1 e 2- Introdução e Classificaçao dos Materiais

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Introdução à 
Ciência dos 
Materiais
Kelly Benini
2 Introdução à Ciência dos Materiais16/03/2020
Titanic, 1912
Foi culpa do Iceberg?
Importância de conhecer
as propriedades dos 
materiais em diferentes
condições de uso!
3 Introdução à Ciência dos Materiais16/03/2020
✓19 anos de vida;
✓Os requisitos de 
inspeção de 
segurança haviam 
sido checados;
✓Causa: 
Combinação de 
corrosão e fadiga
“..a 24,000ft, os pilotos escutaram um estrondo seguido de barulho de vento atrás deles. O 
comandante avistou o céu azul sobre o teto da primeira classe..”
ALOHA AIRLINES, Vôo 243 - BOEING 737-200, 28 de ABRIL 1988
4 Introdução à Ciência dos Materiais16/03/2020
Importância de se 
preocupar com a vida útil
de um material e como
este será descartado!
5 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Desenvolvimento de 
novas tecnologias para 
produção de novos
materiais
Objetivo da Disciplina
✓Apresentar aos estudantes de engenharia os conceitos básicos de 
Ciência dos Materiais;
✓Apresentar os conceitos principais da relação entre 
microestrutura , propriedades e processamento;
✓Fornecer informações suficientes para a escolha de um material 
de acordo com a sua aplicação
6 Introdução à Ciência dos Materiais16/03/2020
Conteúdo do Curso
7 Introdução à Ciência dos Materiais16/03/2020
1. INTRODUÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
1.1 Introdução aos Materiais de Engenharia
1.2 Classificação dos Materiais (Aspectos básicos de materiais compósitos, 
polímeros, cerâmicas e metais)
2. ESTRUTURA E LIGAÇÕES
2.1 Estrutura dos átomos
2.2 Tipos de Ligações (ligações covalente, iônica, metálica e forças de Van der 
Waals)
2.3 Energia e Força de Ligação
2.4 Estrutura dos materiais (Molecular, Amorfa e Cristalina)
2.5 Sólidos cristalinos (direções e planos cristalográficos; células unitárias; redes 
de Bravais; fator de empacotamento
Conteúdo do Curso
8 Introdução à Ciência dos Materiais16/03/2020
3. IMPERFEIÇÕES EM SÓLIDOS (DEFEITOS)
3.1 Tipos e formação de defeitos
3.2 Movimentação de discordância 
4. DIAGRAMA DE FASES
4.1 Definição de fase, regra de Gibs, curva de resfriamento
4.2 Diagramas de equilíbrio de sistemas binários;
4.3 Diagrama Ferro-Carbono
5. CONCEITOS BÁSICOS SOBRE AS PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
5.1 Propriedades Mecânicas; 
materiais não newtonianos; relaxação e fluência; fadiga. 
5.2 Propriedades Físico-químicas
5.3 Propriedades Térmicas
Calendário das avaliações
9 16/03/2020
Projeto 1 – 13/abril
P1 – 04/maio
Projeto 2 – 15 e 22/junho
P2 – 29/ junho
Turma F5
Recuperação – 13/julho
4,0*
2
6,0*
2
2121





 +
+




 +
=
AAPP
M F
Onde: MF = Média Final
P = Provas regulares ( P1 e P2)
A = Notas do Projeto
Introdução à Ciência dos Materiais
Calendário das avaliações
10 16/03/2020
Projeto 1 – 27/abril
P1 – 04/maio
Projeto 2 – 15 e 22/junho
P2 – 29/ junho
Turma N3
Recuperação – 13/julho
4,0*
2
6,0*
2
2121





 +
+




 +
=
AAPP
M F
Onde: MF = Média Final
P = Provas regulares ( P1 e P2)
A = Notas do Projeto
Introdução à Ciência dos Materiais
Calendário das avaliações
11 16/03/2020
Projeto 1 – 03/abril
P1 – 24/abril
Projeto 2 – 19 e 26/junho
P2 – 03/ julho
Turma P6
Recuperação – 17/julho
4,0*
2
6,0*
2
2121





 +
+




 +
=
AAPP
M F
Onde: MF = Média Final
P = Provas regulares ( P1 e P2)
A = Notas do Projeto
Introdução à Ciência dos Materiais
Objetivo da Aula
12 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Conhecer os fundamentos da ciência dos 
materiais;
Classificar os materiais de engenharia e 
aprender sobre suas principais propriedades.
Ciência e Engenharia 
de Materiais
Ciência x Engenharia
Ciência e Engenharia de Materiais
Ciência dos Materiais
“Investigação das relações que existem 
entre as estruturas e as propriedades”
Callister Jr., 2011
Engenharia dos Materiais
“Consiste no projeto ou na engenharia 
da estrutura de um material para obter 
um conjunto predeterminado de 
propriedades”
Callister Jr., 2011
14 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Ciência e Engenharia de Materiais
15 16/03/2020
Composição
• Constituição química do material
Síntese
• modo como são feitos, a partir de quais substâncias 
químicas
Microestrutura
• Descrição detalhada do arranjo de átomos
Processo de fabricação
• modo como são transformados em componentes úteis, 
com propriedades adequadas.
Propriedades 
dos Materiais
Introdução à Ciência dos Materiais
Microestrutura x Propriedades
16 16/03/2020
➢ Efeito da microestutura nas propriedades da alumina
Porosa Não Porosa
A presença de poros causa 
espalhamento de luz e o material 
se torna opaco
A eliminação dos poros através da 
adição de 0.1% de MgO gera um 
material translúcido
Introdução à Ciência dos Materiais
Microestrutura x Propriedades
17 16/03/2020
➢ Efeito da microestutura nas propriedades do PHBV
Poroso
(Eletrofiação)
Translúcido
(Evaporação do solvente)
Introdução à Ciência dos Materiais
Microestrutura x Propriedades
18 16/03/2020
Como recebido
Normalização
Têmpera
Recozimento
➢ Efeito da microestutura nas propriedades do Aço
Introdução à Ciência dos Materiais
Introdução à Ciência dos Materiais
19 16/03/2020
➢ Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos métodos de 
extração de materiais da natureza;
➢ Modificação de materiais naturais;
➢ Combinação de materiais conhecidos para a 
formação de novos materiais
O número de materiais cresceu muito nas últimas 
décadas e a tendência é de se proliferarem mais num 
futuro próximo devido ao avanço da tecnologia
Introdução à Ciência dos Materiais
Introdução à Ciência dos Materiais
20 16/03/2020
Quantos materiais diferentes existem?
Introdução à Ciência dos Materiais
Introdução à Ciência dos Materiais
21 16/03/2020
Quantos materiais diferentes existem?
Como escolher?
Entre 40.000 e 
80.000 
diferentes, contando 
as variantes 
de tratamento 
térmico e
composição
de cada material
Introdução à Ciência dos Materiais
Introdução à Ciência dos Materiais
22 16/03/2020
Como escolher? Depende do uso...
Introdução à Ciência dos Materiais
Introdução à Ciência dos Materiais
23 16/03/2020
Como escolher? Depende do uso...
Custo
Durabilidade
Aparência
Finalidade
Introdução à Ciência dos Materiais
Introdução à Ciência dos Materiais
24 16/03/2020
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos 
outros? 
• Propriedades que o material deve ter
• Seleção de acordo com as solicitaçõesCondições de Servico
• Considerar a redução da resistência 
durante o uso
• Exposição temperatura e/ou ambiente 
corrosivo
Deteriorização
• Custo do produto acabado
Fatores Econômicos
Introdução à Ciência dos Materiais
Introdução à Ciência dos Materiais
25 16/03/2020
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos 
outros? 
Em raras ocasiões um material reúne uma combinação ideal de 
propriedades, ou seja, muitas vezes é necessário reduzir uma em 
benefício da outra
Um exemplo clássico são resistência e ductilidade, geralmente um 
material de alta resistência apresenta ductilidade limitada. Este 
tipo de circunstância exige que se estabeleça um compromisso 
razoável entre duas ou mais propriedades.
Introdução à Ciência dos Materiais
Resumo da aula anterior
26 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
• Devido a 
variações de 
composição, 
síntese e 
processamento
• Condições de serviço
• Deteriorização
• Fatores Econômicos
• Sintese e
• Composição
• Desenvolvimentos
de projetos de 
Engenharia
• Novos materiais
• Preocupações
ambientais
Importância dos 
materiais na
Engenharia
Grande número
de diferentes
materiais
disponíveis
Como selecionar
um material 
para 
determianda
aplicação?
Estrutura
Prop.Proc.
Aula 2
Classificação dos 
Materiais
Classificação dos Materiais
28 16/03/2020 Adicionar um rodapé
Composição química 
e estrutura atômica
Metais
Cerâmicos
Polímeros
Aplicação
CompósitosSemicondutores
Biomateriais
29 16/03/2020 Adicionar um rodapé
Metais e suas ligas
Combinação de 
elementos metálicos
Fe, Cu, Zn, Al, Mg, Ti, 
Ni
impurezas
(C,N,O)
Ligação metálica
Elétrons
livres
✓ Bons condutores de calor e eletricidade
Resistentes
e 
Deformáveis
✓ Não são transparentes à luz visível
✓ Têm aparência lustrosa quando polidos
Rígidos
Resistentes e 
Dúcteis
30 16/03/2020 Adicionar um rodapé
Metais e suas ligas
Ligas Metálicas
Ferrosas
Aços (C<1,4% p)
Baixa Liga
Baixo teor de 
Carbono
C<0,25%p
Médio teor de 
carbon0
0,25<C<0,60%p
Alto teor de 
carbon0
0,60<C<1,4%p
Alta liga
Ferros Fundidos
2,14<C<4,5%p
Ferro Cinzento
Ferro Branco
Ferro dúctil 
(nodular)
Não ferrosas
Ligas de Cobre, 
Alumínio, 
Magnésio
e Titânio
Fe-C
Cerâmicas
31 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Propriedades
✓ Resistência à alta temperatura;
✓ Isolante térmico e elétrico;
✓ Elevada dureza;
✓ Frágil;
✓Inerte;
✓Transparente, translúcida ou opaca.
Resistentes
Frágeis
Combinação de 
elemento metálicos
e não metálicos
Òxidos, carbetos, 
nitretos, argilas
Materiais inorgânicos cuja ligação atômica é 
totalmente ou predominantemente iônica.
Materiais Cerâmicos
✓ Vidros
✓ Produtos à base de 
argila
✓ Refratários
✓ Abrasivos
✓ Cimentos
✓ Cerâmicas avançadas
Cerâmicas
32 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
✓ Peças de motores de combustão interna;
✓ Revestimento de fornos;
✓ Estruturas aeroespaciais. 
Aplicações dos Materiais Cerâmicos Avançados
Cerâmicas Tradicionais
Tijolos
Telhas
Porcelana
Cerâmicas avançadas
Componentes eletrônicos
Industria aeroespacial
Computadores
Polímero
✓ poli = muitos
✓mero = unidades de repetição
Polímeros
33 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Principais Propriedades
✓ Baixa densidade;
✓ Boa resistência à corrosão;
✓ Podem ser flexíveis;
✓ Maus condutores de 
eletricidade e calor;
✓ Baixa resistência a 
temperatura
Materiais
Orgânicos
C, H, N, O
Ligação
Covalente
n CH
2
 = CH
2
]CH
2
 CH
2
[ n
 etileno polietileno
monômero polímero
Polímeros
34 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Comportamento Mecânico
Termoplástico
polímeros que quando 
submetidos a uma dada 
temperatura e pressão, 
amolecem e fluem e, após 
solidificação podem ser 
reprocessados novamente na 
mesma condição.
Termorrígido
polímeros que quando 
submetidos a uma dada 
temperatura e pressão, 
amolecem e fluem e, após 
solidificação, tornam-se 
infusíveis, insolúveis e não 
reprocessados.
Elastômero 
polímeros que na temperatura 
ambiente sofrem altas 
deformações (maior que o 
tamanho original) frente a uma 
solicitação e quando retirada esta 
solicitação possuem recuperação 
elástica total.
Polímeros
35 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Exemplos
Compósitos
36 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Classe de materiais heterogêneos, multifásicos, resultante 
da combinação racional dos seguintes componentes:
As proporções de combinação desses componentes deve ser 
feita de modo a maximizar algumas propriedades.
Reforço: dá principal resistência ao 
esforço;
Matriz: meio de transferência do 
esforço;
Compósitos
37 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Poliméricos
Cerâmicos
Metálicos
fibra curta
particulado
fibra longa
contínua
descontínuaManta/Tecido
Pneu – borracha (elastômero) 
reforçada tela aço ou nylon 
Disco de corte – óxido 
alumínio com malha fibra de 
vidro
Concreto 
Matriz
Reforço
Compósitos
38 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Principais Propriedades
✓Alta resistência 
mecânica;
✓Baixo peso;
✓Alto custo;
✓Delaminação 
http://blog.hangar33.com.br/a-era-dos-compositos-na-fabricacao-das-aeronaves/
http://blog.hangar33.com.br/a-era-dos-compositos-na-fabricacao-das-aeronaves/
Semicondutores
39 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Material não-metálico, conhecido como material eletrônico, com 
condutividade elétrica intermediária.
✓ Feitos de silício, germânio, arseneto de gálio;
✓ Circuitos integrados;
✓ Filmes finos semicondutores;
✓ Energia liberada na forma calor (Si e Germânio);
Semicondutores
40 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Germânio
Fibra óptica.
Eletrônica: Radares, amplificadores de 
guitarras elétricas, ligas metálicas de 
SiGe em circuitos integrados de alta 
velocidade
Silício 
Material abundante, 
interesse especial na 
indústria eletrônica e 
microeletrônica como 
material básico para 
produção de transistores 
para chips, células solares e 
em diversos circuitos 
eletrônicos.
LED
Biomateriais
41 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Material implantado no interior do corpo humano.
✓Não devem produzir substancias tóxicas;
✓Devem ser compatíveis com os tecidos do corpo (não causar 
reações biológicas adversas);
✓ Podem ser de metal, cerâmica, polímero, compósito ou 
semicondutor.
Biomateriais
42 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Biometais
• Aço inoxidável (liga cromo)
• Liga Co-Ni-Cr-Mo
• Titânio
Biocerâmicas
• Bioinertes: permanece no 
organismo sem induzir 
resposta tecidual significativa 
(Alumina, Zircônia, Carbono);
• Bioativas: induz crescimento 
tecidual (vidros bioativos, 
hidroxiapatite – HÁ)
• Reabsorvível: biodegrada no 
organismo, sendo 
metabolizado sem causar 
efeitos nocivos (fosfato 
tricálcico - TCP e vidro 
bioativo).
Biopolímeros e 
Biocompósitos
• Polimetilmetacrilato – PMMA
ou acrílico
• Fosfato de cálcio bifásico (TCP 
+ HA)
Novos materiais
43 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
- Ligas com memória de forma
- Cerâmicas piezoelétricas
- Materiais magneto-
constritivos
Materiais Inteligentes
- Nanotubos de carbono
- Nanocelulose
- Nanoargilas
Nanomateriais
Projeto de inovação
e Sustentabilidade
Aplicação dos Materiais
Data Aula Conteúdo
02/03 Aula 2 Informações de como o projeto deverá ser conduzido e formação dos grupos
09/03 Aula 3 Identificar nos materiais escolhidos qual o tipo de estrutura, microestrutura, 
composição, síntese e tipo de ligação
16/03 Aula 4 Principais propriedades dos materiais (informações que serão úteis para a definição do 
tipo de reciclagem, se for o caso, e processamento do produto final) e definição do 
processo de fabricação do produto
23/03 Aula 5 Preparação do texto do Projeto
30/03 Aula 6 Preparação da apresentação do Projeto
13/04 Aula 7 Entrega do Projeto e Apresentação inicial - Parte 1 do Projeto 
27/04 Aula 8 Feedback do Projeto e esclarecimento de dúvidas
11/05 Aula 10 Verificar se o processo de fabricação escolhido é adequado e iniciar o 
desenho/protótipo do produto
18/05 Aula 11 Definir as propriedades finais do produto e verificar a adequação do material escolhido 
e do processo de fabricação
25/05 Aula 12 De acordo com as propriedades levantadas verificar a adequação do projeto 
considerando o desenho/protótipo (geometria, dimensões), aplicação, custo e 
condições de uso
01/06 Aula 13 Preparação do texto do Projeto
08/06 Aula 14 Preparação da apresentação do Projeto
15/06 Aula 15 Entrega do Projeto e Apresentação final - Parte 2 do Projeto (5 grupos)
22/06 Aula 16 Entrega do Projeto e Apresentação final - Parte 2 do Projeto (5 grupos)
45 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Turma 
F5
Cronograma
46 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Data Aula Conteúdo
02/03 Aula 1 Informações de como o projeto deverá ser conduzido e formação dos grupos
16/03 Aula 3 Identificar nos materiais escolhidos qual o tipo de estrutura, microestrutura, composição, 
síntese e tipo de ligação
23/03 Aula 4 Principais propriedades dos materiais (informações que serão úteis para a definição do tipo de 
reciclagem, se for o caso, e processamento do produto final) e definição do processo de 
fabricação do produto
30/03 Aula 5 Preparação do texto do Projeto
13/04 Aula 6 Preparação da apresentação do Projeto
27/04Aula 7 Entrega do Projeto e Apresentação inicial - Parte 1 do Projeto 
11/05 Aula 9 Verificar se o processo de fabricação escolhido é adequado e iniciar o desenho/protótipo do 
produto
18/05 Aula 10 Definir as propriedades finais do produto e verificar a adequação do material escolhido e do 
processo de fabricação
25/05 Aula 11 De acordo com as propriedades levantadas verificar a adequação do projeto considerando o 
desenho/protótipo (geometria, dimensões), aplicação, custo e condições de uso
01/06 Aula 12 Preparação do texto do Projeto
08/06 Aula 13 Preparação da apresentação do Projeto
15/06 Aula 14 Entrega do Projeto e Apresentação final - Parte 2 do Projeto (5 grupos)
22/06 Aula 15 Entrega do Projeto e Apresentação final - Parte 2 do Projeto (5 grupos)
02/03 Aula 1 Informações de como o projeto deverá ser conduzido e formação dos grupos
Turma 
N3
Data Aula Conteúdo
28/02 Aula 2 Informações de como o projeto deverá ser conduzido e formação dos grupos
06/03 Aula 3
Identificar nos materiais escolhidos qual o tipo de estrutura, microestrutura, 
composição, síntese e tipo de ligação
13/03 Aula 4
Principais propriedades dos materiais (informações que serão úteis para a definição do 
tipo de reciclagem, se for o caso, e processamento do produto final) e definição do 
processo de fabricação do produto
20/03 Aula 5 Preparação do texto do Projeto
27/03 Aula 6 Preparação da apresentação do Projeto
03/04 Aula 7 Entrega do Projeto e Apresentação inicial - Parte 1 do Projeto 
17/04 Aula 8 Feedback do Projeto e esclarecimento de dúvidas
08/05 Aula 10
Verificar se o processo de fabricação escolhido é adequado e iniciar o 
desenho/protótipo do produto
15/05 Aula 11
Definir as propriedades finais do produto e verificar a adequação do material escolhido 
e do processo de fabricação
22/05 Aula 12
De acordo com as propriedades levantadas verificar a adequação do projeto 
considerando o desenho/protótipo (geometria, dimensões), aplicação, custo e 
condições de uso
29/05 Aula 13 Preparação do texto do Projeto
05/06 Aula 14 Preparação da apresentação do Projeto
19/06 Aula 15 Entrega do Relatório final e Apresentação final - Parte 2 do Projeto (5 grupos)
26/06 Aula 16 Entrega do Relatório final e Apresentação final - Parte 2 do Projeto (5 grupos)
47 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Turma 
P6
Motivação
48 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Motivação
49 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Project Based Learning (PBL)
50 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
➢ Project Based Learning (PBL) um método de ensino no qual os alunos adquirem 
conhecimentos e habilidades trabalhando por um período prolongado para 
investigar e responder a uma pergunta, problema ou desafio autêntico, 
envolvente e complexo.
➢ No PBL os alunos trabalham em um projeto por um longo período de tempo -
de uma semana a um semestre - que os envolve na solução de um problema do 
mundo real ou na resposta a uma pergunta complexa. Eles demonstram seus 
conhecimentos e habilidades criando um produto ou apresentação pública para 
um público real.
➢ Como resultado, os alunos desenvolvem conhecimento profundo de 
conteúdo, além de habilidades críticas de pensamento, colaboração, 
criatividade e comunicação. A aprendizagem baseada em projetos libera uma 
energia contagiosa e criativa entre alunos e professores.
Como vai funcionar o Projeto?
51 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Escolher um produto e o material do qual ele será feito
Poderá ser um material bruto (posteriormente processado para a confecção de um 
produto) ou um produto já existente que será reciclado para a confecção de um novo
O produto e/ou o material devem ser escolhidos pensando em
conceitos de sustentabilidade e no meio ambiente
Como vai funcionar o Projeto?
52 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Parte 1
• Levantar os dados de caracterização dos materiais escolhidos para estabelecer algumas de suas propriedades 
tais como tipo de estrutura, composição, síntese e tipo de ligação e informações sobre processo de fabricação 
e/ou reciclagem; 
• Considerações com relação ao aspecto ambiental do produto e do projeto;
• Explicar porque diferentes materiais são escolhidos para diferentes produtos e para isso, os grupos deverão 
examinar as propriedades físico-químicas, mecânicas e microscópicas através de ensaios e análises que devem 
ser adequados aos materiais escolhidos (buscar dados da literatura);
• Definir o processo de fabricação.
Parte 2
• Verificar a adequação do processo de fabricação de acordo com o material escolhido;
• Projeto do Produto (Desenho e/ou protótipo)
• Determinação das principais propriedades do produto e a sua adequação com o projeto proposto.
1° Apresentação
2° Apresentação
Avaliação
53 16/03/2020 Introdução à Ciência dos Materiais
Apresentação com a ideia 
inicial do projeto
• Apresentação Oral (5 
minutos por grupo)
• Projeto. 
Parte 1 Apresentação Final do 
Produto
• Apresentação Oral com 
slides (15 minutos por
grupo)
• Relatório Final 
Parte 2
• CALLISTER JR., W. D. Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais: Uma abordagem integrada, 2ª ed, 
Rio de Janeiro: LTC, 2006.
• VAN VLACK, H. L. Princípios de Ciência dos Materiais, São Paulo: Cengage Learning, 2008.
• ASKELAND, D. R. e PHULÉ, P. P. Ciência e Engenharia dos Materiais, São Paulo: Edgar Blucher, 1970.
REFERÊNCIAS E BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
54