Ciência dos Materiais

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UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL 
 
 
Curso de Engenharia de Produção 
Curso de Engenharia Mecânica 
Curso de Engenharia Química 
 
 
 
 
CCIIÊÊNNCCIIAA DDOOSS MMAATTEERRIIAAIISS 
 
 
 
 
Microestrutura 
 PPrrooff.. AAlleexxaannddrree VViieecceellllii
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Produto 
Produção 
Qualidade 
Processos 
Manutenção 
Propriedades 
Desempenho 
Custo
Processamento 
Composição 
 
 
 
 
 
,, DDrr.. EEnngg.. CC.. 
Caxias do Sul 
2006
 
 
Sumário 
1. Introdução à Ciência dos Materiais ___________________________________________________________ 3 
1.1. Um breve histórico do desenvolvimento de materiais __________________________________________________________________ 3 
1.2. Apresentação dos tipos de materiais para peças técnicas _______________________________________________________________ 3 
1.3. Panorama geral do uso de materiais - referência: indústria automotiva ____________________________________________________ 5 
2. Propriedades______________________________________________________________________________ 6 
2.1. Densidade: ___________________________________________________________________________________________________ 6 
2.2. Propriedades Mecânicas: ________________________________________________________________________________________ 6 
2.3. Propriedades Térmicas: ________________________________________________________________________________________ 11 
2.4. Propriedades Elétricas e Magnéticas: _____________________________________________________________________________ 11 
2.5. Propriedades Ópticas: _________________________________________________________________________________________ 12 
2.6. Propriedades Químicas: ________________________________________________________________________________________ 12 
3. Ligas Metálicas __________________________________________________________________________ 15 
3.1. Metais Monofásicos___________________________________________________________________________________________ 15 
3.2. Propriedades das Ligas Monofásicas ______________________________________________________________________________ 17 
3.3. Classificação das Ligas Metálicas ________________________________________________________________________________ 19 
3.4. Critérios de Seleção de Ligas Metálicas ___________________________________________________________________________ 21 
4. Cristalinidade e Microestrutura _____________________________________________________________ 24 
4.1. Reticulados Principais _________________________________________________________________________________________ 25 
4.2. Ligação Metálica _____________________________________________________________________________________________ 27 
4.3. Defeitos Cristalinos ___________________________________________________________________________________________ 27 
4.4. Estrutura Granular dos Materiais: ________________________________________________________________________________ 28 
5. Deformação dos Materiais__________________________________________________________________ 31 
5.1. Deformação Elástica __________________________________________________________________________________________ 31 
5.2. Direções e Planos dos Cristais ___________________________________________________________________________________ 31 
5.3. Deformação Plástica __________________________________________________________________________________________ 32 
5.4. Discordâncias________________________________________________________________________________________________ 34 
6. Efeito da Temperatura nos Metais ___________________________________________________________ 38 
6.1. Deformação a Quente _________________________________________________________________________________________ 40 
6.2. Introdução aos Tratamentos Térmicos Industriais ____________________________________________________________________ 40 
7. Metais Bifásicos e Diagramas de Equilíbrio____________________________________________________ 42 
7.1. Diagramas de Equilíbrio Diversos ________________________________________________________________________________ 42 
7.2. Diagrama de Equilíbrio Fe-C____________________________________________________________________________________ 44 
7.3. Ligas Ferrosas _______________________________________________________________________________________________ 47 
8. Efeito da Velocidade de Resfriamento nos Metais_______________________________________________ 50 
8.1. Fases Metaestáveis____________________________________________________________________________________________ 50 
8.2. Os Tratamentos Térmicos nos Aços ______________________________________________________________________________ 50 
8.3. Endurecimento por Precipitação _________________________________________________________________________________ 52 
9. Difusão _________________________________________________________________________________ 54 
9.1. Tratamentos Termoquímicos ____________________________________________________________________________________ 54 
9.2. Sinterização _________________________________________________________________________________________________ 56 
10. Introdução aos Materiais Cerâmicos ________________________________________________________ 59 
10.1 Processamento ______________________________________________________________________________________________ 61 
11. Materiais Poliméricos ____________________________________________________________________ 63 
11.1. Histórico __________________________________________________________________________________________________ 63 
11.2. Definições básicas ___________________________________________________________________________________________ 63 
11.3. Tipos de Polímeros e Características Gerais _______________________________________________________________________ 68 
11.4. Processamento de Material Termoplástico ________________________________________________________________________ 74 
Bibliografia _______________________________________________________________________________ 77 
 
 
 
 
A presente apostila é material exclusivo de uso acadêmico, 
não podendo ser comercializada. O autor não se 
responsabiliza pelo uso inadequado da mesma. 
 2
1. Introdução à Ciência dos Materiais 
 
1.1. Um breve histórico do desenvolvimento de materiais 
 
 Como sabemos, as necessidades concretas básicas do ser humano são: 
ƒ Alimentos 
ƒ Energia 
ƒ Materiais 
 A importância histórica dos materiais pode ser avaliada pelas diferentes eras das 
civilizações trogloditas e antigas: 
ƒ idade da pedra lascada: 10.000 aC 
ƒ idade da pedra polida: 4500 aC 
ƒ idade do cobre 
ƒ idade do bronze: 3000 a 1000 aC 
ƒ idade do ferro: 1000 aC a 1620 dC 
A partir de 1620, tecnologias diversas passaram a ser integradas na indústria: 
ƒ tecnologia do ferro fundido: 1620 em diante 
ƒ tecnologia dos aços: 1850 em diante 
ƒ tecnologia das ligas leves: 1940 em diante 
 Os materiais podem ser classificados, atualmente, em quatro níveis, conforme o grau de 
conhecimento científico utilizado no seu desenvolvimento (Hornbogen, citado por Padilha(1)): 
1. Materiais naturais: pedra, madeira, couro, borracha (látex), couro, cobre, etc. 
2. Materiais desenvolvidos por meio de sistemática experimentação empírica: bronze, aço, 
latão, ferro fundido, vidro, concreto, etc. 
3. Materiais desenvolvidos com auxílio de conhecimentos científicos: Alumínio e suas ligas, 
titânio e suas ligas, magnésio e suas ligas, aços inoxidáveis, termoplásticos, elastômeros, metal-
duro. 
4. Materiais projetados desenvolvidos quase que exclusivamente a partir de fundamentos 
científicos: superligas, ligas de efeito memória, aços de alta resistência, vidros metálicos, 
cerâmicas técnicas (SiAlON, Al2O3, ZrO2, etc.), semicondutores, materiais para reatores 
nucleares, etc.1.2. Apresentação dos tipos de materiais para peças técnicas 
 
 Durante as últimas gerações, nós presenciamos e nos beneficiamos com o 
desenvolvimento de numerosos novos sistemas tecnológicos. Uma grande fração da energia 
elétrica gerada vêem de plantas geradoras de força nuclear. Aviões a jato de alta velocidade 
carregam centenas de passageiros e carregarão muito mais em alguns anos em velocidades 
extraordinárias. Naves espaciais tripuladas já visitaram a lua e se preparam para levar a vida 
humana a outros planetas. Perto de todos nós, computadores de alta velocidade afetam a vida de 
todos nós, com velocidades de processamento cada vez maiores. Avanços na indústria eletrônica 
tem permitido o desenvolvimento de satélites de comunicação, televisão de alta resolução, laser 
em operações médicas sofisticadas e usuais. Cada uma destas tecnologias avançaram pelo 
desenvolvimento de novos materiais. 
 Estes desenvolvimentos enfatizam a importância dos materiais como blocos de 
construção primária para desenvolvimentos de engenharia. Por outro lado, as propriedades dos 
materiais ditaram cada projeto e aplicação útil que o engenheiro pode desenvolver. Mas com a 
presente sofisticação da ciência dos materiais, não é raro requerer novos materiais, com novas 
propriedades para serem incorporados em projetos. 
 3
 Materiais são substâncias feitas ou compostas de alguma coisa (matéria). Alguns dos 
materiais encontrados comumente na vida diária são madeira, concreto, tijolo, aço, plástico, 
vidro, borracha, alumínio, cobre e papel. Há muitos tipos de materiais, bastando olhar ao nosso 
redor. A utilidade dos materiais para as necessidades atuais e futuras incentiva a pesquisa e o 
desenvolvimento de novos materiais. 
 A Ciência dos Materiais é primariamente concebida com o intuito de desenvolver 
conhecimentos sobre a estrutura interna, propriedades e processamento de materiais. A 
Engenharia dos Materiais tem o objetivo principal de aplicar os conhecimentos sobre os 
materiais para que os mesmos possam ser convertidos em produtos desejáveis para a sociedade. 
 Para mostrar como a Ciência dos Materiais interage com outros campos de estudo, é 
conveniente elaborar uma régua relativa ao campo observado, como abaixo: 
 
 
Filosofia 
Física 
Nuclear 
Ciência dos 
materiais
Engenharia Estrutural 
 
 
 
 
10-16 10-12 10-8 10-4 104 cm 1 
 
A relação entre a Ciência dos Materiais e a Engenharia dos Materiais envolve vários 
níveis de sofisticação científica e técnica. É necessário discutir esta relação em dois domínios 
importantes para a engenharia industrial: 
1) Uso inteligente de materiais: Significa saber as limitações dos materiais, baseado no 
conhecimento dos fenômenos que podem ocorrer sob certas condições. Ex. a) Alteração das 
propriedades mecânicas de materiais dependentes da temperatura. b) Alteração das propriedades 
dos polímeros, quando expostos a radiações nucleares. 
2) Relações entre Projeto e Desenvolvimento de Materiais: Em muitos sistemas de 
engenharia, a performance global do sistema é diretamente limitada pelas capacidades dos 
materiais dos componentes. Nestes casos, o objetivo da engenharia é balançar a vida útil exigida 
do equipamento, com a capacidade dos componentes suportarem toda a ação sobre eles. O 
projeto e a aplicação de materiais não podem ser otimizados separadamente, quando se está 
trabalhando perto do limite de capacidade do material. Ex.: Utilização de chapas de Fe-Si 3% 
para a fabricação de transformadores, levando em conta o aspecto de anisotropia da propriedade 
magnética (permeabilidade). 
 
1.2.1. Tipos de Materiais: 
 
1. Materiais Metálicos: São substâncias inorgânicas, as quais são compostas de um ou mais 
elementos metálicos e podem também conter elementos não-metálicos. Exemplos de elementos 
metálicos são: ferro, cobre, alumínio, níquel e titânio. Elementos não-metálicos como o carbono, 
nitrogênio e oxigênio podem estar contidos nos materiais metálicos. Metais tem uma estrutura 
cristalina, na qual os átomos são arranjados de uma maneira ordenada. Metais são bons 
condutores elétricos e térmicos. Muitos metais são relativamente resistentes e dúcteis na 
temperatura ambiente, e muitos mantêm boa resistência mesmo em altas temperaturas. 
 Metais e suas ligas são divididos em duas classes comumente: metais ferrosos e metais 
não-ferrosos. 
 
2. Materiais Poliméricos: A maioria dos materiais poliméricos consiste de longas cadeias 
moleculares orgânicas ou redes. Estruturalmente, a maioria dos materiais poliméricos são não-
cristalinos, mas alguns consistem de uma mistura de regiões cristalinas e não-cristalinas. Devido 
 4
a sua natureza de sua estrutura interna, a maioria dos materiais poliméricos são pobres 
condutores de eletricidade. Em geral, os materiais poliméricos têm baixa densidade e 
amolecimento em baixas temperaturas. 
 
3. Materiais Cerâmicos: São materiais inorgânicos, os quais consistem de elementos metálicos e 
não-metálicos quimicamente ligados. Podem ser cristalinos, não-cristalinos, ou mistura de 
ambos. A maioria dos cerâmicos tem alta dureza e resistência a alta temperatura, mas tendem a 
ter fratura frágil. Muitas partes de modernos motores de combustão interna são fabricadas em 
materiais cerâmicos. As vantagens dos materiais cerâmicos são: baixo peso, alta resistência e 
dureza, resistência ao calor e ao desgaste, atrito reduzido e propriedades de isolação. 
 
4. Materiais Compósitos: São misturas de dois ou mais materiais. Muitos materiais compósitos 
consistem de um material de reforço e uma resina ligante compatível para obter características 
específicas e propriedades desejadas. Os compósitos predominantes são do tipo fibroso (fibras 
imersas em uma matriz) ou do tipo particulado (partículas imersas em uma matriz). Ex. Fibra de 
vidro em matriz poliéster ou epóxi. 
 
 
1.3. Panorama geral do uso de materiais - referência: indústria automotiva 
 A dissecação de um automóvel novo revela um conjunto de componentes envoltos por 
três grandes tipos de materiais: plástico, alumínio e aço. Enquanto os plásticos dominam o 
interior do veículo e o aço permanece como a escolha para os painéis exteriores, o alumínio 
continua a espalhar seus tentáculos sob o capô. 
 De fato, o veículo multi-material não está limitado apenas nestes três tipos de materiais; 
está entrando em cena, para aplicações de interior e sob o capô, o magnésio. A quantidade média 
dos três grandes tipos de materiais utilizados em um veículo modelo 1996 foi: 
„ 112 kg de alumínio (segundo a Aluminium Association); 
„ 120 kg de plásticos (segundo a American Plastics Council); 
„ 807 kg de aço (segundo a American Iron and Steel Institute) 
 Dentro do guarda-chuva dos plásticos, os compósitos moldados em chapa ou SMC (Sheet 
Molding Composite) é o preferido para painéis exteriores. Embora 90% das novas aplicações 
sejam em painéis exteriores, componentes estruturais como tampas, grades, suportes de painéis e 
barras transversais estão sendo feitos por SMC. 
 O primeiro carro elétrico da General Motors, o EV1, usa SMC na maioria dos painéis do 
veículo: capô, portas, teto, tampas, canais de drenagem. Os painéis são de SMC de baixa 
densidade, o qual incorpora microesferas de vidro, tendo uma densidade específica de 1,3. O 
SMC convencional tem densidade específica de 1,9 e o aço tem 7,85. 
O alumínio cresceu em 80% nas aplicações veiculares nos últimos 5-10 anos e 58% do 
total consumido pela indústria automotiva é alumínio reciclado. Os motores se constituem na 
aplicação mais usual para o alumínio, seguida pela transmissão. A expectativa, segundo a 
ALCOA, que no ano 2015, cada veículo utilize de 250 a 340kg de alumínio. 
 Há mais de 10 anos, o aço tem mantido seus 55% de peso do veículo (carros de passeio, 
veículos esportivos, caminhões leves e minivans) devido ao seu baixo custo (US$ 0,77 por kg 
nos USA). Paragarantir o aço como a primeira escolha para o exterior do veículo, a indústria do 
aço está fazendo consideráveis estudos como o ULSAB (UltraLight Steel Auto Body), de modo a 
obter redução de peso da estrutura, baixo custo e melhor rigidez torcional, mantendo a facilidade 
de processamento. 
 5
 
2. Propriedades 
 
 2.1. Densidade: 
A definição clássica é "peso por unidade de volume". O valor inverso é chamado 
"volume específico". A tabela 2.1 mostra a densidade, de alguns metais mais conhecidos. Nas 
ligas metálicas, a densidade muda devido à incorporação de outros átomos com massa diferente, 
bem como às alterações na microestrutura. 
 
Tabela 2.1 - Densidade e temperatura de fusão de alguns elementos. 
Elemento Símbolo Densidade (g/cm3) Ponto de fusão (°C) 
Alumínio Al 2,699 660 
Berílio Be 1,848 1277 
Carbono (grafita) C 2,25 3727 
Cromo Cr 7,19 1875 
Cobre Cu 8,96 1083 
Chumbo Pb 11,36 327 
Estanho Sn 7,30 232 
Ferro Fe 7,87 1539 
Manganês Mn 7,43 1245 
Magnésio Mg 1,74 650 
Molibdênio Mo 10,22 2610 
Nióbio Nb 8,57 2468 
Níquel Ni 8,90 1453 
Ouro Au 19,32 1063 
Titânio Ti 4,51 1668 
Tungstênio W 19,3 3410 
Vanádio V 6,10 1900 
Zinco Zn 7,13 419 
 
 2.2. Propriedades Mecânicas: 
 A resistência mecânica de um material é caracterizada pelo parâmetro chamado tensão, 
que é a resistência interna de um corpo a uma força externa aplicada sobre ele, por unidade de 
área. 
 Considerando uma barra de área transversal A0 submetida a um esforço de tração F, a 
tensão (σ) é medida por: 
 σ = F / A0 
L 
∆L L0 
F 
A0 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.1- Barra submetida a esforço de tração 
 
 Com a aplicação da tensão σ, a barra sofre uma deformação ε. A carga F produz um 
aumento da distância L0, de um valor ∆L. A deformação é dada, então por: 
 6
 
 ε = ∆L / L0 onde: ∆L = L – L0 
 
 Deve-se observar que a tensão tem a dimensão de força por unidade de área e a 
deformação é uma grandeza adimensional. 
A tensão pode ser relacionada com a deformação através da equação correspondente a lei 
de Hooke: 
 σ = E . ε 
 
onde E é uma constante do material denominada módulo de elasticidade. A tabela 2.2 mostra 
módulos de elasticidade para vários metais e ligas. 
Esta relação é válida para os materiais metálicos, dentro de uma região de um gráfico σ x 
ε, denominada região elástica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
X 
B 
OA – Parte elástica 
AB – Parte plástica 
X - ruptura 
A 
Deformação (ε) 
Tensão (σ) 
O 
 
Figura 2.2 - Gráfico tensão x deformação da barra metálica da figura 1 
 
 A região elástica é a parte linear do diagrama mostrado na figura 2.2 (trecho OA). Se, em 
qualquer ponto deste trecho, a carga for aliviada, o descarregamento volta sobre a reta AO, sem 
apresentar qualquer deformação residual ou permanente. 
 Terminada a zona elástica, atinge-se a zona plástica, onde a tensão e a deformação não 
são mais relacionados por uma simples constante de proporcionalidade, ocorrendo deformação 
permanente. 
 
2.2.1. Resistência à tração: 
 A resistência à tração é uma das propriedades mais importantes dos materiais, pois por 
intermédio de sua determinação, podem ser obtidas características significativas do material, 
tanto a nível de projeto, quanto de controle de qualidade. 
 A resistência à tração, como também as outras propriedades mecânicas depende do tipo 
de material, do teor de elementos de liga, das condições de fabricação e tratamento, da estrutura, 
da temperatura, etc. 
 Os valores obtidos nos ensaios de tração permitem ao projetista: 
1. conhecer as condições de resistência do material sem que sofra deformação permanente; 
2. superada a fase elástica, conhecer até que carga o material pode suportar, em condições 
excepcionais. 
 Além disto, o exame da fratura do corpo de prova, depois de realizado o ensaio, permite 
verificar o comportamento dúctil ou frágil do material e a presença de eventuais falhas 
originadas durante a sua fabricação (ex. porosidades de fundição). 
 
 De um ensaio de tração convencional, são obtidos os seguintes dados do material: 
1. Limite de resistência à tração: valor da máxima tensão suportada pelo material (MPa); 
 7
2. Limite de escoamento: tensão que caracteriza o início da fase plástica (MPa); 
3. Alongamento após a ruptura: valor do alongamento permanente, medido no corpo de prova, 
após o rompimento; 
4. Coeficiente de estricção: redução percentual da área, medido no corpo de prova após o 
rompimento. 
 
X 
O 
σe 
Deformação (ε) 
Tensão (σ) 
 σt 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.3 – Gráfico tensão x deformação para um material dúctil 
 
Tabela 2.2 - Módulo de Elasticidade na temperatura ambiente. 
Metal E (MPa) Liga Metálica E (MPa) 
Ferro 210.000 Aço carbono 210.000 
Cobre 112.00 Latão 119.000 
Alumínio 70.000 Ligas de Alumínio 74.200 
Magnésio 43.750 Ligas de Magnésio 45.500 
Chumbo 17.500 Ligas de Titânio 115.500 
 
2.2.2. Resistência à torção e cisalhamento: 
 As propriedades relacionadas com esforços de cisalhamento e torção são importantes em 
aplicações do tipo: 
• parafusos, rebites e vigas, que estão sujeitos ao "cisalhamento direto"; 
• eixos que estão sujeitos ao chamado "cisalhamento torcional" ou simplesmente "torção". 
 A figura 2.4 ilustra estes dois tipos de cisalhamento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.4 - cargas passíveis de produzir cisalhamento. 
Cisalhamento por torque 
Mt = F x a 
τ = Mt . r / J 
r = raio qualquer 
J= momento de inércia de 
torção 
F 
a 
F 
Cisalhamento duplo em um rebite τ = F/(2A) 
 
Obs.: σ = tensão normal τ = tensão tangencial (cisalhante) 
 
 
 
2.2.3. Dureza: 
 8
 A dureza representa a resistência de um material à penetração de um corpo, pela 
aplicação de uma carga. Os tipos de ensaios comumente usados para medição de dureza são: 
 
1. Ensaio de dureza Brinell: Utiliza uma esfera de aço de diâmetro D, forçada por uma carga P 
sobre o material, resultando em uma impressão no formato de uma calota, de diâmetro d. 
 A dureza Brinell (HB) corresponde ao quociente da carga aplicada pela área da impressão 
e é expressa por: 
 
2 2
2 PHB=
.D(D- D -d )π (kgf/mm
2) 
 A impressão será tanto maior quanto mais mole for o material. 
 
 
Superfície da peça 
P 
d 
D 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5 - Método Brinell de medição de dureza 
 
2. Ensaio de dureza Rockwell: É o processo mais utilizado, devido a sua rapidez e facilidade de 
execução. O valor da dureza é um número proporcional à profundidade de penetração, sendo que 
no processo industrial, há duas faixas principais de dureza Rockwell: 
• Escala Rockwell B: para materiais de dureza média, na qual se usa como penetrador uma 
esfera de aço de 1/16" de diâmetro e uma carga de 100 kgf; 
• Escala Rockwell C: para materiais mais duros, como o aço temperado, na qual se emprega 
como penetrador uma ponta de diamante em forma de cone com ângulo de 120° e uma carga 
de 150 kgf. 
(a) (b) 
 
Figura 2.6 – (a) Esquema de aplicação do penetrador para método de medição de dureza HRc. 
(b) Penetrador e peça no processo de medição HV. 
 
3. Ensaio de dureza Vickers: É o processo empregado amplamente em trabalhos de pesquisa 
porque fornece uma escala contínua de dureza para uma determinada carga, podendo determinar 
a dureza desde materiais muito moles até extremamente duros. 
 9
 O penetrador consiste de uma ponta de diamante como forma de uma pirâmide quadrada 
e ângulo de 136°. As cargas variam de 5 a 120 kgf. 
 A dureza Vickers (HV) é expressa pela seguinte fórmula: 
 HV = 1,8544 P
L2
 (kgf/mm2) 
onde P é a carga sobre o penetrador e L é a média do comprimento das diagonais da impressão. 
 
2.2.4. Tenacidade: 
 A tenacidade está relacionadacom a resistência ao choque ou impacto, isto é a aplicação 
de uma carga brusca e repentina. O comportamento dos materiais sob a ação destas cargas 
dinâmicas difere, em geral do comportamento quando sujeitos a cargas estáticas. 
 A tenacidade corresponde à quantidade de energia necessária para provocar a ruptura e 
que depende fundamentalmente da resistência e ductilidade do material. 
 O princípio básico do ensaio é medir a quantidade de energia absorvida por uma amostra, 
quando submetida à ação de um esforço de choque de valor conhecido. O método mais comum 
para metais é o do golpe mediante um peso em oscilação, na forma de um martelo pendular, 
chamado ensaio Charpy. 
 
Corpo de prova 
Epi = m.g.hi 
Epf = m.g.hf 
Eabsorvida = m.g.(hi – hf) 
hf 
hi 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.7 – Desenho esquemático de um martelo para ensaio Charpy. 
 
2.2.5 Fadiga e falhas por fadiga 
 Em peças e conjuntos de máquinas que estão sujeitos a variações das cargas aplicadas, 
ocorre comumente o aparecimento de flutuações nas tensões originadas. Tais tensões podem 
adquirir um tal valor que ainda que inferior à resistência estática do material pode levar à sua 
ruptura, desde que a aplicação seja repetida inúmeras vezes. 
 A falha provocada desse modo é denominada "falha por fadiga". 
 Essas falhas se iniciam em determinados pontos que poderiam ser chamados origens de 
tensões", como falhas superficiais ou mudanças bruscas de configuração geométrica. 
 A "fadiga" é, então, um fenômeno que ocorre quando um membro sob tensão em uma 
máquina ou estrutura começa a falhar sob a ação de uma tensão muito menor que a equivalente à 
sua resistência estática, cuja tensão sendo de natureza cíclica. 
 A olho nu, a superfície da fratura, que é geralmente normal à direção da principal tensão 
de tração, apresenta uma região lisa, devido à propagação da trinca e uma região áspera, 
correspondente à parte da peça que falhou de modo inesperado, quando a sua secção não 
apresentou mais suficiente resistência para suportar a carga. 
 10
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.8 - Aspecto de uma fratura por fadiga, iniciada num canto vivo de um rasgo de chaveta 
de um eixo. 
origem 
Zona de ruptura final 
 
2.3. Propriedades Térmicas: 
A elevação da temperatura dos metais aumenta a amplitude de vibração dos átomos. 
Como conseqüência, ocorre uma expansão térmica do reticulado cristalino, isto é, ocorrem 
alterações dimensionais, expressas pelo "coeficiente linear de dilatação térmica", α, medido em 
1/°C. 
 ∆L= L0.α.∆t 
 L = L0 + ∆L = L0 + L0.α.∆t = L0.(1 + α.∆t) 
 Esta expansão, com o aumento da temperatura, é muito importante para muitas operações 
metal-mecânicas, como fundição, forjamento, soldagem, tratamento térmico, etc. 
 A elevação da temperatura leva à fusão do metal, cuja "temperatura de fusão" representa 
um ponto de transição importante em relação à organização dos átomos em sistemas cristalinos. 
 O poder calorífico, expresso em cal/(g °C) é a quantidade de calor necessária para elevar 
1°C a massa unitária de um material homogêneo. 
 O calor específico (Cp) é definido como a relação entre a capacidade de armazenar calor 
do material e da água, ou seja a quantidade de calor necessária para elevar a massa unitária de 
um material de 1°C de temperatura para a quantidade de calor necessária para elevar de 1°C a 
mesma massa de água. O calor específico determina a quantidade de calor necessária nos 
processos metalúrgicos, tais como fundição e tratamento térmico. 
 A condutibilidade térmica (k), expressa em (W.mm)/(mm2 °C) é a capacidade condutora 
de calor de uma substância e que depende não só da própria substância, como também do estado 
em que ela se encontra. 
 
2.4. Propriedades Elétricas e Magnéticas: 
 A Condutibilidade elétrica é a capacidade do metal de transmitir ou conduzir corrente 
elétrica. Sob este ponto de vista, os materiais podem ser classificados como condutores, isolantes 
ou semicondutores. A condutibilidade elétrica é devida à mobilidade dos elétrons e é medida em 
1/(ohm.m). 
O inverso da condutibilidade elétrica é a resistividade elétrica e se relaciona com a 
resistência elétrica por meio da seguinte fórmula: 
R = ρ . L / A 
onde: R = resistência em ohm 
 ρ = resistividade elétrica em ohm.cm 
 L = comprimento da amostra do material em cm 
 A = área da secção transversal da amostra em cm2 
 c = 1/ρ = condutividade elétrica 
 11
 
Tabela 2.3 - condutibilidade e resistividade elétrica de alguns metais 
Metal Condutibilidade elétrica relativa 
%IACS 
Resistividade elétrica 
(micro-ohm.cm) 
Prata 108 1,468 
Cobre 100 1,6 
Alumínio 61 2,6 
Ferro 18 8,8 
 
 O cobre é o metal mais usado para aplicações onde se exige boa condutibilidade elétrica, 
cujo item de controle é conhecido por %IACS, que significa: International Annealed Copper 
Standard, ou seja, Padrão Internacional de Cobre Recozido. O cobre isento de oxigênio tem 
condutibilidade mínima de 101%IACS. 
A permeabilidade magnética µ é definida como a habilidade de um metal ser 
magnetizado ou habilidade de conduzir linhas magnéticas de força em comparação ao ar e ao 
vácuo. Os materiais ferromagnéticos (Fe, Co) possuem alta permeabilidade magnética. 
 
 
 2.5. Propriedades Ópticas: 
Quando se dirige um feixe de luz sobre a superfície de uma substância sólida, nota-se que 
uma certa fração da intensidade de luz incidente é refletida. Nos metais a fração refletida é alta, 
enquanto que em vidros a fração refletida é baixa. 
 A opacidade e a elevada refletibilidade dos metais são atribuídas à ação da radiação 
incidente, a qual estimula os elétrons a ocupar zonas vazias de maior energia, sendo a seguir 
absorvidos e, então reemitem luz da superfície do metal. 
 As cores que os metais apresentam à ação da luz branca dependem da freqüência ou do 
comprimento de onda da luz incidente e da refletibilidade. Por exemplo, a prata apresenta cor 
branca devido à alta refletibilidade ao longo de toda região visível; já o cobre e o ouro absorvem 
comprimentos de onda mais curtos, com uma refletibilidade mais baixa e apresentam coloração 
avermelhada e amarelada respectivamente. 
 
 2.6. Propriedades Químicas: 
 Relacionam-se com a resistência que os metais oferecem ao ataque pelo meio ambiente 
(corrosão) ou pelo efeito da temperatura (oxidação). A resistência à corrosão e à oxidação são, 
portanto, características de grande importância, em vista da influência que o meio circunvizinho 
(gasoso, líquido ou sólido) e a temperatura exercem sobre o metal, provocando diversos tipos de 
ataques corrosivos e oxidantes. 
 Normalmente, a corrosão é medida em massa que se perde anualmente. 
 Os custos de corrosão e dos processo de proteção à corrosão, isto é, os custos decorrentes 
da perda de máquinas, equipamentos e estruturas pelos processos corrosivos e os custos de 
aplicação de processos de proteção contra corrosão são significativos na economia mundial. 
 A corrosão pode ser definida como um processo de destruição do material pela ação do 
meio ambiente. 
 A seleção de materiais metálicos atendem inicialmente a requisitos de resistência 
mecânica e de fabricação; contudo, as considerações de sua resistência à corrosão e dos 
processos de proteção devem ser realizadas na fase de projeto do produto. 
 
Exercícios sobre Propriedades dos Materiais 
2.1. Faça o cálculo das áreas das seguintes figuras geométricas: 
 
 
h 12e b a d 
a a b 
a 
 
 
 
 
 
 
2.2. Qual a peça que está submetida à maior tensão? 
(a) Uma barra de aço circular de aço com diâmetro de 12,8 mm, sob a ação de uma carga de 
50.000 N. 
(b) Uma barra de alumínio de 24,6 mm x 30,7 mm de seção transversal, sob a ação de uma carga 
de 75.000 N. 
(c) Uma barra hexagonal de bronze, com e = 10 mm, sob a ação de uma carga de 20.000 N. 
 
2.3. A tabela a seguirapresenta propriedades mecânicas de diversos materiais: 
 
Liga 
Diâmetro do 
corpo de 
prova (mm) 
Módulo de 
Elasticidade (E) 
(N/mm2) 
Limite de 
Escoamento 
(N/mm2) 
Limite de 
Resistência à 
Tração (N/mm2) 
Ti-6Al-4V (liga de Titânio) 12,5 110.000 320 652 
Liga de Alumínio 3003-H14 15 70.000 145 150 
Aço Carbono SAE 1040 10 207.000 600 750 
Monel 400 (liga de Níquel) 11 179.000 283 579 
Considerando as definições: 
- Módulo de Elasticidade é a constante que caracteriza a inclinação na curva Tensão x 
Deformação, na zona elástica. 
- Limite de Escoamento é a tensão necessária para iniciar a zona plástica, ocorrendo o mínimo 
de deformação plástica (0,2%) 
- Limite de resistência à tração é a máxima tensão que pode ser suportada por um corpo de 
prova. 
(a) Qual o material que pode ser submetido a maior força, de modo que ocorra um mínimo de 
deformação plástica (0,2%)? Qual o valor desta força? 
(b) Admitindo-se que uma barra do material especificado em (a), com 6 metros de comprimento, 
com a mesma área, esteja sendo solicitado por uma carga de 30000 N, qual o aumento total 
no comprimento do mesmo, em milímetros? 
(c) Qual o material cujo corpo de prova pode ser submetido a maior força? Qual o valor desta 
força? 
 
2.4. É necessário escolher uma chapa para separar a água circulando a 90°C e o ar (fluxo rápido) 
a 20°C. Tem-se as seguintes opções: 
(a) Chapa de aço comum com k = 0,050 (W.mm)/(°C.mm2) e 2,0 mm de espessura; 
(b) Chapa de aço inoxidável com k = 0,015 (W.mm)/(°C.mm2) e 1,0 mm de espessura 
(c) Chapa de alumínio com k = 0,22 (W.mm)/(°C.mm2) e 8 mm de espessura 
Qual das situações é a de menor transferência de calor? 
Obs.: Fluxo térmico: Q = k.∆T / ∆x 
No caso (a): Q = 0,050. (90-20)/2,0 = 1,75 W/mm2 
O que apresentar o menor fluxo térmico é o caso de menor transferência de calor entre a 
água e o ar. 
 
2.5. É necessário escolher um fio para conduzir energia elétrica, com menor perda por 
aquecimento elétrico. Tem-se as seguintes opções: 
(a) Fio de cobre com ρ = 17 x 10-6 ohm.mm e diâmetro de 2,0 mm 
 13
(b) Fio de latão com ρ = 62 x 10-6 ohm.mm e diâmetro de 3,0 mm 
(c) Fio de alumínio com ρ = 29 x 10-6 ohm.mm e diâmetro de 2,5 mm 
Obs.: para este cálculo, utilize um comprimento L padrão de 1 m = 1000 mm 
 
2.6. Qual a massa de uma barra hexagonal de 1 metro de comprimento e e = 15mm? 
 
 
Exercícios complementares 
 
2.7 Uma barra cilíndrica feita de cobre (E = 110.000MPa) com limite de escoamento de 240MPa 
deve ser submetida a uma carga de 6600 N. Se o comprimento da barra é de 380 mm, qual deve 
ser o seu diâmetro para permitir um alongamento de 0,5mm? 
 
2.8 . Um fio de alumínio com 4 mm de diâmetro deve oferecer uma resistência que não seja 
superior a 2,5 Ω. Usando os dados da tabela 2.3, calcule o comprimento máximo do fio. 
 
2.9 Um fio de alumínio com 10m de comprimento é resfriado desde 38º C até -1º. Qual será a 
variação de comprimento que este fio experimentará? (α = 23 x 10-6 / ºC) 
 
2.10 Calcule a taxa de calor por milímetro quadrado através de uma parede de tijolos refratários 
de um forno que opera a 1000ºC. A face externa da parede do forno está a 100ºC e a parede tem 
10cm de espessura. k = 1,3(W.mm)/(°C.mm2) 
 
 
 14
3. Ligas Metálicas 
 
3.1. Metais Monofásicos 
 
Pense em uma solução líquida!!!! Mas o que é uma solução? 
 
Uma solução líquida é uma substância formada pela mistura de duas substâncias (solvente + 
soluto), onde: 
- Solvente: em maior quantidade. Ex. Água 
- Soluto: em menor quantidade. Ex. sal 
 
 
Água 2 fases 
Azeite 
 Água + sal 
 
1 fase 
 
 
 
A mistura dos dois formam água salgada (solução), o qual é homogênea (apenas 1 fase) ou 
monofásica. Aumentando-se a quantidade de soluto em uma determinada temperatura 
ocorrerá a “precipitação” de uma nova fase (no caso o excesso de sal), tornando-se uma 
solução bifásica (heterogênea). Ao ponto (quantidade de soluto) em que ocorrerá a 
precipitação chamamos de “limite de solubilidade”. 
 
Sal precipitado 
 
 
 
Água + sal 
 
1 fase 
 
 
 
 
No caso da ciência dos materiais, vamos tratar apenas das soluções sólidas ou ligas. Por 
exemplo: 
Latão = cobre + zinco (monofásica até aproximadamente 40% Zn) 
Bronze = cobre + estanho (monofásica até aproximadamente 10%Sn) 
Aço = ferro + carbono (polifásica na temperatura ambiente) 
Monel = cobre + níquel (monofásica) 
 
Qual a diferença para o usuário entre o metal puro e a liga? Suas propriedades, principalmente. 
 
Como o soluto interage com o solvente? 
1) No metal puro, os átomos estão organizados formando o chamado arranjo cristalino, 
conforme o modelo de esferas abaixo, de uma forma simplificada: 
 
Interstício 
 
 Átomo 
 
 
 
 15
 
 
2) Na liga, pode-se ter duas situações: 
- o átomo do soluto pode substituir um átomo do solvente, formando uma solução 
substitucional. Por exemplo: latão, bronze, Cu-Ni, etc. 
- um átomo pequeno pode se localizar no interstício (espaço vazio entre os átomos), formando 
uma solução intersticial. Por exemplo: Fe-C na forma γ (temperatura acima de 723°C para 
liga com 0,8%C) 
A figura abaixo ilustra três situações puntuais no arranjo cristalina de materiais metálicos. 
O primeiro deles (a) é um caso de vacância (vazio), ou seja a falta de um átomo no arranjo. Nos 
demais casos tem-se a presença de átomos estranhos no arranjo cristalina, formando soluções 
sólidas (ligas). (b) é uma solução sólida substitucional e (c) é uma solução sólida intersticial. 
Observe a deformação do arranjo, próximo às situações puntuais indicadas. 
 
Questionário: 
 
3.1. Dê exemplos de aplicações de materiais puros. 
 
 
 
3.2. Conforme já vimos, elementos estranhos são adicionados intencionalmente a um 
especificado material, a fim de melhorar as suas propriedades. Citamos o latão (Cu+Zn) e o 
bronze (Cu+Sn), que formam soluções sólidas. O arranjo cristalino deste tipo de solução sólida é 
alterado comparativamente ao metal puro (solvente)? 
 
 
 
 
 
3.3. Cobre e níquel podem ser misturados em qualquer proporção e formam uma estrutura 
monofásica. Entretanto, no bronze, o estanho pode ser misturado ao cobre até uma determinada 
proporção. Neste caso, o estanho em excesso, além da quantidade correspondente à 
solubilidade sólida forma uma outra fase. Como se chama este limite? 
 
 
3.4. Explique como a relação entre raios atômicos influencia na solubilidade sólida máxima em 
uma liga. 
 16
 
 
 
 
 
 
3.2. Propriedades das Ligas Monofásicas 
 Como na vida profissional, normalmente utilizamos ligas (monofásicas ou polifásicas) e 
precisamos conhecer suas propriedades e aspectos de seleção. A figura 3.1. mostra a mudança de 
propriedades com o aumento do percentual do elemento de liga. 
 
 17
 
Figura 3.1. - Propriedades físicas das ligas cobre-níquel recozidas. (Van Vlack, Ed. Campus) 
 
 
 
 
3.5. Vamos interpretar os gráficos da figura 3.1: 
1. O que acontece com as propriedades mecânicas, a medida que aumenta o teor do 
elemento de liga? observe a diferença da tendência entre a resistência mecânica e o 
alongamento! 
 
 18
 
2. O que acontece com a condutividade elétrica do metal, a medida que aumenta o teor de 
elemento de liga? 
 
 
 
3.3. Classificação das Ligas Metálicas 
 Os metais puros possuem inúmeras propriedades que os tornam importantes sob o 
aspecto de aplicação industrial. Os processos metalúrgicos geralmente produzem os metais com 
uma quantidade de substâncias estranhas que varia, em geral, de menos de 0,01% até cerca de 
2% em peso. Essas substâncias estranhas ou impurezas, freqüentemente são difíceis de serem 
removidas durante a fabricação, afetam mais ou menos as propriedades dos metais. 
 Se essa influência é, entretanto, mínima ou nula, diz-se que o metal é comercialmentepuro. Na prática, pois, um metal puro não necessita ser 100% deste elemento, mas sua pureza 
pode ir de 99,00 a 99,999%. 
 Na maioria dos casos, elementos são adicionados intencionalmente a um metal, com o 
fim de melhorar suas propriedades específicas. Se nesta adição, o elemento se tornar parte 
integral da fase sólida, esta se chama "solução sólida". 
 Os metais são geralmente empregados na forma de ligas, ou seja, substâncias que 
consistem em misturas íntimas de dois ou mais elementos químicos, dos quais pelo menos um é 
metal, e possuindo propriedades metálicas. 
 
 
Exemplos de ligas: 
 
1. Ligas de Alumínio: O alumínio com uma densidade relativa de 2,7 é cerca de três vezes mais 
leve, para o mesmo volume, do que os aços; contudo, a sua resistência mecânica é menor, 
exigindo para a mesma solicitação uma dimensão maior para o componente mecânico. 
 As propriedades de densidade, resistência mecânica, tenacidade à fratura, resistência à 
corrosão, condutibilidade elétrica e térmica e aparência agradável (importante para o design), 
associadas ao custo de aquisição e de fabricação devem ser consideradas para a seleção deste 
material. 
 O alumínio e suas ligas são classificados em duas categorias: trabalhados e fundidos e 
cada uma delas tem um sistema de designação diferente, conforme o principal elemento de liga 
presente. 
 
2. Ligas de Cobre: O cobre e suas ligas constituem um grupo de materiais metálicos das mais 
antigas e diversificadas utilizações. Esses materiais reúnem um conjunto de características que 
justificam o amplo espectro de uso, como elevada condutibilidade elétrica e térmica, elevada 
resistência à corrosão, moderada resistência mecânica e facilidade de serem submetidos a 
diversos processos de fabricação. O sistema de classificação do cobre pela composição se 
encontra na tabela 3.2. 
 
 19
Tabela 3.1 - Principais ligas de alumínio 
Classificação das 
ligas 
Tipo composição química 
LIGAS 1100 99,00%(min)Al; 0,12%Cu 
 2024 93,5%Al; 4,4%Cu; 0,6%Mn; 1,5%Mg 
TRABALHADAS 3003 98,6%Al; 0,12%Cu; 1,2%Mn; 
 4032 85%Al; 12,2%Si; 0,9%Cu; 1%Mg; 0,9%Ni 
 6061 97,9%Al; 0,6%Si; 0,28%Cu; 1%Mg; 0,2%Cr 
 7075 90%Al; 1,6%Cu; 2,5%Mg; 0,23%Cr; 5,6%Zn 
LIGAS PARA 206.0 0,1%Si; 4,6%Cu; 0,35%Mn; 0,25%Mg; 0,15%Fe(máx), 
0,22%Ti, Al (restante) 
FUNDIÇÃO 360.0 9,5%Si; 0,5%Mg; 2%Fe(máx), Al (restante) 
 413.0 12%Si; 2%Fe(máx), Al (restante) 
 A535.0 0,18%Mn; 7%Mg; Al (restante) 
 712.0 0,6%Mg; 0,5%Cr; 5,8%Zn; 0,2%Ti, Al (restante) 
 850.0 1%Cu; 1%Ni; 6,2%Sn; Al (restante) 
 
 
Tabela 3.2 - cobre e ligas de cobre trabalhadas 
Sistemas Subsistemas Metais e Ligas típicas (UNS) 
 cobre eletrolítico tenaz C11000 
COBRE cobre desoxidado com fósforo C10300, C10800 
 Cobre isento de oxigênio C10100, C10200 
 Liga Cu-Ag C11300, C11400 
COBRE Liga Cu-Cr C18200, C18400 
LIGADO Liga Cu-Te C14500 
 Liga Cu-Cd C14300, C14310, C16200 
 Liga Cu-Zr C15000 
 Ligas Cu-Zn (latões) C21000, C26000 
 Ligas Cu-Sn (bronzes) C52100, C52400 
LIGAS DE Ligas Cu-Ni (cupro-níqueis) C70600, C7100, C71500 
COBRE Ligas Cu-Ni-Zn (alpacas) C74500, C75200 
 Ligas Cu-Al (Ampco®) C60600, C61000 
 Ligas Cu-Si C65100, C65500 
 Ligas Cu-Be C17000, C17200, C17500 
 
3. Ligas de magnésio: O magnésio é um metal de baixa densidade com propriedades mecânicas 
relativamente elevadas - particularmente em temperaturas altas - quando ligado com elementos 
endurecedores. Tem boa usinabilidade, soldabilidade e resistência à corrosão. As ligas do 
sistema magnésio-alumínio-zinco possuem boas características de fundibilidade e ductilidade, 
associadas à elevada resistência mecânica em temperatura ambiente ou até 120°C. As ligas 
típicas deste sistema são AZ91C para fundição em areias ou moldes permanentes e a AZ91A 
para fundição sob pressão. 
 
4. Aço: liga de Fe + C, cujo carbono varia de quase 0%, até em torno de 2%. Muitos outros 
elementos de liga são adicionados para obter as mais diversas características, para muitas 
aplicações. A tabela 3.3. mostra a especificação de aços de baixa e média liga segundo a norma 
AISI ou SAE, enquanto que as tabelas 3.4. e 3.5. mostram alguns dos principais aços para 
aplicações específicas, utilizados na região. 
 20
Tabela 3.3- nomenclatura de aços de baixa e média liga (mais utilizados) 
Número 
AISI ou SAE 
Composição Exemplos 
10xx aço carbono simples 1020, 1045, 1060 
11xx aço carbono resulfurado 1112 
41xx cromo (0,4 a 1,2%), molibdênio (0,08 a 0,25%) 4140 
43xx níquel (1,65 a 2%), cromo (0,4 a 0,9%), molibdênio (0,2 a 0,3%) 4340 
61xx cromo (0,7 a 1%), vanádio (0,1%) 6150 
86xx níquel (0,3 a 0,7%), cromo (0,4 a 0,85%), molibdênio (0,08 a 0,25%) 8620, 8640 
92xx silício (1,8 a 2,2%) 9215 
 
 
Tabela 3.4. - nomenclatura de aços para matrizes e ferramentas (mais utilizados). 
Número 
AISI 
Composição química (%) 
 C Cr Ni Mo W V 
Marcas 
comerciais 
Aplicações 
M2 0,90 4,25 ....... 5,0 6,2 1,9 VWM-2 ferramentas de torno, brocas e alargadores, 
fresas, machos, brochas, estampos de corte, 
ferramentas para extrusão a frio, calibradores, 
mandris de trefilação, etc. 
D2 1,5 12,0 ........ 0,8 ......... 0,6 VD2 matrizes para estampar, para cunhar, para 
repuxamento, punções, calibres. 
D3 2,2 12,0 0,5 ...... ........ 0,6 VC130 estampos de corte, punções, facas para corte de 
chapas, ferramentas para laminação de roscas, 
para trabalhar com madeira, etc. 
O1 0,95 0,5 ........ ....... 0,5 0,2 VND machos, cossinetes, brochas, punções, facas 
para corte de papel, estampos e matrizes em 
geral, etc. 
W1 0,7/1,5 0,15máx ......... ........ ........ ...... VET-3 matrizes de cunhagem, de corte a frio, 
ferramentas para repuxar chapas, talhadeiras, 
ponteiros, etc. 
P20 0,35 1,7 ........ 0,4 ....... ........ VP20-A moldes de injeção de plástico 
H13 0,35 5,0 ...... 1,5 ....... 1,0 VH-13 matrizes e punções de forjamento, moldes para 
plástico, matrizes de recalcamento a quente, 
moldes para fundição sob pressão. 
 
 
Tabela 3.5. - nomenclatura de aços resistentes à corrosão (inoxidáveis) mais usados. 
Número 
AISI ou SAE 
Composição química 
(elementos principais) 
Tipo Aplicações 
304 0,08%C - 18%Cr - 8%Ni austenítico Equipamentos para processamento 
químico e de alimentos. Artigos 
domésticos. Boa capacidade de soldagem e 
conformação. 
316 0,08%C - 18%Cr - 8%Ni - 2%Mo austenítico produtos que exigem melhor resistência à 
corrosão que o aço 304. 
430 0,12%C máx - 16/18%Cr ferrítico decoração de interiores, equipamentos de 
cozinhas, peças de fornos, etc. 
420 0,36/0,45%C - 12,5/14,5%Cr - 1%Ni máx. martensítico cutelaria, instrumentos cirúrgicos, eixos de 
bombas, válvulas, parafusos, mancais de 
esfera, etc. 
 
 
3.4. Critérios de Seleção de Ligas Metálicas 
 O projeto de peças deve levar em conta diversos fatores que são inter-relacionados de 
forma nem sempre simples. Os requisitos de desempenho, quer na fase de sua fabricação, quer 
na fase de sua utilização como componente de um sistema, são estabelecidos de maneira a 
compatibilizar a função exigida da peça com as possibilidades de sua fabricação a partir de 
materiais metálicos, cerâmicos ou plásticos. Como são muitas as possibilidades de processos de 
 21
fabricação e de tipos de materiais, é fundamental atender o requisito de menor custo de 
fabricação para uma qualidade industrial especificada. 
 A análise dos fatores que influenciam o projeto do produto (concepção da peça) e do 
processo de fabricação (a maneira de obtençãoda peça) é fundamental para a seleção mais 
conveniente dos materiais constituintes das peças. 
 As funções requeridas de um produto determinam as especificações necessárias para o 
projeto, como as de desempenho, que consistem num conjunto de características que permitem a 
utilização do produto de forma eficiente; enquanto que as especificações do projeto se compõem 
de uma gama de indicações técnicas referentes à forma, às dimensões, às tolerâncias, ao 
acabamento e aos materiais constituintes do produto que permitem atender às especificações de 
desempenho. 
 
a) Especificações de desempenho. Deve-se avaliar: 
a) Requisitos de desempenho 
b) Coeficiente de segurança 
b) Especificações de projeto. Deve-se avaliar: 
a) Dimensionamento das peças componentes e conjuntos com base nos tipos de 
solicitação mecânica (estática e dinâmica) e na resistência dos materiais 
disponíveis. 
b) Indicação dos materiais constituintes das peças e dos processos de fabricação. 
 
 A seleção do material deve ser efetuada considerando também a seleção do processo de 
fabricação da peça. Enquanto a seleção do material para atender os requisitos de projeto do 
produto baseia-se nos aspectos de resistência, durabilidade e segurança de desempenho 
associados ao baixo custo de aquisição, no projeto do processo é fundamental a seleção do 
material, a fim de minimizar os custos de fabricação. 
 A matéria-prima adquirida para a fabricação dos componentes deve apresentar 
características compatíveis com as exigências do projeto do produto e do processo, como: 
1. Composição química 
2. Histórico: processos anteriores (ex.: tratamentos térmicos e mecânicos) 
3. Forma: geometria 
4. Tamanho 
5. Acabamento superficial 
 Deve-se levar em conta, também, na seleção de matérias-primas: 
♦ quantidades a serem adquiridas; 
♦ qualidade, considerando a aplicação; 
♦ custos de aquisição; 
♦ energia consumida; 
♦ fatores ambientais: disposição pós-uso. 
 
 A capacidade dos materiais selecionados em se adaptarem aos processos de fabricação é 
um fator fundamental na seleção de material e processo. Portanto, para cada processo, define-se 
o comportamento do material no processamento. Assim, as principais propriedades de fabricação 
são: 
1. fundibilidade: capacidade do material penetrar completamente no molde de fundição e 
produzir peça sem defeito e com as características mecânicas especificadas; 
2. conformabilidade plástica: capacidade dos materiais de serem deformados, tomando a forma 
de uma matriz. 
 22
3. usinabilidade: capacidade de retirada de cavaco, sem apresentar desgaste excessivo na 
ferramenta de usinagem. 
4. soldabilidade: capacidade de união de peças através do processo de soldagem, garantindo-se 
uma junta com qualidade compatível ao material de base. 
5. endurecibilidade: capacidade de obter peças com maior resistência, após tratamento térmico 
ou termo-mecânico. 
6. capacidade de receber tratamentos superficiais. 
 
 
ƒ Tamanho dos lotes 
ƒ Equipamento disponível 
ƒ Energia consumida 
ƒ Facilidades operacionais 
ƒ Composição 
ƒ Condição 
ƒ Acabamento 
ƒ Defeitos prováveis 
ƒ Disponibilidade 
ƒ Fundibilidade 
ƒ Soldabilidade 
ƒ Estampabilidade 
ƒ Forjabilidade 
ƒ Capacidade de revestimento 
ƒ Endurecibilidade 
CUSTO 
Características de 
produção 
Características da 
matéria-prima 
Propriedades de 
fabricação 
Projeto 
de 
Processo 
ƒ Propriedades a serem atendidas 
ƒ Dimensão 
ƒ Forma 
ƒ Tolerância 
ƒ Acabamento
Projeto 
do 
Produto 
Seleção de 
Materiais 
Metálicos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.2 – Fatores que influenciam na seleção de ligas metálicas.
 23
 
4. Cristalinidade e Microestrutura 
 
As propriedades são manifestações da estrutura do material em diversos níveis. Torna-se 
importante, portanto, estudar a estrutura dos materiais nestes diversos níveis, desde a 
organização dos átomos até as formações macroestruturais (presença de bolhas, segregações, 
alinhamentos, etc.). A maioria dos materiais de interesse para o engenheiro tem arranjos 
atômicos, que são repetições nas três dimensões de uma unidade básica. O arranjo atômico faz 
com que os átomos fiquem próximos entre si, existindo um determinado número de átomos 
vizinhos (os mais próximos), caracterizando o chamado “empacotamento atômico”. 
 
CRISTALINIDADE: Uma molécula tem uma regularidade estrutural, porque as ligações 
covalentes determinam um número específico de vizinhos para cada átomo e a orientação no 
espaço dos mesmos. 
Materiais cristalinos são os que exibem ordem de longo alcance na posição e na seqüência de 
átomos ou moléculas. 
Materiais amorfos não possuem ordem de longo alcance, sendo que os átomos ou moléculas não 
são periodicamente localizados ao longo de longas distâncias. Porém, usualmente possuem 
ordem de curto alcance. 
 
RAIO ATÔMICO: A distância de equilíbrio entre os centro de dois átomos pode ser 
considerada como a soma de seus raios. No ferro metálico, a distância média entre os centros dos 
átomos é 0,2482 nm. 
 O fator que mais influencia na distância interatômica é a temperatura, sendo que qualquer 
aumento desta, aumenta o espaçamento médio entre os átomos, acarretando a expansão térmica 
dos materiais. 
 
Os metais ao se solidificarem, cristalizam, ou seja passam de um estado de distribuição 
aleatória (líquido) para um estado com posições definidas e ordenadas, que se repetem em três 
dimensões, formando uma figura geométrica regular, denominado sistema cristalino. Deste 
sistema cristalino é possível extrair apenas uma célula ou reticulado unitário. 
 
Tabela 4.1. Os sete sistemas cristalinos: 
Sistema Eixos Ângulos Axiais 
Cúbico a1 = a2 = a3 Todos os ângulos = 90° 
Tetragonal a1 = a2 ≠ c Todos os ângulos = 90° 
Ortorrômbico a ≠ b ≠ c Todos os ângulos = 90° 
Monoclínico a ≠ b ≠ c dois ângulos = 90° e um ≠ 120° 
Triclínico a ≠ b ≠ c Todos os ângulos diferentes e todos ≠ 90° 
Hexagonal a1 = a2 = a3 ≠ c Ângulo = 90° e 120° 
Romboédrico a1 = a2 = a3 Todos os ângulos iguais, mas não 90° 
 
 
 24
 
Figura 4.1- sistemas cristalinos 
 
4.1. Reticulados Principais 
 Os átomos dos materiais metálicos podem ser agrupados, dentro do sistema cúbico em 
dois diferentes tipos de repetição: cúbico de corpo centrado (CCC) e cúbico de faces centradas 
(CFC), enquanto que no sistema hexagonal, os átomos se agrupam no sistema Hexagonal 
Compacto (HC). 
4.1.1. Cúbico simples: É uma estrutura hipotética, mas favorece a compreensão. Para este tipo de 
célula unitária, tem-se um átomo em cada vértice, representando um oitavo de cada um dos 
átomos dentro da célula. 
4.1.2. Cúbico de Corpo Centrado: O ferro, na temperatura ambiente, tem estrutura CCC, e cada 
átomo de ferro está cercado por oito átomos de ferro adjacentes. Há dois átomos por célula 
unitária em uma estrutura ccc, sendo que um está no centro e oito oitavos estão nos oito vértices. 
4.1.3. Cúbico de Faces Centradas: O cobre tem estrutura CFC, onde um átomo está em cada 
vértice e em cada face do cubo. O alumínio, o cobre, o níquel, a prata e o chumbo possuem este 
tipo de reticulado. Cada célula unitária de uma estrutura cfc possui quatro átomos. 
 
 
 a) Célula unitária CCC b) Célula unitária CFC 
a
4r
a 
4r 
 
Figura 4.2. – Principais cristais cúbicos. 
 
 25
4.1.4. Hexagonal Compacto: A figura 4.3. mostra o reticulado HC, encontrado no magnésio, 
titânio e o zinco. 
 
Tabela 4.2. - Materiais e seus reticulados 
 Exemplos 
CCC Cr, Fe(α), Mo, W 
CFC Al, Fe(γ), Ni, Cu, Ag, Pb 
HC Mg, Zn, Ti 
 
 
Figura 4.3. - Célula unitária Hexagonal Compacta 
 
 
Exercícios 
E4.1. Calcule o parâmetro da célula CCC e o da célula CFC. No caso do sistema cúbico, o 
parâmetroda célula é o lado do cubo formado. 
Respostas: 
a r
3CCC
= 4. a r
2CFC
= 4.
 
E4.2. A prata é CFC e seu raio atômico é 0,1444 nm. Qual o comprimento do lado de sua célula 
unitária? 
 
E4.3. O ouro tem estrutura cristalina CFC. O parâmetro de seu reticulado é 0,4078 nm e sua 
massa atômica é 197 g/mol. Calcule a sua densidade. 
Obs: 6,02 x 1023 átomos → Massa atômica do elemento (g) 
 1 átomo → m (g) 
E4.4. Calcule o raio do maior vazio intersticial no retículo do ferro gama (CFC). O raio atômico 
do átomo de ferro é R=0,129 nm no retículo CFC e o maior vazio intersticial ocorre no 
(½, 0, 0), (0, ½, 0), (0,0, ½), ... O raio do átomo de carbono é rC=0,075 nm 
 26
 
 
 
 
 
 
 
 
4.2. Ligação Metálica 
Mas afinal, o que une os átomos metálicos entre si? 
Se um átomo apresenta apenas uns poucos elétrons de valência, estes podem ser 
removidos com relativa facilidade, enquanto que os demais elétrons são firmemente ligados ao 
núcleo. Isto origina uma estrutura formada por íons positivos (núcleo e elétrons que não 
pertencem a camada de valência) e elétrons livres. Como os elétrons de valência podem se 
mover livremente dentro da estrutura metálica, formam a nuvem eletrônica. 
 
 
–+ + + +
++ – +
Nuvem– –
+
+
+
+++
–
–
– – –– – –
Íon positivo 
– 
– 
 
 
 
 
Figura 4.4. – Ligação metálica 
 
É por causa da natureza da ligação metálica, que os átomos de um metal podem ser 
visualizados como esferas rígidas. 
Como as propriedades condutividade elétrica e condutividade térmica dos metais podem 
ser explicadas? 
Os elétrons livres dão ao metal sua condutividade elétrica elevada, pois podem se mover 
livremente sob a ação de um campo elétrico. Da mesma forma, a alta condutividade térmica 
dos metais está associada à mobilidade dos elétrons livres, que podem transferir energia 
térmica de um nível de alta temperatura para outro de baixa. 
 
 
4.3. Defeitos Cristalinos 
 Defeito é uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico regular dos átomos em um 
cristal. Podem envolver uma irregularidade: 
♦ na posição dos átomos 
♦ no tipo de átomos 
 O tipo e o número de defeitos dependem do material, do meio ambiente, e das 
circunstâncias sob as quais o cristal é processado. Veremos alguns defeitos no decorrer do texto, 
como vazios, discordâncias, contorno de grão, etc. 
 Por que os defeitos são importantes? 
 Os defeitos, mesmo em concentrações muito pequenas, podem causar uma mudança 
significativa nas propriedades de um material. 
Sem a presença de defeitos: 
♦ os dispositivos eletrônicos do estado sólido não existiriam; 
♦ os metais seriam muito mais resistentes; 
 27
♦ os cerâmicos seriam muito mais tenazes; 
♦ os cristais não teriam nenhuma cor; 
 
4.4. Estrutura Granular dos Materiais: 
 Estrutura interna é definida como o arranjo de elétrons e átomos dentro do metal. Deve-se 
observar que um dado material com determinada composição química, a estrutura interna não é 
constante, podendo variar grandemente, dependendo de: 
(1) como o material foi fabricado (condições de processamento); 
(2) sob que condições o material se encontra em serviço (temperatura, pressão, agentes 
corrosivos, etc.). 
 A análise da estrutura é feita, em geral, a nível da resolução de microscópios ópticos (10-
1200x) ou de microscópios eletrônicos (2000-100.000x). Esta estrutura observada é chamada de 
microestrutura. 
Um conjunto de células unitárias forma o cristal com contornos geométricos, o qual, ao 
adquirir os contornos irregulares pelo seu crescimento e devido aos pontos de contato de cada 
conjunto, passa a chamar-se grão. Esses grãos são ligados entre si por um limite, denominado 
contorno de grão. 
 
Figura 4.5. - estrutura granular de uma material puro. 
 
 As propriedades mecânicas dos metais dependem fortemente do tamanho do grão, por 
isto a American Society for Testing of Materials (ASTM) criou um índice do tamanho de grão 
dos aços, através da seguinte equação: N = 2n-1 
onde: N é o número de grãos observados por polegada quadrada, quando o metal é examinado 
ao microscópio com um aumento de 100x 
 n é o número do tamanho de grão ASTM 
Considerando os grãos, as microestruturas dos metais monofásicos podem ser 
diferenciadas de três maneiras: 
♦ Tamanho de grão 
♦ Forma do grão 
♦ Orientação preferencial 
 
 
 
 
 
 
 
 Forma de grão 
diferente 
Tamanho de 
grão diferente 
Com e sem orientação 
preferencial 
 28
Questionário 
 
4.1. Quando dois cristais podem ser chamados de polimorfos? Exemplifique, indicando a(s) 
temperatura(s) de transformação alotrópica. 
Resposta: Dois cristais são ditos polimorfos quando, embora tenham estruturas cristalinas 
diferentes, apresentam a mesma composição química. Ex.: Fe 
 
 
 1540 1400 910 Temp. amb. 
Líquido Feγ (CFC) Feα (CCC) 
T (°C) 
 
 Feδ (CCC) 
 
Veja a descontinuidade do Ferro no gráfico abaixo! Ocorre uma contração do material em 
910°C, quando do aumento do volume específico pelo efeito da dilatação térmica. 
 
Volume 
específico 
(cm3/g) 
910 
T (°C) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4.2. O titânio tem uma estrutura HC (a=0,2956 nm; c=0,4683 nm) abaixo de 880°C e uma 
estrutura CCC (a=0,332 nm) acima desta temperatura. MTi=47,9 g/mol 
a) o titânio se expande ou se contrai ao ser aquecido a esta temperatura? 
b) Calcular a variação de volume em cm3/g. 
 
4.3. Pode-se considerar qualquer obstáculo que atrapalhe a continuidade da organização dos 
átomos (arranjo atômico) como sendo uma imperfeição. Um exemplo mais óbvio é a superfície 
externa do material. Qual a diferença entre os átomos da superfície e do interior do material? 
 
 
 
 
4.4. Qual o procedimento que torna possível observar os grãos e seus contornos no microscópio, 
como na figura 4.5.? 
 
 
 
 
 
 
 
 
4.5. Por que os contornos são mais facilmente atacados quimicamente (processo de corrosão), 
que o interior dos grãos? 
 
 29
 
 
 
 
4.6. Um aço tem tamanho de grão ASTM 8. Qual a área média observada por grão em uma 
superfície polida? 
N = 28-1 = _________ grãos/pol2 a 100x de ampliação ou 
 _________ .(100x100) = ___________ grãos/pol2 a 1x de ampliação 
Logo, área de um grão = 1/ _______________ = _________________ pol2/grão 
(neste tamanho não dá para ver a olho nu!) 
 
4.7. Qual o significado do termo grão equiaxial? 
 
 
 
4.8. Explique como se formam os grãos no material metálico. 
 
. . 
 . . . 
 . . 
 
 
 
 (1) (2) (3) 
 
 
 
 
 
 
 30
 
5. Deformação dos Materiais 
 
Os materiais, quando submetidos a um esforço de natureza mecânica, tendem a deformar-
se. Conforme a sua natureza, o comportamento varia durante a deformação. Podem apresentar 
apenas deformação elástica até a ruptura, como no caso de elastômeros, ou sofrer apreciável 
deformação plástica antes da ruptura, como nos metais e termoplásticos. 
 
5.1. Deformação Elástica 
 A deformação elástica é resultado de uma pequena elongação ou contração do retículo 
cristalino na direção da tensão (tração ou compressão) aplicada. 
 átomo 
 
 
 
 
Sem tensão externa Sob tensão de compressão Sob tensão de tração 
Figura 5.1. Deformação elástica no nível atômico. 
 
Lembre-se que a deformação é proporcional a tensão na zona elástica, conforme a lei de 
Hooke. Quanto mais intensas as forças de atração entre os átomos, maior é o módulo de 
elasticidade E. 
 Qualquer elongação ou contração de uma estrutura cristalina em uma direção, causada 
por uma tensão, produz uma modificação na dimensão perpendicular (lateral). A relação entre a 
deformação lateral εxe a deformação longitudinal εy é chamada de coeficiente de Poisson: 
ν = - εx / εy 
 
A direção cristalina influencia no módulo de elasticidade do material? 
Resposta: Os materiais não são isotrópicos em relação ao módulo de elasticidade. Por exemplo, 
o ferro tem um módulo de elasticidade variando de 290.000 MPa na direção [1 1 1] a 130.000 
MPa na direção [1 0 0]. O conhecido valor de E=210.000 MPa é, na verdade, um valor médio, 
pois o material é policristalino. 
ATENÇÃO: observe apenas que cada direção tem um nome. Ex. [100], [111] 
Isotrópico: a propriedade especificada é igual em qualquer direção. 
Anisotrópico: a propriedade especificada varia conforme a direção. 
 
 
5.2. Direções e Planos dos Cristais 
 
 Para cristais cúbicos, os índices de direção cristalográfica são componentes de vetor da 
direção ao longo de cada eixo e reduzidos aos menores inteiros. Veja a figura 5.2(a). 
 
Muitas vezes é necessário se referir aos planos de átomos dentro da estrutura cristalina e, 
para isto, utiliza-se uma codificação chamada índices de Miller (figura 5.2.b). 
 
 31
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 (a) (b) 
(1 0 0) 
(1 1 0) 
z 
y 
x 
[2 0 1] 
[1 1 0] 
[0 1 0] 
[1 1 1] 
z 
y 
x 
Figura 5.2. – Ilustração de direções cristalinas (a) e de planos cristalinos (b). 
 
5.3. Deformação Plástica 
Na prática, qual a importância da região elástica do material? Bem, a maioria das peças, 
estruturas e equipamentos que fabricamos não devem sofrer modificações na sua forma com o 
tempo. Por exemplo, não queremos montar um telhado sobre uma estrutura metálica, e o peso 
deste telhado deformar algumas tesouras, podendo ocasionar um efeito catastrófico. Por isto, 
projetamos esta estrutura para suportar apenas deformação elástica. 
Muito bem, então, na Engenharia, apenas devemos nos preocupar com a região elástica? 
Não, pois muitas das peças fabricadas, para terem a forma desejada devem sofrer uma 
deformação plástica, através de processos específicos. 
A deformabilidade permanente é muito importante na prática, pois permite a realização 
de conformação mecânica, ou seja de operações mecânico-metalúgicas muito empregadas na 
fabricação de peças metálicas. Veja a figura 5.3. 
 
Figura 5.3 - processos de conformação mecânica usuais: (a) laminação; (b) forjamento; (c) 
extrusão; (d) trefilação.(VanVlack, Ed. Campus, pág.211) 
 
A capacidade dos metais de serem deformados de modo permanente é chamada de 
plasticidade. 
O processo de conformação pode ser realizado em diferentes temperaturas, de modo que 
surge dois termos clássicos: trabalho mecânico a frio e trabalho mecânico a quente. A 
separação entre os dois se dá pela temperatura de recristalização, definida como "a menor 
 32
temperatura na qual uma estrutura deformada de um metal trabalhado a frio é restaurada ou é 
substituída por uma estrutura nova, livre de tensões, após a permanência nessa temperatura por 
um tempo determinado". 
A deformação de um material em um processo é medida pela redução na área da seção 
transversal, isto é: 
 r = [ A0 – Af ] / A0 
Onde A0 e Af são, respectivamente, a área inicial e a área final. 
 
Figura 5.4 – Efeito nos grãos obtido com processos de conformação a frio: (a) laminação; (b) 
trefilação. 
 
A deformação plástica resultante do trabalho mecânico a frio (abaixo da temperatura de 
recristalização) provoca o chamado fenômeno de encruamento, isto é aumento da dureza 
através da deformação a frio. A tabela 5.1. mostra o efeito do encruamento sobre as 
características mecânicas de alguns metais e ligas metálicas. Observe no gráfico a seguir a 
alteração do alongamento e do limite de resistência com a % de deformação a frio. 
 
Limite de Resistência à tração 
alongamento 
 
 
 
 
 
 Deformação a frio (%) 
 
Tabela 5.1. - Efeito do encruamento sobre características mecânicas 
Liga Estado Resistência à 
tração (MPa) 
Alongamento 
(%) 
Dureza 
Brinell 
Aço ABNT Normal 336 38 120 
1010 Trabalhado a frio 910 2 265 
Aço AISI 301 Normal 770 60 165 
 Trabalhado a frio 1295 9 380 
Alumínio puro Normal 91 40 23 
 Trabalhado a frio 168 10 44 
Latão para Normal 336 55 70 
cartuchos Trabalhado a frio 770 14 155 
 
 33
Com a deformação mecânica, os grão são alongados na direção do esforço mecânico 
aplicado. 
 Com o encruamento, podem haver perdas nas propriedades do material, como diminuição 
da condutibilidade elétrica, aumento das perdas magnéticas e diminuição da resistência à 
corrosão. 
 
Existem materiais que possuem um comportamento conforme o seguinte gráfico tensão x 
deformação. Este material poderia ser conformado através de processos de deformação a frio, 
como dobramento? Por que? 
 
ε 
x = ruptura
x 
σ 
 
 
 
 
 
 
 
 
5.4. Discordâncias 
Elas têm uma forte influência sobre as propriedades mecânicas dos metais e de alguns 
cerâmicos. 
 
Características das discordâncias: 
♦ elas são criadas devido às condições de processamento (a forma usada na fabricação do 
material) e por forças mecânicas que atuam sobre o material. 
♦ estão quase sempre presentes nos cristais reais. 
♦ em um material típico, aproximadamente 5 de cada 100 milhões de átomos (0.000005%) 
pertencem a um defeito tipo discordância. Em uma porção de material de 10 cm3 (cerca do 
tamanho de um dado de seis lados), haverá aproximadamente 1017 átomos que pertencem a 
defeitos tipo discordância. 
 
Figura 5.5 – Discordâncias (linhas) mostradas através de um microscópio eletrônico de 
transmissão. 
 
O tipo mais simples de discordância pode ser visto como um semiplano atômico extra, 
inserido na estrutura, o qual termina em qualquer lugar do cristal. A extremidade do meio plano 
é a discordância, conforme mostra a figura abaixo. 
Considerando o "plano extra" que está dentro do cristal, observa-se claramente que o 
cristal está distorcido junto ao plano de escorregamento. 
 34
A figura 5.7. ilustra como uma discordância se move através do cristal, sob a aplicação de 
uma tensão de cisalhamento. Pela aplicação da tensão, o átomo c pode mover-se para a posição 
c' indicada na figura. Se isso acontecer, a discordância mover-se-á de uma distância atômica para 
a direita. A contínua aplicação da tensão levará à movimentação da discordância em etapas 
repetidas. O resultado final é que o cristal é cisalhado no plano de escorregamento de uma 
distância atômica. Isto significa que as discordâncias estão ligadas a deformação 
permanente (escorregamento dos planos atômicos). 
 
 
Figura 5.6 – Discordância em cunha mostrando distorção do cristal 
 
 
Figura 5.7 – Movimento de discordância 
 
Figura 5.8 – Discordância em hélice 
 
 35
Cada etapa do movimento da discordância, requer somente um pequeno rearranjo de 
átomos nas vizinhanças do plano extra. Resulta disso que uma força muito pequena pode mover 
uma discordância. 
O movimento de uma discordância através de todo o cristal produz um degrau na 
superfície do mesmo, cuja profundidade é de uma distância atômica. Como uma distância 
atômica em cristais metálicos é da ordem de alguns nanometros, esse degrau evidentemente não 
é visível a olho nu. 
Além das discordâncias em cunha, existem as discordâncias em hélice ou helicoidais. A 
designação 'hélice' para esse defeito do reticulado deriva do fato de que os planos do reticulado 
do cristal formam uma espiral na linha da discordância (figura 5.8). 
 
Questionário 
5.1) A região da discordância possui maior energia? Por que? 
 
 
 
5.2) Ao calcular o limite de resistência dos metais com base em um modelo de cristal perfeito, 
obtém-se o valor de E/20. Os metais não são tão resistentes, portanto, o modelo não é adequado e 
deve existir um outro mecanismo relacionado com o processo de deformação plástica. Qual é 
estemecanismo? 
Resposta: A explicação para a discrepância entre os limites de escoamento calculado e real 
reside no fato de que os cristais não são perfeitos, pois contém defeitos, sendo que as 
discordâncias são o tipo de defeito responsável por este fato. 
 
5.3) O tamanho de grão (TG) tem influência marcante nas propriedades mecânicas das ligas 
metálicas (também dos materiais cerâmicos), conforme a figura abaixo: 
 
Os responsáveis por esta alteração nas propriedades são os contornos de grão. Qual o 
efeito deles na mudança das propriedades? 
Resposta: Conforme aumenta o número de discordâncias ao longo do plano, a força de 
cisalhamento necessária também aumenta. Entretanto, isto não é importante, a menos que haja 
a interferência de algum fator estrutural (barreira), tal como o contorno de grão. Um 
empilhamento de discordâncias, tal como na figura abaixo aumenta a resistência do metal para 
o escorregamento posterior. 
 
Plano de escorregamento 
Contorno de grão 
 
 
 
 
 36
5.4) Como pode-se observar pela figura 3.1., o limite de resistência aumenta, com o aumento da 
% de elemento de liga na solução sólida. O que acontece, em nível de estrutura cristalina, para 
ocorrer tal fato? 
 
 
 
5.5) Considerando a tensão de cisalhamento efetiva τ na direção de escorregamento, 
τ = F/A cos(λ) cos(φ) 
φ 
λ 
Direção de escorregamento 
F F 
 
 
 
 
 
 
 
 
a) Quando τ é máximo? 
Obs.: isto ocorre em materiais dúcteis. No caso de materiais frágeis, estes rompem com φ = 0 
 
b) Pegue uma barra de giz e execute um esforço de torção e verifique o ângulo de quebra por 
torção (observe que o mesmo é frágil). No caso de materiais dúcteis este mesmo ângulo é igual a 
zero. 
 37
6. Efeito da Temperatura nos Metais 
 
 Os cristais plasticamente deformados tem mais energia que os cristais não-deformados, 
devido a existência de grande quantidade de discordâncias. Como é possível reacomodar os 
átomos? 
Aquecendo o material acima da temperatura de recristalização durante um certo tempo. 
 
Tabela 6.1. – Temperaturas de recristalização para alguns metais e ligas de uso comum. 
Material Temperatura de 
Recristalização (°C) 
Cobre eletrolítico (99,999%) 121 
Cu – 5%Zn 315 
Cu – 5%Al 288 
Cu – 2%Be 371 
Alumínio (99,0%) 288 
Ligas de alumínio 315 
Níquel (99,99%) 571 
Ligas de Magnésio 252 
Ferro eletrolítico 398 
Aço de baixo carbono 538 
Zinco 10 
Chumbo -4 
Estanho -44 
 
A manutenção do material a uma temperatura suficientemente elevada faz com que a 
vibração térmica dos átomos permita maior mobilidade das discordâncias. Mesmo em 
temperaturas inferiores a temperatura de recristalização, as discordâncias são bastante móveis 
para formar arranjos regulares e mesmo se aniquilarem (somente as discordâncias de sinais 
opostos). Este processo é chamado de RECUPERAÇÃO e, embora não mude a microestrutura, 
restaura parcialmente a maciez (menor resistência e maior ductilidade). 
 
Figura 6.1. – Mudança de propriedades e estrutura com a recuperação e a recristalização. 
 
A maciez original é inteiramente restaurada pelo aquecimento acima da temperatura de 
recristalização, quando se formam novos grãos com baixa densidade de discordâncias. Os grãos 
se desenvolvem até que a estrutura toda esteja RECRISTALIZADA. A microestrutura resultante 
é equiaxial. Veja a figura 6.1. 
 38
 
Os principais fatores que afetam a recristalização são: 
1. uma quantidade mínima de deformação prévia: se o trabalho a frio prévio é zero, não há 
energia de ativação para a recristalização e ficam mantidos os grão originais; 
2. quanto maior a deformação prévia, menor será a temperatura de recristalização; 
3. quanto menor a temperatura, maior o tempo necessário à recristalização; 
4. quanto maior a deformação prévia, menor será o tamanho de grão resultante (pois será 
maior o número de núcleos a partir dos quais crescerão os novos grãos). 
OBS: Uma estrutura de grãos grosseiros apresenta propriedades mecânicas pobres, ao 
passo que um tamanho de grão fino fornece ao material alta resistência sem diminuir-lhe 
muito a ductilidade. 
5. adições de elementos de liga tendem a aumentar a temperatura de recristalização (pois 
retardam a difusão). 
 
 
 
 
Figura 6.2. – crescimento de grão durante recristalização (Gulhaév, pág. 103) 
 
6.1. Como que o tamanho médio dos grãos de um metal monofásico pode aumentar com o 
tempo, da forma mostrada na figura 6.2? 
 
 
 
 
 39
 
6.2. O processo de crescimento de grão é reversível? Como fazer para diminuir (refinar) o 
tamanho de grão? 
 
 
 
 
 
6.1. Deformação a Quente 
 Com o trabalho a quente, não ocorre o fenômeno de encruamento, pois a estrutura é 
restaurada (amolecimento) devido ao recozimento simultâneo. As principais razões para o uso do 
trabalho a quente são: 
1. A energia necessária para deformar é menor; 
2. o metal adquire maior capacidade de deformar-se sem fissuração; 
3. algumas heterogeneidades das peças, como porosidades, são praticamente eliminadas pelo 
trabalho a quente; 
4. estruturas grosseiras podem ser eliminadas, transformando-se em grãos menores. 
 
 
6.2. Introdução aos Tratamentos Térmicos Industriais 
Para fabricar uma sanfona de termostato é necessário executar os seguintes processos: 
1. Corte de um disco de bronze fosforoso de 25 mm de diâmetro e 0,55 mm de espessura. 
2. Embutimento na forma de um copo de 14,2 mm de diâmetro e 11 mm de altura. 
3. Estiramento (extrusão) até diâmetro de 13,6 mm, e 18 mm de altura (0,3 mm de parede) 
4. Estiramento (extrusão) até diâmetro de 12,78 mm e 31 mm de altura (0,16mm de parede) 
5. Estiramento (extrusão) até diâmetro de 12,52 mm e 40 mm de altura (0,10 mm de parede) 
6. Corrugamento na forma de sanfona 
O copo não pode ser conformado continuamente até o final (sanfona), pois ocorrerá rompimento. 
O que é feito, então, para aumentar a ductilidade, visto que houve o aumento da dureza no 
processo de conformação mecânica a frio? 
É feito um processo chamado de recozimento, no qual a peça é aquecida em um forno 
acima da temperatura de recristalização durante um determinado tempo. Tal processo de 
recozimento envolve difusão, e portanto é grandemente dependente da temperatura e do 
tempo. Temperatura de recozimento para ligas Cu-Sn: 580-600°C 
 
Este exemplo ilustra a necessidade de um processo de tratamento térmico, parte do 
processo de fabricação de uma peça. O tratamento térmico é o conjunto de operações de 
aquecimento a que são submetidos os materiais metálicos, sob condições controladas de 
temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de esfriamento, com o objetivo de alterar as 
suas propriedades. 
 
 
 
 O termo recozimento se refere a um tratamento térmico no qual um material é exposto a 
uma temperatura elevada por um período de tempo prolongado, sendo ele então resfriado 
lentamente. Normalmente, o recozimento é realizado com os objetivos de: 
1. aliviar as tensões 
2. tornar o material mais mole, dúctil e tenaz 
3. produzir uma microestrutura específica 
 
 40
Como podem ser desenvolvidas tensões internas nas peças metálicas? 
(1) através de processos de deformação plástica, como usinagem, conformação, etc. 
(2) através de resfriamento não-uniforme de uma peça que foi fabricada ou processada em 
temperatura elevada, tal como em uma solda ou uma fundição. 
(3) uma transformação de fases que seja induzida mediante resfriamento onde as fases de 
origem e de produto tenham características diferentes. 
 Distorção e empenamento podem ocorrer se essas tensões residuais não forem 
eliminadas, podendo ser removidas através de um processo de recozimento chamado de alívio 
de tensões. 
 
 Os tratamento térmicos são realizados em fornos de diferentes tipos de construção, 
variando quanto ao tamanho e volume da carga, ao tipo de aquecimento