Aula 01-Classificação dos Materiais

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Classificação dos Materiais 
Callister cap.1 
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 
Ciência e Engenharia de Materiais 
┐ Ciência de materiais: 
┐ Investigação das relações existentes entre as estruturas e as 
propriedades dos materiais 
┐ Desenvolvimento ou sintetização de novos materiais 
 
┐ Engenharia de materiais: 
┐ Projeto ou engenharia da estrutura de um material com um conjunto 
pré-determinado de propriedades, tendo como base a ciência dos 
materiais 
┐ Criação de novos produtos ou sistemas usando materiais existentes 
┐ Desenvolvimento de técnicas para o processamento dos materiais 
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Abordagens didáticas em materiais 
3 
Átomo 
Estrutura 
cristalina 
Imperfeições 
cristalinas 
Diagramas de equilíbrio 
Microestrutura 
Propriedades 
dos materiais 
Projeto de engenharia 
Abordagem clássica 
Ciência dos materiais 
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Evolução histórica dos materiais 
 
┐ “O grau de desenvolvimento de uma civilização está 
relacionado com a sua capacidade de processar 
determinados materiais” 
 
┐ São exemplos: 
┐ Idade da pedra, Idade do Bronze e Idade do Ferro, Era 
espacial, materiais avançados. 
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Evolução histórica dos materiais 
┐ Primeiros seres humanos utilizavam materiais naturais: 
┐ Pedra 
┐ Madeira 
┐ Pele 
 
┐ Ao longo do tempo: 
┐ Técnicas para melhorar os materiais ou produzir materiais 
com propriedades superiores: 
┐ Cerâmica 
┐ Metais 
┐ Ligas 
┐ Tratamentos térmicos 
┐ Adições 
Desenvolvimento 
tecnológico associado 
ao acesso a materiais 
adequados 
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 6 
┐ Por volta de 1930 temos a introdução do 
conceito de ciência dos materiais em que 
há uma fundamentação científica para o 
desenvolvimento de materiais 
especificamente projetados para uma 
função. 
 
┐ Exemplo clássico: insertos de metal duro 
para usinagem 
Evolução histórica dos materiais 
 
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Tempo 
N
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s 
 DISPONIBILIDADE PROJETO DE MATERIAIS 
Exemplos: 
Pedra 
Madeira 
Couro e peles 
Cobre nativo 
Bronzes 
Ferro 
Ferro fundido 
Aços 
Exemplos: 
Metal duro 
“Fiberglass” 
Kevlar ® 
Fibra de carbono 
Superligas 
Cerâmicas avançadas 
superímas 
etc... 
7000 AC ~1930 
Metal duro 
Evolução histórica dos materiais 
 
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┐ Microestrutura do metal 
duro 
┐ TiC - 2470 HV 
┐ WC - 1880 HV 
┐ Co ~250 HV 
Evolução histórica dos materiais 
 
A concepção do metal duro marca o início de 
uma nova filosofia na área de materiais: Por 
meio da Ciência dos Materiais foi possível 
“projetar” novos materiais. 
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Correlação microestrutura- 
propriedades 
┐ Relação entre composição, microestrutura e propriedades 
mecânicas 
Micro e 
macroestrutura 
Propriedades 
mecânicas 
Composição 
química 
Composição 
química 
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Composição química 
┐ A composição química são os 
elementos que compõe o 
material. São exemplos: 
┐ Aço: liga à base de Fe contendo até 
2% de C. 
┐ Alumínio: ligas à base de Al contendo 
Si, Cu, Mg e Zn como elementos de 
liga. 
┐ Polietileno: cadeias poliméricas de 
C2H4 (base é C e H). 
┐ Alumina: cerâmica composta por 
Al2O3. 
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Micro e 
macroestrutura 
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Correlação microestrutura- 
propriedades 
┐ Relação entre composição, microestrutura e propriedades 
mecânicas 
Micro e 
macroestrutura 
Propriedades 
mecânicas 
Composição 
química 
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Microestrutura 
┐ Consiste na forma com que as fases (cristais ou cadeias poliméricas) estão 
arranjadas na microestrutura e macroestrutura. Exemplo: roda em liga Al- 
Si (A356). 
10 x 500 x 
Si Al 
Macroestrutura Microestrutura 
grãos 
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Propriedades 
mecânicas 
13 
Correlação microestrutura- 
propriedades 
┐ Relação entre composição, microestrutura e propriedades 
mecânicas 
Micro e 
macroestrutura 
Propriedades 
mecânicas 
Composição 
química 
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Propriedades mecânicas 
┐ O senso comum leva a duas propriedades importantes 
em um material: 
Resistência Ductilidade 
Capacidade de resistir a ação 
de uma força 
Capacidade de se deformar 
plasticamente sob a ação de 
uma força 
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Classificação dos Materiais 
Metais Cerâmicas 
Polímeros Compósitos 
Madeira Concreto 
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Classificação dos Materiais 
Classe do 
material 
Tipo de ligação 
predominante 
Exemplos Propriedades associadas 
Metais Metálica Aços; ligas de 
cobre; ligas de 
alumínio 
Amplo espectro de temperaturas 
de fusão e rigidez; 
Condutores; 
Opacos 
Cerâmicas Covalente e 
Iônica 
Alumina, 
zircônia, vidros, 
cimento 
Elevadas temperaturas de fusão; 
Elevada rigidez; Quebradiços; 
Isolantes; Transparentes ou 
translúcidos 
Polímeros Covalente e 
Van der Waals 
PE; PP; PVC; 
silicone 
Baixas “temperaturas de fusão”; 
Transparentes ou translúcidos; 
Flexíveis; Baixa densidade 
Compósitos * Concreto, 
polímero 
reforçado com 
fibra (vidro, 
vegetal) 
Combinação das melhores 
propriedades de cada 
componente 
* combinação de dois ou mais materiais de classes distintas 
Apresentação de exemplos de 
alguns materiais avançados 
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Exemplos para discussão 
┐ Alguns exemplos de materiais “projetados”: 
┐ metal duro (~1930); 
┐ alumina translúcida para lâmpadas de vapor de Na; 
compósitos de “Fiberglass” (~1950); 
┐ compósitos de fibra de carbono; 
┐ compósitos de Kevlar® (~1964); 
┐ superligas a base de Ni resistentes ao calor; 
┐ imãs de alto poder magnético (Nd-Fe-B); 
┐ ligas com memória de forma (nitinol) e 
┐ materiais biocompatíveis. 
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Alumina translúcida para lâmpadas de 
vapor de Na 
┐ São tubos translúcidos empregados em 
lâmpadas de vapor de sódio. 
 
┐ Comparativo: 
┐ Filamento de tungstênio (lâmpada 
incandescente) : 15 lumen/W 
┐ Vapor de Na : 100 lumen/W 
LED moderna: 140 – 170 lumen/W 
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Alumina translúcida para lâmpadas de 
vapor de Na 
┐ A alumina convencional é 
opaca (branca) devido a 
presença de 
microporosidades (<0,3%) e 
grãos grosseiros. 
 
┐ A temperatura de fusão (TM) 
da alumina é: 2050°C. 
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 21 
Alumina translúcida para lâmpadas de 
vapor de Na 
┐ A alumina translúcida 
apresenta uma fração de 
microporosidades inferior a 
0,03% e grãos refinados. 
┐ Isso é obtido por meio de 
alterações no processo de 
fabricação e resulta em um 
aumento de “transparência” 
do material. 
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 22 
Superligas à base de Ni 
┐ As superligas são ligas metálicas à base de Ni, destinadas a aplicações 
envolvendo altas temperaturas em conjunto com atmosferas 
agressivas. 
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Superliga IN792 
┐ A microestrutura das 
superligas à base de 
níquel apresenta uma 
dispersão de 
precipitados (’) 
cubóides (70% em 
volume) de Ni3Al ou 
Ni3Ti.┐ A matriz é de Ni 
endurecida por solução 
sólida por Co, W e Cr. 
Superligas à base de Ni 
23 
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 
┐ São ímãs permanentes de 
elevado produto energético 
(BHmax). 
┐ São empregados em 
motores elétricos 
miniaturizados. 
24 
Superímãs de Nd-Fe-B 
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Superímãs de Nd-Fe-B 
┐ Materiais diamagnéticos: são 
repelidos por campos magnéticos 
(1,8 T em 1 g de água gera força 
de repulsão de 0,022 gf). 
┐ Materiais paramagnéticos: são 
fracamente atraídos por campos 
magnéticos (1,8 T em 1 g Al gera 
força de atração de 0,017 gf). 
┐ Materiais ferromagnéticos: são 
fortemente atraídos por campo 
magnético (1,8 T em 1 g Fe gera 
força de atração de 400 gf). 
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┐ Exemplos de tamanho 
(volume) de ímãs 
permanentes para um 
mesmo produto energético 
BHmax. 
┐ Os ímãs de Sm-Co e Nd-Fe-B 
permitiram a miniaturização 
de motores elétricos e alto-
falantes. 
26 
Superímãs de Nd-Fe-B 
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Ligas biocompatíveis 
┐ Algumas ligas metálicas não 
provocam reações no interior 
do corpo humano. 
 
┐ Esta característica é 
denominada biocompatilidade. 
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Ligas com memória de forma 
┐ São ligas do sistema Ni-Ti 
capazes de, após deformadas, 
voltar a forma original com o 
aquecimento por meio de 
uma transformação 
martensítica. 
Experimento com liga com memória de forma 
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Materiais compósitos 
┐ Os exemplos mais comuns são os laminados que empregam 
camadas de tecido (fibras de reforço) aglomeradas por uma 
resina polimérica. 
 
┐ São exemplos: 
┐ Fiberglass 
┐ Compósitos de Kevlar® (aramida) 
┐ Compósitos de carbono 
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Kevlar® 
┐ São materiais compósitos 
elaborados a partir de fibra 
de aramida aglomerada com 
resina epoxy. 
ETM 201 Materiais de Construção Mecânica 31 
Fibra de carbono 
┐ A fibra de carbono é, em síntese, um compósito contendo fibras 
de carbono (grafita e amorfo) aglomeradas com uma resina de 
elevada resistência (normalmente epoxy). Atualmente os 
compósitos de fibra de carbono (CFRP) são os materiais com a 
maior relação resistência/peso. 
Construção em compósito 
carbono-epoxi 
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5% 
20% 
Materiais compósitos 
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Referências complementares 
1) Shackelford, J. F. INTRODUCTION TO MATERIALS SCIENCE FOR ENGINEERS Prentice Hall 
4th edition 1996 
2) Newey, C. ; Wever, G. MATERIALS PRINCIPLES AND PRACTICE Materials in action series 
The Open University Butherworths 1990 
3) Smith, W. F. PRINCÍPIOS DE CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS McGraw-Hill 
Terceira edição 1998 
4) Campos Filho, M. P. A ESTRUTURA DOS MATERIAIS Editora da Unicamp 1991 
5) Carvalho, G. C. ; Lembo, A. Teixeira Jr. H. M. ATOMÍSTICA livro 29 Sistema Anglo de ensino 
6) Hull, D.; Bacon, D. J. INTRODUCTION TO DILOCATIONS Butterworth-Heinemann 2001 
7) Phillips, R. Crystal, defects and microstructures: Modelling across scaling Cambridge 
University Press 2001 
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Referências complementares 
8) The Making, Shaping and Treatmet of steel USS 
9) Porter, D.; Easterling, K. PHASE TRANSFORMATIONS IN METALS AND ALLOYS CRC Press. 
ASM Handbook v. 4 Heat Treatment 
10) Tschiptschin, A. P. ; Goldenstein, H. ; Sinatora, A. Metalografia dos aços Curso da ABM 
1988 
11) Thelning K. E. Steel and its heat treatement 2nd edition 1984 
12) Heat Treater´s Guide ASM International 
13) Santos, A. B. S.; Branco, C. H. C METALURGIA DOS FERROS FUNDIDOS CINZENTOS E 
NODULARES Instituto de Pesquisas Tecnológicas IPT 1977 
14) ASM Specialty Handbook Aluminum and aluminum alloys ASM International 1993 
15) ASM Handbook v. 11 Failure analysis and prevention 10th edition 
16) ASM Handbook v.12 Fractography 10th edition