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AULA ESTRUTURADA 1 – Disciplina: Introdução à Ciência e Engenharia de 
Materiais
Unidade de Ensino 1– Introdução à Ciência e Engenharia de Materiais
Carga Horária: 03 horas
Objetivos  da  Unidade:  Oferecer  ao  aluno  um  embasamento  conceitual  que  lhe  permita 
selecionar o material mais adequado para uma determinada aplicação, de modo a atender às 
características de desempenho esperadas, tanto no que se refere às características de serviço 
quanto de processamento destes.
Competência: Espera­se que os alunos ao cursarem esta disciplina, tenham já adquirido uma 
boa compreensão dos fundamentos de Cálculo, Física e Química.
Habilidades:  ser  capaz  de  tomar  decisão  com  relação  aos  materiais  mais  adequados, 
raciocinar  de  forma  lógica,  criativa  e  analítica  no  que  tange  a  resolução  de  problemas  em 
materiais.
Temas (ou assunto a ser discutido na aula): 
Unidades 1 – Introdução à ciência e engenharia de materiais
1.1 Perspectiva histórica
1.2 Ciências e engenharia de materiais
1.3 Classificação dos materiais
1.4 Materiais avançados 
1.5 Necessidade dos materiais modernos.
Proposta Metodológica: 
1. Atividade de Aprendizagem Orientada – 01 horas
Ler o texto abaixo:
1.1 ­ Introdução:
Os  materiais  estão  presentes  ao  nosso  redor,  estão  engajados  em  nossa  cultura  e 
presentes em nossa mais ampla existência. A prova disso é a relação intima entre os materiais 
e  a  ascensão  do  homem  primitivo.  Tal  relação  acabou  intitulando  várias  épocas  de  nossa 
civilização: a Idade da Pedra, a do Bronze e a do Ferro. E de uma maneira mais abrangente se 
pensarmos no gelo como material, o mesmo deu nome para uma das eras mais importante que 
foi a “Era do Gelo”. Os primeiros homens tiveram acesso a apenas um número bem limitado de 
materiais, aqueles encontrados na natureza de forma superficial como: madeira, argila, peles e 
outros.  Com  o  tempo,  eles  descobriram  técnicas  para  a  produção  de  materiais  que  tinham 
propriedades  superiores  àquelas  dos materiais  naturais  (superficiais);  esses  novos materiais 
incluíam  as  cerâmicas  e  vários metais.  Além  disso,  foi  descoberto  que  as  propriedades  dos 
materiais  podiam  ser  alteradas  através  de  tratamentos  térmicos  e  pela  adição  de  outros 
materiais. 
Ocorrendo de formas naturais ou produzidos pelo homem, os materiais têm se tornado 
parte  integrante  de  nossa  vida.  É  indubitavelmente  a  matéria­prima  de  trabalho  de  nossa 
sociedade;  desempenhando  uma  função  crucial  não  somente  em  nosso  desenvolvimento 
natural  de  vida,  mas  também  no  bem  estar  e  na  segurança  de  nações.  Como  prova  há  o 
desenvolvimento  de  muitas  tecnologias  que  tornam  nossa  existência  tão  confortável.  E  tal 
desenvolvimento esta ligado diretamente ao acesso a materiais adequados. 
Mas o que são materiais? Caso você faça essa pergunta para um químico, ele ira dizer 
que:  “materiais  são  uma parte  da matéria  no  universo  ou,  de  forma mais  específica,  são  as 
substâncias  cujas  propriedades  as  tornam utilizáveis  em estruturas,  dispositivos  ou  produtos 
consumíveis. Como exemplo pode citar  vários materiais: metais,  cerâmicos,  semicondutores, 
polímeros (plásticos), vidros, fibras, madeira, areia, pedra e vários conjugados.
1.2 ­ Ciências e Engenharia de Materiais
Didaticamente existe uma divisão na disciplina ciência e engenharia de materiais nas 
submateriais  ciência  de  materiais  e  engenharia  de  materiais.  Cada  engenheiro  ou  cientista 
aplicado (civil, elétrico ou ambiental) está vitalmente relacionado com os materiais disponíveis 
para uso. Quer o produto seja uma ponte, um computador ou um reator nuclear, o engenheiro 
precisa ter um íntimo conhecimento das propriedades e características de comportamento dos 
materiais que ele se propõe a usar. Considere por um instante a variedade de materiais usados 
na fabricação de um automóvel: ferro, aço, vidro, plástico, borracha e etc. Para somente o aço 
há,  aproximadamente,  2.000  variedades  ou  modificações.  Em  que  se  baseia  a  seleção  do 
material necessário para a fabricação de uma peça específica? 
Figura  1  –  Foto  de  um  motor  de  automóvel  mostrando  em  detalhes  as  diferentes  peças 
constituídas de diferentes materiais.
Ao  fazer  uma  escolha,  o  projetista  precisa  levar  em  conta  propriedades  tais  como 
resistência mecânica, condutividade elétrica e/ou térmica, densidade e outras. Por exemplo, o 
aço para mecanismos de transmissão deve ser facilmente usinado em produção, mas tem que 
ser suficientemente tenaz para suportar o uso pesado. Os pará­choques precisam ser feitos de 
um  metal  que  possa  ser  facilmente  conformado,  mas  capaz  de  resistir  à  deformação  sob 
impacto. E os fios elétricos precisam ter a capacidade de suportar os extremos de temperatura. 
O  que  podemos  deduzir  até  aqui,  é  que  algumas  características  microscópicas  próprias  do 
material  irão  definir  suas  propriedades  macroscópicas.  Essas  características  microscópicas 
próprias  de  cada  material  são  estudadas  por  meio  de  esquemas  geométricos  chamados 
genericamente  de estruturas.  Em  resumo  estrutura  significa  arranjo  dos  seus  componentes 
internos, sejam eles átomos, íons ou moléculas. Quando nos referirmos a átomos, moléculas e 
íons usaremos o termo “estrutura atômica”. No caso de estruturas formadas com aglomerados 
de  átomos  e  que  podem  ser  vistas  por  observação  direta  com  o  auxílio  de  microscópios 
usaremos o termo “estrutura microscópico”. E ainda há aquelas estruturas que podemos ver a 
olho nu, que nesse caso serão referenciadas como “estruturas macroscópicas”.
As  estruturas  internas  dos  materiais  não  são  plenamente  definidas  somente 
especificando  quais  são  os  átomos  presentes.  É  preciso  também  especificar  o  modo  como 
estes  se  associam  com  seus  vizinhos,  em  cristais,  moléculas  e  microestruturas.  Nossos 
esforços  estarão  concentrados  em  entender  esses  arranjos  tridimensionais  de  átomos, 
moléculas  e  íons  para  assim  podermos  produzir  e  usar  materiais  de  forma  cada  vez  mais 
especifica. É impossível para um cientista ou engenheiros ter um conhecimento detalhado dos 
vários milhares  de materiais  atualmente  disponíveis,  tanto  quanto manter­se  completamente 
informado  de  todos  os  novos  desenvolvimentos  em  materiais.  Aos  interessados  cabe,  pelo 
menos, dispor de uma base firme e generalista sobre os princípios que regem as propriedades 
de  todos  os  materiais.  Um  dos  princípios  de  maior  valor  é  que  as  propriedades  de  um 
material  originam­se  na  sua  estrutura  interna.  Qualquer  um  pode  girar  botões,  mas  os 
técnicos  em  eletrônica  devem  entender  dos  circuitos  internos  se  desejarem  consertar  um 
televisor eficientemente. O engenheiro de produção, tal qual o projetista, precisa conhecer as 
características  de  cada  elemento  do  produto  se  estiver  envolvido  com  o  projeto  ou  com  a 
melhoria de desempenho de um produto final. Da mesma forma quando se dá a instalação de 
uma indústria em uma determinada área florestal é papel do engenheiro ambiental selecionar 
materiais  cujos  elementos  tenham  propriedades  que  agridam  menos  o  ambiente.  Sendo 
imprescindível hoje essa avaliação para qualquer licenciamento ambiental.
Propriedade de um dado material pode ser definida em termos do tipo e da magnitude 
de  sua  resposta  a  um  estímulo  específico  que  lhe  é  imposto.  Em  termos  práticos  seria  a 
resposta que um dado material produz quando submetido a estímulos externos. Geralmente as 
definições  de  propriedades  são  elaboradas  independentemente  da  forma  e  do  tamanho  do 
material.  Geralmente  todas  as  propriedades  importantes  dos  materiais  sólidos  podem  ser 
agrupadas em cinco categorias diferentes: mecânica, elétrica, magnética, óptica e deteriorativa. 
Para  cada  uma  dessascategorias  existe  um  tipo  característico  de  estímulo  que  é  capaz  de 
provocar  diferentes  respostas.  As  propriedades mecânicas  relacionam  a  deformação  a  uma 
carga ou força aplicada. Os exemplos incluem o modulo de elasticidade e a resistência. Para 
as  propriedades  elétricas,  tais  como  a  condutividade  elétrica  e  a  constante  dielétrica,  o 
estímulo é um campo elétrico.  Já as propriedades deteriorativas  se  relacionam à  reatividade 
química  dos  materiais.  Além  da  estrutura  e  das  propriedades,  dois  outros  componentes 
importantes estão envolvidos na ciência e engenharia de materiais, que são: “processamento 
e desempenho”. Os materiais precisam ser processados para atingir as especificações que o 
engenheiro  requer  para  o  produto  projetado.  As  etapas  de  um  processamento mais  familiar 
simplesmente mudam a  forma  da matéria,  usinando  ou  forjando. Claro  que  as  propriedades 
são importantes para um processamento fácil. Materiais extremamente endurecidos destroem 
imediatamente  ferramentas  cortantes,  enquanto  materiais  muito  macios  como  o  chumbo 
podem  empenar  lâminas  de  serra,  discos  abrasivos  e  outras  ferramentas. Da mesma  forma 
materiais  muito  resistentes  não  se  habilitam  a  deformações  plásticas,  principalmente  se 
também  forem  não  dúcteis,  isto  é,  frágeis.  Por  exemplo,  seria  proibitivamente  caro  produzir 
chapa metálica para a maioria dos pára­choques de carro com alguma coisa que não fosse o 
mais macio dos aços.
Observem  na  Figura  2  as  interdependências  entre  os  quatro  componentes  já 
mencionados no texto, a estrutura do material irá depender da maneira como ele é processado. 
PROCESSAMENTO   ESTRUTURA       PROPRIEDADES DESEMPENHO
Figura  2  –  Esquema  ilustrativo  da  relação  entre  os  componentes  básicos  em  ciências  de 
materiais.
Além disso, o desempenho do material será uma função de suas propriedades. Assim, 
a inter­relação entre propriedades e desempenho também está mostrado na Figura 2.
1.3 – Classificação dos materiais
Os  materiais  sólidos  foram  agrupados  convenientemente  em  três  classificações 
básicas:  metais,  cerâmicas  e  polímeros.  Esse  esquema  está  baseado  principalmente  na 
composição química e na estrutura atômica, e a maioria dos materiais se enquadra dentro de 
um  ou  de  outro  grupo,  embora  existam  alguns  materiais  intermediários.  Adicionalmente, 
existem  os  compósitos,  que  constituem  em  combinações  de  duas  ou mais  das  três  classes 
básicas de materiais aqui citadas. Outra classe é a dos materiais avançados, que são usados 
em aplicações de alta tecnologia, como por exemplo, os semicondutores, os biomateriais e os 
materiais nanoengenheirados. 
Os metais são um grupo de grande importância em termos de aplicações estruturas. É 
composto  por  elementos  metálicos  ligados  por  ligação  metálica  (tais  como  ferro,  alumínio, 
cobre,  titânio,  ouro  e  níquel)  e  com  frequência,  também  por  elementos  não  metálicos  (por 
exemplo, carbono, nitrogênio e oxigênio) em quantidades relativamente pequenas. Os átomos 
nos metais e nas ligas estão arranjados de uma maneira muito ordenada e em comparação às 
cerâmicas  e  aos  polímeros,  são  relativamente  densos.  Em  relação  às  características 
mecânicas, esses materiais são relativamente rígidos, resistentes à fratura e ainda assim são 
dúcteis.  A  ductibilidade  é  a  capacidade  de  grandes  deformações  sem  sofrer  fratura.  Os 
materiais  metálicos  possuem  grande  número  de  elétrons  não  localizados.  Muitas  das 
propriedades  dos  metais  podem  ser  atribuídas  diretamente  a  esses  elétrons.  Por  exemplo, 
metais são bons condutores de eletricidade e de calor e não são  transparentes à  luz visível. 
Uma  superfície  metálica  polida  possui  uma  aparência  brilhosa.  Além  disso,  alguns  metais 
possuem propriedades magnéticas desejáveis, como exemplo Fe, Co e Ni.
As cerâmicas são compostos geralmente  formados entre elementos metálicos e não 
metálicos  por  meio  de  ligações  iônicas,  na  maioria  das  vezes,  elas  consistem  em  óxidos, 
nitretos e carbetos. Por exemplo, alguns dos materiais cerâmicos comuns incluem o óxido de 
alumínio (Al2O3), dióxido de silício (SiO2), o carbeto de silício (SiC) e outros. E ainda temos as 
chamadas  cerâmicas  tradicionais  que  são  aquelas  compostas  por  minerais  argilosos,  como 
exemplo o cimento e o vidro. Em relação ao comportamento mecânico, os materiais cerâmicos 
são relativamente rígidos e resistentes. (a rigidez e a resistência são comparáveis àquelas dos 
metais.  Adicionalmente  as  cerâmicas  são  tipicamente  muito  duras.  Entretanto  elas  são 
extremamente  frágeis  (ausência  de  ductibilidade)  e  altamente  suscetíveis  à  fratura.  Esses 
materiais são tipicamente isolantes à passagem de calor e eletricidade e são mais resistentes a 
altas  temperaturas  e  a  ambientes  severos  do  que  os metais  e  os  polímeros. Em  relação  às 
suas características ópticas as cerâmicas podem ser  transparentes,  translúcidas ou opacas e 
algumas  à  base  de  óxidos  (exemplo  Fe3O4)  exibem  comportamento  magnético.  A  Figura  3 
mostra vários objetos cerâmicos usados na construção civil.
Figura 3 – materiais cerâmicos usados na construção civil.
Os polímeros  incluem os familiares materiais plásticos e borrachas. Muitos deles são 
compostos  orgânicos  quimicamente  baseados  no  carbono,  no  hidrogênio  e  em  outros 
elementos não­metálicos (como N, O e Si). Além disso, eles possuem estruturas moleculares 
muito grandes, com frequência na forma de cadeia que possuem átomos de carbono como a 
sua espinha dorsal. Alguns dos polímeros comuns e familiares são o polietileno (PE), o náilon, 
o cloreto de polivilina (PVC), o policarbonato (PC), o poliestireno (PS) e a borracha de silicone. 
Tipicamente,  esses materiais  possuem  baixas  densidades,  enquanto  as  suas  características 
mecânicas  são  em  geral,  diferentes  das  características  exibidas  pelos materiais metálicos  e 
cerâmicos.  Por  exemplo,  eles  não  são  tão  rígidos  nem  tão  resistentes  como  os  metais  e 
cerâmicas.  Entretanto,  baseado  em  sua  densidade  reduzida,  muitas  vezes  a  sua  rigidez  e 
resistência  em  relação  à  sua  massa  são  comparáveis  a  dos  metais  e  das  cerâmicas. 
Adicionalmente, muitos polímeros são extremamente dúcteis e flexíveis, como o plástico, o que 
significa que eles podem ser facilmente conformados em forma complexas. Em geral, eles são 
relativamente  inertes quimicamente e não­reativos em diversos ambientes. Uma das maiores 
desvantagens dos polímeros é a sua tendência em amolecer e/ou decompor em temperaturas 
modestas,  o  que,  em  algumas  situações,  limita  o  seu  uso.  Adicionalmente,  eles  possuem 
baixas condutividades elétricas e não são magnéticos. 
[ CH2 CH2 ]n
[ CH CH2
OH
]n
[ CH CH2
C
NH2
O
]n
Figura  4  – Fórmula  estrutural  condensada  de  três  polímeros  comuns  na  área  de materiais: 
polietileno, polivinil e o poliacrilamina respectivamente.
Um  compósito  é  formado  por  dois  ou  mais  materiais  individuais,  os  quais  se 
enquadram dentro das categorias dos metais, cerâmicas e polímeros. A meta de projeto de um 
compósito  consiste  em  se  atingir  uma  combinação  de  propriedades  que  não  é  exibida  por 
qualquer material isolado e, também, incorporarem as melhores características de cada um dos 
materiais  componentes. Existem vários  tipos de compósitos, os quais  são  representados por 
diferentes combinações de metais, cerâmicas e polímeros. Adicionalmente, alguns materiais de 
ocorrência  natural  também  são  considerados  materiais  compósitos,  como  por  exemplo,  a 
madeira e o osso. Contudo, a maioria daqueles materiais considerados nas nossas discussões 
refere­se a compósitos sintéticos ou artificiais (produzidos pelo homem).
Um dos compósitos mais comuns e familiares é o que usa fibra de vidroembutida no 
interior  de um material  polimérico. As  fibras de  vidro  são  relativamente  resistentes e  rígidas, 
enquanto  o  polímero  é  dúctil  (mas  também  fraco  e  flexível). Dessa  forma,  o  compósito  com 
fibra  de  vidro  resultante  é  relativamente  rígido,  resistente,  flexível  e  dúctil.  Além  disso,  ele 
possui uma baixa densidade.
1.4 – Materiais avançados
Os  materiais  que  são  utilizados  em  aplicações  de  alta  tecnologia  (high­tech)  são 
algumas  vezes  chamados  de  materiais  avançados.  Por  alta  tecnologia  subentendemos  um 
dispositivo  ou  produto  que  opera  ou  que  funciona  utilizando  os  princípios  relativamente 
intrincados e sofisticados, alguns exemplos incluem os equipamentos eletrônicos (câmeras de 
vídeo  e  CD  players),  computadores,  sistemas  de  fibras  ópticas,  espaçonaves  e  aeronaves. 
Tipicamente,  esses materiais  avançados  são materiais  tradicionais  cujas  propriedades  foram 
aprimoradas, ou, então, são materiais de alto desempenho desenvolvidos recentemente. Além 
disso,  eles  podem  pertencer  a  todos  os  tipos  de  materiais  (tais  como  metais,  cerâmicas  e 
polímeros) e são, em geral, de alto custo. Os materiais avançados incluem os semicondutores, 
os  biomateriais  e  o  que  nós  podemos  chamar  de  “materiais  do  futuro”  (conhecidos  também 
como materiais inteligentes ou nanoengenheirados).
1.5 – Necessidade de materiais modernos
Apesar  do  tremendo  progresso  que  tem  sido  obtido  ao  longo  dos  últimos  anos  na 
disciplina da ciência e engenharia dos materiais, ainda existem desafios tecnológicos, incluindo 
o  desenvolvimento  de  materiais  ainda  mais  sofisticados  e  especializados,  assim  como 
considerações sobre o impacto ambiental causado pela produção de materiais. Dessa forma, é 
apropriado fazer alguns comentários sobre essas questões a fim de tornar a perspectiva mais 
clara.
Quantidades significativas de energia estão envolvidas nos transportes. A redução no 
peso dos veículos de transporte (automóveis, aeronaves, trens e etc), assim como o aumento 
das temperaturas de operação dos motores irá melhorar a eficiência dos combustíveis. Novos 
materiais estruturais de alta  resistência e baixa densidade ainda precisam ser desenvolvidos, 
bem como materiais com recursos para trabalhar sob temperaturas mais elevadas, para serem 
usados nos componentes dos motores.
Adicionalmente,  existe  uma  necessidade  reconhecida  de  se  encontrar  fontes  de 
energia novas e econômicas e de se usar as  fontes de energia atuais de uma maneira mais 
eficiente.  Os materiais  irão,  sem  dúvida  alguma,  desempenhar  um  papel  importante  nesses 
desenvolvimentos.  Por  exemplo,  a  conversão  direta  de  energia  solar  em  energia  elétrica  foi 
demonstrada  e  as  células  solares  empregam  alguns  materiais  razoavelmente  caros  e 
complexos. Para assegurar que essa tecnologia seja viável, devem ser desenvolvidos materiais 
altamente eficientes nesses processos de conversão, mas que sejam baratos.
A  célula  combustível  de  hidrogênio  é  outra  tecnologia  atrativa  e  factível  para  a 
conversão de energia, que possui vantagens de não ser poluente. Ela está apenas começando 
a ser implementada em baterias para dispositivos eletrônicos e promete ser a fonte de energia 
para  automóveis.  Novos  materiais  ainda  precisam  ser  desenvolvidos  para  a  fabricação  de 
células combustíveis mais eficientes e, também, para a utilização de melhores catalisadores na 
produção de hidrogênio.
Além disso, a qualidade do meio ambiente depende da nossa habilidade em controlar a 
poluição  do  ar  e  da  água.  As  técnicas  de  controle  da  poluição  empregam  vários  materiais. 
Adicionalmente,  o  processamento  de  materiais  e  os  métodos  de  refino  precisam  ser 
melhorados, de modo que produzam uma menor degradação do meio ambiente, isto é, menos 
poluição e menor destruição do terreno decorrentes da mineração das matérias­primas. Além 
disso,  em  alguns  processos  de  fabricação  são  produzidas  substâncias  tóxicas  e  o  impacto 
ecológico  causado  pelo  descarte  dessas  substâncias  configura  em  um  dos  principais 
problemas ambientais.
Responder às questões propostas. 
2 – Questionário – 2 horas
1­)  Quais  são  as  principais  classes  de  materiais  e  em  termos  de  estrutura  quais  são  as 
diferenças entre eles?
2­) Qual a diferença conceitual entre processamento e propriedade?
3­)  A  civilização  primitiva  experimentou  um  certo  desenvolvimento  tecnológico  quando 
começou a usar quais tipos de materiais e quais técnicas?
4­) Na escolha de materiais quais são as propriedades que precisar se consideradas?
5­) O que define as propriedades que um dado material irá exibir?
6­)  Defina  o  que  são metais?  Caracterize­o  em  termos  de  sua  estrutura  microscópica  e  dê 
exemplos.
7­) Na construção de casas e edifícios por que não são  feitas paredes metálicas em vez de 
outros materiais?
8­)  Cite  um  exemplo  onde  o  processamento  virá  depois  do  desempenho  na  ordem  dos 
componentes de utilização de um material. Justifique sua resposta.
9­) A tecnologia satisfaz, até certo ponto, as necessidades e desejos da sociedade, envolvendo 
a  seleção  de  materiais  com  características  favoráveis,  a  fim  de  incorporá­los  num  projeto 
seguro,  confiável  e  compatível  com  o  bem  estar  de  cada  um.  Enumere  o  máximo  dessas 
“características favoráveis” em um projeto.
10­) Na fibra óptica são usados alguns materiais, entre eles o polímero. Qual a razão para usá­
lo tendo em vista que são materiais pouco resistentes.
Avaliação
Escreva  uma  pequena  dissertação  (aproximadamente  15  linhas)  sobre  a  importância  dos 
novos materiais na sua área de atuação.
Referências:
CALLISTER, W. D. Ciência e Engenharia dos Materiais: Uma 
Introdução. 7ª edição. Editora LTC, Rio de Janeiro, 2008.  CALLISTER, 
W. D. Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais. 2ª edição. 
Editora LTC, 2006.
PHULE, P. P.; ASKELAND, D. R. Ciência e Engenharia dos Materiais. 1ª edição. 
Editora Cengage, 2008
SHACKELFORD, J. F. Ciência dos Materiais. 6ª edição. Editora Prentice Hall Brasil, 2008.