Ciência e Tecnologia dos Materiais 2 - UNINASSAU

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Curso de Bacharelado em Engenharia 
Prof. Rdo Rômulo Martins Jr 
raimundo.rmartins@semprenassau.com.br 
FACEBOOK: http://www.facebook.com/raimundoromulo 
Twitter: @romulojr79 
 
Recife, 2013.1 
 
Ciência e Tecnologia dos 
Materiais 
• Desenvolver uma avaliação em Materiais; 
• Entender os princípios fundamentais de 
Ciência e Tecnologia dos Materiais e como 
aplicá-lo em materiais de Engenharia; 
• Ter uma experiência agradável com a 
“prática" de Engenharia. 
OBJETIVO DO CURSO 
PROGRAMA DISCIPLINA 
AULAS TEÓRICAS 
AVALIAÇÃO 
1av: 0 à 10 
2av: 0 à 10 
 
Média: 7,0 
 
Segunda-chamada: 0 à 10 
 
AF: 0 à 10 
 
Obs – verificar a data das avaliações no Clube! 
 
 
 
BIBLIOGRAFIA 
5 
http://www.abes-dn.org.br/portal/ 
LINKS ÚTEIS 
http://www.sbpmat.org.br/ 
http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_serial&pid=15
16-1439&nrm=iso&rep=&lng=pt 
http://www.scielo.oces.mctes.pt/scielo.php?script=sci_serial&pid
=0870-8312&nrm=iso&lng=pt 
6 
"Materiais: quanto melhores forem, 
melhores serão as obras de engenharia. 
Por isso, todas as engenharias são, ou 
deveriam ser, em certo grau... Engenharia 
de Materiais.“ 
 
William. F. Smith 
 
 
 
- Introdução à Ciência dos 
Materiais 
 
- Histórico e Classificação 
dos Materiais 
AULA 1 
8 
Qual a importância da disciplina 
Ciência e Tecnologia dos Materiais 
na formação do Engenheiro 
Ambiental, Civil, Elétrico, Químico, 
Produção, Naval, Alimentos, 
Computação, Mecânica, Petróleo, 
Telecomunicações ? 
9 
APLICAÇÕES 
Torres Petronas de 
Kuala Lumpur 
Malásia 
Óxido de cálcio (CaO) - 60 a 70% 
Sílica (SiO2) - 20 a 25% 
Alumina (Al2O3) - 2 a 9% 
Óxido de ferro III (Fe2O3) - 1 a 6% 
Óxido de magnésio (MgO) - 0 a 2% 
obs: ver vídeo 
OLED : Diodo orgânico emissor de luz ou fotoemissor 
APLICAÇÕES 
Nanomáquinas movidas a luz 
Dispositivos minúsculos podem se mover com 
um pouco de luz, em vez de usar energia 
elétrica 
APLICAÇÕES 
APLICAÇÕES 
Inseto espião para áreas urbanas - já em produção - financiado 
pelo governo dos Estados Unidos. Ele pode ser controlado 
remotamente e está equipado com uma câmera e um 
microfone. 
Alumínio 
 
No século XIX, o alumínio era um metal 
raro e precioso. Napoleão 
impressionava seus convidados com o 
uso de extravagantes talhares de 
alumínio 
 
 
 
 
 
Papel da engenharia nesse ciclo é 
maximizar com eficiência os materiais 
que são extraídos e minimizar a 
quantidade de lixo que é retornado 
APLICAÇÕES 
APLICAÇÕES 
Transporte: materiais supercondutores 
Um comboio (trem) de levitação 
magnética ou Maglev (Magnetic 
levitation transport) é um veículo 
semelhante a um comboio que 
transita numa linha elevada sobre o 
chão e é propulsionado pelas forças 
atrativas e repulsivas 
do magnetismo através do uso 
de supercondutores. 
obs: ver vídeo 
Bicicleta de 
papelão é 
ecológica e custa 
somente US$9 
para ser feita 
designer israelense Giora Kariv 
O segredo para essa bicicleta resistir a água, umidade e 
algumas pedaladas é a forma como o papelão é dobrado. Cada 
uma das dobras é feita como uma espécie de origami, o que dá 
força ao produto final. 
APLICAÇÕES 
NANOTECNOLOGIA = CIÊNCIA DOS 
MATERIAS 
 A NANOPARTÍCULA é para uma BOLA de futebol como a 
BOLA é para a TERRA 
 1 nm 20 cm 12 000 Km 
NANOTECNOLOGIA 
Manipulação da matéria em escala nanométrica 
( 0,1 a 100 nm) 
 Historicamente - avanço da sociedade ligado à 
habilidade de produzir e manipular materiais; 
 
 Civilizações antigas foram designadas pelo nível 
de seus desenvolvimentos em relação aos 
materiais: 
 
 Idade da Pedra – Era do Ferro - Bronze - Ouro 
 
 
1- INTRODUÇÃO: Histórico 
 Primeiros seres humanos – acesso a um 
número limitado de materiais (aqueles que 
ocorrem naturalmente): 
 
 pedra, algodão/juta (fiação), peles, 
madeira, argila. 
1- INTRODUÇÃO: Histórico 
 
 Técnicas para a produção de materiais. 
 cerâmicas e metais - materiais processados e 
com propriedades diferentes/superiores em 
relação aos naturais. 
1- INTRODUÇÃO: Histórico 
A utilização de materiais era totalmente um 
processo de seleção (sem alteração) 
 
 
 
1- INTRODUÇÃO: Histórico 
Decidia, a partir de um conjunto relativamente 
limitado de materiais disponíveis, aquele que 
era o mais adequado para uma dada aplicação 
em virtude das suas características 
 
E hoje??? 
 O que mudou? 
 
 Nos últimos 60 anos 
 compreensão entre a relação estrutura do 
material e suas propriedades - condições de 
moldar as características desejadas! 
 
DESENVOLVIMENTO DE MATERIAIS COM 
CARACTERÍSTICAS ESPECÍFICAS 
 
 
AVANÇO TECNOLÓGICO 
1- INTRODUÇÃO: Histórico 
RECENTEMENTE (últimos 60 anos) 
 
Compreensão da relação entre ESTRUTURA e 
PROPRIEDADES dos materiais 
 
Este conhecimento adquirido moldou as características 
dos materiais 
 
Desta forma, milhares de materiais diferentes foram 
desenvolvidios para atender as necessidades da nossa 
moderna sociedade 
 
metais, plásticos, vidros e fibras 
1- INTRODUÇÃO: Histórico 
 Ciência dos materiais: 
 estudo das relações entre a estrutura e as 
propriedades dos materiais. 
 
 Engenharia dos materiais: 
 com base na relação estrutura x propriedade, 
projeta uma estrutura com o objetivo de obter um 
conjunto de propriedades. 
 
 Estrutura ??? Propriedade ??? 
 Estrutura: Relacionado aos arranjo dos 
componentes internos - escala?? 
 Propriedades: resposta do material a um estimulo. 
 
 
1- INTRODUÇÃO: Ciência e 
Engenharia dos Materiais 
Ciência dos materiais é o ramo da ciência 
relativo ao estudo dos materiais e a relação 
entre as suas propriedades, estrutura, 
performance, formas de caracterização e 
processamento; 
 
 
 
 
 
Cada processamento modifica a estrutura do 
material, alterando suas propriedades, que 
por sua vez delimitam o seu desempenho. 
26 
 ESTRUTURA: geralmente relacionada ao arranjo de seus 
componentes internos. 
1- INTRODUÇÃO: Estrutura 
Fibras de vidro em 
uma matriz de 
polímero. 
Alumínio 
(estrutura cúbica) 
Magnésio 
(estrutura hexagonal) 
 ESTRUTURA: geralmente relacionada ao arranjo de seus 
componentes internos. 
 
 ESTRUTURA SUBATÔMICA: envolve elétrons no interior 
dos átomos individuais e as interações com seus núcleos; 
1- INTRODUÇÃO: Estrutura 
 ESTRUTURA ATÔMICA: engloba a organização dos 
átomos ou moléculas em relação uns aos outros; 
1- INTRODUÇÃO: Estrutura 
Magnésio 
(estrutura hexagonal) 
Estrutura de um material 
 ESTRUTURA MICROSCÓPICA: contém grandes 
grupos de átomos normalmente conglomerados; 
Micrografia óptica de uma 
camada cementada. 
Aço AISI 9310 
Liga Cr – Mo – Ni – Mn - C 
Aço para construção mecânica 
(alta dureza e resistência mecânica. 
Utilizado na fabricação de 
rolamentos para aviões e 
engrenagens e eixos pinhão para 
redutores de motores de 
helicópteros) 
1- INTRODUÇÃO: Estrutura 
Estrutura de um material 
 ESTRUTURA MACROSCÓPICA: pode ser vista a 
olho nu. 
Cristal de quarzto 
1- INTRODUÇÃO: Estrutura 
Estrutura de um material 
1- INTRODUÇÃO: Estrutura 
1- INTRODUÇÃO: Propriedade 
 PROPRIEDADE: é uma peculiaridade do material em termos do 
tipo e da intensidade da resposta a um estímulo específico que 
lhe é imposto. 
  MECÂNICA: relaciona deformação com uma carga ou força 
aplicada; 
 ELÉTRICA: o estímuloé um campo elétrico; 
 TÉRMICA: o estímulo é o calor; 
 MAGNÉTICA: demonstram a resposta de um material à 
aplicação de um campo magnético; 
 ÓTICA: o estímulo é a radiação eletromagnética ou a luminosa; 
 DETERIORATIVA: indica a reatividade química dos materiais. 
Obs: as propriedades são independentes do tamanho ou forma do 
material! 
 
1- INTRODUÇÃO: Propriedade 
MECÂNICA 
Módulo de elasticidade (rigidez) 
Resistência à deformação 
Dureza 
Tenacidade (ruptura) 
TÉRMICA 
Condutividade térmica 
Calor específico 
Coeficiente de expansão térmica 
ELÉTRICA 
Constante dielétrica 
Condutividade elétrica 
MAGNÉTICA Permeabilidade magnética 
ÓTICA 
Índice de refração 
Refletividade 
DETERIORATIVA 
(INTERAÇÃO AMBIENTAL) 
Oxidação 
Corrosão 
Desgaste 
As propriedades podem ser agrupadas em seis categorias: 
 
1- INTRODUÇÃO: 
Processamento e desempenho 
 Além da estrutura e propriedades, dois outros 
componentes estão envolvidos na ciência dos 
materiais: 
 
 Processamento; 
 
 Desempenho. 
 
1- INTRODUÇÃO: elementos 
Então, as propriedades finais, o tipo de material, a 
forma geométrica, ou seja, o produto final de um 
projeto nasce passando sempre pôr estes elementos: 
Processamento: É a maneira como será fabricado o 
material; 
 
Estrutura: É como ficará arranjada atomicamente a 
matéria; 
 
Propriedades: Quais propriedades físicas, químicas ou 
mecânicas apresentará? 
 
Desempenho: Será satisfatório ou não? 
obs: ver vídeo - TIJOLO 
MICROESTRUTURA 
PROPRIEDADE 
PROCESSAMENTO 
DESEMPENHO 
Ciência básica 
compreensão 
Necessidades 
Conhecimento 
Empírico 
Conhecimento 
Científico 
1- INTRODUÇÃO: Elementos 
Os quatro componentes da disciplina da Ciência dos Materiais e seu 
inter-relacionamento linear: 
PROCESSAMENTO  ESTRUTURA  PROPRIEDADES  DESEMPENHO 
1- INTRODUÇÃO: Propriedade 
Propriedades dos 
Materiais 
Composição e Processo 
de Fabricação 
Microestrutura 
E
N
G
E
N
H
A
R 
I 
A 
Exemplo do princípio 
 processamento– estrutura –propriedades- desempenho 
ESTUDO DE CASO 
Alumina ou óxido de alumíno (Al2O3) 
1- INTRODUÇÃO: Perspectivas 
 
 
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 
 
Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos métodos 
de extração de materiais da natureza 
 
Modificação de materiais naturais 
 
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 ?? 
1- INTRODUÇÃO: Seleção de 
Materiais 
Como definir qual o melhor material para 
um determinado fim? 
 
Exemplo: Copo 
Vidro 
Cerâmica 
 Plástico 
Madeira 
Metal 
 Papel 
 Custo 
 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 peltre (liga 
estanho-antimõnio-
cobre-chumbo) porque 
remove o Pb da liga) 
 
 Depende 
1- INTRODUÇÃO: Seleção de 
Materiais 
 Ex: Cilindro de armazenamento de gases 
 Requerimento: resistir a altas pressões (14MPa) 
 Resistência 
Metais 
Cerâmicas 
Polímeros 
Semicondutores 
 
Compósitos 
Flexibilidade Custo 
1- INTRODUÇÃO: Seleção de 
Materiais 
Decisões 
profissionais: 
Desempenho 
Atualização 
Manutenção 
Aspectos 
econômicos 
Considerações 
ambientais. 
Reator Nuclear 
1- INTRODUÇÃO: Seleção de 
Materiais 
Aço inoxidável é uma liga de aço ao qual é adicionado um percentual de Cromo (>11%), para que esse 
elemento proporcione ao inox propriedades de resistência à corrosão através de uma fina e invisível 
camada depositada na superfície do aço. 
Quais os critérios que um engenheiro 
deve adotar para selecionar um material 
entre tantos outros? 
 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. 
1- INTRODUÇÃO: Seleção de 
Materiais 
 
 Por exemplo, elevadas temperaturas e ambientes 
corrosivos diminuem consideravelmente a 
resistência mecânica. 
1- INTRODUÇÃO: Seleção de 
Materiais 
 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!! 
1- INTRODUÇÃO: Seleção de 
Materiais 
 Em raras ocasiões um material 
reúne uma combinação ideal de 
propriedades, ou seja, muitas 
vezes é necessário reduzir uma 
em benefício da outra; 
1- INTRODUÇÃO: Seleção de 
Materiais 
 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. 
Ex. Resistência:
Material Aço-liga Ti Al PRFC
(alta resist.) (AA7074)
Resist. (MPa) 1000 800 500 700
à tração
SELEÇÃO DOS MATERIAIS POR 
ÍNDICE DE MÉRITO 
PRFC: polímero reforçado com fibra de carbono 
1- INTRODUÇÃO: Seleção de 
Materiais 
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
PRFC: polímero reforçado com fibra de carbono 
1- INTRODUÇÃO: Seleção de 
Materiais 
Casa construída com materiais reciclados, conservando os recursos 
da terra e energia, ao mesmo tempo em que se preserva o meio 
ambiente. 
 
Para fabricar os 
metais reciclados, 
vidros, concretos, 
etc é necessário 
empregar um alto 
nível de tecnologia 
e de 
desenvolvimento de 
materiais, a fim de 
poder competir em 
custo e qualidade 
com os materiais 
convencionais. 
1- INTRODUÇÃO: Propriedades 
vs. produção 
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 
Figura copiada do material do Prof. Arlindo Silva do Instituto 
Superior Técnico da Universidade de Portugal 
1- INTRODUÇÃO 
1- INTRODUÇÃO 
 3 classificações básicas (sólidos); 
 Composição química (ligações) e estrutura atômica; 
 
- METAIS 
- CERÂMICOS 
- POLÍMEROS 
 
 3 classificações adicionais; 
- COMPÓSITOS (combinação de dois ou mais) 
- SEMICONDUTORES (características elétricas peculiares) 
- BIOMATERIAIS (mat. biocompatíveis) ??? 
1- INTRODUÇÃO: Classificação 
dos materiais 
Classificação tradicional 
 Metais 
 combinações de elementosmetálicos (70 
dos 92 elementos da tabela periódica tem caráter 
metálico) 
 
 grande número de elétrons "livres" que 
definem suas propriedades 
 bons condutores elétricos e térmicos 
 não são transparentes a luz 
 
 Resistentes mas deformáveis 
 
 Aplicações 
 estruturas (aços) 
 fios elétricos, espelhos, etc. 
Ver vídeo ligações químicas 
Os metais na tabela periódica 
 Cerâmicas 
 combinações de elementos metálicos 
e não metálicos (TiO, TiN, CrO, 
cimentos, vidros, etc); LIGAÇÕES IÔNICAS 
 
 Isolantes térmicos e elétricos 
(ausência de elétrons livres); 
 
 Resistentes à temperatura e a 
ambientes corrosivos; 
 
 Duros e quebradiços (frágeis); 
 
 Aplicações 
 vidros 
 utensilios cerâmicos, cimentos, etc. 
ALUMINA
Ver vídeo ligações químicas 
As cerâmicas na tabela periódica 
Cerâmicas são formadas por combinação de metais 
(quadrados VERDES) com os elementos C, N, O, P e S. 
Si e Ge são semicondutores mas são usados em cerâmicas de forma equivalente a metais 
Cerâmicas e vidros 
Fornos feitos de cerâmica e vidro provê boas propriedades 
térmicas e mecânicas. A caçarola pode resistir ao choque 
térmico simultâneo de alta e baixa temperatura 
ALUMINA
 Polímeros 
 macromoléculas orgânicas (sintéticas ou 
naturais) – LIGAÇÕES COVALENTES 
 sintéticas: plásticos e borrachas 
 naturais: couro, seda, algodão, madeira, etc. 
 C + H + N + O + F + elementos não metálicos 
 
 Leves, flexíveis, resistentes à corrosão 
 
 Em geral, baixa resisitência ao calor 
 
 Novos materiais - polímeros condutores 
 
 termoplásticos, termorígidos, 
elastômeros 
 
 Aplicações 
 inumeras!! 
Ver vídeo ligações químicas 
Os polímeros na tabela periódica 
Compósitos 
 projetados para apresentar uma combinação das 
melhores características dos materiais que o 
compõe 
 
 Fibra de vidro 
 resisitência mecânica do vidro 
 flexibilidade do polímero 
 
 Concreto 
 matriz: cimento (cerâmica) 
 reforço: areia e pedregulho 
 
Compósitos 
Fibra de 
Vidro 
Madeira Concreto 
Semicondutores 
 propriedades elétricas intermidiárias entre 
materiais condutores e materiais isolantes; 
 
 sensíveis à presença de impurezas; 
 
 Aplicações 
 circuítos integrados. 
 
 
Os semicondutores na tabela 
periódica 
Quando combinados entre si os metais (quadrados LARANJA) 
assumem propriedades semicondutoras 
Biomateriais 
 Implantados no interior do corpo humano; 
 
 Compatíveis com o tecido humano (sem rejeição); 
 
 Materiais ... praticamente todos 
 próteses de bacia: Co-Ni-Cr-Mo 
 articulação de bacia: Ti-Al-V 
 Bola da articulação: Al-O 
Biomateriais 
Materiais avançados 
(classificado aparte) 
 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: 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 otimizada 
ou materiais novos de alto desempenho. 
 
Materiais avançados 
(classificado aparte) 
 Materiais que apresentam: 
 
- 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! 
EVOLUÇÃO DA UTLIZAÇÃO DOS MATERIAIS 
LISTA DE EXERCÍCIO 1 
01) Listar seis classificações diferentes de propriedades 
dos materiais que determinam a sua aplicabilidade; 
 
02) Citar os quatro componentes que estão envolvidos 
no projeto, produção e utilização de materiais, e 
descrever sucintamente as relações entre estes 
componentes. 
 
03) Citar três critérios importantes no processo de 
seleção de materiais. 
 
04) (a) liste as três classificações principais de materiais 
sólidos, e em seguida citar as características químicas 
distintas de cada uma. 
(b) Citar os três outros tipos de materiais e, para cada 
um, a(s) sua(s) característica(s) distinta(s). 
 
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Curso de Bacharelado em Engenharia 
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Recife, 2012.2 
 
Ciência e Tecnologia dos 
Materiais