Apostila CM2_ I Estrutura dos Materiais

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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO 
SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA 
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA 
CAMPUS JOINVILLE 
 
 
 
 
CURSO DE TÉCNICO EM MECÂNICA INTEGRADO AO ENSINO MÉDIO 
 
UNIDADE CURRICULAR: 
 
Ciência dos Materiais – CM2 
 
 
ESTRUTURA DE 
METAIS, CERÂMICAS E PLÁSTICOS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Professor: Paulo Sérgio Bayer 
 
 
 
 
Joinville - SC 
2013 
 
 
 
 
NOME: ................................................................................................................... 
 
 
 
 
 
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Sumário 
Introdução à Ciência dos Materiais ...................................................................................2 
Estrutura atômica e ligações químicas.....................................................................................4 
 
1. Materiais metálicos (metais) .........................................................................................7 
1.1 Estrutura cristalina ............................................................................................................7 
1.2 Imperfeições da estrutura cristalina dos sólidos ............................................................. 9 
1.3 Diagrama de fases............................................................................................................11 
1.6.4 Diagrama de fases das ligas ferro-carbono ..................................................................17 
Lista de exercícios ..................................................................................................................19 
Micrografia ótica....................................................................................................................19 
 
2.Materiais cerâmicos (cerâmicas) ..................................................................................27 
2.1 Estrutura ......................................................................................................................... 28 
2.2 Processamento ................................................................................................................30 
Lista de questões ...................................................................................................................35 
 
3. Materiais plásticos (polímeros) ...................................................................................37 
3.1 Estrutura...........................................................................................................................38 
Lista de questões ...................................................................................................................45 
3.2 Processamento ................................................................................................................47 
Lista de questões ...................................................................................................................63 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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INTRODUÇÃO À CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
 
 tecnologia: a indústria trabalha com as variáveis de processamento de um material que influenciam 
sua estrutura e propriedades; 
 
 variáveis: composição, temperatura, tempo, carga, etc. Por exemplo, na indústria de fundição as 
variáveis importantes são a composição do material metálico e a velocidade de resfriamento do metal no 
molde; 
 
 estrutura de um material: 
 
 visível (a olho nú) ≥ 1 mm .......... macroestrutura 
 
 visível (lentes) ≥ 0,001 mm (1 µm) ...... microestrutura 
 
 visível (sonda) ≥ 0,001 µm (1 nm) ....... nanoestrutura 
 
Suíça, 1981 – invenção do microscópio de varredura por 
tunelamento; 
1 nanômetro ( um bilionésimo do metro) 
1 átomo ≈ 0,3 nm 
1 fio de cabelo ≈ 30.000 nm 
 propriedades: características de um material em relação ao tipo e intensidade de resposta a certos 
estímulos que lhe são aplicados. 
 
propriedades estímulo resposta 
mecânica força deformação 
elétrica campo elétrico condutividade, cte. dielétrica 
magnética campo magnético magnetização de saturação 
térmica calor condutividade térmica 
ótica luz ou outra radiação índice de refração 
 
 
A relação é linear entre: 
 
 
PROCESSO DE FABRICAÇÃO → ESTRUTURA → PROPRIEDADES → DESEMPENHO 
tecnologias de fabricação integridade ou falha 
 em serviço 
 
 
Escalas de tamanho 
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Por exemplo, a alumina é uma cerâmica que apresenta diferentes propriedades óticas, dependendo de sua 
estrutura, conforme ilustra a Figura 1. 
 
 
 
Figura 1) Propriedades óticas da alumina. 
 
 
Por que estudar Ciência dos materiais? 
 
Para selecionar corretamente os materiais para a construção de máquina ou equipamento mecânico. Existem 
critérios para seleção de um entre vários materiais disponíveis para uma aplicação específica: 
 
 as condições de serviço ditam as propriedades exigidas; 
 o custo do material e do processo de fabricação. 
 
 Classificação dos materiais 
 
A classificação mais comum dos materiais sólidos baseia-se na estrutura atômica e composição química. 
Sob estes aspectos, as três classes de materiais resultantes são as seguintes: metais, cerâmicas e 
polímeros. Existem outros grupos que, além destes, são importantes do ponto de vista tecnológico: 
compósitos, semicondutores e biomateriais. O diagrama da Figura 2 apresenta a classificação do ponto de 
vista dos materiais metálicos e não metálicos, com as subsequentes classes de materiais usados na 
fabricação mecânica. 
 
Figura 2. Classes de materiais usados na fabricação mecânica. 
 
A seguir são dadas as definições dos materiais de construção mecânica: 
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 Materiais metálicos: são formados essencialmente por um metal ou pela combinação de 
elementos metálicos, mas que podem conter elementos não metálicos ou semi-metálicos em 
menor proporção; aproximadamente 2/3 dos elementos são metais. Características: são opacos, 
possuem brilho, conduzem bem o calor e a eletricidade, e podem ser deformados. Ex. aço (Fe-C), 
latão (Cu-Zn) etc. 
 Materiais cerâmicos: são materiais inorgânicos formados por elementos metálicos e não 
metálicos. Características: não tem o brilho metálico, são isolantes de calor e eletricidade, 
possuem dureza elevada e são frágeis. Ex. alumina (óxido de alumínio), quartzo (óxido de 
silício), zircônia (óxido de zircônio), carbetos e nitretos. 
 Materiais plásticos (polímeros): são materiais orgânicos formados pela união de grandes 
cadeias moleculares (polímeros), com estrutura constituída por carbono, hidrogênio e elementos 
não-metálicos. Ex. polietileno ...-C2H4-..., PVC ...- C2H3Cl-... 
 Compósitos: são materiais formados pela combinação de mais de um tipo de material. Ex. fibra 
de vidro, metal duro, etc. 
 Semicondutores: materiais que exibem propriedades intermediárias entre aquelas apresentadas 
pelos condutores elétricos e isolantes. Ex. Si, Ge, GaAs. 
 Biomateriais: são materiais destinados à fabricação de dispositivos biomédicos. Ex. Ti6Al4V, Ti 
puro, porcelana dental, alumina, hidroxiapatita. 
 
 
1.1 Estrutura atômica e ligações químicas. 
 
O tipo de ligação interatômica e o arranjo geométrico dos átomos em um sólido permite explicar suas 
propriedades. A seguir são abordados aspectos da estrutura de um átomo, que nos auxiliam na compreensão 
de como ocorrem as ligações químicas em materiais. 
 
Estrutura atômica 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Elemento químico: número de prótons = número atômico (Z) 
 número atômico = número de elétrons 
 
massa do átomo(A): mA = mp +mn 
 
 A = Z + N 
 
O número de prótons é o mesmo para um elemento, mas o seu número de nêutros pode não ser; tem-se 
assim os isótopos do elemento (massa diferentes para um mesmo elemento); 
 
massa atômica (peso atômico) = A = média das massas dos isótopos que ocorrem na natureza 
 
Em que unidade expressamos a massa de um átomo? em gramas ? 
 
núcleo (prótons + nêutrons) mp = mn = 1,67 x 10-27 kg 
elétrons me = 9,11 x 10-31 kg 
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massa do isótopo mais comum do elemento carbono (C12) = mc  mc / 12 = 1 unidade de massa 
atômica (u.m.a.) 
 
 1 g = 6,023 x 1023 u.m.a. (número de Avogadro) 
 
um mol da substância = 6,023 x 1023 átomos ou moléculas 1 uma/átomo (ou molécula) = 1 g/mol 
 
ex. massa atômica do ferro mFe = 55,85 uma/átomo ou mFe = 55,85 g/mol 
 
Os elétrons que giram ao redor do núcleo atômico situam-se em diferentes níveis de energia (camadas). 
Além disso, cada elemento apresenta uma configuração eletrônica particular. Os elétrons da camada mais 
externa (de valência) participam da ligação entre átomos, formando os agrupamentos atômicos ou 
moléculas. Na tabela periódica os átomos de elementos com configuração eletrônicas estáveis são Ne, Ar, 
Kr, He (gases inertes). 
 
 
 Ligações interatômicas 
 
 
 
 
 
Cada material apresenta diferentes magnitudes de energia de ligação e forma da curva de energia, pois 
ambas dependem do tipo de ligação interatômica. A figura acima mostra que a energia de ligação é mínima 
na distância interatômica de equilíbrio. 
 
Ligações primárias 
 
 Ligação iônica: é a ligação em que o átomo metálico cede seu(s) elétron(s) de valência para o átomo 
adjacente não metálico, para formar a configuração eletrônica estável. Ex. Sal (NaCl) uma grande 
parte das cerâmicas possui % de caráter iônico em sua estrutura; 
 Ligação covalente: é a ligação formada pelo compartilhamento de elétrons entre átomos adjacentes, 
produzindo a configuração eletrônica estável. Ex. (C2H4)n. A ligação covalente é forte. Entretanto, 
nos polímeros as ligações entre as grandes moléculas são fracas. 
 Ligação metálica: é a ligação formada pelos elétrons de valência do metal (carga negativa) com os 
núcleos iônicos do mesmo (núcleos e demais elétrons = carga positiva). A ligação pode ser forte ou 
fraca dependendo da energia de ligação. 
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Ligações secundárias ou de Van der Waals. Algumas das propriedades dos plásticos são dependentes das 
ligações fracas de dipolo e de hidrogênio entre as moléculas. 
 
1.2 Estrutura cristalina dos materiais 
 
Muitos materiais sólidos possuem uma ordenação de longa distância no arranjo de seus átomos constituintes, 
que é denominada rede cristalina. A menor porção da rede com característica geométrica definida é 
denominada célula unitária do sistema cristalino. Existem 07 sistemas cristalinos, e seus parâmetros de 
rede são dados por relações axiais (a, b, c) e ângulos axiais (, , ). 
 
1.MATERIAIS METÁLICOS (Processamento, Estrutura, Aplicações) 
 
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Algumas indústrias metalúrgicas e mecânicas têm como meta principal a fabricação de peças metálicas para 
setores tais como automobilístico, eletrodoméstico e aeronáutico. Os processos de fabricação empregados 
podem ser classificados em dois grupos: conformação (fundição, soldagem, metalurgia do pó, forjamento, 
laminação, extrusão, trefilação) e usinagem (torneamento, fresamento, furação, retífica, eletroerosão). 
Os parâmetros de processo influenciam a microestrutura do material de uma peça, determinando a sua 
qualidade final em termos de desempenho (propriedades). Durante a solidificação, os átomos do metal se 
agrupam de acordo com uma ordem de longo alcance, o que define a sua estrutura cristalina. A seguir são 
apresentadas as características das principais estruturas cristalinas dos metais. 
 
1.1 Estrutura cristalina cúbica de faces centradas (CFC) (Al, Cu, Ni, Pb, Au, Ag ...) 
 
no de átomos / cél. unit. CFC = 8 x 1/8 + 6 x 1/2 = 4 átomos / célula 
 
 
 
1.2 Estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC) (Fe  , Cr, Mo, W, ...) 
 
 no de átomos / cél. unit. CCC = 8 x 1/8 + 1 = 2 átomos / célula 
 
1.3 Estrutura cristalina hexagonal compacta (HC) (Ti  , Zn, Co, ...) 
 
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 no de átomos / cél. unit. CCC = 12 x 1/6 + 2 x 1/2 + 3 = 6 átomos / célula 
 
 
 
As estruturas mais empacotadas são a CFC e a HC, ou seja, o volume ocupado por átomos na célula é maior 
em relação a estrutura CCC. Isto pode ser demonstrado através do cálculo do fator de empacotamento 
atômico (f.e.a.): 
 
f.e.a.(CCC) = volume dos átomos/volume da célula =(2 x (4/3  r3)) /a3  dC2 = a2 + (a2)2  ( 4 r )2 = 3a2 
a = 4 r /3 
 
f.e.a.(CCC) = (2 x (4/3  r3 )) / (4 r /3)3 = 0,68 (68% do volume da célula CCC é ocupada por átomos) 
 
 
LISTA DE EXERCÍCIOS No 01 
 
1) Calcular o f.e.a. dos metais CFC. 
 
2) Calcular a densidade teórica (verdadeira) do elemento ferro e comparar com a densidade medida 
experimentalmente (Fe= 7,85 g/cm3). 
 
Dados: mFe = 55,85 uma 
 rFe = raio atômico do ferro = 0,1241 nm 
 
 
 
1.4 Polimorfismo e alotropia. 
 
Um metal ou não metal pode ter mais do que uma estrutura cristalina. Esta característica é denominada 
polimorfismo; o polimorfo é a “forma” ou hábito cristalino do material. A alotropia corresponde à mudança 
de estrutura cristalina do sólido elementar devido à mudança de temperatura ou pressão. Por exemplo, o 
ferro puro = Fe α (ferrita) CCC na temperatura ambiente transforma-se em Fe γ (austenita) CFC na 
temperatura de 912 ºC. Geralmente, os diferentes polimorfos de um mesmo elemento ou composto têm 
algumas propriedades físicas distintas, tais como densidade, expansão térmica etc. 
 
 
 
 
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1.5 Imperfeições em sólidos. 
 
No interior de um material cristalino não existe uma ordem atômica perfeita, pois todos os materiais 
possuem defeitos ou imperfeições. As imperfeições existentes no material influenciam suas propriedades. 
Por isso, é importante o conhecimento dos tipos de imperfeições e como elas afetam o comportamento dos 
materiais. Um metal puro, por exemplo, pode exibir melhores propriedades se lhe forem adicionados átomos 
de impurezas; é o caso do aumento da dureza e resistência mecânica da prata pura resultante de adições de 
7,5% em peso cobre. Um semicondutor de circuito integrado (computadores, calculadoras etc.) é outro 
exemplo do benefício de concentrações controladas de átomos de impurezas no material, as quais regem 
suas propriedades elétricas. 
 
defeito cristalino : irregularidade na rede cristalina com uma ou mais de suas dimensões na ordem de um 
diâmetro atômico. 
 
 Defeitos pontuais 
 
Lacuna: é uma posição atômica vaga na rede cristalina, ou seja, é a falta de um átomo na rede. 
 
Autointersticial: é um átomo do cristal que está comprimido em uma posição intersticial (espaço vazio na 
rede que normalmente não é ocupado). 
 
Impurezas em sólidos: não é possível existir um metal puro costituído de somente um tipo de átomo 
(elemento). Sempre estarão presentes outros elementos como impurezas (ou átomos estranhos) que poderão 
existir na forma de defeitos pontuais da rede cristalina. 
 
Refino de um metal  99,9999 % (possui átomos de impurezas da ordem de 1022 a 1023 átomos/m3). 
 
Os metais mais conhecidos são ligas devido ao aumento da resistência mecânica e resistência à corrosão. Ex. 
prata de lei, aço inoxidável. 
 
 
 
 
ADIÇÃO DE ÁTOMOS  SOLUÇÃO SÓLIDA  DEPENDENDO DE IMPUREZAS 
 E/OU COMPOSTO - tipos de impurezas 
 - concentrações- temperaturas 
 
 solvente: elemento ou composto em maior quantidade 
SOLUÇÃO SÓLIDA 
 
soluto: elemento ou composto em menor quantidade 
 
Na solução sólida os átomos de soluto são adicionados e a estrutura cristalina do elemento hospedeiro 
(solvente) é mantida. A composição é homogênea em todo o volume do material, ou seja, os átomos estão 
distribuídos uniformemente no interior do sólido). Assim ocorre também com uma solução líquida, por 
exemplo na solução água + álcool, que é formada por uma mistura de moléculas que têm composição 
homogênea em toda a sua extensão. 
 
Solução sólida substitucional : átomos de solutos substituem os átomos hospedeiros. Ex. Níquel em Cobre 
 
 
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REGRAS DE SOLUBILIDADE SÓLIDA: 
 
Será maior o grau de solubilidade (ou o grau de dissolução do soluto no solvente) se: 
 
1o ) a diferença dos raios atômicos do solvente e do soluto não ultrapassar  15%; 
 
2o ) a estrutura cristalina for a mesma; 
 
3o ) a eletronegatividade for próxima; 
 
4o ) forem iguais os fatores acima, um solvente dissolverá maior quantidade do soluto que tiver maior 
valência. 
 
Solução sólida intersticial: átomos de impureza nos interstícios que existem entre átomos hospedeiros 
(concentração  10 %). O diâmetro atômico do soluto deve ser muito menor do que o do solvente. Ex. 
Carbono no ferro. 
 
 
Defeitos lineares – discordâncias 
 
A discordância é o defeito gerado pelo deslocamento de uma linha de átomos de suas posições de equilíbrio 
na rede cristalina, em torno da qual existe uma distorção na rede. 
 
Discordância aresta: quando existe um plano extra de átomos na rede, ficando definida um linha de átomos 
na extremidade deste plano. 
 
Discordânica espiral: cisalhamento de planos cristalográficos que produz o deslocamento de uma distância 
atômica de plano de átomos superior em relação ao plano de átomos inferior. A distorção ocorre ao longo de 
uma linha de deslocamento atômico. 
 
Discordância mista: a maioria das discordâncias encontradas em materiais cristalinos não é puramente aresta 
ou espiral, mas uma combinação de ambas. 
 
Um vetor pode ilustrar a magnitude e a direção da distorção da rede (vetor de Burgers, b). 
 
Aresta: b  à linha de discordânica ( b é perpendicular à linha); 
Espiral: b // à linha de discordânica ( b é paralelo à linha); 
Mista: b não é nem perpendicular nem paralelo à linha de discordânica. 
 
Em materiais metálicos b aponta para a direção compacta (de maior densidade linear). 
 
As discordâncias em materiais pode ser visível atravé de microscopía eletrônica de transmissão. 
 
Defeitos planares (interfaciais) –superfícies externas, contornos de grãos, contornos de macla, 
contornos de fase, falha de empilhamento. 
 
Estes defeitos são bidimensionais e separam os constituintes dos materiais que têm diferentes orientações 
cristalográficas e/ou diferentes estruturas cristalinas. 
 
Superfícies externas: são contornos do material onde termina a estrutura do cristal. Os átomos de superfície 
possuem maior energia em relação aos átomos internos, por não estarem ligados a um máximo de átomos 
vizinhos. 
 
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Contornos de grão: os materiais policristalinos são formados por infinidades de grãos ou cristais com 
diferentes orientações cristalográficas que são separados pelos contornos bidimensionais. Este contorno 
possui a dimensão de poucas distâncias interatômicas, possuindo desncontros atômicos na região da rede 
entre as diferentes orientações cristalográficas de grãos adjacentes. Os contornos de grão são arranjos de 
discordâncias e, portanto, é uma região de maior energia em relação ao interior do cristal. Existem contornos 
de grão de baixo e alto ângulo, dependendo da orientação cristalográfica dos grãos adjacentes. 
 
Contornos de macla: tipo especial de contorno de grão por meio do qual existe simetria em espelho da rede 
cristalina. As maclas podem ser produzidas por deformação (metais CCC e HC) ou por recozimento (metais 
CFC). 
 
Defeitos interfaciais diversos: ainda podem existir defeitos oriundos de falhas de empilhamento e contornos 
de fase; a fase pode ser um composto ou um grão de outro elemento ou com outra estrutura cristalina. 
 
 
 
1.6 Diagramas de fases. 
 
Os diagramas de fases são gráficos que ilustram o comportamento térmico de ligas metálicas e materiais 
cerâmicos. Estes gráficos mostram constituintes de materiais em função da composição e temperatura, 
sendo, portanto, importantes fontes de consulta tanto para a fabricação de ligas como para o projeto e 
controle de tratamentos térmicos destas ligas. As microestruturas desenvolvidas estão relacionadas ao 
processo térmico utilizado. 
Uma liga é formada por componentes, que podem ser metais puros e/ou compostos; por exemplo, os metais 
Cu e Zn são os componentes do latão cobre-zinco. Um sistema consiste de uma série de ligas possíveis com 
os mesmos componentes, o que define uma composição diferente para cada liga do referido sistema. A 
solução sólida é formada por pelo menos dois tipos de átomos: soluto que ocupa posições substitucionais ou 
intersticiais da rede cristalina do solvente, sendo que o solvente mantém sua estrutura cristalina. Existe um 
limite de concentração de soluto no solvente denominado limite de solubilidade, que é a concentração 
máxima do soluto no solvente para formar a solução sólida numa dada temperatura. A adição de soluto em 
excesso, isto é, além deste limite, produz outro constituinte de composição diferente da solução sólida. Para 
ilustrar o comportamento da mistura de dois componentes (água e açúcar ), toma-se como exemplo 1 kg da 
solução (mistura). A figura 3 mostra o diagrama do sistema água e açúcar, onde está indicada a curva limite 
de solubilidade. 
 
 
Figura 3 Diagrama de fases para um sistema formado pela dissolução do açúcar na água. 
 
Base 1 kg de solução 
 
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T = 0 oC mágua = 400 g 40% em peso de água 
maçúcar = 600 g 60% em peso de açúcar 
 
T = 20 oC mágua = 350 g 35% em peso de água 
maçúcar = 650 g 65% em peso de açúcar 
 
T = 100 oC mágua = 200 g 20% em peso de água 
maçúcar = 800 g 80% em peso de açúcar 
 
FASE: parte homogênea de um sistema que tem características física e química uniformes. ex. metal puro, 
composto puro, solução sólida, líquida e gasosa. A solução de água e açúcar (xarope) da Figura 3 é uma 
fase, pois é uma solução homogênea. 
 
Exercícios: verificar as fases presentes nos seguintes sistemas: 
 
1) xarope e açúcar (sólido=cristais): Resp.: duas fases com diferente composição química e diferente 
propriedade física (uma fase é líquida e a outra é sólida); 
2) água e gelo: Resp.: duas fases com igual composição química e diferente propriedade física (uma 
fase é líquida e a outra é sólida); 
3) liga de titânio Ti6Al4V (estão presentes nesta liga as duas formas polimórficas do metal titânio: Tiβ 
(CCC) e Tiα (HC)). Resp.: duas fases sólidas com diferente composição química e diferente propriedade 
física (uma fase é CCC e a outra é HC); 
 
Microestrutura: as aparências das fases presentes no material são reveladas através da técnica de 
metalografia, a qual consiste da preparação da amostra e observação ao microscópio. 
 
Equilíbrio de fases: as fases presentes de material coexistem em equilíbrio quando não são alteradas suas 
quantidades e composição química, após transcorrido qualquer intervalo de tempo. O tempo para atingir o 
equilíbrio de fases é muito longo em sistemas sólidos e, portanto, estes sistemas encontram-se num estado de 
não-equilíbrio ou metaestável. Os diagramas de fases em equilíbrio ilustram as relações entre temperaturas, 
composições e quantidades relativas de fases em condições de equilíbrio. 
 
 
1.6.1 Sistema isomorfobinário. Diagrama de fases binário do sistema cobre-níquel. 
 
 
 
 
Figura 4 Diagrama de fases cobre-níquel (Cu-Ni). 
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Especificação da composição: concentração dos elementos (Ci). 
 
 
 Porcentagem em peso: peso de um elemento em relação ao peso total dos elementos. (base 1 kg = 
1000 g da liga) 
 
Cálculo da porcentagem em peso de cobre para uma massa de 1 kg da liga Cu-Ni40: 
 
 mCu 600 
CCu = __________ x 100 = _____________ x 100 = 60.000 = 60 % 
 mCu + mNi 600 + 400 1.000 
Cálculo da porcentagem em peso de níquel para uma massa de 1 kg da liga Cu-Ni40: 
 
 mNi 400 
CNi = __________ x 100 = _____________ x 100 = 40.000 = 40 % 
 mNi + mCu 400 + 600 1.000 
 
 
 
DETERMINAÇÃO DA QUANTIDADE RELATIVA DE FASES PRESENTES EM UMA LIGA (REGRA 
DA ALAVANCA): 
 
 
Exemplo: A composição Co da liga cobre-níquel ilustrada na porção do diagrama de fases cobre-níquel 
acima é Cu-Ni35%. Calcular as quantidades relativas de fases presentes em equilíbrio na temperatura de 
1250 ºC. 
 
Solução: A quantidade relativa de fase líquida e fase sólida α a 1250 oC para a liga Cu-Ni35 é 
 
% Líq. = BC = Cα - Co x 100 = 42,5 - 35 x 100 = 0,68 x 100 = 68 % 
 AC Cα - CLíq. 42,5 - 31,5 
 
% α = AB = Co - CLíq. x 100 = 35 - 31,5 x 100 = 0,32 x 100 = 32 % 
 AC Cα - CLíq. 42,5 - 31,5 
 
 
Obs.: a aplicação da regra da alavanca (ou do traço inverso) também permite o cálculo de quantidades 
relativas em peso das duas fases sólidas de uma liga bifásica na temperatura ambiente. 
 
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1.6.2 Sistema eutético binário. Diagramas de fases binário dos sistemas cobre-prata e chumbo-
estanho. 
 
Os sistemas eutéticos binários são aqueles em que uma mistura adequada de dois elementos produz uma liga 
que possui menor ponto de fusão do que qualquer um dos elementos em separado. O termo eutético significa 
facilmente fundido. O diagrama que ilustra as fases presentes nas ligas é conhecido como diagrama de fases 
eutético binário. Nesse diagrama são mostradas duas fases sólidas (α e β) e uma líquida. Por exemplo, no 
sistema cobre-prata da Figura 5 a fase α é uma solução sólida rica em cobre (fase α CFC contendo a prata 
como soluto), e a fase β é a fase rica em prata contendo cobre como elemento soluto (fase β CFC). O limite 
de solubilidade do soluto nas soluções sólidas α e β é definido pelas linhas solvus BC e sólidus AB / solvus 
GH e sólidus FG respectivamente. A linha horizontal BEG pode também ser considerada uma linha sólidus. 
Ao se observar a linha AE, nota-se que na medida em que a prata é adicionada ao cobre puro, a temperatura 
na qual o cobre torna-se totalmente líquido diminui. Do mesmo modo, na medida em que o cobre é 
adicionado à prata pura, a temperatura na qual a prata está totalmente líquida diminui (linha FE). O ponto E 
é o ponto de encontro dessas linhas líquidus com a isoterma BEG. Este ponto E é denominado ponto 
eutético, e tem coordenadas (CE , TE ). 
 
Em uma liga de composição CE (liga eutética) durante o aquecimento/resfriamento ocorre a seguinte reação 
eutética: 
 
 
 
 
 Líquido CE ↔ α (CαE) + β(CβE) 
 
 
 
 
onde: CαE , CβE são as composições das fases α e β à temperatura TE (temperatura eutética) 
 
ponto E = ponto eutético 
 
CE = composição do eutético 
 
 
 
Para o sistema cobre-prata a reação eutética fica: 
 
 
 
 
 
 Líquido (71,9% Ag) ↔ α ( 8 % p Cu) + β( 91,2 % p Ag) 
 
 
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Figura 5 Diagrama de fases eutético binário do sistema cobre-prata. 
 
No diagrama de fases para o sistema chumbo-estanho também existe um ponto eutético, localizado em 61,9 
%p de Sn a 183 oC, conforme ilustra a Figura 7.4. Um exemplo de aplicação desta liga eutética é a solda 
estanho 60-40 para baixas temperaturas. 
 
 
 
 
Figura 6 Diagrama de fases eutético binário do sistema chumbo-estanho. 
 
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Exercício: Considere a liga chumbo-estanho de composição C1 indicada no diagrama de fases. Quais as 
fases que estão presentes nesta liga C1 = Sn (40%) – Pb (60% ) a 150 oC ? Forneça a composição 
aproximada de cada uma das fases. Quais as quantidades relativas em peso (%p) destas fases ? 
Dados: ρSn = 7,24 g/cm3 , ρPb = 11,23 g/cm3 a 150 oC. 
 
Solução: 
 
 Fases presentes (ponto B) : α e β 
 Composições aproximadas das fases α e β : Cα Cβ 
 
 
 Quantidades relativas em peso das fases α e β : 
 
%p α = BC = Cβ - C1 x 100 = 98 - 40 x 100 = 0,66 x 100 = 66 % 
 AC Cβ - Cα 98 - 10 
 
%p β = AB = C1 - Cα x 100 = 40 - 10 x 100 = 0,34 x 100 = 34 % 
 AC Cβ - Cα 98 - 10 
 
LISTA DE QUESTÕES E EXERCÍCIOS No 02 
 
1)Forneça as definições para os seguintes termos relacionados aos diagramas de fases de ligas metálicas 
binárias: soluto, solução sólida, fase, componente, sistema, limite de solubilidade, equilíbrio de fases, ponto 
eutético. 
2) Como pode ser expressa a composição química de uma liga? 
3) Qual(is) a(s) fase(s) presente(s) em uma liga Cu-Ni30 mantida em condições de equilíbrio na 
temperatura de 1200 oC ? 
4) Uma liga de cobre contém 20% em peso de prata. Se esta for aquecida em condições de equilíbrio e for 
mantida a temperatura de 900 oC por algumas horas, pergunta-se: a) quantas fases estarão presentes nesta 
temperatura ? b) quais as composições aproximadas de cada uma das fases nesta temperatura, e c) quais as 
quantidades relativas em peso (%p) e em volume (%v) de cada fase ? 
 Dados: ρCu = 8,56 g/cm3 , ρAg = 9,97 g/cm3 a 900 oC 
5) Quantas fases se formam na solidificação completa de uma liga eutética ? e quantas se formam na fusão 
completa ? Exemplifique a reação eutética. 
6) Calcule a composição em percentuais atômicos (%at.) da liga eutética chumbo-estanho. Quais as fases 
presentes desta liga resfriada em condições de equilíbrio estável a partir do estado líquido? Qual a 
composição química aproximada de cada uma destas fases? Quais as quantidades relativas em peso e a 
fração volumétrica de cada uma destas fases na temperatura ambiente ? Obs.: considere as densidades dos 
elementos na temperatura ambiente a mesma do que a 150 oC. 
 
1.6.3 Diagramas que possuem fases intermediárias na forma de soluções sólidas ou de compostos 
intermediários. 
 
Nos diagramas eutéticos binários existem as chamadas soluções sólidas terminais ( e ), situadas em faixas 
de composição próximas das extremidades do diagrama. Existem outros sistemas de ligas binárias em que as 
soluções sólidas encontram-se em regiões de composições intermediárias, conforme ilustrado pela fase  da 
liga hipotética A-B da Figura 7.5. A fase intermediária pode também ser um composto, denominado 
composto intermetálico, que possui uma fórmula química específica, como mostra a Figura 7.6. 
10% Sn 
90% Pb 
98% Sn 
 2% Pb 
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 Figura 7. Fase intermediária (solução sólida ) Figura 8 Fase intermediária (composto 
intermetálico no diagrama de fases hipotético A-B. C2D) no diagrama de fases hipotético C-D. 
 
Uma reação eutetóide ocorre quando em um sistema existe transformação de uma fase sólida em outras duas 
fases sólidas no resfriamento; éo que acontece no diagrama da Fig. 7.6 durante o resfriamento da liga no 
ponto a. A reação eutetóide deste exemplo fica 
 
 
    + C2D 
 
CLASSIFICAÇÃO DAS TRANSFORMAÇÕES DE FASES 
 
Transformações congruentes: não ocorre alteração na composição química das fases envolvidas. Exs. 
Transformações alotrópicas e fusão de metais puros. 
 
Transformações incongruentes: ao menos uma fase tem a sua composição alterada. Exs. Reações eutéticas 
e eutetóides, a fusão/solidificação de uma liga de um sistema isomorfo. 
 
 
 
1.6.4 Diagrama de fases ferro-carbono. 
 
O diagrama ferro-carbono é um dos mais importantes do ponto de vista tecnológico, pois nos permite 
compreender a estrutura dos aços e ferros-fundidos (ligas ferro-carbono), bem como as transformações que 
estas ligas experimentam em tratamentos térmicos. Durante o aquecimento do ferro puro, antes de ser 
atingida a temperatura de fusão, a estrutura cristalina deste metal se altera duas vezes. Como visto 
anteriormente, este fenômeno diz respeito à alotropia do ferro, conforme ilustra a linha vertical à esquerda 
do diagrama da Figura 7.7. Na temperatura ambiente o ferro puro tem estrutura cristalina CCC (ferro ) e 
denomina-se ferrita. Esta ferrita sofre uma transformação para austenita (ferro ) de estrutura CFC na 
temperatura de 912 oC. A austenita se mantém estável até 1394 oC, quando ocorre nova transformação 
(reversão) para a estrutura CCC (ferro ). A fusão do ferro puro acontece a 1538 oC. A microestrutura da 
ferrita (ferro ) e da austenita (ferro ) está nas Figuras 7.8 (a) e (b) respectivamente. 
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Figura 9 Diagrama de equilíbrio da ligas ferro-carbono. 
 
A parte rica em ferro do diagrama está ilustrada na figura acima; o teor de carbono não excede a 6,7%, que é 
a composição do composto carbeto de ferro ou cementita (Fe3C), localizado na extremidade direita do 
diagrama. Todos os aços e ferros fundidos comuns ao carbono situam-se nesta faixa de composições. Os 
aços podem conter até 2,14 %C, embora as ligas de aço comerciais tenham 1,0 %C no máximo. Os ferros 
fundidos contém de 2,14 %C até 6,7 %C, mas normalmente os ferros fundidos comerciais possuem menos 
de 4,5 %C em peso. 
 
 
Figura 10 Microestruturas do ferro puro na forma de ferro : ferrita (a), e do ferro : austenita (b). 
 
A formação da cementita (Fe3C) ocorre quando o limite de solubilidade do C na ferrita é excedido em 
temperaturas menores do que 727 oC. Como a cementita é muito dura e frágil por ser uma fase cerâmica, o 
aumento da resistência de alguns aços se deve à presença deste composto. A cementita é uma fase 
metaestável que permanece indefinidamente como microconstituinte da liga ferrosa na temperatura 
ambiente, mas se a liga for aquecida até aproximadamente 650-700 ºC e mantida nesta temperatura por 
vários anos, ocorrerá a transformação da cementita em ferro + grafite (carbono), e estes serão os 
constituentes da liga após o resfriamento. Como a taxa de decomposição da cementita é muito lenta, e a 
solubilidade do carbono no ferro é muito pequena ( 0,008%C na ferrita), praticamente todo o carbono 
presente no aço estará na forma de Fe3C. Entretanto, em ferros fundidos a adição do elemento silício 
(a) (b) 
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aumenta muito a taxa de decomposição da cementita. Por isso, o carbono está normalmente na forma livre 
na microestrutura do ferro fundido; este constituinte é conhecido por grafita (carbono livre). 
 
Para entendermos o desenvolvimento das microestruturas em aços e ferros fundidos se torna fundamental 
identificarmos dois pontos importantes de transformação de fases no diagrama: 
 
LISTA DE QUESTÕES E EXERCÍCIOS No 03 
 
1) Forneça as definições para os seguintes termos relacionados aos diagramas de fases de ligas metálicas 
binárias: soluto, solução sólida, fase, componente, sistema, limite de solubilidade, equilíbrio de fases, ponto 
eutético. 
2) Como pode ser expressa a composição química de uma liga? 
3)Qual(is) a(s) fase(s) presente(s) em uma liga Cu-Ni30 mantida em condições de equilíbrio na temperatura 
de 1200 oC ? 
4)Uma liga de cobre contém 20% em peso de prata. Se esta for aquecida em condições de equilíbrio e for 
mantida a temperatura de 900 oC por algumas horas, pergunta-se: a) quantas fases estarão presentes nesta 
temperatura ? b) quais as composições aproximadas de cada uma das fases nesta temperatura, e c) quais as 
quantidades relativas em peso (%p) e em volume (%v) de cada fase ? 
 Dados: ρCu = 8,56 g/cm3 , ρAg = 9,97 g/cm3 a 900 oC 
5)Quantas fases se formam na solidificação completa de uma liga eutética ? e quantas se formam na fusão 
completa ? Exemplifique a reação eutética. 
6)Calcule a composição em percentuais atômicos (%at.) da liga eutética chumbo-estanho. Quais as fases 
presentes desta liga resfriada em condições de equilíbrio estável a partir do estado líquido? Qual a 
composição química aproximada de cada uma destas fases? Quais as quantidades relativas em peso e a 
fração volumétrica de cada uma destas fases na temperatura ambiente ? Obs.: considere as densidades dos 
elementos na temperatura ambiente a mesma do que a 150 oC. 
 
 
 
 
1.6.3 Micrografia ótica. 
 
A micrografia permite a observação e o registro da microestrutura de diferentes materiais. Esta técnica 
consiste da preparação de amostra e observação da textura da superfície do material ao microscópio. As 
etapas a serem seguidas para execução da micrografia de ligas ferrosas são as seguintes: 
 
1º) Escolher a secção da peça a ser examinada; 
 
2º) Preparar superfície plana e polida da amostra (corte, lixamento, polimento); 
 
3º) Observação das características da superfície da amostra com auxílio de microscópio ótico; amostra sem 
ataque químico; 
 
4º) Observação da microestrutura do material com auxílio de microscópio ótico; após ataque químico da 
amostra com reagente adequado; 
 
5º) Obtenção da fotomicrografia da microestrutura observada. 
 
Seção a ser examinada: esta escolha é fundamentada nas características que se pretende observar, 
geralmente relacionadas ao processo de fabricação da peça, ou à partes da peça sujeitas a solicitações 
mecânicas em serviço. Por exemplo, em peças fundidas de grande porte pode ser necessário retirar amostras 
de diferentes regiões, em razão de heterogeneidades presentes no material. Uma peça sujeita a deformação 
permanente na fabricação (p. ex. forjamento) apresenta diferentes aspectos na seção transversal e 
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longitudinal, conforme ilustra a Figura 8.0 (Fonte: Colpaert, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos 
comuns Ed. Edgard Blücher). 
 
 
 
Figura 11 Seção transversal e longitudinal de uma barra de aço. 
 
Preparação da superfície da amostra: a retirada da amostra é feita mediante corte, geralmente realizado por 
cortadeira de disco abrasivo, que possui um sistema de circulação de líquido para refrigerar o processo, 
conforme ilustra a Figura 8.1. 
 
 
 
Figura 12 Cortadeira de disco abrasivo Figura 13 Lixadeira manual Figura 14 Politriz 
motorizada com recirculação de fluido refrigerante. com disco de polimento. 
 
Dependendo do tamanho ou da forma da amostra, torna-se necessário montá-la em resina plástica para 
viabilizar o lixamento e polimento posteriores. O embutimento da amostra metalográfica é feito geralmente 
numa prensa hidráulica, que funciona com sistema de aquecimento para a cura do termoplástico, conforme 
ilustra a Figura 8.4. 
 
Figura 15 Prensa de embutimento e amostras embutidas Figura 16 Microscópio ótico para 
observação em resina termoplástica. da microestrutura de materiais 
metálicos. 
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O lixamento da superfície pode ser feito em lixadeira manual de bancada, como a mostrada na Figura 8.2, 
ou pode ser feito em lixadeiras motorizadas (rotativas). No trabalho de lixamento são utilizadas papéis de 
lixa de número 100, 220, 320 e 600. 
Como o calor e esforços aplicados nas operações de corte e lixamento deformam/alteram regiões da 
superfície da amostra, torna-se necessário remover a zona afetada (encruada) por meio do polimento, para 
que a observação não seja comprometida. O polimento das amostras de aço e ferro fundido pode ser 
realizado em politrizes para polimento com solução de alumina ou com pasta de diamante. As soluções de 
alumina utilizadas possuem pós de granulometria de 1, 0,5 e 0,3 micron. As pastas de diamante possuem 
materiais com granulometrias em torno de 10, 5 e 1 micron. Uma das formas de se evitar a oxidação da 
superfície polida é conservar a amostra num dessecador (campânula) contendo cloreto de cálcio, caso a 
amostra não seja logo submetida ao ataque químico. 
 
Observação da superfície polida da amostra ao microscópio/ Características do microscópio ótico: o 
microscópio ótico possui dois sistemas de lentes convergentes: a objetiva e a ocular. A imagem que é vista 
através da ocular, geralmente provém da luz de uma lâmpada refletida na superfície da amostra e que é 
projetada pela objetiva (vide sistemas de iluminação de “campo claro” dos microscópios óticos na Figura 
8.6). Nestes sistemas de iluminação as partes polidas e não atacadas por reagente químico apresentam 
imagem em claro, enquanto que as regiões não polidas (trincas, poros, inclusões) ou atacadas (contornos de 
grão, perlita etc) aparecem em escuro. 
 
Figura 17 Sistemas de iluminação de “campo claro” de microscópios óticos. (Fonte: Colpaert, H. 
Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns Ed. Edgard Blücher). 
 
 Antes da exposição da amostra ao reagente químico, várias características do material podem ser 
observadas, tais como inclusões, trincas, porosidades e forma da grafita em ferros fundidos. Nas Figuras 8.7 
a 8.10 são apresentados resultados de operações de polimento de ligas ferrosas (Fonte: Colpaert, H. 
Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns Ed. Edgard Blücher). 
 
 
 
Figura 18 Superfície bem polida e sem ataque químico Figura 19 Superfície mal polida contendo 
riscos de um aço com numerosas inclusões. 200X de polimento. 100X 
 
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Figura 20 Superfície bem polida e sem ataque químico Figura21 Superfície mal polida contendo 
de um aço com numerosas inclusões. 200X A) Cometas; B) Manchas C) Halos em 
torno de pequenos orifícios. 200X 
 
Alguns aspectos observáveis em superfícies polidas sem ataque estão ilustrados nas Figuras 8.11 e 8.12. 
 
 
 
 Figura 22 Inclusões quebradiças em aço Figura 23 Trincas em aço temperado 
 sem ataque. 200X sem ataque. 200X 
 
Observação da microestrutura do material ao microscópio: O contraste das fases presentes no material é 
revelado por meio do ataque químico da superfície da amostra. As Figuras 8.7-8.9 apresentam 
microestruturas de aços comuns ao carbono. 
 
 
 
Figura 24 Microestrutura de um aço carbono hipoeutetóde (Ferrita + Perlita) 
 
 
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 Figura 25 Microestrutura de um aço Figura 26 Microestrutura de um aço 
 eutetóide (Perlita) hipereutetóide (Perlita + Cementita) 
 
 
Procedimento de preparação metalográfica 
 
Material necessário 
- amostra a observar, 
- serra, 
- lima, 
- prensa de montagem a quente, 
- resina para montagem a quente 
- funil, 
- colher de medida, 
- lixas 
- mesa de polimento, 
- politriz rotativa, 
- panos de polimento, 
- algodão, 
- papel, 
- detergente, 
- dispersão de alumina 1 um, 
- dispersão de alumina 0,25 um, 
- álcool, 
- nital a 3%, 
- pinças, 
- recipiente, 
- secador, 
- microscópio, 
 
A1 – Posicionar a barra na cortadeira de disco abrasivo, prendendo-a no suporte; proceder o corte de forma 
lenta, garantindo que não ocorra um aquecimento excessivo. 
 
A2 - Se necessário, melhore a planicidade da amostra com uma lima. 
Se necessário, efetuar a montagem da amostra numa resina. 
Durante o polimento haverá necessidade de observar várias vezes a amostra ao microscópio para controlar o 
estado de superfície da amostra. Para tal existe no 
laboratório um microscópio de operação simples. Escolhida a objetiva, coloque a 
amostra no prato porta-amostra, aproxime-a o mais possível da objetiva, embora 
sem tocar, ligue a fonte de alimentação e, com o auxílio dos botões recartilhados 
laterais, proceda à focagem. Ao terminar a observação, desligue a fonte de alimentação. 
 
Atenção: tanto a amostra como as mãos deverão estar perfeitamente secas sempre 
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que utilizar o microscópio. 
 
B1 - O processo inicia-se na bancada de lixamento. 
 
B2 - Mantenha-se à frente da lixadeira (lixadeira manual de bancada). Segure a amostra com os polegares, 
indicadores e dedos médios de ambas as mãos. Memorize bem a orientação da amostra ao iniciar o 
lixamento. O conjunto formado pela amostra, pelas mãos e pelos pulsos deverá manter-se rígido, mas 
descontraído, para que a pressão exercida não seja exagerada e os movimentos sejam executados com 
suavidade. O lixamento será conseguido através de movimentos regulares de vai-vem ao longo de toda a 
extensão da lixa. Para assegurar esses movimentos, os antebraços, os pulsos e as mãos manter-se-ão quietos. 
Deverá portanto mover apenas os cotovelos. Evite exercer sobre a amostra uma pressão assimétrica para 
evitar que ela adquira uma forma em bisel, e não execute o vai-vem através de movimentos bruscos, para 
não abaular a superfície a observar. 
 
B2 - Mantenha-se à frente da lixadeira rotativa. Segure a amostra com três dedos de uma das mãos. Lembre-
se de que deverá manter a rigidez do conjunto amostra-mão-pulso- antebraço-cotovelo. Os movimentos 
verticais para colocar a amostra no prato e para ajustar a pressão deverão ser feitos com o ombro. Oriente a 
amostra de forma que os riscos deixados pela rotação da lixa sejam perpendiculares aos deixados pela última 
lixa. 
 
B3 - O desbaste deve ser realizado sob água corrente abundante, para evitar o aquecimento da amostra e 
para a remoção das partículas arrancadas à amostra e ao 
abrasivo, as quais iriam alterar a microestrutura a observar. 
 
B4 - A seqüência de polimento consiste, numa primeira fase, em utilizar as lixas de 
bancada de lixamento, desde a mais grossa até a mais fina. A transição entre lixas far-se-á quando, por 
observação ao microscópio, não forem observáveis riscos em mais do que uma direção, correspondente à 
direção em que por último se trabalhou. 
 
B5 - Ao passar de uma lixa para a seguinte deverá girar a amostra em 90º, de modo 
que os riscos deixados pelo abrasivo da nova lixa façam um ângulo reto com os 
deixados pela lixa anterior. Tal cuidado tem por finalidade detectar o momento em 
que desaparecem os riscos introduzidos pela lixa anterior. Após eliminar esses riscos 
dever-se-á ainda proceder a outro desbaste na mesma lixa, de modo a que os riscos 
cruzem a 90º com os anteriores, da mesma lixa, a fim de eliminaro material deformado pelo abrasivo da lixa 
anterior. 
 
B6 - Ao acabar o polimento numa lixa e antes de passar à seguinte, lave 
cuidadosamente a amostra e as mãos, para evitar contaminações de cada lixa com 
material da lixa anterior, de maior granulometria. 
 
B7 - A pressão a utilizar durante o desbaste será tanto maior quanto mais duro é o 
material a desbastar, não devendo ser excessiva para não o deformar e fraturar, mas 
deverá ser suficiente para que se dê a eliminação rápida dos riscos da lixa anterior. 
Um desbaste excessivamente prolongado provoca mais um "empastamento" do 
material do que o corte que se pretende. 
 
B8 - Terminada a utilização da última lixa e lavadas as mãos e a amostra, poderá 
passar à politriz rotativa. Antes, porém, deverá limar o rebordo da amostra ou da montagem da amostra para 
não ferir os panos de polimento. 
 
B9 - Com o aparelho desligado coloque o prato sobre o qual está montado o pano 
destinado à dispersão de alumina (granulometria de 1 um). Note que os pratos estão 
identificados com a indicação da granulometria a que se destinam e que em caso 
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algum se deverão misturar aluminas de diferentes granulometrias no mesmo pano, sob pena de 
impossibilitar qualquer polimento posterior. Em caso de dúvida, consulte o professor responsável pelo 
acompanhamento da aula prática. 
 
B10 - Coloque o aro de proteção na politriz. 
 
B11 - Se constatar que a alumina contida no pano é insuficiente, coloque 
uma pequena porção no centro e espalhe ligeiramente. 
 
B12 - Para assegurar a lubrificação, coloque no pano um pouco de detergente. 
 
B13 - Mantenha-se à frente da politriz. Segure a amostra com três dedos de uma 
das mãos. Lembre-se de que deverá manter a rigidez do conjunto amostra-mão-pulso- antebraço-cotovelo. 
Os movimentos verticais para colocar a amostra no prato e para 
ajustar a pressão deverão ser feitos com o ombro. 
 
B14 - Oriente a amostra por forma a que os riscos deixados pela rotação do pano 
sejam perpendiculares aos deixados pela última lixa. 
 
B15 - Ligue a polidora e regule a velocidade de rotação para 300 rpm. 
 
B16 - Lentamente, e segurando a amostra com firmeza, leve-a a contatar com o pano, 
exercendo alguma pressão. 
 
B17 - A forma mais simples de proceder consiste em manter estática a amostra 
durante algum tempo, e retirá-la então a fim de observar os resultados. Uma técnica 
alternativa, mais delicada mas que garante melhores resultados, consiste em, 
mantendo constante a orientação da amostra, imprimir-lhe um movimento circular 
regular, em sentido contrário ao da rotação do prato. 
 
B18 - Antes de observar o estado de superfície da amostra, lave-a com algodão 
embebido em álcool, seguido de uma passagem por água corrente e novamente com 
algodão e álcool, após o que deverá empregar o secador para secar completamente a 
amostra. Se for trocar de pano, deverá proceder da mesma forma e, além disso, lavar as mãos. 
 
B19 - Se a amostra está em condições de passar à alumina de granulometria mais fina 
(1/4 um), troque o prato da politriz e repita os procedimentos B10 a B18. 
No final, não se esqueça de lavar e secar a amostra. 
Terminado o polimento, rest proceder ao ataque. 
 
C1 - Observe previamente a amostra no microscópio, a fim de comparar o aspecto da 
superfície antes e depois do ataque. 
 
C2 - No recipiente verta cuidadosamente uma pequena quantidade de nital a 
3%. Atenção: sendo uma solução (em etanol) de ácido nítrico, este reagente é 
cáustico. Evite qualquer contacto com os olhos, a pele, ou a roupa. 
 
C3 - Abra a torneira da água e deixe-a correr abundantemente. 
 
C4 - Segure a amostra com uma pinça e mergulhe a superfície a observar no líquido, 
de preferência com uma ligeira agitação. Controle bem o tempo de contato, pois ele 
não deverá, em princípio, exceder 3 a 5 s. 
 
C5 - Coloque imediatamente a amostra em contacto com a água corrente, a fim de 
parar a reação, arrastando o nital que ainda sobrar. 
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C6 - Lave a superfície da amostra com álcool e seque com o secador. 
 
C7 - Observe a amostra ao microscópio. Se o aspecto da superfície diferir pouco 
relativamente à observação anterior, o ataque foi insuficiente. Repita os procedimentos C4 a C6, limitando 
ainda mais o tempo da reação. Se, por outro lado, a superfície se apresenta muito enegrecida ou acastanhada, 
sinal de que o ataque foi exagerado, ou ainda se já efetuou dois ataques sem qualquer resultado apreciável, 
caso em que a estrutura da superfície já poderá estar bastante perturbada, refaça a 
última etapa do polimento e volte então a atacar a amostra. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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2.MATERIAIS CERÂMICOS (Processamento, Estrutura, Aplicações) 
 
As cerâmicas são materiais inorgânicos e não metálicos, que consistem em sua maioria de 
compostos formados por metais e não metais. Nesses compostos as ligações atômicas possuem caráter 
iônico e/ou covalente 
 
CERÂMICA = do grego “keramikos” (matéria-prima queimada, ou seja, em que a consolidação da 
peça ocorre por sinterização, onde a união das partículas acontece em elevadas temperaturas). 
 
Cerâmicas tradicionais  m.p. argilas  louça, porcelana, tijolos, telhas, 
revestimentos e minerais (piso e azulejo), vidros e 
refratários (Fig. 1) 
 
 
 
Figura 1. Cerâmicas tradicionais 
 
 
Cerâmicas termomecânicas  m.p.óxidos, nitretos  componentes automotivos, 
 /eletroeletrônicas carbetos elementos de bombas 
centrífugas, 
 partes de instrumentos e 
equipamentos de medição, 
ferramentas de corte e 
abrasão, biomateriais (Figura 
2) 
 
 
 
 
Figura 2. Cerâmica termomecânica/eletroeletrônica 
 
 
 
 
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2.1 Estruturas das cerâmicas. 
 
Quando a ligação iônica predomina no material cerâmico a sua estrutura cristalina é formada 
por íons metálicos positivos (cátions) e íons não-metálicos negativos (ânions). A estrutura cristalina da 
cerâmica depende: 
 
1º) da magnitude das cargas elétricas dos íons componentes (neutralidade elétrica do 
composto); ex. Ca+2F-2 (fluoreto de cálcio); 
 
2º) do tamanho dos íons (cátions e ânions / razão entre os raios iônicos) 
 
Uma estrutura cristalina estável se forma na cerâmica quando os ânions vizinhos estão todos 
em contato com o cátion conforme a seguinte ilustração: 
 
 estável estável instável 
 
Assim, existem materiais cerâmicos que se cristalizam nos diferentes sistemas cristalinos, tais 
como sistema cúbico, hexagonal, tetragonal, monoclínico. O sistema cúbico possui três tipos de estruturas 
cristalinas (AX, AmXp, AmBnXp). 
Os silicatos são os compostos mais abundantes da crosta terrestre; são formados por unidades 
tetraédricas básicas de silicatos (carregadas negativamente), conforme ilustram as Figuras 3 e 4. 
 
 
 Figura 3. Tetraedro de silício-oxigênio SiO+44 Figura 4. Estruturas formadas por tetraedros SiO+44 
 
Existem várias estruturas de silicatos dependendo do arranjo das unidades SiO+44 , ex. sílica 
cristalina, sílica vítrea. 
 
√ Sílica (SiO2): estrutura cristalina formada quando todos os átomos de oxigênio da unidade 
tetraédrica estão compartilhados (ligados entre si); os tetraedros estão arranjados regularmente e 
ordenadamente. Existem três formas polimórficas da sílica: quartzo, tridimita e cristobalita. 
 
√ Vidro de sílica (sílica vítrea): O vidro é um material cerâmico não cristalino formado por 
uma rede deóxidos interligados sem arranjo ordenado; o mais comum é o de silicato de sódio (soda-cal) 
utilizado em janelas (Figura 5). 
 
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SiO2 
GeO2 ÓXIDOS FORMADORES DE REDE 
B2O3 
 
Na2O 
CaO ÓXIDOS MODIFICADORES DE REDE 
 
TiO2 
Al2O3 ÓXIDOS INTERMEDIÁRIOS 
 
 
Figura 5. Representação da estrutura não cristalina de um vidro de silicato de sódio. 
 
O carbono existe tanto na forma cristalina como no estado amorfo. Os seguintes polimorfos do 
carbono apresentam características distintas: grafita, diamante e fullereno. A grafita possui uma estrutura 
cristalina composta por camadas de átomos de carbono em um arranjo hexagonal. Os carbonos das camadas 
estão ligados entre si por ligações covalentes; entre as camadas a ligação é do tipo van der Waals (fracas), o 
que explica as propriedades lubrificantes da grafita (Figura 6a). O diamante possui estrutura cristalina 
cúbica, 
 
 (a) (b) (c) 
 
Figura 6. Estruturas cristalinas do carbono: (a) grafita, (b) diamante e (c) fullereno. 
 
como indicado na figura 6b. Cada átomo de carbono se liga covalentemente a quatro átomos de carbono; por 
isso é um material de extrema dureza. Ademais, o diamante possui boa condutividade elétrica, é transparente 
e tem elevado índice de refração. Um arranjo CFC de moléculas de fullereno forma um sólido cristalino 
que, quando puro, é eletricamente isolante; uma molécula do fullereno tende a apresentar forma esférica, tal 
como ilustra a Figura 6c. A adição de impurezas, entretanto, pode tornar o sólido altamente condutor ou 
semicondutor. 
IF-SC Campus Joinville Página 30 
 
 A estrutura cristalina de cerâmicas normalmente apresenta imperfeições pontuais, lineares ou 
planares, tal como ocorre nos materiais metálicos. Os defeitos pontuais são as lacunas ou intersticiais que, 
tanto ocorrem nos cátions como nos ânions; a condição de neutralidade elétrica é mantida na região do 
defeito. As soluções sólidas são os átomos de impureza substitucional ou intersticial presentes na rede 
cristalina. 
 
Diagramas de fases:- Assim como ocorre na metalurgia, os diagramas de fases binários e ternários auxiliam 
técnicos e engenheiros no processamento de materiais cerâmicos. Exs. Al2O3 - SiO2, ZrO2 – CaO. 
 
 
Processamento de materiais cerâmicos 
 
 
 VIDROS: 
 
Variação do volume específico com a temperatura (materiais cristalinos x não 
cristalinos) 
 
 
 
 
Viscosidade em função da temperatura para vários vidros de silicato 
V
ol
um
e 
es
pe
cí
fic
o 
Temperatura 
Vidro 
Líquido 
Líquido super-resfriado 
Cristalização 
Sólido 
Cristalino 
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Distribuição de tensões residuais na seção de uma lâmina de vidro (Tamb) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Vidro 
borosilicato 
Vidro com 
96% sílica 
Sílica 
fundida 
 Ponto de deformação 
Ponto de recozimento 
Ponto de amolecimento 
Ponto de operação 
Ponto de fusão 
Faixa de operação 
Tensão (MPa) 
Compressão Tração 
Tensão (103 psi) 
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Conformação de vidros por prensagem e insuflação (sopro) 
 
 
 
 
Conformação de vidros planos e perfis por estiramento 
 
 
 
 
 
 
tarugo 
Molde de 
parison 
Operação de prensagem 
Parison 
suspenso 
Molde de 
Acabamento 
Ar comprimido 
 
 
Lâmina de vidro 
 Rolo rotativo 
 Rolo de conformação 
 
 Barreira resfriada a água 
 
 Vidro fundido 
 
 Queimadores 
 
IF-SC Campus Joinville Página 33 
 
Conformação de peças cerâmicas 
 Resistência à tração 
 
 
 
Microestruturas de Cerâmicas 
 
 
 
 
 
Te
ns
ão
 (M
Pa
) 
 Deformação 
Óxido de alumínio 
Processo de sinterização de pós 
Diamante policristalino 
(carbono) 
Porcelana Abrasivo à base de alumina 
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Conformação de produtos à base de argila por colagem de 
barbotina 
 
 
 
 
 
 
 
Conformação por prensagem uniaxial de pós cerâmicos 
 
 
 
A barbotina 
(supensão) é 
vertida para o 
interior do 
molde por 
gravidade 
A água é absorvida 
pelo molde de gesso 
Peça sólida acabada 
A barbotina 
(supensão) é 
vertida para o 
interior do 
molde por 
gravidade 
A água é absorvida 
pelo molde de gesso 
O molde é drenado 
Retirada da 
parte superior 
Recipiente 
Preenchimento 
da cavidade do 
molde com o pó 
Compactação do pó 
Extração da peça compactada 
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Revestimentos cerâmicos em ferramentas de corte: 
TiN/PVD e Alumina/CVD em cermets e metal duro. 
 
 
 
 
LISTA DE QUESTÕES – CERÂMICAS 
 
1) Quais os tipos de materiais cerâmicos utilizados nas seguintes aplicações? 
a) Objetos de cozinha: fabricação de cerâmica de mesa, copos, garrafas, jarros, 
potes; 
..................................................................................................................................... 
b) Construção civil: fabricação de blocos (tijolos), telhas; palanques, construção de 
paredes; 
..................................................................................................................................... 
c) Componentes de máquinas e equipamentos: ferramentas de usinagem , bomba 
centrífuga, componentes de motores. 
..................................................................................................................................... 
 
2) Cite os processos de fabricação de vidros e cerâmicas. 
..................................................................................................................................... 
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.................................................................................................................................... 
.................................................................................................................................... 
.................................................................................................................................... 
.................................................................................................................................... 
3) O que é temperatura de transição vítrea? 
.................................................................................................................................... 
.................................................................................................................................... 
.................................................................................................................................... 
.................................................................................................................................... 
4) Descreva o processo de têmpera do vidro plano. 
.................................................................................................................................... 
.................................................................................................................................... 
.................................................................................................................................... 
.................................................................................................................................... 
....................................................................................................................................5) Como se denomina o processo de consolidação do compactado cerâmico que se 
realiza por tratamento térmico? 
........................................................................................................................................... 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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3.MATERIAIS PLÁSTICOS (Polímeros) 
 
Existem duas classes de polímeros utilizados na fabricação de uma grande variedade de produtos: os 
polímeros naturais e os sintéticos. Os polímeros naturais são materiais derivados de plantas e animais (exs. 
madeira, borracha, algodão, lã, couro, e seda), enquanto polímeros sintéticos (plásticos) são em sua maioria 
fabricados a partir de pequenas moléculas orgânicas derivadas do carvão e do petróleo. 
 
 
 
 
 
 
As propriedades satisfatórias e o menor custo dos plásticos têm possibilitado a substituição de metais e 
madeira em algumas aplicações. Como as estruturas moleculares e cristalinas dos polímeros têm influência 
tanto nas propriedades mecânicas das peças como nas condições de conformação, estes assuntos serão vistos 
a seguir em maior detalhe. 
 
 
 
Figura 8 . A substituição dos metais e aplicações de plásticos mais resistentes vem crescendo na 
indústria automobilística. (Fonte: http://g1.globo.com/Noticias/Carros/0,,MUL581881-9658,00.html) 
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3.1 Estruturas dos polímeros. 
 
Hidrocarbonetos:- são materiais orgânicos compostos por hidrogênio e carbono. Como a maioria dos 
polímeros tem origem orgânica, é comum se iniciar o estudo destes materiais por uma revisão sobre os 
hidrocarbonetos. Na molécula de um hidrocarboneto cada átomo de carbono pode compartilhar até quatro 
elétrons de valência, o que define ligações covalentes entre os átomos (ligações intramoleculares). 
 
 
 
 
 
 
Moléculas isômeras possuem mesma composição mas diferentes arranjos atômicos 
 
Qualquer um dos seguintes grupos orgânicos pode fazer parte de uma estrutura polimérica: 
 
Moléculas saturadas possuem ligações simples 
Moléculas insaturadas possuem ligações duplas ou triplas 
 
 | | 
– C – – C = = C = – C  
 | 
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R e R’ = radicais orgânicos são grupos de átomos que se ligam para formar um hidrocarboneto; os 
radicais mantém sua estrutura durante as reações químicas. 
Ex. CH3 – metila, C2H5 – etila 
 
 
Síntese de polímeros 
 
Definição de polímeros: consistem de uma grande quantidade de moléculas gigantes formadas por 
reações químicas entre pequenas moléculas de hidrocarbonetos (monômeros). Estas reações são conhecidas 
por polimerização. 
 
A grande cadeia carbônica é composta por unidades estruturais que se repetem, conhecidas por meros 
 
 
 Forma molecular 
 
 
 
 Polimerização por adição (reação em cadeia): 
caracterizada pela fixação dos monômeros, um de cada vez, formando uma cadeia linear 
longa; a macromolécula resultante é composta de um múltiplo exato de monômero que iniciou 
a reação. 
 
 Polimerização por condensação (reação em estágios): 
reações em que estão envolvidos mais de um tipo de monômero, ocorrendo entre moléculas 
etapa por etapa. Nesta reação normalmente forma-se um sub-produto de pequeno peso 
molecular (ex. água) 
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As propriedades de um polímero dependem: 
 
  do peso molecular 
 
  da forma molecular 
 
  da estrutura molecular 
 
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  da configuração molecular 
 
 
 
 Peso molecular médio M =  xi . Mi 
 
 xi = fração de moléculas da faixa de tamanho i 
 Mi = peso molecular médio da faixa de tamanho i 
 
 
 
 
 Estrutura molecular 
 
 
 
 
 
 Configurações moleculares 
 
 = átomo ou grupo de átomos  do hidrogênio 
 
 
 mero “cabeça-a-cauda” “cabeça-a-cabeça” 
 
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Estereoisomerismo: 
 
 
 Isotático sindiotático atático 
 
 
Isomerismo geométrico: 
 
 
 cis trans 
 
 Copolímeros: são formados por mais de um tipo de mero. 
 Pesquisam-se polímeros que geralmente apresentam melhores propriedades e custo reduzido 
de fabricação. 
 
Estrutura cristalina dos polímeros 
 
Cristalinidade  arranjo ordenado 
do polímero de átomos das cadeias 
 
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 Células unitárias são polímeros são freqüentemente 
 em geral complexas semicristalinos (regiões cristalinas 
dispersas na fase amorfa) 
 
 
Grau de cristalinidade  depende da 
 
 taxa de resfriamento na solidificação 
 
 configuração molecular 
 
 
• Menor taxa de resfriamento favorece a cristalização 
 
• Complexidade química do mero, ramificação, ligações cruzadas, irregularidade geométrica e 
de composição 
  não favorece a cristalização 
 
 exs. homopolímero linear cristaliza fácil 
 polímero em rede é quase todo amorfo 
 
 
 
 
Micrografia eletrônica de 
um cristal de polietileno (cristalitos) lamela (cristalito) 
 
 
Formação de esferulitos (“grãos”) 
 
IF-SC Campus Joinville Página 44 
 
 
 
 
 
Figura 9. Fotomicrografia ilustrando a microestrutura de um polímero com os esferulitos 
(“grãos”) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Lista de questões - Estrutura de polímeros 
 
1) Cite 05 polímeros naturais e 05 polímeros sintéticos. 
 
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------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 
2) De onde provém a matéria-prima para fabricação dos plásticos? 
 
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 
3) O que são hidrocarbonetos? Qual o tipo de ligação química existente no interior da molécula de um 
polímero? Quantas ligações covalentes são possíveis por átomo de carbono? Por que? Quais os tipos 
de ligações covalentes intramoleculares? 
 
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
O que são moléculas saturadas e insaturadas? 
 
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------O que são moléculas isômeras? O que são radicais orgânicos? 
 
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 
 
4) Dê o significado dos seguintes termos: a) polímeros; b) mero; c) forma molecular; d) polimerização 
por adição e e) polimerização por condensação. 
 
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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5) Do que depende as propriedades de um material plástico? Explique como são essas características do 
polímero que influenciam suas propriedades. 
 
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6) Do que depende o grau de cristalinidade de um polímero? 
 
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 
 
7) O que são cristalitos? 
 
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------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 
 
8) O que são esferulitos? 
 
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 
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3.2 Processamento e aplicações dos polímeros. 
 
Aditivos 
 
Os aditivos são substâncias introduzidas para modificar a estrutura de um polímero, visando melhorar suas 
propriedades mecânicas, químicas ou físicas. Dependendo da função que desempenham podem ser 
classificados nos seguintes tipos: enchimentos, plasticizantes, estabilizadores, corantes e retardadores de 
chama. 
 
Enchimentos: materiais de carga ou de enchimento melhoram o limite de resistência à tração ou de 
compressão, a resistência à abrasão, tenacidade, estabilidade dimensional e térmica (tipos de carga:- 
serragem fina, farinha e areia de sílica, argila, talco, calcário e polímeros / faixa de tamanhos dos 
enchimentos: 10 nm a 1 mm). A utilização de enchimentos possibilita uma redução do custo final do 
produto, já que as cargas são mais baratas comparativamente à porção de volume do polímero que é 
substituída. 
 
Plasticizantes: tem por função aumentar a flexibilidade, a ductilidade e a tenacidade dos polímeros, além de 
provocar uma redução de sua dureza e rigidez. As pequenas moléculas dessas substâncias aumentam a 
distância entre cadeias, reduzindo as ligações intermoleculares secundárias. (exemplos de aplicação: 
utilizados em polímeros que são frágeis à temperatura ambiente, tais como PVC, copolímeros de acetato). 
 
Estabilizadores: aditivos que previnem a deterioração do polímero provocada por radiação ultravioleta e 
oxidação. A radiação ultravioleta proveniente da luz rompe ligações covalentes da cadeia. A oxidação é 
causada pela interação de átomos de oxigênio e as moléculas do polímero. 
 
Corantes: as diferentes cores dos plásticos são obtidas através da adição de corantes na forma de tinturas ou 
pigmentos. As moléculas das tinturas se dissolvem na estrutura do polímero, ao passo que as moléculas dos 
pigmentos não se dissolvem, permanecendo como fase separada na estrutura. Os corantes podem ser 
transparentes ou conferir opacidade ao polímero. 
 
Retardadores de chama: substâncias que aumentam a resistência à inflamabilidade do polímero. Os 
retardadores interferem na combustão através de uma fase gasosa ou reação química que inibe a queima. 
 
 
Tipos de polímeros (quanto ao comportamento mecânico a temperaturas elevadas). 
 
Termoplásticos: polímeros que amolecem e fundem ao serem aquecidos durante o processamento, 
endurecendo ao resfriarem no molde. Os termoplásticos podem ser novamente moldados, ou seja, podem ser 
reaquecidos adquirindo a plasticidade/viscosidade requerida na conformação. Ex. a maoria dos polímeros; os 
termoplásticos