Ciências dos Materiais

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Revisão de Conceitos de 
Ciência dos Materiais
Sumário
„ Ligações químicas
„ Classificação dos Materiais
„ Propriedades mecânicas dos materiais
Ligações Químicas
‰ Primárias 
„ Iônica, Metálica e Covalente
‰ Secundárias 
„ Van der Waals (dipolo-dipolo; dipolo-dipolo induzido; 
dispersão)
„ Ponte de Hidrogênio
Ligações Químicas
„ Ocorre em duas etapas:
1ª transferência de elétrons 
2ª atração dos íons 
Ex.: NaCl
ƒ O cátion Na+ e o ânion Cl- têm cargas opostas e portanto se 
atraem mutuamente Na+ Cl-.
ƒ O composto iônico NaCl é o resultado. Note que não 
escrevemos as cargas como parte da fórmula de um composto 
neutro.
Li Fx o
oo
ooo
o
Li Fxo
oo
ooo
o
+ -
Ligação Iônica
Ligação Covalente
Metálica
Elétrons de valência
Átomo+elétrons das camadas mais internas
Ligações secundárias
Interação dipolo-dipolo: ocorre com moléculas polares.
Pontes de Hidrogênio:Hidrogênio ligado a F, O, N.
Ligação de Dispersão ou de London: ocorre com moléculas 
apolares
Pontes de dipolo-induzido: ocorre entre moléculas polares e 
apolares
Classificação dos Materiais
Classificação dos materiais
„ A classificação tradicional dos 
materiais é geralmente baseada 
na estrutura atômica e química 
destes.
Classificação dos materiais
„ Metais
„ Cerâmicos
„ Polímeros
„ Compósitos
„ Semicondutores
„ Biomateriais
Classificação dos materiais
Cadeia Molecular Orgânica 
de Comprimentos Elevados
Dúctil, Baixa Resistência 
Mecânica, Baixa Dureza, 
Flexível, Baixa Estabilidade 
Térmica, Transparentes em 
Alguns Casos
POLIMÉRICOS
(Plásticos)
Óxidos, Silicatos, Nitretos, 
Aluminatos,
etc.
Frágil, Isolante Térmico e 
Elétrico, Alta Estabilidade 
Térmica, Dureza Elevada
Transparentes em Alguns Casos
CERÂMICOS
Átomos Metálicos e Não-
Metálicos
Dúctil, Resistência Mecânica 
Elevada, Condutor Elétrico e 
Térmico, Dureza Elevada, 
Opaco
METÁLICOS
CONSTITUINTES TÍPICOSCARACTERÍSTICASTIPO DE 
MATERIAL
Estrutura dos materiais
Estrutura Cristalina dos Metais
Características de Cristais Metálicos 
Comuns
Estrutura Átomos por 
célula 
Número de 
Coordenação
Fator de 
empacotamento
Exemplos 
CCC 2 8 0,68 Fe, Ti, W, Mo, Nb 
CFC 4 12 0,74 Fe, Cu, Al, Au. Ni 
HC 4 12 0,74 Ti, Mg, Zn, Be, Co 
 
Estrutura das cerâmicas
NaCl
CsCl
Estrutura dos Polímeros
Imperfeições no Arranjo atômico
„ Defeito Pontual
Imperfeições no Arranjo atômico
„ Discordância
Imperfeições no Arranjo atômico
„ Discordância
Imperfeições no Arranjo atômico
„ Imperfeições de interface
Propriedades dos Materiais
Principais propriedades dos Materiais
„ Propriedades físicas – densidade, calor 
específico, coeficiente de expansão térmica, 
condutividade térmica
„ Propriedades mecânicas – tensão de 
escoamento, resistência mecânica, 
ductibilidade e tenacidade
ƒCor
ƒTextura
ƒSensação táctil
Estética
ƒFacilidade no processamento
ƒUnião
ƒAcabamento
Produção
ƒOxidação
ƒCorrosão
ƒDesgaste
Interação ambiental
ƒResistividade
ƒConstante dielétrica
ƒPermeabilidade manética
Elétrica
ƒCondutividade térmica
ƒCalor específico
ƒCoeficiente de expansão térmica
Térmica
ƒMódulo de elasticidade
ƒResistência à deformação e a tração
ƒDureza
ƒTenacidade à fratura
ƒLimite de fadiga
ƒLimite de resistência à deformação a quente
ƒCaracterística de amortecimento
Mecânica
DensidadeFísica geral
ƒPreço e disponibilidade
ƒCapacidade de reciclagem
Aspecto econômico
Densidade (massa específica)
„ Relaciona massa por volume (Kg/m3);
„ Está relacionado com tamanho e peso dos 
átomos e tipo de ligação química
„ Métodos de determinação da densidade
Principais propriedades mecânicas
„ Resistência mecânica
„ Elasticidade
„ Ductilidade
„ Tenacidade
Tipos de tensões que uma estrutura esta sujeita
Como determinar as propriedades
mecânicas?
„ A determinação das propriedades mecânicas é feita 
através de ensaios mecânicos.
„ Utiliza-se normalmente corpos de prova (amostra 
representativa do material) para o ensaio mecânico, já
que por razões técnicas e econômicas não é
praticável realizar o ensaio na própria peça, que seria 
o ideal.
„ Geralmente, usa-se normas técnicas para o 
procedimento das medidas e confecção do corpo de 
prova para garantir que os resultados sejam 
comparáveis.
Ensaio de tração
„ É medida submetendo-se o material à uma carga ou 
força de tração, gradativamente crescente, que 
promove uma deformação progressiva de aumento 
de comprimento
Resitência à tração tensão (σ) X deformação (ε)
Tensão σ = F/Ao Kgf/cm2 ou Kgf/mm2 ou N/ mm2
Deformação(εε))= lf-lo/lo= Δl/lo
lo= comprimento inicial
lf= comprimento final
Força ou carga
Área inicial da seção reta transversal
Tensão de escoamento
σy= tensão de escoamento 
(corresponde a tensão máxima 
relacionada com o fenômeno de 
escoamento)
• De acordo com a curva “a”, onde não observa-
se nitidamente o fenômeno de escoamento
•Alguns aços e outros materiais exibem o 
comportamento da curva “b”, ou seja, o limite 
de escoamento é bem definido (o material 
escoa- deforma-se plasticamente-sem 
praticamente aumento da tensão). Neste caso, 
geralmente a tensão de escoamento 
corresponde à tensão máxima verificada durante 
a fase de escoamento
Escoamento
Outras informações que podem ser obtidas das 
curvas tensãoxdeformação
ResistênciaResistência àà TraTraççãoão
(Kgf/mm(Kgf/mm22))
„ Corresponde à tensão máxima
aplicada ao material antes da 
ruptura
„ É calculada dividindo-se a carga
máxima suportada pelo material 
pela área de seção reta inicial
TensãoTensão de de RupturaRuptura (Kgf/mm(Kgf/mm22))
„ Corresponde à tensão que
promove a ruptura do material
„ O limite de ruptura é geralmente
inferior ao limite de resistência
em virtude de que a área da 
seção reta para um material 
dúctil reduz-se antes da ruptura
Outras informações que podem ser obtidas das 
curvas tensãoxdeformação
Comportamento dos metais quando
submetidos à tração
Resistência à tração
Dentro de certos limites,
a deformação é proporcional
à tensão (a lei de Hooke é
obedecida)
Lei de Hooke: σσ = E εε
Comportamento dos Polímeros quando
submetidos à tração
Comportamento dos polímeros
Deformação 
T
e
n
s
ã
o
 
(
M
P
a
)
T
e
n
s
ã
o
 
(
1
0
3
p
s
i
)
Plástico
Elastômero
Frágil
Deformação Elástica e Plástica
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
„ Prescede à deformação plástica
„ É reversível
„ Desaparece quando a tensão é
removida
„ É praticamente proporcional à
tensão aplicada (obedece a lei de Hooke)
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
„ É provocada por tensões que ultrapassam
o limite de elasticidade
„ É irreversível porque é resultado do 
deslocamento permanente dos átomos e 
portanto não desaparece quando a tensão
é removida
Elástica
Plástica
Módulo de elasticidade ou Módulo de 
Young
E= σσ/ / εε =Kgf/mm=Kgf/mm22
• É o quociente entre a tensão
aplicada e a deformação
elástica resultante.
•Está relacionado com a rigidez
do material ou à resist. à
deformação elástica
•Está relacionado diretamente
com as forças das ligações
interatômicas
Lei de Hooke: σσ = E εε
P A lei de Hooke só éválida até este ponto
Módulo de Elasticidade para alguns
metais
MÓDULO DE ELASTICIDADE
[E]
GPa 106 Psi
Magnésio 45 6.5
AlumÍnio 69 10
Latão 97 14
Titânio 107 15.5
Cobre 110 16
Níquel 207 30
Aço 207 30
Tungstênio 407 59
Comparação entre propriedades
Considerações gerais sobre módulo de 
elasticidade
„ Como consequência do módulo deelasticidade
estar diretamente relacionado com as forças
interatômicas:
‰ Os materiais cerâmicos tem alto módulo de elasticidade, 
enquanto os materiais poliméricos tem baixo
‰ Com o aumento da temperatura o módulo de elasticidade
diminui
Módulo de elasticidade
„ Se barras de seções transversais idênticas 
forem suportadas por dois apoios bem 
espaçados e então pesos idênticos forem 
aplicados a seus centros elas se curvarão 
elasticamente
„ Grau de flexão pode ser muito diferente 
dependendo do material – MÓDULO DE 
ELASTICIDADE
DuctibilidadeDuctibilidade -- Corresponde ao
alongamento total do material 
devido à deformação plástica
%alongamento= (lf-lo/lo)x100
onde lo e lf correspondem ao
comprimento inicial e final (após a 
ruptura), respectivamente
ductilidade
Outras informações que podem ser obtidas das 
curvas tensãoxdeformação
Outras informações que podem ser obtidas das 
curvas tensãoxdeformação
ResiliênciaResiliência
„ Corresponde à capacidade do 
material de absorver energia
quando este é deformado
elasticamente
„ A propriedade associada é dada 
pelo módulo de resiliência (Ur)
Ur= σesc2/2E
„ Materiais resilientes são aqueles
que têm alto limite de elasticidade e 
baixo módulo de elasticidade
(como os materiais utilizados para
molas)
σesc
Comportamento tensão-deformação 
materiais cerâmicos
„ Não é avaliado por ensaio de tração:
‰ É difícil preparar e testar amostras que possuam 
a geometria exigida;
‰ É difícil prender e segurar materiais frágeis;
‰ As cerâmicas falham após uma deformação de 
apenas 0,1%, o que exige que os corpos de 
prova estejam perfeitamente alinhados.
Resistência à flexão
 
a 
L
a
b 
d
Flexão com 3 pontos
D 
X-Section 
F Filme do ensaio 
de flexão
Comportamento elástico
0.00100.00080.00060.00040.00020.0000
0
100
200
300
Bending Strain
B
e
n
d
i
n
g
 
S
t
r
e
s
s
,
 
M
P
a
Aluminum Oxide
Soda-Lime Glass
Resistência ao impacto
Resistência aos Impacto
„ A capacidade de um determinado material de 
absorver energia do impacto está ligada à sua 
tenacidade, que por sua vez está relacionada com a 
sua resistência e ductilidade
„ O ensaio de resistência ao choque dá informações 
da capacidade do material absorver e dissipar essa 
energia
„ Como resultado do ensaio de choque obtém-se a 
energia absorvida pelo material até sua fratura, 
caracterizando assim o comportamento dúctil-frágil 
Ensaios de impacto
Filme do ensaio de impacto (Izod e queda de dardo)
TÉCNICAS DE ENSAIO DE IMPACTO
„ Técnica CHARPY;
„ Técnica IZOD;
„ Diferença principal, é a maneira que os corpos de prova estão 
sustentados na máquina e a aplicação da força;
„ Ambos os corpos de prova são padronizados e providos de um 
entalhe para localizar a ruptura e o estado triaxial de tensões;
Ensaio de impacto com pêndulos
IZOD CHARPY
PROCEDIMENTOS
„ O pêndulo é elevado a uma certa altura de onde é solto, ao se chocar 
com o corpo de prova ele segue até uma altura final.
„ O mostrador da máquina simplesmente registra a diferença entre a 
altura inicial e a altura final, após o rompimento do corpo de prova, 
„ Esta diferença de altura é convertida em unidades de energia
„ Quanto menor for a altura final, mais energia foi absorvida pelo corpo 
de prova evidenciando seu caráter mais dúctil.
NORMAS DOS ENSAIOS
„ Os corpos de prova são especificados pela norma americana E-
23 da ASTM(17);
„ Divisão dos corpos de forma com relação ao seu formato; 
Curva resposta do ensaio de choque
„ O ensaio de 
resistência ao 
choque caracteriza 
o comportamento 
dos materiais 
quanto à transição 
do comportamento 
dúctil para frágil 
em função da 
temperatura
Polímeros
„ São frágeis à baixas 
temperaturas porque a 
rotação dos átomos na 
molécula requer 
energia térmica
„ A maioria dos 
polímeros apresentam 
transição dúctil-frágil 
que é geralmente 
abaixo da ambiente
Materiais cristalinos
„„ MATERIAIS CFCMATERIAIS CFC --
Permanecem dúcteis (não 
apresenta transição dúctil-
frágil) porque nesta estrutura 
há muitos planos de 
escorregamento disponíveis
„„ MATERIAIS CCC MATERIAIS CCC --
Apresentam uma transição de 
frágil para dúctil em função da 
temperatura
Fratura
Fratura
„ Consiste na separação do material em 2 ou mais 
partes devido à aplicação de uma carga estática à
temperaturas relativamente baixas em relação ao 
ponto de fusão do material
Fratura
„ Dúctil → a deformação plástica continua até uma 
redução na área para posterior ruptura 
„ Frágil→ não ocorre deformação plástica, requerendo 
menos energia que a fratura dúctil que consome 
energia para o movimento de discordâncias e 
imperfeições no material
Fratura
Fraturas dúcteis
Fratura frágil
Fratura dúctil - aspecto macroscópico
Mecanismo da fratura dúctil
a- formação do pescoço
b- formação de cavidades
c- coalescimento das 
cavidades para 
promover uma trinca 
ou fissura
d- formação e 
propagação da trinca 
em um ângulo de 45 
graus em relação à
tensão aplicada
e- rompimento do 
material por 
propagação da trinca
Fratura dúctil - aspecto microscópico
Fratura frágil - aspecto macroscópico
A fratura frágil (por clivagem) ocorre com a formação e propagação de uma trinca
que ocorre a uma direção perpendicular à aplicação da tensão
Fratura frágil - aspecto macroscópico
Início da fratura por formação de trinca
Fratura transgranular e intergranular
TRANSGRANULAR INTERGRANULAR
A fratura passa através do grão
A fratura se dá no contorno de grão
Fluência
Fluência (creep)
„ Quando um metal é solicitado por uma carga, 
imediatamente sofre uma deformação elástica. Com 
a aplicação de uma carga constante, a deformação 
plástica progride lentamente com o tempo (fluência) 
até haver um estrangulamento e ruptura do material
„ Velocidade de fluência (relação entre deformação 
plástica e tempo) aumenta com a temperatura
„ Esta propriedade é de grande importância 
especialmente na escolha de materiais para operar 
a altas temperaturas
Fluência (Creep)
„ Fluência é definida como a deformação 
permanente, dependente do tempo e da 
temperatura, quando o material é submetido à
uma carga constante
„ Este fator muitas vezes limita o tempo de vida de 
um determinado componente ou estrutura
„ Este fenômeno é observado em todos os 
materiais, e torna-se importante à altas 
temperaturas (≥0,4TF)
Fatores que afetam a fluência
„ Temperatura
„ Módulo de elasticidade
„ Tamanho de grão
Em geral:
Quanto maior o ponto de fusão, maior o módulo de 
elasticidade e maior é a resist. à
fluência.
Quanto maior o o tamanho de grão maior é a resist. à
fluência.
Ensaio de fluência
„ É executado pela aplicação de 
uma carga uniaxial constante a 
um corpo de prova de mesma 
geometria dos utilizados no 
ensaio de tração, a uma 
temperatura elevada e constante
„ O tempo de aplicação de carga é
estabelecido em função da vida 
útil esperada do componente
„ Mede-se as deformações 
ocorridas em função do tempo (ε
x t)
Curva ε x t
Fadiga
Fadiga
„ É a forma de falha ou ruptura que ocorre nas 
estruturas sujeitas à forças dinâmicas e cíclicas 
„ Nessas situações o material rompe com tensões 
muito inferiores à correspondente à resistência à
tração (determinada para cargas estáticas)
„ É comum ocorrer em estruturas como pontes, 
aviões, componentes de máquinas
„ A falha por fadiga é geralmente de natureza frágil 
mesmo em materiais dúcteis. 
Fadiga
„ A fratura ou rompimento do material por fadiga 
geralmente ocorre com a formação e propagação 
de umatrinca.
„ A trinca inicia-se em pontos onde há imperfeição 
estrutural ou de composição e/ou de alta
concentração de tensões (que ocorre geralmente na 
superfície)
„ A superfície da fratura é geralmente perpendicular à
direção da tensão à qual o material foi submetido
Fadiga
„ Os esforços alternados que podem levar à fadiga 
podem ser:
‰ Tração
‰ Tração e compressão
‰ Flexão
‰ Torção,...
A curva σ-n representa a tensão versus número de ciclos 
para que ocorra a fratura.
Normalmente para n utiliza-se escala logarítmica
Limite de resistência à
fadiga (σRf): em 
certos materiais 
(aços, titânio,...) 
abaixo de um 
determinado limite de 
tensão o material 
nunca sofrerá ruptura 
por fadiga.
Para os aços o limite de 
resistência à fadiga 
(σRf) está entre 35-
65% do limite de 
resistência à tração.
Resistência à fadiga
(σf): em alguns 
materiais a tensão na 
qual ocorrerá a falha 
decresce 
continuamente com o 
número de ciclos 
(ligas não ferrosas: 
Al, Mg, Cu,...). 
Nesse caso a fadiga é
caracterizada por 
resistência à fadiga
Principais resultados do ensaio de fadiga
„ Vida em fadiga (Nf): corresponde ao 
número de ciclos necessários para ocorrer 
a falha em um nível de tensão específico.
Fatores que influenciam a vida em fadiga
„ Tensão Média: o aumento do nível médio de tensão leva 
a uma diminuição da vida útil
„ Efeitos de Superfície: variáveis de projeto (cantos agudo e 
demais descontinuidades podem levar a concentração de 
tensões e então a formação de trincas) e tratamentos 
superficiais (polimento, jateamento, endurecimento 
superficial melhoram significativamente a vida em fadiga)
„ Efeitos do ambiente: fadiga térmica (flutuações na 
temperatura) e fadiga por corrosão (ex. pites de 
corrosão podem atuar como concentradores de corrosão)
Dureza
Definição de dureza
„ É a medida da resistência de um material a 
uma deformação localizada (por exemplo, 
uma pequena impressão ou um risco)
„ Vantagens:
‰ São simples e barato
‰ ensaio é não destrutivo
‰ Outras propriedades mecânicas podem ser 
estimadas
BorrachasIRHD
Alumínio, Borrachas, Couro, 
Resinas
Barcol
Polímeros, Elastômeros, 
Borrachas
Shore
Metais, CerâmicasKnoop
Metais, CerâmicasVickers
MetaisMeyer
MetaisRockwell
MetaisBrinell
MateriaisDureza
Propriedades Térmicas
Condutividade Térmica (k)
„ é uma propriedade física dos materiais que 
descreve a habilidade dessa de conduzir 
calor. 
„ Equivale a quantidade de calor Q transmitida 
através de uma espessura L, numa direção 
normal a superfície de área A, devido ao 
gradiente de temperatura ΔT.
0,020Espuma de poliuretano
0,026Ar
0,033Espuma de poliestireno
0,046Fibra de vidro
0,11 - 0,14Madeira (pinho)
0,4 - 0,8Tijolo
0,61Água
0,72 - 0,86Vidro
80,3Ferro
178Tungsténio
237Alumínio
398Cobre
426Prata
Condutividade térmica (W/m°C)Material
Dilatação Térmica
„ Dilatação térmica é o aumento do volume
de um corpo ocasionado pelo seu 
aquecimento. 
Substância α (mín.) α (máx.) Gama de temperaturas 
Gálio 120,0 
Índio 32,1 
Zinco e suas ligas 35,0 19,0 100ºC-390°C 
Chumbo e suas ligas 29,0 26,0 100ºC-390°C 
Alumínio e suas ligas 25,0 21,0 100ºC-390°C 
Latão 18,0 21,0 100ºC-390°C 
Prata 20,0 100ºC-390°C 
Aço inoxidável 19,0 11,0 540ºC-980°C 
Cobre 18,0 14,0 100ºC-390°C 
Níquel e suas ligas 17,0 12,0 540ºC-980°C 
Ouro 14,0 100ºC-390°C 
Aço 14,0 10,0 540ºC-980°C 
Betão(concreto)[3] 6,8 11,9 Temp. ambiente 
Platina 9,0 100ºC-390°C 
Vidro(de janela)[4] 8,6 20ºC-300ºC 
Crómio 4,9 
Tungsténio 4,5 Temp. ambiente 
Vidro Pyrex[5] 3,2 20ºC-300ºC 
Carbono e Grafite 3,0 2,0 100ºC-390°C 
Silício 2,6 
Quartzo fundido [6] 0,6 
Determinação α
„ Dilatômetro