
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Materiais Compósitos
� Materiais compósitos são
constituídos de mais de um tipo de
material insolúveis entre si.
� Os compósitos são “desenhados”
para apresentarem a combinação
das melhores características de
cada material constituinte.
� Muitos dos recentes desenvolvimento
em materiais envolvem materiais
Compósitos.
� Um exemplo clássico é o compósito
de matriz polimérica com fibra de
vidro. O material compósito
apresenta a resistência da fibra de
vidro associado a flexibilidade do
Polímero.
27
Propriedades dos 
Materiais
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PROPRIEDADES MECÂNICAS
� Exemplos: 
� Elasticidade: Capacidade que um material tem de retornar à 
sua forma e dimensões originais, quando cessa o esforço que o 
deformava.
� Plasticidade: Capacidade que um material tem de apresentar 
deformação permanente apreciável, antes de se romper.
� Resiliência: Capaciade que um material tem de absorver e 
devolver energia, ao deformar-se elasticamente.
� Tenacidade: Capacidade que um material tem de absorver 
energia, durante sua deformação plástica.
� Resistência Mecânica: Capacidade que um material tem de 
suportar esforços externos (tração, compressão, flexão, etc.), 
até se romper.
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Especificação de Propriedades Mecânicas
� As propriedades mecânicas devem ser 
analisadas de acordo com o tipo de 
solicitação e, dessa forma, podem ser
�Propriedades Mecânicas estáticas;
�Propriedades Mecânicas dinâmicas.
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Ensaios
� Tipos de Ensaios:
� Destrutivos e Não-Destrutivo
� Corpos de Prova: amostras do material que se deseja 
testar com dimensões e formas especificadas em 
normas técnicas.
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Normas Técnicas
� A normalização descreve as condições em que um material deve ser ensaiado, para que 
não ocorram resultados duvidosos. Ela é conseguida através de uma série de 
recomendações já testadas em laboratórios confiáveis e reunidas em normas técnicas 
estabelecidas por entidades.
� Entidades:
� ABNT- Associação Brasileira de Normas Técnicas
� ASTM - American Society for Testing and Materials
� DIN - Deutsches Institut für Normung
� AFNOR - Association Française de Normalisation
� JIS - Japanese Industrial Standards
� BSI - British Standard Institution
� ANSI - American National Standards Institute
� ISO - International Organization for Standardization
� ASME - American Society of Mechanical Engineers
� SAE - Society of Automotive Engineers
� IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers
� API - American Petroleum Institute
� NACE - National Association of Corrosion Engineers
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Especificação de propriedades 
mecânicas
� As propriedades mecânicas estáticas são 
obtidas comumente do ensaio de tração. 
� Contudo, outros ensaios estáticos são 
aplicados para condições particulares, 
como o ensaio de compressão ou flexão. 
O ensaio de dureza também é comumente 
utilizado, visto a facilidade de execução.
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Especificação de Propriedades 
Mecânicas
� As propriedades dinâmicas são
determinadas a partir de ensaios de
fadiga, impacto; no entanto os valores
obtidos para as propriedades são muito
dependentes das condições de realização
dos ensaios, o que conduz a um certo
grau de incerteza quanto ao
comportamento em serviço do material
ensaiado.
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Especificações de propriedades 
mecânicas:
� Dentre os parâmetros determinados nos 
diferentes ensaios, os principais são os 
seguintes:
� - limite de resistência à tração
� - limite de escoamento
� - ductilidade
� - módulo de elasticidade
� - resiliência e tenacidade
� - dureza
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Ensaio de Tração
� Especificação do ensaio: Consiste em submeter 
um corpo de prova a um esforço de tração, na 
direção axial, até a ruptura.
� Normas Técnicas para ensaio de Tração
� ABNT MB-4 – Ensaio de Tração de Materiais Metálicos
� ABNT NBR-6152 - Materiais Metálicos – Determinação das Propriedades 
Mecânicas à Tração
� ASTM E 8 – Standard Test Method for Tension Testing of Metallic Materials
� DIN 50125 – Corpos de Prova para Ensaio de Tração – Diretrizes para 
Execução
� DIN 50145 – Ensaio de Tração
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Corpos de Prova
comprimento útil
pega
L0
d0
A0
r
D
cilíndrico
chapa
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Equipamento: Máquina de ensaio de Tração
garra
garra
força
força
comprimento
inicial
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Curvas Tensão-Deformação
A máquina de ensaio de tração fornece a carga a que está sujeito
um cdp tracionado, como também, um gráfico F x ∆∆∆∆L (força por
deformação).
Dividindo os valores da força F pela área da seção transversal A, e
o alongamento ∆∆∆∆L pelo valor do comprimento inicial Lo, obtém-se
respectivamente, as tensões e as deformações relativas, com as
quais constrói-se o diagrama tensão-deformação.
(alongamento)(alongamento)
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Definição de Tensão
Tensão (σσσσ) é definida como a resistência interna de um corpo
a uma força externa aplicada sobre ele, por unidade de área.
(kgf ou N) = (Pa ou MPa).
(mm2)
Transformações de unidades
A
F
=σ
1 N 0,102 kgf
1 kgf 0,454 lb 9,807 N
1 MPa 1 N/mm2 0,102 kgf/mm2
1 kgf/mm2 1422,27 psi 9,807 MPa 9,807 N/mm2
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Deformação (εεεε) é a variação de uma dimensão qualquer de
um corpo, por unidade da mesma dimensão, quando esse
corpo é submetido a um esforço qualquer.
Onde: Lo = comprimento inicial
L = comprimento final
A deformação relativa pode ser expressa nas unidades:
cm/cm; mm/mm; pol/pol..., ou em porcentagem, quando o
resultado é multiplicado por 100%.
Lo
L
Lo
LoL ∆
=
−
=ε
Definição de Deformação
41
Diagrama Esquemático Tensão x 
Deformação
42
42
Estricção
É a redução percentual da área da seção transversal do corpo de 
prova na região onde vai se localizar a ruptura.
Quanto mais intensa a estricção, mais dúctil é o material.
q
A A
A
d d
d
f f
=
−
=
−0
0
2
0
2
0
2
Alongamento
É o aumento longitudinal do corpo de prova.
fL L− 0∆L =
43
43
Limite elástico
O ponto A no final da parte reta do gráfico, representa o limite
elástico. Se o ensaio for interrompido antes deste ponto e a força de
tração for retirada, o corpo volta à sua forma original.
Na fase elástica os metais obedecem à lei de Hooke. Suas
deformações são diretamente proporcionais às tensões aplicadas.
44
44
Módulo de elasticidade
Na fase elástica, se dividirmos a tensão pela deformação, em
qualquer ponto, obteremos sempre um valor constante. Este valor
constante é chamado módulo de elasticidade E.
O módulo de elasticidade indica a rigidez do material. Quanto
maior o módulo, menor será a deformação elástica resultante da
aplicação de tensão e mais rígido será o material. Esta propriedade é
muito importante na seleção de materiais para fabricação de molas.
σmáx
E
σ
εεmáxεA εB
σB
σA
E B A
B A
=
−
−
σ σ
ε ε
45
45
Limite de proporcionalidade
Porém, a lei de Hooke só vale até um determinado valor de
tensão, denominado limite de proporcionalidade, representado no gráfico
por A’, a partir do qual a deformação deixa de ser proporcional à carga
aplicada.
Na prática, considera-se que o limite de proporcionalidade e o
limite de elasticidade são coincidentes.
46
46
Escoamento
Terminada a fase elástica, tem início a fase plástica, na qual
ocorre uma deformação permanente no material, mesmo que se retire
a força de tração.
No início da fase plástica ocorre um fenômeno chamado
escoamento, que caracteriza-se por uma deformação permanente
do material sem aumento de carga, mas com aumento da velocidade de
deformação. Durante o escoamento a carga oscila entre valores muito
próximos uns dos outros.
ENSAIO DE TRAÇÃOENSAIO DE TRAÇÃO
47
47
Limite de resistência
Após o escoamento ocorre o encruamento, um endurecimento
causado pela quebra dos grãos do material quando deformados a frio.
O material resiste cada vez mais à tração externa, exigindo uma tensão
cada vez maior para se deformar.
Nesta fase, a tensão recomeça a subir, até atingir um valor
máximo num ponto chamado de limite de resistência (B).
Para calcular o valor do limite de 
resistência (LR), basta aplicar a 
fórmula:
LR = Fmáx
So
48
48
Limite de ruptura
Continuando a tração, chega-se à ruptura do material, que 
ocorre num ponto chamado limite de ruptura (C).
Agora, a tensão no limite de ruptura é menor que no limite de 
resistência. Isto ocorre devido a uma diminuição na secção do corpo de
prova devido à estricção.
49
Conceitos
Resiliência: é a capacidade de um metal absorver
energia quando deformado elasticamente.
No gráfico s x e, corresponde a área sob a curva até o
limite de proporcionalidade (~limite elástico).
50
Conceitos
Tenacidade: é a capacidade de um metal absorver
energia quando deformado plasticamente.
No gráfico σσσσ x εεεε, corresponde a área sob toda a curva do
diagrama.
51
Conceitos
Ductilidade: representa uma medida do grau de deformação
plástica suportado pelo material.
A ductilidade pode ser expressa tanto como alongamento
percentual como estricção percentual.
Os materiais frágeis são aqueles que apresentam uma
deformação de fratura inferior a aproximadamente 5%.
52
Curva tensão – deformação de alguns materiais.
a) aços de alta resistência,
b) aços de baixo / médio carbono,
c) ferro fundido cinzento,
d) materiais bastante maleáveis como cobre.
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Típicos Diagramas Tensão x 
Deformação para Aço
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Especificações de propriedades 
mecânicas:
� Dentre os parâmetros determinados nos 
diferentes ensaios, os principais são os 
seguintes:
� - limite de resistência à tração
� - limite de escoamento
� - ductilidade
� - módulo de elasticidade
� - resiliência e tenacidade
� - dureza
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Dureza
� A propriedade dureza expressaapenas uma
propriedade superficial do corpo-de-prova, pois
na realidade é uma medida de resistência à
penetração de uma ponta ( esférica, cônica ou
piramidal constituída de material duro) oferecida
pelo material do corpo-de-prova.
� Essa propriedade é de particular interesse para
avaliar a resistência ao desgaste ( que é uma
propriedade dependente da superfície do
material); medir o grau de endurecimento
superficial por tratamentos térmicos e estimar
aproximadamente a resistência mecânica em
geral do material.
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Dureza
� Dureza – Definição: A dureza é a resistência da superfície de uma
material à deformação permanente (quando pressionado por outro
material ou por marcadores padronizados).
� A dureza não é uma propriedade absoluta. Só tem sentido falar em
dureza quando se comparam materiais, isto é, só existe um material
duro se houver outro mole.
� Pode ser determinada por diferentes métodos de ensaios:
� Dureza Brinell;
� Dureza Rockwell;
� Dureza Vickers.
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Dureza Brinell - Especificação do Ensaio 
� O Ensaio de Dureza Brinell consiste em
comprimir lentamente uma esfera de aço
temperado, de diâmetro D, sobre a superfície
plana, limpa e polida de um metal através da
carga F, durante um tempo t.
� Essa compressão provocará uma impressão
permanente na superfície do material ensaiado,
gerando uma calota esférica com diâmetro d, o
qual é medido por intermédio de um micrômetro
óptico (microscópio ou lupa graduados).
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Normas Técnicas
� Norma brasileira (ABNT) para a realização do ensaio:
� NBR 6394 – Determinação da Dureza Brinell em
Materiais Metálicos
� NBR 6442 – Tabelas de Valores da Dureza Brinell
(HB) para Materiais Metálicos
� Outras normas:
� ASTM E10
� DIN 50351
� ISO/R79
ENSAIO DE DUREZA BRINELLENSAIO DE DUREZA BRINELL
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Definições:
� A dureza Brinell (HB) é a relação entre a
carga aplicada (F) e a área da calota
esférica impressa no material ensaiado
(Ac).
Ac
F
HB ====
ENSAIO DE DUREZA BRINELLENSAIO DE DUREZA BRINELL
60
� Na prática existem tabelas preparadas para fornecer o
valor da dureza Brinell a partir dos diâmetros da
impressão formada.
ENSAIO DE DUREZA BRINELLENSAIO DE DUREZA BRINELL
61
Considerações Gerais:
� Correlação entre o ensaio de dureza Brinell e o
limite de resistência à tração (σσσσ ).
σσσσ = αααα x HB
Material αααα
Aço carbono 3,60
Aço carbono TT 3,40
Aços liga TT 3,30
Latão encruado 3,45
alumínio 4,00
ENSAIO DE DUREZA BRINELLENSAIO DE DUREZA BRINELL
62
Especificação do Ensaio: Dureza 
Rockwell
� A dureza Rockwell baseia-se na medida da 
profundidade da impressão produzida por um 
penetrador padronizado, esférico ou cônico, 
com uma carga padrão aplicada na direção 
axial.
� Ao contrário da dureza Brinell, a dureza 
Rockwell não depende da área da impressão
produzida.
DUREZA ROCKWELLDUREZA ROCKWELL
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Normas Técnicas
� Norma Brasileira (ABNT) para a realização do 
ensaio:
� NBR 6671 – Determinação da Dureza Rockwell
� Outras Normas:
� ASTM E-19
� DIN 50103
� ISO/R 80
DUREZA ROCKWELLDUREZA ROCKWELL
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Dureza Rockwell – Profundidade da impressão
� A escala do mostrador é construída de tal modo que uma
impressão profunda corresponde a um valor baixo na escala e
uma impressão rasa corresponde a um valor alto na escala.
DUREZA ROCKWELLDUREZA ROCKWELL
65
Dureza Rockwell
� A leitura do grau de dureza é feita
diretamente num MOSTRADOR
ACOPLADO À MÁQUINA de ensaio,
de acordo com uma escala pré-
determinada, adequada à faixa de
dureza do material.
� Quando se utiliza o PENETRADOR
CÔNICO DE DIAMANTE, deve-se
fazer a leitura do resultado na escala
externa do mostrador, ESCALA
PRETA. Ao se usar o
PENETRADOR ESFÉRICO, faz-se a
leitura do resultado na ESCALA
VERMELHA.
66
Tabela: Escala de Dureza Rockwell Normal
DUREZA ROCKWELLDUREZA ROCKWELL
67
Cuidados especiais:
� As escalas de dureza Rockwell não tem
relação entre si. Não faz sentido comparar
a dureza de materiais submetidos a
ensaio de dureza Rockwell utilizando
escalas diferentes ( A, B, C…).
68
Dureza Vickers - Especificação do 
Ensaio
� A dureza Vickers se baseia na resistência
que o material oferece à penetração de
uma pirâmide de base quadrada e ângulo
entre faces de 136o, sob uma determinada
carga.
DUREZA VICKERSDUREZA VICKERS
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Definições:
� “d” corresponde à 
diagonal média e 
deve ser expresso em 
milímetro (mm)
DUREZA VICKERSDUREZA VICKERS
70
Definições:
� O valor da dureza Vickers (HV) é o quociente da 
carga aplicada (F) pela área de impressão (A) 
deixada no corpo de prova.
DUREZA VICKERSDUREZA VICKERS
71
Especificações de propriedades 
mecânicas:
� Dentre os parâmetros determinados nos 
diferentes ensaios, os principais são os 
seguintes:
� - limite de resistência à tração
� - limite de escoamento
� - ductilidade
� - módulo de elasticidade
� - resiliência e tenacidade
� - dureza
72
Estruturas Cristalinas
73
Estrutura Atômica
� As propriedades “cotidianas” dos materiais 
dependem: 
� da estrutura em escala atômica e
� da microestrutura - estrutura em escala 
intermediária
74
Estrutura Cristalina
� A estrutura cristalina de um sólido é a designação dada
ao conjunto de propriedades que resultam da forma como
os átomos ou moléculas estão espacialmente ordenados;
� Apenas os sólidos cristalinos exibem esta característica, já
que ela é o resultado macroscópico da existência de uma
estrutura ordenada ao nível atômico, replicada no espaço
ao longo de distâncias atômicas ou moleculares, o que é
exclusivo dos cristais.
75
Estrutura Cristalina
� Um cristal é um sólido no qual os constituintes, sejam eles
átomos , moléculas ou íons, estão organizados num
padrão tridimensional bem definido, que se repete no
espaço, formando uma estrutura com uma geometria
específica;
O Gálio é um metal que forma grandes cristais. 
76
Estrutura Cristalina
Porque Estudar?
� As propriedades de alguns materiais estão diretamente associadas
à sua estrutura cristalina (ex:magnésio e berílio que têm a mesma
estrutura (HC) deformam muito menos que ouro e prata que têm
outra estrutura cristalina (CFC);
� Explica a diferença significativa nas propriedades de materiais
cristalinos e não cristalinos de mesma composição.
77
Estrutura Cristalina
� Os materiais sólidos podem ser classificados de
acordo com a regularidade na qual os átomos se
dispõem em relação aos seus vizinhos;
� Material cristalino é aquele no qual os átomos
encontram-se ordenados sobre longas distâncias
atômicas formando uma estrutura tridimensional
que se chama de rede cristalina;
� Todos os metais, muitas cerâmicas e alguns
polímeros formam estruturas cristalinas sob
condições normais de solidificação.
78
Estrutura Cristalina
� As propriedades dos materiais sólidos cristalinos
dependem da estrutura cristalina, ou seja, da maneira na
qual os átomos estão espacialmente dispostos.
� Há um grande número de diferentes estruturas cristalinas,
desde estruturas simples exibidas pelos metais até
estruturas mais complexas exibidas pelos cerâmicos e
polímeros.
79
80
Sólido Cristalino
81
Rede mais simples
� Cúbica simples, ou seja os átomos da matriz são dispostos nos
vértices de um cubo;
� O cristal é formado por um número infinito de cubos, um ao lado do
outro nas três direções;
� Essa unidade que se repete no espaço é chama célula unitária, ou
seja, é a menor unidade que, quando repetida em uma rede de três
dimensões, forma um cristal inteiro;
Exemplo de material com estrutura cúbica simples: Fe alpha (puro)
82
Célula Unitária
� O deslocamento dessa unidade de uma distância a
leva à uma unidade equivalente. O mesmo vale para
umadistância b.
Posição média do Átomo A
Posição média do átomo B
a e b são chamados de
parâmetros de rede
83
Célula unitária 
84
Cristais Compactos
� Cristais Cúbicos
� � Cúbico simples (CS)
� � Cúbico de corpo centrado (CCC)
� � Cúbico de face centrada (CFC)
� Cristais Hexagonais
� � Hexagonal simples (HS)
� � Hexagonal compacto (HC)
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Estrutura Cristalina dos Metais
� Maioria dos elementos metálicos (90%) cristaliza-se
com estruturas altamente densas:
� Cúbico de Corpo Centrado (CCC)
� Cúbica de Face Centrada (CFC)
� Hexagonal Compacta (HC)
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Arranjo cristalino CCC
Exemplo de metais CCC: Fe-α, cromo, tungstênio, molibdênio.
87
Arranjo cristalino CFC
Exemplo de metais CFC: cobre, alumínio, ouro, chumbo.
88
Arranjo cristalino HC 05/09
Exemplo de metais HC: cádmio, cobalto, zinco.
89
90
Materiais Policristalinos:
� A maioria dos sólidos cristalinos é composto por
uma coleção de muitos cristais pequenos ou
grãos, tais materiais são chamados
POLICRISTALINOS.
� Vários estágios na solidificação de uma
amostra cristalina estão representados na figura
a seguir:
91
Materiais Policristalinos
92
Materiais Policristalinos
� Como a orientação cristalográfica é aleatória, o
encontro de dois grãos forma uma superfície na
qual existe um desarranjo atômico;
� Essa superfície é conhecida com contorno de grão.
93
Exemplo de Contorno de Grão
94
Sólidos não-cristalinos:
� Sólidos não-cristalinos são carentes de um
arranjo atômico regular e sistemático ao longo
de distâncias atômicas relativamente grandes.
� Esses materiais também são chamados de
amorfos (significando, literalmente, sem forma).
95
Defeitos Cristalinos:
� Considerou-se até agora, que em uma escala
atômica, existe uma ordem perfeita ao longo da
totalidade dos materiais cristalinos.
� Contudo, este tipo de sólido idealizado não
existe, todos os sólidos contêm grandes
números de uma variedade de defeitos ou
imperfeições.
96
Defeitos Pontuais:
� Vários tipos de defeitos ou imperfeições podem
existir em um sólido cristalino.
� Neste curso, serão apresentados somente os
defeitos pontuais, que são aqueles associados
com uma ou duas posições atômicas.
97
Defeitos Pontuais:
� LACUNA: O mais simples dos defeitos pontuais é a
Lacuna, ou sítio vago da rede cristalina.
� Um vazio que normalmente deveria estar ocupado está
com um átomo faltando.
� Todos os sólidos cristalinos contém lacunas. Na
realidade, não é possível criar um material isento desse
defeito.
98
Defeitos Pontuais:
� Um AUTO-INTERSTICIAL é um átomo do cristal que se
encontra comprimido no interior de um sítio intersticial,
um pequeno espaço vazio que em condições normais
não é ocupado.
� Em metais, um auto-intersticial introduz distorções
relativamente grandes na rede cristalina vizinha, pois o
átomo é maior do que a posição intersticial na qual ele
está situado.
� Dessa forma, esse defeito não é muito provável,
ocorrendo em concentrações muito reduzidas.
99
Lacunas e Auto-Intersticiais:
100
Impurezas em Sólidos:
� As ligas são obtidas através da adição de elementos de
liga (átomos diferentes do metal-base). Esses átomos
adicionados intencionalmente podem ficar em solução
sólida e/ou fazer parte de uma segunda fase.
� Em uma liga, o elemento presente em menor
concentração denomina-se soluto e aquele em maior
quantidade, solvente.
� Solução sólida: ocorre quando a adição de átomos do
soluto não modifica a estrutura cristalina nem provoca a
formação de novas estruturas.
101
Defeitos Pontuais: Impurezas em 
Sólidos
� Defeitos pontuais devido a presença de
impurezas são encontrados em soluções sólidas
e podem ser de dois tipos:
� Substitucional;
� Intersticial.
102
� Solução sólida substitucional: os átomos de
soluto tomam o lugar dos átomos do solvente ou
os substituem.
� Solução sólida intersticial: os átomos de de
impureza (soluto) ocupam espaços vazios ou
interstícios que existem entre os átomos de
solvente.
103
Especificação da Composição:
� A composição ( ou concentração) de uma liga 
pode ser expressa em termos de seus 
elementos constituintes
104
Porcentagem em peso:
� A forma mais comum de especificar a composição é a
porcentagem em peso (ou massa) (%p).
� Para uma liga que contém dois átomos hipotéticos
identificados por A e B, onde mA e mB representam o
peso ou massa dos elementos A e B, a concentração
do átomo A em %p, CA, é definida como:
105
Diagrama de Fases
� Solubilidade
� Estruturas que se formam no 
resfriamento lento.
106
Conceito: Limite de Solubilidade
� Para muitos sistemas de ligas e em uma dada
temperatura específica, existe uma
concentração máxima de átomos de soluto que
pode se dissolver no solvente para formar uma
solução sólida, isto é chamado de limite de
solubilidade.
� A adição do soluto em excesso, além desse
limite de solubilidade, resulta na formação de
uma outra solução sólida ou de outro composto
que possui composição diferente.
107
Considere o sistema água-açúcar:
� O limite de solubilidade 
do açúcar na água 
depende da 
temperatura e pode ser 
representado em forma 
de gráfico.
� Temperatura no eixo 
das ordenadas.
� Composição (% em 
peso de açúcar) no eixo 
das abscissas.
Solução Líquida 
(xarope)
Limite de Solubilidade
Solução 
Líquida 
+ 
açúcar 
sólido
Composição (%p)
108
Diagramas de fases binários:
� O diagrama de fases binário mais fácil de ser 
compreendido e interpretado é o sistema cobre-
níquel.
� O sistema cobre-níquel é chamado de Isomorfo
devido a completa solubilidade dos dois 
componentes nos estados líquido e sólido.
109
Sistema cobre-níquel
� O liquído L consiste em uma solução líquida
homogênea, composta tanto por cobre quanto por
níquel.
� A fase “alfa” consiste em uma solução sólida substitutiva
que contém átomos de tanto de Cu como de Ni e que
possui uma estrutura cristalina CFC.
� Abaixo de 1080oC o Cu e o Ni são mutuamente solúveis
um no outro no estado sólido, para toda e qualquer
composição.
110
Nomenclatura
� Soluções sólidas = letras gregas
� Curva Liquidus
� Curva Solidus
111
112
113
114
São metais puros e/ou compostos que 
compõem uma liga.
Uma parte estruturalmente
homogênea do sistema, que possui
propriedades físicas e químicas
características e uniformes. Exemplo:
fases α, β e
L da liga ao lado.
115
Alotropia do ferro:
� O termo alotropia se refere aos elementos metálicos que
se cristalizam em mais de uma forma cristalina, sofrendo
mudanças importantes em sua estrutura na medida em
que se dá esse fenômeno.
� O ferro puro apresenta esse fenômeno que se
caracteriza de fundamental importância para muitas da
transformações sofridas pelos aços e ferro fundidos.
Essa influência iremos ver quando da descrição de seu
PROCESSO DE SOLIDIFICAÇÃO E RESFRIAMENTO.
116
FERRO PUROFERRO PURO
�� FERRO FERRO αα = FERRITA= FERRITA
�� FERRO FERRO γγ = AUSTENITA= AUSTENITA
�� FERRO FERRO δδ
�� Nas ligas ferrosas as fases Nas ligas ferrosas as fases αα, , γγ e e δδ FORMAM FORMAM 
soluções sólidas com Carbono intersticialsoluções sólidas com Carbono intersticial
CARBONO
117
Ferro Puro - Formas Alotrópicas
FERRITA = FERRO αααα
Características:
Estrutura: CCC
Solubilidade máxima do carbono: 
0,022%pC a 727 °C
Temperatura (“existência”) = até 912 Temperatura (“existência”) = até 912 °°CC
118
AUSTENITA = FERRO γγγγ
Estrutura: CFC (tem + posições intersticiais)
Forma estável do ferro puro a temperatura (“existência”): 
entre 912 oC a 1394°C
Solubilidade máxima do carbono: 2,14% à 1147oc
FerroPuro - Formas Alotrópicas
119
Diagrama de fases Fe-C
� Quando observamos no diagrama a faixa
compreendida pelos aços, notamos várias linhas
que indicam início ou fim de solidificação das
estruturas cristalinas e a solubilidade de carbono na
liga em função de temperatura. Além dessas linhas
existem pontos característicos que determinam as
mudanças de fases, todos localizados em função da
porcentagem de carbono e da temperatura.
120
121
Diagrama de Fases Fe-C
� O campo que determina a região dos aços é
constituído por várias fases, as quais serão
definidas, uma a uma, nas condições de
equilíbrio (composição- temperatura).
122
Aço: definição
� O aço é uma liga de ferro-carbono contendo geralmente 
de 0,008% a 2,14% de carbono.
� Ferro Puro= até 0,008% de Carbono
� Aço= 0,008 % até 2,14% de Carbono
� Ferro Fundido= 2,14% até 6,7% de Carbono
� Fe3C (CEMENTITA)= Forma-se quando o limite de 
solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C)
123
γ, Austenita
Composição (%p C)
Líquido
Cementita Fe3C)
α, Ferrita
Eutetóide
Eutético
124
125
126
127
Fotomicrografia de um aço com 0.38%C que possui uma 
microestrutura composta por perlita e ferrita. Ampliação 635x.
128
129
Diagrama Fe-C – Microestruturas Hipereutetóides
Fotomicrografia de um aço com 1,4%p
C que possui uma microestrutura
composta por uma rede de cementita
pró-eutetóide, branca, que envolve as
colônias de perlita. Ampliação de
1000x.
130
Exercícios:
� Diagrama de Fases;
� Resfriamento Aço Eutetóide;
� Resfriamento Aço Hipoeutetóide;
� Resfriamento Aço Hipereutetíde.
131
γ, Austenita
Composição (%p C)
Líquido
Cementita Fe3C)
α, Ferrita
Eutetóide
Eutético
132
Resfriamento para um Aço Eutetóide:
Composição (%p C)
133
Fotomicrografia de uma 
aço eutetóide mostrando 
a microestrutura PERLITA
134
Resfriamento para um aço Hipoeutetóide:
Perlita
α Εutetóde
α Proeutetóde
Composição (%p C)
135
Fotomicrografia de um aço com 0.38%C que possui uma 
microestrutura composta por perlita e ferrita. Ampliação 635x.
136
Resfriamento para um aço Hipereutetóide:
Perlita
Fe3C 
Proeutetóde Fe3C Eutetóde
Composição (%p C)
137
• Fotomicrografia de um aço
com 1,4%p C que possui uma
microestrutura composta por
uma rede de cementita pró-
eutetóide, branca, que envolve
as colônias de perlita.
Ampliação de 1000x.