PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS - UNIDADE 1

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CCE 0291
Lourdes Martins
Unidade 1
 Ciência dos materiais faz parte do
conhecimento básico para todas as
engenharias.
 As propriedades dos materiais definem o
desempenho de um determinado
componente e o processo de fabricação do
mesmo
3
Evolução do uso dos 
Materiais
>10.000 a.C.
Pele de animais e madeira
4
Evolução do uso dos 
Materiais
10.000 a.C. 5.000 a.C. 2.000 a.C.
Lança de pedra Cerâmica Bronze
5
Evolução do uso dos 
Materiais
1.000 a.C. Séc XIX
Aço Alumínio Titânio
Séc XIX
6
Evolução do uso dos 
Materiais
Séc XX
Super ligas de Ni
Séc XX
Cerâmicas 
de Engenharia
Séc XXI
Nanotecnologia
7
Disponibilidade dos 
Materiais
Fonte: PADILHA, F. Materiais de Engenharia: Microestrutura e propriedades, Hemmus: Curitiba (2000)
8
Elementos 
químicos 
presentes na 
crosta terrestre
Disponibilidade dos 
Materiais
 Ciência dos materiais: Envolve a investigação das
relações que existem entre as estruturas e as
propriedades dos materiais.
 Engenharia de Materiais: Consiste, na escolha e uso
da estrutura de um material para produzir uma
série de propriedades pré - determinadas.
 A estrutura de um material está geralmente
relacionada ao arranjo de seus componentes
internos.
 Propriedade é uma peculiaridade do material em
termos do tipo e da intensidade da resposta a um
estímulo específico que lhe é imposto.
 Virtualmente, todas as propriedades importantes
dos materiais sólidos podem ser agrupadas em
seis categorias diferentes: mecânica – elétrica –
térmica – magnética – ótica e deteriorativa.
 Mecânicas – relacionam deformações com uma
carga ou força aplicada. Ex. módulo de
elasticidade e a resistência.
 Elétricas: O estímulo é um campo elétrico.
Ex.condutividade elétrica e a constante dielétrica.
 Térmica - O comportamento térmico de um
sólido pode ser representado em termos da
capacidade calorífica e da condutividade térmica.
 Magnéticas – demonstram a resposta de um
material à aplicação de um campo magnético.
 Óticas – o estímulo é a radiação
eletromagnética ou luminosa. Ex. índice de
refração e a refletividade.
 Deteriorativas - indicam a reatividade
química dos materiais.
 Além da estrutura e propriedade, dois outros
componentes importantes estão envolvidos na
ciência e na engenharia dos materiais, quais
sejam, processamento e desempenho.
 Com respeito às relações destes quatro
componentes, a estrutura de um material irá
depender da maneira como ele é processado.
 O desempenho de um material será uma função
das suas propriedades.
 Processamento→ Estrutura→ Propriedade→ Desempenho
Propriedades dos 
Materiais
Composição e Processo
de Fabricação
Microestrutura
E
N
G
E
N
H
A
R 
I 
A
Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do
Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio
O número de materiais cresceu muito nas últimas
décadas e a tendência é de se proliferarem mais
num futuro próximo
 Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos 
métodos de extração de materiais da natureza
 Modificação de materiais naturais
 Combinação de materiais conhecidos para a 
formação de novos materiais
QUANTOS MATERIAIS DIFERENTES EXISTEM ?
COMO ESCOLHER ??
 Vidro
 Cerâmica
 Plástico
 Madeira
 Metal
 Papel
 Custo
 Tempo de vida ou 
Durabilidade
 Aparência
 Finalidade: Natureza do
líquido (ex: copo de
metal e papel não pode
ser usado para café,
suco de laranja não
pode ser armazenado
numa taça antiga de
porque remove o Pb da
liga)
Depende
 Em primeiro lugar, o engenheiro deve
caracterizar quais as condições de operação
que será submetido o referido material e
levantar as propriedades requeridas para tal
aplicação, saber como esses valores foram
determinados e quais as limitações e
restrições quanto ao uso dos mesmos.
 A segunda consideração na escolha do material
refere-se ao levantamento sobre o tipo de
degradação que o material sofrerá em serviço.
 Por exemplo, elevadas temperaturas e ambientes
corrosivos diminuem consideravelmente a
resistência mecânica.
 Finalmente, a consideração talvez mais 
convincente é provavelmente a econômica: 
Qual o custo do produto acabado??? 
Um material pode reunir um conjunto ideal de 
propriedades, porém com custo elevadíssimo. 
 Em raras ocasiões um material reúne uma
combinação ideal de propriedades, ou seja,
muitas vezes é necessário reduzir uma em
benefício da outra.
 Um exemplo clássico são resistência e
ductilidade, geralmente um material de alta
resistência apresenta ductilidade limitada. Este
tipo de circunstância exige que se estabeleça
um compromisso razoável entre duas ou mais
propriedades.
SELEÇÃO DOS MATERIAIS POR 
ÍNDICE DE MÉRITO
Ex. Resistência:
Material Aço-liga Ti Al PRFC
(alta resist.) (AA7074)
Resist. (MPa) 1000 800 500 700
à tração
PRFC= Polímero reforçado com fibra de carbono
SELEÇÃO DOS MATERIAIS POR 
ÍNDICE DE MÉRITO
Ex. Custo p/Kg/US$:
Material Aço-liga Ti Al PRFC
(alta resist.) (AA7074)
0,75 15 3 20
PROPRIEDADES
Propriedades 
mecânicas gerais
Propriedades 
gerais não-
mecânicas
Propriedades de 
superfície
Preço e 
disponibilidade
Propriedades de 
produção –
facilidade de 
fabricação, união 
e acabamento
Propriedades 
estéticas –
aparência, 
textura, sensação 
táctil
PROJETO
INDÚSTRIA DE PONTA PRODUÇÃO EM MASSA
TIPOS DE INDÚSTRIA - INFLUÊNCIA DOS MATERIAIS
SELEÇÃO CUIDADOSA
(FATOR CUSTO SECUNDÁRIO)
SELEÇÃO CUIDADOSA
(FATOR CUSTO PRIMORDIAL)
• Grande exigência 
tecnológica
• Utilização dos mate-
riais nos limites
• Produtos não
diferenciados
• Utilização de materiais 
abaixo dos limites
Novas Idéias Projeto Seleção de Materiais
Novos Materiais Materiais existentes
Manufatura
Aplicações finais
Engenharia de Materiais e as 
Novas Tecnologias
Composição, tipo de ligação química, 
estrutura cristalina e microestrutura -
definem as propriedades do material
 A classificação tradicional dos materiais é
geralmente baseada na estrutura atômica e
química destes.
 Metais
 Cerâmicas
 Polímeros
 Compósitos
 Semicondutores
 Biomateriais (Mat. Biocompatíveis)
Classificação tradicional
Metais  Materiais metálicos sãogeralmente uma combinação
de elementos metálicos.
 Os elétrons não estão ligados
a nenhum átomo em particular
e por isso são bons condutores
de calor e eletricidade.
 Não são transparentes à luz
visível.
 Têm aparência lustrosa
quando polidos.
 Geralmente são resistentes e
deformáveis.
 São muito utilizados para
aplicações estruturais.
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Materiais Metálicos
Características Gerais
• Possuem brilho
• Boa condutividade térmica e 
elétrica
• Boa maleabilidade
• Ponto de fusão médio
• Dureza média
• Boa tenacidade
• Em geral, resistência à 
corrosão é ruim
• Em geral, densidade alta
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Materiais Metálicos
Tipos
• Metais Ferrosos
• Metais leves
• Metais de baixo ponto de 
fusão
• Metais nobres
• Metais refratários
• Metais resistêntes à corrosão
Exemplos
• Aço, Ferro fundido
• Alumínio, Titânio, Berílio
• Chumbo, Estanho, Zinco
• Ouro, Prata, Platina
• Tungstênio, Molibdênio
• Cobre, Latão, Bronze, Níquel
Quando ocorre o processo de solidificação, os
átomos se posicionam de acordo com um padrão
tridimensional repetitivo, onde cada átomo está
ligado aos seus vizinhos mais próximos,
estabelecendo uma configuração bem ordenada.
Essa configuração é chamada de REDE CRISTALINA
ou CRISTAL.
ESTRUTURA CRISTALINA
Refere-se ao arranjo dos seus componentes internos.
Cerâmicas  Materiais cerâmicos sãogeralmente uma combinação
de elementos metálicos e não-
metálicos.
 Geralmente são óxidos,
nitretos e carbetos.
 São geralmente isolantes de
calor e eletricidade.
 São mais resistêntes à altas
temperaturas e à ambientes
severos que metais e
polímeros.
 Com relação às propriedades
mecânicas as cerâmicas são
duras, porém frágeis.
 Em geral são leves.
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Materiais Cerâmicos
Características Gerais
• Em geral opacos mas podem 
ser transparentes
• Bons isolantes térmicos e 
elétricos
• Frágeis
• Dureza elevada
• Ponto de fusão elevado
• Maleabilidade ruim
• Boa resistência à corrosão
• Densidade média
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Materiais Cerâmicos
Tipos
• Cerâmica Tradicional
• Cerâmica Avançada
• Revestimento Cerâmico
Exemplos
• Tijolo, azulejo, porcelana, 
vidro
• Diamante, óxido de zircônio, 
óxido de alumínio, Carboneto 
de silício
• DLC, Nitretos de ferro, 
boretos de ferro etc..
CLASSIFICAÇÃO
Tradicionais
Sílico-aluminosas
Provenientes de 
matérias-primas 
naturais (argila)
Baixo custo
Construção civil e 
objetos utilitários
Avançadas
Óxidos, 
carbetos e 
nitretos
Eletrônicos
Ópticos
Biomateriais
 Estruturas mais complexas do
que a dos metais.
 Alguns materiais cerâmicos
são cristalinos, enquanto
outros são amorfos.
 Ligação atômica varia desde
puramente iônica até
totalmente covalente.
 Estruturas cristalinas
estáveis: os ânions estão
todos em contato com o
cátion.
12SiC
30Si3N4
51SiO2
67NaCl
89CaF2
% Caráter iônicoMaterial
Instável
Fonte: Callister, Jr.,W. D., Fundamentos da ciência e
engenharia de materiais, LTC, 2006.
ESTRUTURA CRISTALINA
OS MATERIAS CERÂMICOS NA TABELA PERIÓDICA
Os cerâmicos são constituídos de metais e não-metais
Polímeros
 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 Poliméricos
Características Gerais
• Em geral opacos mas podem 
ser transparentes
• Bons isolantes térmicos e 
elétricos
• Boa plasticidade e 
elasticidade
• Baixa dureza
• Baixo ponto de fusão
• Resistência à corrosão média
• Baixa densidade
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Materiais Poliméricos
Tipos
• Naturais
• Sintéticos
Exemplos
• Latex, pele, DNA, glicose, 
celulose, madeira, unha, 
chifre, cabelo
• Acrílico, isopor, PVC, 
Policarbonato, Náilon
POLÍMEROS
HIDROCARBONETOS
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 classico 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.
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Materiais Compósitos
Características Gerais
• São materiais produzidos de 
modo a se obter uma 
otimização de propriedades
• Tem-se propriedades que não 
se consegue num único 
material, ou que seja 
economicamente mais 
vantajoso
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Materiais Compósitos
Tipos
• Mesma classe
• Classes distintas
Exemplos
• Folha de flandres, aços 
galvanizados
• Pneu, embalagem tetrapak, 
fibra de carbono, fibra de 
vidro, fio condutor de 
eletricidade com isolante
Semicondutores
 Materiais semicondutores
apresentam propriedades
elétricas que são
intermediárias entre metais e
isolantes.
 Além disso, as características
elétricas são extremamente
sensíveis à presença de
pequenas quantidades de
impurezas, cuja concentração
pode ser controlada em
pequenas regiões do material
(para formar as junções p-n).
 Os semicondutores tornaram
possível o advento do circuito
integrado que revolucionou as
indústrias de eletrônica e
computadores.
 Ex: Si, Ge, GaAs, InSb, GaN,
CdTe.
InP
Biomateriais  Biomateriais são empregados
em componentes para
implantes de partes em seres
humanos.
 Esses materiais não devem
produzir substâncias tóxicas e
devem ser compatíveis com o
tecido humano (isto é, não
deve causar rejeição).
 Metais, cerâmicos, compósitos
e polímeros podem ser usados
como biomateriais.
EVOLUÇÃO DA UTLIZAÇÃO DOS MATERIAIS
Figura copiada do material do Prof. Arlindo Silva do Instituto 
Superior Técnico da Universidade de Portugal
◦ São materiais utilizados em aplicações de
tecnologia de ponta, ou seja, são materias
utilizados para a fabricação de dispositivos ou
componentes que funcionam ou operam usando
princípios sofiscados.
◦ Exemplos destas aplicações incluem:
equipamentos eletrônicos (VCRs, CD players,
DVDs), computadores, sistemas de fibra óptica,
foguetes e mísseis militares, detectores, lasers,
displays de cristal líquido, indústria
aeroespacial, etc.
◦ Estes materiais são geralmente materiais
tradicionais cujas propriedades são optimizadas
ou materiais novos de alto desempenho.
Materias que apresentem:
 Alto desempenho
 Baixo peso e alta resistência
 Resistência à altas temperaturas
 Desenvolvimento de materiais que sejam
menos danosos ao meio ambiente e mais
fáceis de serem reciclados ou regenerados
	PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 
	INTRODUÇÃO
	Slide Number 3
	Slide Number 4
	Slide Number 5
	Slide Number 6
	Slide Number 7
	Slide Number 8
	Conceitos
	Conceitos
	Conceitos
	Conceitos
	Conceitos
	Slide Number 14
	Slide Number 15
	Slide Number 16
	Slide Number 17
	�Como definir qual o melhor material para um determinado fim?� Exemplo: Copo
	Quais os critérios que um engenheiro deve �adotar para selecionar um material entre tantos outros?
	Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? 
	Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? 
	Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? 
	Slide Number 23
	Slide Number 24
	PROPRIEDADES X PRODUÇÃO
	Slide Number 26
	Slide Number 27
	Slide Number 28
	CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
	CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
	CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
	Slide Number 32
	Slide Number 33
	Slide Number 34
	Slide Number 35
	CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
	Slide Number 37
	Slide Number 38
	Slide Number 39
	Slide Number 40
	Estáveis
	Slide Number 42
	CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
	Slide Number 44
	Slide Number 45
	Slide Number 46
	Slide Number 47
	CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
	Slide Number 49
	Slide Number 50
	CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
	CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
	Slide Number 53
	MATERIAIS AVANÇADOS
	ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE A NECESSIDADE DE MATERIAIS MODERNOS