APOSTILA_Ciências+dos+Materiais

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CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 
(Material de apoio) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Professora: Lorena Bertranda 
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CONTEÚDO 
 
1. MATERIAIS DA ENGENHARIA .......................................................................................................... 3 
1.1 Metais .................................................................................................................................................... 3 
1.2 Materiais poliméricos .......................................................................................................................... 6 
1.3 Cerâmicos ............................................................................................................................................. 7 
1.4 Compósitos ........................................................................................................................................... 7 
2. SELEÇÃO DE MATERIAIS .................................................................................................................. 9 
3. ESTRUTURA CRISTALINA ............................................................................................................... 10 
4. IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS ........................................................................................................ 12 
5. MECANISMOS DE AUMENTO DE RESISTÊNCIA ....................................................................... 15 
6. CORROSÃO ......................................................................................................................................... 16 
7. FALHA ................................................................................................................................................... 19 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................................................... 21 
 
 
 
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1. MATERIAIS DA ENGENHARIA 
 
Estudos sobre os materiais que são utilizados na área da engenharia independente da 
atuação. 
 
1.1 Metais 
 
Metais são materiais que contêm ligação química metálica (possuem elétrons livres), 
isto garante que este material seja condutor elétrico e térmico. Possuem alta 
resistência mecânica e dureza, também são materiais que têm alto ponto de fusão 
(transformação de sólido para líquido) e ebulição (transformação do estado líquido 
para gasoso), exceto o metal Mercúrio. 
 
Figura 1: Classificação de ligas metálicas. 
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LIGAS FERROSAS 
As ligas ferrosas — aquelas onde o ferro é o constituinte principal — são produzidas 
em maior quantidade do que qualquer outro tipo de metal. Essas ligas são 
especialmente importantes como materiais de construção em engenharia. Seu amplo 
uso é o resultado de três fatores: (1) compostos que contêm ferro existem em 
quantidades abundantes no interior da crosta terrestre; (2) o ferro metálico e as ligas de 
aço podem ser produzidos usando técnicas de extração, beneficiamento, formação de 
ligas e fabricação relativamente econômicas; e (3) as ligas ferrosas são extremamente 
versáteis, no sentido em que elas podem ser adaptadas para possuir uma ampla 
variedade de propriedades mecânicas e físicas. A desvantagem principal de muitas 
ligas ferrosas é a suscetibilidade à corrosão. 
 
AÇOS 
Os aços são ligas ferro-carbono que podem conter concentrações apreciáveis de outros 
elementos de liga; existem milhares de ligas que possuem composições e/ou 
tratamentos térmicos diferentes. 
 
Aços estruturais 
São aços com poucos elementos de liga e se baseia na composição simples de Fe-C-Si 
e Mn. São muito utilizados como o próprio nome diz em estruturas devido a sua alta 
resistência mecânica. 
 
Aços ferramenta 
Os aços para ferramentas e matrizes são ligas com alto teor de carbono 
(geralmente de 0,4 a 1,4% de C), contendo geralmente cromo, vanádio, 
tungstênio e molibdênio.São aços que passam por tratamentos térmicos para 
adquirir alta dureza. Esses elementos de liga combinam-se com o carbono para 
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formar compostos à base de carbeto que são muito duros e resistentes ao desgaste 
e à abrasão. 
 
Aços inoxidáveis 
Os aços inoxidáveis são altamente resistentes à corrosão (oxi-dação superficial) em 
uma variedade de ambientes, especialmente a atmosfera ambiente. Seu elemento 
de liga predominante é o cromo; é necessária uma concentração de cromo de pelo 
menos 11 %p. A resistência à corrosão também pode ser melhorada através de 
adições de níquel e molibdênio. Os aços inoxidáveis estão divididos em três classes 
com base na fase constituinte predominante na sua microestrutura, quais sejam: 
martensítica, ferrítica ou austenítica. 
Os martensíticos são utilizados em cutelarias e ferramentas, os ferríticos em talheres e 
eletrodomésticos e os austeníticos em várias aplicações em industrias e petroquímicas. 
 
FERROS FUNDIDOS 
 
Genericamente, os ferros fundidos formam uma classe de ligas ferrosas que possui 
teores de carbono acima de 2,14%p; na prática, contudo, a maioria dos ferros fundidos 
contém entre 3,0 e 4,5 %p C , com alta porcentagem de Si, por isto é muito difundida 
como uma liga Fe-C e Si, além disso, outros elementos de liga. Possuem alta dureza e 
são frágeis. 
 
Ferro cinzento 
Os teores de carbono e silício de ferros fundidos cinzentos variam entre 2,5 e 4,0%p, 
e 1,0 e 3,0%p, respectivamente. 
 
 
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Ferro branco 
A superfície de uma fratura nessa liga apresenta uma aparência esbranquiçada, e dessa 
forma ela é conhecida por ferro fundido branco. Geralmente possuem maior 
porcentagem de carbono que o ferro fundido cinzento e tem um resfriamento mais rápido. 
São extremamente duros e não usináveis, o que limita sua atuação. 
 
COBRE 
É um metal versátil: Combina propriedades mecânicas, elétricas, térmicas e químicas. 
Possui excelenete condutibilidade elétrica: inferior apenas à da platina, prata e ouro 
(metais nobres) e é considerado o metal padrão para condutores elétricos. Possui 
resistência à corrosão. 
 
ALUMÍNIO 
Por suas excelentes propriedades físico-químicas entre as quais se destacam o baixo 
peso específico, a resistência à corrosão, a alta condutibilidade térmica e elétrica e a 
infinita reciclagem apresenta uma ampla variedade de utilização, que o torna o metal 
não- ferroso mais consumido no mundo. É usado como material criogênico (resistente à 
baixas temperaturas). 
 
1.2 Materiais poliméricos 
 
Os polímeros são constituídos de macromoléculas orgânicas, sintéticas ou naturais. Os 
plásticos e borrachas são exemplos de polímeros sintéticos, enquanto o couro, a seda, o 
chifre, o algodão, a lã, a madeira e a borracha natural são constituídos de 
macromoléculas orgânicas naturais. Os polímeros são baseados nos átomos de carbono, 
hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, flúor e em outros elementos não metálicos. A ligação 
química entre átomos da cadeia é covalente, enquanto a ligação intercadeias é fraca, 
secundária, geralmente dipolar. 
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Os materiais poliméricos são geralmente leves, isolantes elétricos e térmicos, flexíveis e 
apresentam boa resistência à corrosão e baixa resistência ao calor. 
 
1.3 Cerâmicos 
 
Sua composição é oriunda da combinação de elementos metálicos e não-metálicos, ou 
seja ligações de carácter iônico, (óxidos, carbetos e nitretos). 
Os principais materiais cerâmicos são: 
– Materiais Cerâmicos Tradicionais : cerâmicas estruturais, louças, refratários 
(provenientes de matérias primas argilosas). 
– Vidros e Vitro-Cerâmicas. 
– Abrasivos. 
– Cimentos. 
– Cerâmicas “Avançadas”: aplicações eletroeletrônicas,térmicas, mecânicas, ópticas, 
químicas, biomédicas. 
 
Figura 2: Exemplos de materiais cerâmicos 
 
1.4 Compósitos 
Os materiais compósitos são materiais projetados de modo a conjugar características 
desejáveis de dois ou mais materiais. Esta classe de materiais é composto por uma fase 
contínua (matriz) e uma fase dispersa (reforço ou modificador), contínua ou não, cujas 
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propriedades são obtidas a partir da combinação das propriedades dos constituintes 
individuais (regra da mistura). 
Para determinar de maneira mais simplória o resultado de propriedades dos compósitos 
deve seguir as propriedades principais dos materiais metálicos, cerâmicos e poliméricos 
listados na tabela abaixo: 
 
Os compósitos são largamente utilizados em aplicações mais exigentes como 
aeroespacial, nuclear e aviação, porém há exemplos simples de conhecimento de todos 
como o concreto e o compósito de fibra de vidro. 
 
Figura 3: Vista explodida da aeronave BEM 170 mostrando os componentes fabricados 
em compósitos poliméricos avançados. 
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2. SELEÇÃO DE MATERIAIS 
 
A ciência dos materiais é o elo de ligação entre as ciências básicas e a engenharia de 
materiais. A transformação dos conhecimentos fundamentais da ciência dos materiais 
em tecnologia leva então à engenharia dos materiais, que trata do levantamento das 
propriedades macroscópicas e das aplicações. 
Para selecionar um bom material para determinada aplicação deve-se seguir o 
triângulo dos materiais, se a base das exigências forem satisfeitas, logo o material na 
aplicação será bem empregado. 
 
 
Figura 4: Triângulo dos materiais 
 
A seleção de materiais nada mais é do que um conjunto de fatores e/ou critérios que 
devem ser satisfeitos, esta etapa no projeto deve ser bem criteriosa para evitar falhas, 
exemplos de fatores tais como: 
 Custo; 
 Vida útil; 
 Disponibilidade do material quando necessária a reposição ou troca de maneira 
rápida; 
 Fornecedor confiável; 
 Certificação de qualidade do material a ser comprado;Entre outros... 
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3. ESTRUTURA CRISTALINA 
 
Sólido cristalino: compostos por átomos, moléculas ou íons arranjados de uma forma 
periódica em três dimensões. As posições ocupadas seguem uma ordenação que se 
repete para grandes distâncias atômicas (de longo alcance), de modo que quando 
ocorre a solidificação os átomos se posicionarão em um padrão tridimensional; 
Sólido amorfo: Não possuem arranjo atômico regular e sistemático ao longo de 
distâncias atômicas relativamente grandes, mas apresentar uma ordenação de curto 
alcance. Incluem os gases , líquidos e os vidros. A formação de um sólido, seja 
cristalino ou não, depende da facilidade com a qual a estrutura atômica aleatória no 
estado líquido pode se transformar em um estado ordenado durante o processo de 
solidificação. 
 
 
Figura 5: Representação de um sólido cristalino e um amorfo 
 
Estrutura cristalina: Determinam muitas das propriedades dos sólidos cristalinos. 
Existem um grande número de estruturas cristalinas diferentes. Estas estruturas variam 
desde simples (metais) a estruturas muito complexas, como o caso dos materiais 
cerâmicos e poliméricos; materiais cerâmicos e poliméricos. Iremos estudar apenas 
as estruturas cristalinas dos metais pois são as mais simples. 
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Modelo de esfera rígida: Os átomos são considerados como se fossem esferas sólidas 
que possuem diâmetros bem definidos. 
 
 
Figura 6: Representação de átomos pelo modelo de esfera rígida. 
 
Os átomos podem ser arranjados em células unitárias (que é o menor agrupamento de 
átomos representativo de uma determinada estrutura cristalina específica), sendo as 
mais comuns a cúbica de face centrada (CFC), cúbica de corpo centrado (CCC) e 
hexagonal compacta (HC). 
 
 
Figura 7: Principais estruturas dos sólidos cristalinos. 
 
Polimorfismo e alotropia 
Alguns metais, bem como alguns não-metais, podem ter mais do que uma estrutura 
cristalina, um fenômeno conhecido por polimorfismo. Quando encontrado em 
sólidos elementares, esta condição é freqüentemente conhecida por alotropia. A 
estrutura cristalina que prevalece depende tanto da temperatura como da pressão 
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externa. Um exemplo familiar é encontrado no carbono: a grafita é o polimorfo 
estável nas condições ambientes, enquanto o diamante é formado a pressões 
extremamente elevadas. Ainda, o ferro puro possui uma estrutura cristalina CCC à 
temperatura ambiente, que se altera para uma estrutura CFC à temperatura de 912°C 
(1674°F). 
 
4. IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS 
 
É importante estudar as imperfeições nos sólidos cristalinos pois influenciam 
profundamente as propriedades de alguns materiais. Existem vários tipos de 
imperfeições e estas possuem papéis diferenciados no comportamento dos materiais. 
 
Classificação dos defeitos: 
 Defeitos puntiformes: associados com uma ou duas posições atômicas. Podem 
ser defeitos de lacunas, átomos interticiais e substitucionais; 
 
Lacunas ou vacância: ausência de átomos na estrutura cristalina. 
 
 
Figura 8: Lacunas ou vacâncias. 
 
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Solução sólida: É formada quando, a medida em que os átomos do material hospedeiro 
são adicionados, a estrutura cristalina é mantida e nenhuma outra estrutura é formada. 
 
 
Figura 9: Átomos interticiais e substitucionais. 
 
 Defeitos de linha: defeitos unidimensionais. Discordâncias; 
Discordância: É um defeito linear ou unidimensional em torno do qual alguns 
átomos estão desalinhados. As discordâncias estão associadas com a 
cristalização e a deformação (origem: térmica, mecânica e supersaturação de 
defeitos pontuais); (origem: térmica, mecânica e supersaturação de defeitos 
pontuais). A presença deste defeito é a responsável pela deformação, falha e 
ruptura dos materiais. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 10: Movimentação das discordâncias 
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 Defeitos bidimensionais: Fronteiras entre duas regiões com diferentes estruturas 
cristalinas ou diferentes orientações cristalográficas. Representados por 
contornos de grão, interfaces, superfícies livres, contornos de macla e defeitos 
de empilhamento; 
Contornos de grão: O contorno separa dois pequenos grãos ou cristais tendo 
diferentes orientações cristalográficas em materiais policristalinos. 
 
 
Figura 11: Grãos (representação esquemática e a real mostrada em uma 
micrografia óptica) 
 
 
 Defeitos volumétricos: Defeitos tridimensionais. Poros, trincas e inclusões. Elas 
são normalmente introduzidas durante as etapas de processamento e de 
fabricação do material. 
 
 
 
 
 
 
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5. MECANISMOS DE AUMENTO DE RESISTÊNCIA 
 
Virtualmente, todos os materiais cristalinos contêm algumas discordâncias que foram 
introduzidas durante o processo de solidificação, durante a deformação plástica e como 
conseqüência das tensões térmicas que resultam de um resfriamento rápido. 
Várias características das discordâncias são importantes em relação às propriedades 
mecânicas dos metais. Essas incluem os campos de deformação que existem ao redor 
das discordâncias, que são importantes na determinação da mobilidade das discor-
dâncias, bem como suas habilidades em se multiplicar. 
Quando os metais são submetidos a deformação plástica, uma fração da energia de 
deformação (aproximadamente 5%) é retida internamente; o restante é dissipado como 
calor. A maior parte dessa energia armazenada consiste em uma energia de deformação 
que está associada a discordâncias. 
 
Diminuição do tamanho de grão 
O tamanho de grão ou diâmetro médio do grão, influencia as suas propriedadesmecânicas, os grãos adjacentes possuem normalmente orientações cristalográficas 
diferentes,e conseqüentemente um contorno de grão. A movimentação das discordâncias 
durante o processo de deformação plástica, ocorre através do contorno comum aos grãos 
(logo quanto mais grãos tiver o material, mais barreiras as discordâncias terão). Para 
obter tamanho de grão pequeno pode ser modificado o processamento do material na 
fase de conformação mecânica ou realizar um tratamento térmico (caso a liga possa ser 
tratada termicamente). 
 
 
 
 
Figura 12: Separação de grãos. 
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Encruamento 
O encruamento é o fenômeno pelo qual um metal dútil se torna mais duro e mais 
resistente quando ele é submetido a uma deformação plástica. Algumas vezes esse 
fenômeno também é chamado de endurecimento por trabalho. Pelo fato de a temperatura 
em que a deformação é efetuada ser "fria" em relação à temperatura absoluta de fusão do 
metal, também é chamado de trabalho a frio. A maioria dos metais encrua à temperatura 
ambiente 
 
Adição de elementos de liga 
Com a adição de elementos de liga pode ocorrer dois fenômenos principais: a diminuição 
de tamanho de grão (no que resulta em um aumento de densidade de discordâncias, logo 
o aumento de resistência) e a formação de precipitados (partículas duras que em 
quantidades pequenas aumenta a resistência sem afetar a ductilidade). 
 
6. CORROSÃO 
 
A corrosão é um grande desafio para a tecnologia, tanto da visão prática de manutenções 
e detectar seu efeito que pode ser catastrófico quando compromete toda uma estrutura, 
quanto da exigência de materiais mais resistentes em todos os aspectos (Metalúrgicos, 
Mecânicos e Químicos) para que tenha maior vida útil e que não comprometa vidas, meio 
ambiente e sociedade, logicamente todos esses aspectos tratados no trabalho 
relacionados ao custo, que é mais desafiador do que a própria pesquisa em muitos casos. 
Há várias morfologias da corrosão e saber diferenciar é fundamental para a atuação. 
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Figura 13: Formas de corrosão 
 
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Para evitar ou minimizar o efeito da corrosão há formas de se fazer proteções, que são 
denominadas: 
 Proteção catódica: A proteção catódica é um dos métodos mais empregados 
para a proteção de grandes estruturas quer seja enterradas ou submersas 
(parcial ou totalmente). O princípio da proteção catódica se baseia em levar o 
potencial de corrosão do equipamento a proteger para valores correspondentes 
à imunidade do material. 
Ex..: Anodos de sacrifício. 
 
 Proteção anódica: Há um revestimento metálico na superfície do metal 
(Exemplo: galvanização, cromagem e estanhagem), ou quando o próprio metal 
forma uma camada protetora (Exemplo: Aço inoxidáveis e alumínio). Haverá a 
formação de um óxido fino, aderente e passivo, que protegerá a estrutura. 
 
 
 Revestimentos: Adição de um material polimérico ou cerâmico na superfície do 
metal para evitar o contato do metal com o meio corrosivo. 
 
E ainda há como fazer uma atuação usando inibidores, que são substâncias que 
adicionadas ao meio corrosivo objetivam evitar, prevenir ou impedir o desenvolvimento 
das reações de corrosão, sejam nas fases gasosas, aquosas ou oleosas. O uso de 
inibidores de corrosão não deve interferir na propriedade do material a ser protegido, 
por exemplo formar um outro composto que irá corroer o metal da mesma maneira de 
que encontrada. 
 
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7. FALHA 
 
A falha de materiais de engenharia é quase sempre um evento indesejável por vários 
motivo: vidas humanas que são colocadas em perigo, perdas econômicas, e a 
interferência na disponibilidade de produtos e serviços. Embora as causas de falha e o 
comportamento de materiais possam ser conhecidos, a prevenção de falhas é uma 
condição difícil de ser garantida. As causas usuais são a seleção e o processamento 
dos materiais de uma maneira não apropriada, e o projeto inadequado do componente 
ou a sua má utilização. E uma das responsabilidades do engenheiro antecipar e 
planejar considerando possíveis falhas e, no caso de uma falha de fato ocorrer, avaliar 
a sua causa e então tomar as medidas de prevenção apropriadas contra futuros 
incidentes. 
A fratura simples consiste na separação de um corpo em dois ou mais pedaços em 
resposta a uma tensão imposta que possua natureza estática (isto é, constante ou que 
se modifica lentamente ao longo do tempo) e a temperaturas que são baixas quando 
comparadas à temperatura de fusão do material. A tensão aplicada pode ser de tração, 
compressão, cisalhamento ou torcional; esta discussão estará restrita a fraturas que 
resultam de cargas de tração uniaxiais. Para materiais na engenharia, são possíveis 
dois modos de fratura: dúctil e frágil. A fratura dúctil é quase sempre preferível por 
dois motivos. Em primeiro lugar, a fratura frágil ocorre repentinamente e 
catastroficamente, sem qualquer aviso; isto é uma conseqüência da espontânea e 
rápida propagação da trinca. Por outro lado, no caso da fratura dúctil, a presença de 
deformação plástica dá um alerta de que uma fratura é iminente, permitindo que 
medidas preventivas sejam tomadas. 
 
 
 
 
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 Em segundo lugar, mais energia de deformação é exigida para induzir uma fratura 
dúctil, uma vez que materiais dúcteis são geralmente mais tenazes. Sob a ação de 
uma tensão de tração aplicada, a maioria das ligas metálicas são dúcteis, enquanto 
os cerâmicos são notavelmente frágeis, e os polímeros podem exibir ambos os tipos 
de fratura. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 14: Tipos de fratura a) altamente dúctil, b) dúctil e c) frágil. 
 
 
 
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
CALLISTER JR., W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 5º 
Edição. ed. [S.l.]: LTC. 
 
CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecânica Estrutura e Propriedades Mecânicas Volume 
I. 2º Edição. ed. [S.l.]: Editora McGraw-Hill, 1986. 
 
PADILHA, Ângelo F. Materiais de Engenharia. Curitiba, PR. Editora: Hemus, 2000. 
 
SILVA, A. L. V. D. C. E. Aços e ligas especiais. 3°. ed. São Paulo: Edgard Blucher, 
2013.