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Introdução à Ciência e 
Tecnologia dos Materiais
Introdução
Cursos de Graduação em Engenharia de 
Produção e Engenharia Mecânica
Introdução
Os materiais estão mais entranhados na nossa cultura do que 
a maioria de nós se dá conta:
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Introdução
 Os primeiros seres humanos tiveram acesso a um número
limitado de materiais, aqueles que estavam disponíveis na
natureza: pedra, madeira, argila, peles,etc.
Fundações de uma residência desenterrada no Tell es-
Sultan, em Jericó.
Introdução
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Introdução
Idade da Pedra 
(~ 7000 anosa.C)
Idade do Bronze 
(~ 3300 anosa.C.)
Idade do Ferro 
(~ 1500 anosa.C.)
Introdução
 O desenvolvimento e o avanço das sociedades
estiveram intimamente ligados às habilidades dos
seus membros de produzir e manipular materiais
para atender àssuas necessidades.
 Além disso, foram sendo descobertas também que
as propriedades dos materiais podem ser alteradas
através de tratamentos térmicos e adição de outras
substâncias.
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Introdução
 Desta forma, o emprego dos materiais já passava por um
processo de seleção no qual não se empregava mais um
pequeno grupo de materiais, mas sim materiais com
características mais adequadas para uma determinada
utilização.
 Entendimento da relação entre a microestrutura e as
propriedades de um determinado material é recente:
aproximadamente 100 anos.
 A partir daí, e ainda com o advento do microscópio eletrônico
em 1960, surge então uma ampla gama de materiais,
classificados de maneira geral em 3 grandes grupo: metais,
polímeros, cerâmicos.
Introdução
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Introdução
 Cada vez mais o desenvolvimento sustentável dos países em
desenvolvimento dependem do domínio de novos materiais e
de novas técnicas de fabricação de materiais. Alguns índices
de desenvolvimento têm como base o consumo per capita de
materiais tradicionais ou de materiaisavançados.
 Por exemplo, o consumo per capita de alumínio no EUA é de
aproximadamente 9 kg/ano enquanto que no Brasil é de
apenas2 kg/ano.
Introdução
 O número de materiais existentes cresceu muito nas últimas
décadas e a tendência é que este número aumente ainda
mais em um futuro próximo.
Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos métodos 
de extração de materiais danatureza
Modificação de materiaisnaturais
Combinação de materiais conhecidos paraa 
formação de novosmateriais
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O conceito de estrutura
Mas o que significaestrutura?
 Nível subatômico: envolve os elétrons no
interior de átomos individuais e as
interações com osseusnúcleos.
 Nível atômico: organização dos átomos
ou moléculas em relação uns aos
outros.
O conceito de estrutura
Nível microscópico: grandes grupos
de átomos, que estão normalmente
conglomerados.
Aço inoxidável ferrítico ABNT 409.
 Nível macroscópico:
elementos estruturais que 
são vistos a olho nu.
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O conceito de propriedade
E o que significa propriedade?
 Peculiaridade de um material que caracteriza a sua
resposta a um determinado tipo de estímulo
imposto.
 Geralmente independem do tamanho e da forma do
material.
Classificação das propriedades
 Propriedades mecânicas: relacionam a deformação produzida
com a tensão aplicada. Ex: módulo de elasticidade e
resistência.
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Classificação das propriedades
Propriedades elétricas:o
estímulo é o campoelétrico.
Ex: condutividade elétrica e 
constante dielétrica.
Propriedades térmicas: 
capacidade calorífica e
condutividade térmica. Cubo quente (interior a 1250ºC) de 
material isolante à base de fibra de
sílica. (Callister,2008)
Classificação das propriedades
 Propriedades magnéticas: o estímulo é o campo 
magnético.
 Propriedades deteriorativas: relacionam-se com a 
reatividade química dosmateriais.
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Classificação das propriedades
Propriedades ópticas: o estímulo é a radiação eletromagnética
ou radiação luminosa. Ex: índice de refração e refletividade.
Fotografia que mostra a transmitância de luz em três amostras de óxido de alumínio. Da 
esquerda pra direita: material monocristalino, material policristalino denso e um material 
policristalino com ~5% de porosidade. (Callister, 2008)
Processamento eDesempenho
Processamento: define amicroestrutura.
Desempenho: resulta daspropriedades.
Processamento Propriedades
Estrutura Desempenho
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Exemplo 1: Alumina (Al2O3)
Exemplo 1: Alumina (Al2O3)
Lâmpada convencional (filamento de W): produz 15 lumen/W, apresenta 
microestrutura com granulação grosseira e heterogênea e porosidade > 3%.
Lâmpada de vapor de Na: produz 100 lumen/W, apresenta microestrutura com 
granulação refinada e homogênea e porosidade < 0,3%.
Lâmpada de vapor de sódio de alta temperatura fabricada com o uso de um cilindro de 
alumina para conter o vapor de sódio (o cilindro encontra-se no interior do bulbo devidro).
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Exemplo 2: Ligas com memória de 
forma
As ligas com memória de forma são capazes de voltar a forma
original, após terem sofrido uma deformação, mediante um
aquecimento de apenas 30ºC. A liga mais conhecida por este
efeito é a Nitinol (50% Ni e 50% Ti). Outra característica
importante desta liga é a sua capacidade de amortecer
vibrações mecânicas. Na década de 60, variantes da liga
Nitinol foram empregadas no desenvolvimento de hélices de
submarinos chamadasde "silent propellers".
Exemplo 2: Ligas com memória de 
forma
Fotografia tirada ao 
longo de umintervalo 
de tempo que 
demonstra o efeitode 
memória de forma.
Um fio feito denitinol 
foi dobrado etratado, 
de forma que a sua 
memória da forma 
escreve a palavra 
“nitinol”. O fio foi 
então deformado e 
com o seu 
aquecimento,ele
volta à suaforma 
inicial.
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Exemplo 3: Ligas biocompatíveis
 As ligas biocompatíveis são ligas à base de Ti, Fe, Ni ou Co
empregadas em implantes ortopédicos e odontológicos. Sua
principal característica é a ausência de reação com os fluidos
corpóreos.
Como determinar o melhor material 
para uma determinada aplicação?
 1º Critério: Condições deserviço
Deve-se conhecer as propriedades requeridas para a 
aplicação do material.
 2º Critério: Deterioração daspropriedades
 3º Critério: Aspectoeconômico
Um material com propriedades ideais pode ser 
economicamente inviável.
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Como determinar o melhor material 
para uma determinada aplicação?
Em raras ocasiões um material reúne uma combinaçãoideal
de propriedades, ou seja, muitas vezes é necessário reduzir
uma em benefício daoutra.
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.
Compósitos
Classificação dos Materiais
Metais
Cerâmicos Polímeros
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Metais
 Compostos por um ou mais elementosmetálicos;
 Frequentemente contém elementos não metálicos em baixo 
teor (C, N, O).
 Possuem estrutura atômica ordenada;
 Relativamente densos;
 São rígidos, resistentes edúcteis;
 Bons condutores de eletricidade e de calor;
 Não são transparentes;
 Podem possuir propriedades magnéticas.
Metais
Objetos familiares fabricados a partir de metais e ligas metálicas (da esquerda para a 
direita): talheres de prata (garfo e faca), tesoura, moedas, uma engrenagem, um anel de 
noivado e uma porca e parafuso.
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Cerâmicas
 Formadas por elementos metálicos e não metálicos. Ex: 
óxidos, nitretos ecarbetos;
 Rígidos e resistentes;
 Duras e frágeis;
 Isolantes térmicos eelétricos;
 Resistentes a altas temperaturas e ambientes agressivos;
 Podem ser transparentes, translúcidas ou opacas;
 Podem apresentar comportamento magnético.
Cerâmicas
Objetos comuns produzidos a partir de materiais cerâmicos: tesoura, uma xícara de chá 
de porcelana, um tijolo de construção, um azulejo de piso e um vaso devidro.
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Polímeros
 Compostos orgânicos quimicamente baseados no carbono, hidrogênio e 
outros elementos nãometálicos.
 Possuem estruturas molecularesmuito grandes;
 Possuem baixa densidade;
 Resistência específica comparável à dos metais;
 Dúcteis e flexíveis (em sua maioria);
 Quimicamente inertes;
 Sãonão-magnéticos;
 Apresentam baixa condutividade elétrica e térmica;
 Podem amolecer ou se degradar em temperaturas moderadas.
Polímeros
Vários objetos feitos apartir 
de materiais poliméricos: 
talheres plásticos, bolas de 
bilhar, um capacete de 
bicicleta, dois dados, uma 
roda de cortador de grama 
(cubo de plástico e pneu de 
borracha) e um vasilhame 
plástico para leite.
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Compósitos
 Compostos por dois ou mais materiais individuais;
 Apresentam uma combinação de propriedades que 
não é exibida por nenhum material isolado.
Compósitos
Assoalho de avião
(epóxi+fibra de vidro)
Colete balístico
(fibras de aramida)
Hélices de 
turbina eólica
(epóxi+fibra de vidro)
Ponte Rio-Niterói
(concreto)
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Utilização, evolução e importância de materiais na engenharia em função dos anos 
(tempo em escala não linear)
Materiais Avançados
 Utilizados em aplicações de alta tecnologia (high-tech):
equipamentos eletrônicos (CD/DVD players, câmeras de
vídeo), computadores sistemas de fibra ótica, aeronaves, etc.
 Geralmente são materiais tradicionais cujas propriedades
foram aprimoradas ou são materiais de alto desempenho
desenvolvidos recentemente.
 Envolvem alto custo.
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Materiais Avançados: Semicondutores
 Propriedades elétricas intermediárias entre condutores e
isolantes.
 Características elétricas sensíveis à presença de pequenas
impurezas, cujas concentrações podem ser controladas em
pequenas regiões espaciais (para formar asjunções p-n).
 Tornaram possível os circuitos integrados, que
revolucionaram as indústrias de produtos eletrônicos e de
computadores.
 Exemplos: AsGa,Si, Ge.
Materiais Avançados: Biomateriais
 São empregados em componentes implantados no corpo 
humano para substituir partes doentes oudanificadas.
 São quimicamente inertes, têm alta resistência à corrosão por 
fluidos do corpo e são compatíveis com ostecidos.
 Todos as classes de materiais podem ser usadas como 
biomateriais.
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Materiais Avançados: Materiais do
futuro
Materiais inteligentes
 Capazes de detectar mudanças no ambiente e responder a
essasmudançasde maneira predeterminada.
 Incluem algum tipo de sensor (sinal de entrada) e um atuador
(reposta) que responde a um estímulo térmico, magnético ou
elétrico.
 Exemplos: ligas com memória de forma, cerâmicas
piezoelétricas (sofrem variação no volume como resposta a
um estímulo elétrico e geram campo elétrico quando têm
suasdimensões alteradas).
Materiais Avançados: Materiais do 
futuro
Setorautomotivo Setor de bens e consumo
Sensores de air-bags, indicadores de Detectores de fumaça, cabeçotes de
desgaste de pneus, alarme de cintos impressão do tipo jato de tinta, 
de segurança. medidores de deformação.
Setor de Informática
Transformadores para notebooks e 
microatuadores para discos rígidos .
Áreas de aplicação das cerâmicas piezoelétricas.
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Materiais Avançados: Materiais do 
futuro
Materiais nanoengenheirados
 Nanotecnologia: permite o arranjo cuidadoso dos átomos a
fim de obter propriedades (mecânicas, elétricas, magnéticas,
etc) que não seriam possíveis de outra maneira.
 Dimensões das entidades estruturais são nanométricas (10-9
m).
 Exemplo: nanotubos decarbono. 
Extremamente resistentes e 
rígidos, com certaductilidade.
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=i 
bm-primeiro-chip-nanotubos-carbono&id=010110121030
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http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=i
Necessidades dos materiais modernos
 Energia nuclear: materiais para contenção e instalações
para descarte dos rejeitos radioativos.
 Transportes: materiais de alta resistência e baixa
densidade.
 Energia: materiais mais baratos para conversão de energia
solar em elétrica.
 Impactos ambientais: precisam ser reduzidos através do
uso de materiais menos danosos ao meio ambiente e mais
fáceis de reciclar (valorização do ciclo de vida do produto).
Cuidado!
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Referências
Callister Jr, W.D. (2008) Ciência e Engenharia de Materiais: 
Uma Introdução. 7a ed. Rio de Janeiro. LTC Editora. 705 p.
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