Ciência e Propriedade dos Materiais

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2012
CiÊnCiA e proprieDADe Dos 
mAteriAis
Prof. Jony Cesar Tomelin
Copyright © UNIASSELVI 2012
Elaboração:
Prof. Jony Cesar Tomelin
Revisão, Diagramação e Produção:
Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI
Ficha catalográfi ca elaborada na fonte pela Biblioteca Dante Alighieri 
UNIASSELVI – Indaial.
658.7
T656cTomelin, Jony Cesar
 Ciência e propriedade dos materiais / Jony Cesar Tomelin. Indaial : 
 Uniasselvi, 2012.
 239 p. : il
 
 ISBN 978-85-7830- 572-7
 1. Administração - materiais.
 I. Centro Universitário Leonardo da Vinci.
Impresso por:
III
ApresentAção
Caro(a) acadêmico(a)!
A Ciência dos Materiais envolve o estudo da estrutura, propriedades, 
métodos de caracterização e o desempenho de materiais, seja no âmbito da 
pesquisa ou da sua utilização in loco em diversos tipos de processos. Nessa 
disciplina você estará sendo apresentado aos principais conceitos que 
envolvem essa temática, que terão por objetivo principal permitir a formação 
de uma visão crítica sobre a problemática que envolve a seleção de materiais 
para as mais diversas aplicações.
Na Unidade 1 do Caderno de Estudos você será apresentado a alguns 
conceitos básicos, porém fundamentais para o entendimento das propriedades 
dos materiais, apresentadas nas unidades posteriores. Iniciaremos nosso 
estudo com um panorama geral sobre os tipos de materiais existentes, de 
acordo com a sua classificação (polímeros, cerâmicas, metais e compósitos). 
Uma apresentação das características elementares dos átomos e da origem das 
forças de ligação será descrita, bem como as diferentes formas como os átomos 
podem se organizar para formar um material sólido, que, por consequência, 
influenciam nas características macroscópicas que observamos. Concluiremos 
o estudo dessa unidade aprendendo um pouco sobre os diagramas de fases 
e a sua importância para a predição da microestrutura das ligas metálicas. 
Fique atento, pois o entendimento desses conceitos é fundamental para a 
compreensão do conteúdo apresentado nas unidades posteriores.
Na Unidade 2 iniciaremos o estudo das propriedades dos materiais. 
Nessa etapa você deverá compreender as ligações entre as características 
estruturais dos materiais, apresentadas na Unidade 1, e as propriedades 
mecânicas, elétricas, térmicas, magnéticas e óticas dos materiais. Todas essas 
propriedades são mensuradas através de métodos de ensaio específicos, 
que compreendem o processo de caracterização dos materiais. Através da 
medida de suas propriedades, podemos entender e definir a sua potencial 
aplicação, qualidades e limitações técnicas.
Na Unidade 3 trataremos de explanar os principais processos 
de fabricação de materiais. As propriedades dos materiais, mensuradas 
através dos ensaios descritos na Unidade 2, podem ser significativamente 
alteradas em função de tratamentos térmicos e alteração nos parâmetros de 
processamento. Iremos também compreender que a seleção de materiais 
depende de uma análise criteriosa do problema de seleção, envolvendo o 
conhecimento de suas propriedades e dos requisitos do produto na aplicação, 
técnicos e econômicos. Também estaremos conversando sobre um tema 
extremamente importante e atual: ao final da vida útil, quais destinos podem 
ter os diferentes tipos de materiais?
IV
Você já me conhece das outras disciplinas? Não? É calouro? Enfim, tanto 
para você que está chegando agora à UNIASSELVI quanto para você que já é veterano, há 
novidades em nosso material.
Na Educação a Distância, o livro impresso, entregue a todos os acadêmicos desde 2005, é 
o material base da disciplina. A partir de 2017, nossos livros estão de visual novo, com um 
formato mais prático, que cabe na bolsa e facilita a leitura. 
O conteúdo continua na íntegra, mas a estrutura interna foi aperfeiçoada com nova 
diagramação no texto, aproveitando ao máximo o espaço da página, o que também 
contribui para diminuir a extração de árvores para produção de folhas de papel, por exemplo.
Assim, a UNIASSELVI, preocupando-se com o impacto de nossas ações sobre o ambiente, 
apresenta também este livro no formato digital. Assim, você, acadêmico, tem a possibilidade 
de estudá-lo com versatilidade nas telas do celular, tablet ou computador. 
 
Eu mesmo, UNI, ganhei um novo layout, você me verá frequentemente e surgirei para 
apresentar dicas de vídeos e outras fontes de conhecimento que complementam o assunto 
em questão. 
Todos esses ajustes foram pensados a partir de relatos que recebemos nas pesquisas 
institucionais sobre os materiais impressos, para que você, nossa maior prioridade, possa 
continuar seus estudos com um material de qualidade.
Aproveito o momento para convidá-lo para um bate-papo sobre o Exame Nacional de 
Desempenho de Estudantes – ENADE. 
 
Bons estudos!
Procure, ao longo do desenvolvimento da disciplina, traçar paralelos 
entre as propriedades dos materiais e suas características básicas (fenômenos 
físicos e químicos), apresentadas nos primeiros tópicos desse caderno. O mais 
importante no processo de aprendizagem é que você possa desenvolver um 
raciocínio lógico, que lhe permita determinar as possibilidades em termos 
de materiais para a solução de problemas reais, e qual caminho e fonte de 
informações devem ser buscados para lhe auxiliar nesse processo.
Bom estudo!
Prof. Jony Cesar Tomelin
NOTA
V
VI
VII
UNIDADE 1 – FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS ............................................ 1
TÓPICO 1 – CONCEITOS FUNDAMENTAIS .................................................................................. 3
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 3
2 PERSPECTIVA HISTÓRICA .............................................................................................................. 3
3 APLICAÇÃO DE LIGAS METÁLICAS, CERÂMICAS, .............................................................. 5
 POLÍMEROS E COMPÓSITOS ......................................................................................................... 5
3.1 METAIS E SUAS LIGAS.................................................................................................................. 5
3.2 MATERIAIS CERÂMICOS ............................................................................................................. 6
3.3 POLÍMEROS ..................................................................................................................................... 8
3.4 COMPÓSITOS .................................................................................................................................. 10
3.5 SEMICONDUTORES ...................................................................................................................... 11
3.6 BIOMATERIAIS ............................................................................................................................... 11
4 ESTRUTURA ATÔMICA .................................................................................................................... 12
RESUMO DO TÓPICO 1........................................................................................................................ 14
AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 15
TÓPICO 2 – LIGAÇÕES QUÍMICAS .................................................................................................. 17
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 17
2 LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS MATERIAIS ................................................................................... 17
3 LIGAÇÕES PRIMÁRIAS ....................................................................................................................20
3.1 LIGAÇÕES IÔNICAS ...................................................................................................................... 20
3.2 LIGAÇÕES COVALENTES ............................................................................................................ 21
3.3 LIGAÇÕES METÁLICAS ............................................................................................................... 22
4 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS ............................................................................................................. 23
5 TIPOS DE LIGAÇÕES PREDOMINANTES EM METAIS, CERÂMICAS 
 E POLÍMEROS ...................................................................................................................................... 23
RESUMO DO TÓPICO 2........................................................................................................................ 26
AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 27
TÓPICO 3 – TIPOS DE ESTRUTURA CRISTALINA ...................................................................... 29
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 29
2 ESTRUTURAS TÍPICAS DOS METAIS .......................................................................................... 29
2.1 CÚBICA DE FACES CENTRADAS ............................................................................................... 30
2.2 CÚBICA DE CORPO CENTRADO ............................................................................................... 34
2.3 HEXAGONAL COMPACTA .......................................................................................................... 35
3 ESTRUTURAS CRISTALINAS DE MATERIAIS CERÂMICOS ................................................ 36
4 ESTRUTURAS MOLECULARES DE POLÍMEROS ...................................................................... 37
RESUMO DO TÓPICO 3........................................................................................................................ 40
AUTOATIVIDADE ................................................................................................................................. 41
TÓPICO 4 – CRISTALINIDADE DOS MATERIAIS ....................................................................... 43
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................... 43
2 MATERIAIS MONOCRISTALINOS ................................................................................................ 43
sumário
VIII
3 MATERIAIS POLICRISTALINOS .................................................................................................. 44
4 MATERIAIS AMORFOS ................................................................................................................... 45
5 MATERIAIS SEMICRISTALINOS ................................................................................................. 46
RESUMO DO TÓPICO 4...................................................................................................................... 48
AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................... 49
TÓPICO 5 – DEFEITOS DA ESTRUTURA CRISTALINA ............................................................ 51
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................... 51
2 DEFEITOS PONTUAIS ..................................................................................................................... 51
3 IMPUREZAS ........................................................................................................................................ 52
4 DISCORDÂNCIAS ............................................................................................................................ 54
5 SISTEMAS DE ESCORREGAMENTO .......................................................................................... 54
6 CONTORNOS DE GRÃOS .............................................................................................................. 57
RESUMO DO TÓPICO 5...................................................................................................................... 60
AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................... 61
TÓPICO 6 – DIAGRAMAS DE FASES ............................................................................................. 63
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................... 63
2 SOLUBILIDADE ................................................................................................................................. 63
3 FASES .................................................................................................................................................... 63
4 EQUILÍBRIO DE FASES .................................................................................................................... 64
5 MICROESTRUTURA ......................................................................................................................... 64
6 SISTEMAS BINÁRIOS ISOMORFOS ........................................................................................... 65
6.1 CONDIÇÃO DE EQUILÍBRIO ..................................................................................................... 67
6.2 CONDIÇÃO DE NÃO EQUILÍBRIO .......................................................................................... 71
7 SISTEMAS BINÁRIOS EUTÉTICOS ............................................................................................. 73
8 DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe3C (FERRO - CARBETO DE FERRO) .................................. 74
9 DIAGRAMAS TERNÁRIOS ............................................................................................................ 78
LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................. 78
RESUMO DO TÓPICO 6...................................................................................................................... 85
AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................... 86
UNIDADE 2 – CARACTERIZAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS ......................... 87
TÓPICO 1 – PROPRIEDADES MECÂNICAS ................................................................................. 89
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................... 89
2 TENSÃO E DEFORMAÇÃO ............................................................................................................ 89
3 MÓDULO DE ELASTICIDADE ...................................................................................................... 90
4 TENSÃO DE ESCOAMENTO.......................................................................................................... 92
5 TENSÃO DE RESISTÊNCIA ............................................................................................................ 93
6 TENSÃO DE RUPTURA ................................................................................................................... 94
7 RESILIÊNCIA, TENACIDADE, DUCTILIDADE E FRAGILIDADE ...................................... 94
8 PARÂMETROS DA ESTRUTURA QUE INFLUENCIAM NA RESISTÊNCIA 
 MECÂNICA ......................................................................................................................................... 96
9 RELAÇÕES ENTRE AMICROESTRUTURA E A RESISTÊNCIA MECÂNICA ................... 96
10 INFLUÊNCIA DO HISTÓRICO DE TENSÕES TÉRMICAS ..................................................100
11 INFLUÊNCIA DA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA ........................................................................101
12 FADIGA ..............................................................................................................................................101
13 FLUÊNCIA .........................................................................................................................................104
RESUMO DO TÓPICO 1......................................................................................................................107
AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................108
IX
TÓPICO 2 – PROPRIEDADES ÓTICAS ...........................................................................................109
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................109
2 PRINCÍPIOS BÁSICOS .....................................................................................................................109
3 REFRAÇÃO ..........................................................................................................................................110
4 REFLEXÃO ...........................................................................................................................................111
5 ABSORÇÃO .........................................................................................................................................111
6 TRANSMISSÃO .................................................................................................................................112
7 COR .......................................................................................................................................................113
8 OPACIDADE E TRANSLUCIDEZ ..................................................................................................113
9 LASERS .................................................................................................................................................114
10 FIBRAS ÓTICAS ...............................................................................................................................116
RESUMO DO TÓPICO 2......................................................................................................................117
AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................118
TÓPICO 3 – PROPRIEDADES ELÉTRICAS ....................................................................................119
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................119
2 CONCEITOS FUNDAMENTAIS ....................................................................................................119
3 RIGIDEZ DIELÉTRICA .....................................................................................................................120
4 MATERIAIS CONDUTORES ..........................................................................................................121
5 MATERIAIS ISOLANTES E SEMICONDUTORES ....................................................................121
6 SUPERCONDUTIVIDADE ..............................................................................................................124
7 FATORES QUE AFETAM A RESISTIVIDADE DOS METAIS .................................................124
RESUMO DO TÓPICO 3......................................................................................................................125
AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................126
TÓPICO 4 – PROPRIEDADES MAGNÉTICAS ..............................................................................127
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................127
2 CONCEITOS FUNDAMENTAIS ....................................................................................................127
3 DIAMAGNETISMO ..........................................................................................................................129
4 PARAMAGNETISMO .......................................................................................................................129
5 FERROMAGNETISMO .....................................................................................................................130
6 ANTIFERROMAGNETISMO ..........................................................................................................131
7 FERRIMAGNETISMO ......................................................................................................................131
8 HISTERESE ..........................................................................................................................................132
9 MATERIAIS MAGNÉTICOS DUROS E MOLES ........................................................................134
10 ARMAZENAMENTO DE INFORMAÇÕES ...............................................................................135
RESUMO DO TÓPICO 4......................................................................................................................136
AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................137
TÓPICO 5 – PROPRIEDADES TÉRMICAS .....................................................................................139
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................139
2 ORIGEM DAS CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS ......................................................................139
3 CAPACIDADE CALORÍFICA ..........................................................................................................140
4 EXPANSÃO TÉRMICA .....................................................................................................................140
5 CONDUTIVIDADE TÉRMICA .......................................................................................................143
RESUMO DO TÓPICO 5......................................................................................................................145
AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................146
TÓPICO 6 – PRINCIPAIS TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS ................147
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................147
2 MICROSCOPIA ÓTICA ....................................................................................................................147
3 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV) .......................................................151
X
4 DUREZA ...............................................................................................................................................155
5 ENSAIO DE TRAÇÃO .......................................................................................................................157
6 ANÁLISE QUÍMICA ..........................................................................................................................160
7 ANÁLISE CRISTALOGRÁFICA (DIFRAÇÃO DE RAIOS-X) ..................................................163
8 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS ....................................................................................................165LEITURA COMPLEMENTAR .............................................................................................................169
RESUMO DO TÓPICO 6......................................................................................................................171
AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................172
UNIDADE 3 – PROCESSAMENTO E SELEÇÃO DE MATERIAIS ............................................173
TÓPICO 1 – PROCESSOS DE FABRICAÇÃO ................................................................................175
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................175
2 PROCESSAMENTO DE MATERIAIS METÁLICOS ..................................................................176
2.1 FUNDIÇÃO ....................................................................................................................................176
2.2 CONFORMAÇÃO MECÂNICA .................................................................................................181
2.3 USINAGEM ....................................................................................................................................184
2.4 TRATAMENTOS TÉRMICOS ......................................................................................................186
2.4.1 Recozimento ..........................................................................................................................186
2.4.2 Têmpera ..................................................................................................................................187
2.4.3 Revenido ................................................................................................................................188
3 PROCESSAMENTO DE MATERIAIS CERÂMICOS .................................................................190
3.1 COLAGEM DE BARBOTINA ......................................................................................................191
3.2 EXTRUSÃO E CONFORMAÇÃO PLÁSTICA ..........................................................................192
3.3 PRENSAGEM .................................................................................................................................194
3.4 SECAGEM E QUEIMA .................................................................................................................195
4 PROCESSAMENTO DE MATERIAIS POLIMÉRICOS .............................................................196
4.1 OBTENÇÃO DOS POLÍMEROS ..................................................................................................197
4.2 EXTRUSÃO .....................................................................................................................................198
4.3 INJEÇÃO .........................................................................................................................................199
5 PROCESSAMENTO DE MATERIAIS COMPÓSITOS ..............................................................200
5.1 COMPÓSITOS METAL-CERÂMICA..........................................................................................201
5.2 COMPÓSITOS POLÍMERO-CERÂMICA ..................................................................................202
5.3 COMPÓSITOS POLÍMERO-METAL ..........................................................................................204
RESUMO DO TÓPICO 1......................................................................................................................205
AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................206
TÓPICO 2 – CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DE MATERIAIS ......................................................207
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................207
2 REQUISITOS DE PROJETO ............................................................................................................208
2.1 RESISTÊNCIA MECÂNICA ........................................................................................................209
2.2 CONSIDERAÇÕES SOBRE A RESISTÊNCIA À FADIGA E FLUÊNCIA .............................213
2.3 RESISTÊNCIA A INTEMPÉRIES.................................................................................................213
2.4 OUTRAS PROPRIEDADES ..........................................................................................................215
3 ASPECTOS ECONÔMICOS ............................................................................................................215
3.1 VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DO MATERIAL SELECIONADO ....................................216
3.2 GARANTIAS DE FORNECIMENTO E QUALIDADE ............................................................219
4 DESENVOLVIMENTO DE MATERIAIS PARA USO ESPECÍFICO .......................................220
4.1 INOVAÇÃO E PRODUTIVIDADE .............................................................................................220
4.2 REDUÇÃO DE CUSTOS E QUALIDADE .................................................................................221
RESUMO DO TÓPICO 2......................................................................................................................222
AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................223
XI
TÓPICO 3 – RECICLAGEM DOS MATERIAIS ..............................................................................225
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................225
2 CLASSIFICAÇÃO DOS RESÍDUOS SÓLIDOS ..........................................................................225
3 RECICLAGEM DE MATERIAIS METÁLICOS ............................................................................227
4 RECICLAGEM DE MATERIAIS POLIMÉRICOS .......................................................................227
5 RECICLAGEM DOS MATERIAIS CERÂMICOS ........................................................................229
LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................ 230
RESUMO DO TÓPICO 3..................................................................................................................... 234
AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 235
REFERÊNCIAS ...................................................................................................................................... 237
XII
1
UNIDADE 1
FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS 
MATERIAIS
OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM
PLANO DE ESTUDOS
A partir do estudo desta unidade o(a) acadêmico(a) estará apto(a) a:
• conhecer acerca da história e importância do estudo da ciência dos materiais 
e sua aplicação no desenvolvimento tecnológico da sociedade moderna;
• entender os conceitos e características fundamentais dos materiais, os 
quais são de suma importância para o discernimento e análise de suas 
propriedades, a serem abordados nas unidades posteriores;
• compreender a influência das forças de ligação, arranjo dos átomos e pre-
sença de defeitos estruturais na classificação e propriedades específicas 
dos materiais;
• interpretar diagramas de fases, de forma a prever a microestrutura e pro-
priedades resultantes de composições comerciais de aços e ferros fundidos;
• obter conhecimento básico acerca dos sistemas ternários e aplicação no 
desenvolvimento dos materiais cerâmicos. conhecer acerca da história e 
importância do estudo da ciência dos materiais e sua aplicação no desen-
volvimento tecnológicoda sociedade moderna;
• entender os conceitos e características fundamentais dos materiais, os 
quais são de suma importância para o discernimento e análise de suas 
propriedades, a serem abordados nas unidades posteriores;
• compreender a influência das forças de ligação, arranjo dos átomos e pre-
sença de defeitos estruturais na classificação e propriedades específicas 
dos materiais;
• interpretar diagramas de fases, de forma a prever a microestrutura e pro-
priedades resultantes de composições comerciais de aços e ferros fundidos;
• obter conhecimento básico acerca dos sistemas ternários e aplicação no 
desenvolvimento dos materiais cerâmicos.
Esta unidade está dividida em seis tópicos que contribuirão na compreensão 
dos fundamentos da ciência e propriedades dos materiais. Além disso, em 
cada um dos tópicos você encontrará atividades que o ajudarão a consolidar 
os conceitos apresentados.
TÓPICO 1 – CONCEITOS FUNDAMENTAIS
TÓPICO 2 – LIGAÇÕES QUÍMICAS
TÓPICO 3 – TIPOS DE ESTRUTURA CRISTALINA
TÓPICO 4 – CRISTALINIDADE DOS MATERIAIS
TÓPICO 5 – DEFEITOS DA ESTRUTURA CRISTALINA
TÓPICO 6 – DIAGRAMAS DE FASES
2
3
TÓPICO 1
UNIDADE 1
CONCEITOS FUNDAMENTAIS
1 INTRODUÇÃO
Para o completo entendimento das propriedades e aplicações dos diversos 
materiais disponíveis comercialmente, bem como entender as ferramentas de 
análise e desenvolvimento de materiais, é necessário inicialmente que possamos 
compreender a real importância do estudo que estaremos desenvolvendo neste 
tópico. Dessa forma, estaremos inicialmente conversando um pouco a respeito da 
história do desenvolvimento dos materiais ao longo do tempo, e sua integração 
com o desenvolvimento da sociedade.
Da mesma forma, é de suma importância compreender alguns 
mecanismos de origem atômica, os quais serão apresentados nesse tópico, que 
invariavelmente explicam boa parte das características e propriedades de cada 
tipologia de material. Para realmente termos um conhecimento sólido da ciência 
e das propriedades dos materiais, precisaremos ter a capacidade de correlacionar 
essas características elementares com os resultados e propriedades que estaremos 
estudando nos capítulos posteriores.
Neste tópico também estaremos discutindo e fixando conceitos básicos e 
essenciais, bem como a apresentação de algumas aplicações típicas de materiais, para 
que vocês possam se familiarizar com os diferentes tipos de materiais, visualizando 
as aplicações no dia a dia, em situações práticas, facilitando o entendimento.
É natural que muitos conceitos apresentados nesse tópico lhe sejam 
completamente novos. É importante que, durante a leitura desse primeiro tópico, 
sejam anotados os termos e conceitos que não são familiares. Esses conceitos 
serão detalhados nos tópicos e unidades posteriores.
2 PERSPECTIVA HISTÓRICA
A escolha de materiais adequados para determinadas aplicações, mesmo 
em uma análise desprovida de conhecimentos específicos, nos remete aos mais 
remotos momentos da existência da humanidade. A necessidade da caça, da pesca, 
da construção de abrigos, da criação de vestimentas, e a elaboração de utensílios 
para as diversas atividades do homem primitivo, podem ser tomadas como exemplo 
de uma seleção de materiais com características mais adequadas para cada caso. 
Convenhamos que, nesse contexto inicial, as opções de materiais disponíveis eram 
de relativa escassez: madeira, barro, pedra, couro, fibras naturais. Qual material 
ou combinação destes vocês utilizariam para a confecção de uma lança para caça?
UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS
4
O desenvolvimento de utensílios e recipientes de cerâmica pode ser 
considerado um dos primeiros avanços da humanidade na direção da criação de 
materiais que atendam a necessidades específicas de forma mais adequada do 
que os materiais naturais disponíveis. A invenção nos parece simples, levando em 
conta o nosso estado atual de desenvolvimento tecnológico: moldar utensílios em 
barro úmido, e cozermos os mesmos em fogo para que estes adquiram resistência. 
No entanto, ainda utilizamos esses princípios antiquíssimos para a fabricação de 
muitos produtos cerâmicos, como, por exemplo, as telhas e tijolos que compõem 
as nossas casas. O desenvolvimento de novas técnicas de fabricação desses 
materiais permitiu produzi-los em grande escala e com poucas perdas.
O posterior conhecimento do processamento de ligas metálicas, como 
o ferro e o bronze, propiciou a elaboração de utensílios de diversas naturezas 
e utilidades. Os avanços que se seguiram permitiram à sociedade a criação de 
inúmeras utilidades, culminando no desenvolvimento tecnológico moderno.
O desenvolvimento de materiais poliméricos, os quais nós conhecemos 
também por plásticos, tendo como matéria-prima base o petróleo, permitiu 
a produção de materiais mais leves, processados em baixa temperatura e com 
características mecânicas adequadas a muitas aplicações, inclusive, por exemplo, 
substituindo partes metálicas em veículos, permitindo assim a economia de peso 
e combustível.
A rápida troca de informações propiciada pelo desenvolvimento 
tecnológico atual na área eletrônica não seria possível sem o desenvolvimento e 
aprimoramento constante dos materiais semicondutores, os quais permitiram o 
desenvolvimento dos circuitos integrados. Grandes avanços da medicina estão 
condicionados ao crescente estudo de biomateriais, resistentes e compatíveis com 
o organismo onde são implantados. A nanotecnologia nos mostra que é possível 
obter materiais com características especiais, abrindo um leque enorme para o 
desenvolvimento de materiais inteligentes e de tecnologias mais limpas.
Podemos concluir então que, tanto para o homem que habitava as cavernas 
até o homem que habita as modernas estações espaciais, o conhecimento das 
propriedades dos materiais disponíveis e a engenharia ou desenvolvimento de 
novos materiais criados e constantemente aprimorados são fundamentais para 
a manutenção de condições em que este possa viver de forma adequada às suas 
necessidades, em um mundo moderno cada vez mais dinâmico.
TÓPICO 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS
5
3 APLICAÇÃO DE LIGAS METÁLICAS, CERÂMICAS, 
POLÍMEROS E COMPÓSITOS
Diferentes tipos de materiais podem ser utilizados na fabricação de um 
produto ou parte de um produto industrializado. Normalmente a decisão de se 
utilizar determinado material passa pela análise de diversos critérios, desde as 
propriedades necessárias ao desempenho do componente até o seu valor final.
3.1 METAIS E SUAS LIGAS
As ligas metálicas são normalmente compostas majoritariamente de 
elementos metálicos. Os átomos dos metais sólidos são ligados entre si por ligações 
metálicas. Nesse tipo de ligação, uma parte dos elétrons desses átomos deixa de 
pertencer a átomos definidos, formando uma nuvem de elétrons, que são chamados 
de elétrons livres, os quais são responsáveis pelas suas propriedades elétricas 
particulares. A sua estrutura ordenada e as características de suas ligações fazem 
com que estes materiais apresentem alta resistência mecânica, no entanto podem 
ser conformados em diferentes formas sem apresentar ruptura. Além disso, suas 
propriedades podem ser drasticamente alteradas pela deformação mecânica ou 
tratamentos térmicos, de acordo com a necessidade. Essas características fazem dos 
metais e suas ligas uma escolha bastante usual para a fabricação de componentes 
mecânicos, desde automóveis até estruturas de edifícios.
Um aspecto bastante importante da maioria das ligas metálicas é o seu 
caráter de “aviso de falha”: Quando um componente ultrapassa o seu limite de 
carga (nesse caso trata-se do limite de escoamento, como veremos com mais detalhes 
na Unidade 2), ocorre uma deformação irreversível do componente, ou seja, ao 
retirar a carga, o componente permanece deformado. Essa deformação pode ser 
detectada por inspeções antes que esta peça venha a se romper, causando uma 
falha mais grave. Essa propriedade é bastante importante quando trabalhamos 
com produtos ondeexiste a necessidade de um nível de segurança, como em 
partes mecânicas de automóveis, aviões, ou de estruturas de guindastes. A 
ruptura da peça nesse caso pode ser catastrófica. A figura a seguir apresenta 
o aspecto de fratura de um material metálico dúctil e de um material frágil. A 
fratura do material dúctil apresenta deformação localizada.
UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS
6
O que é um material dúctil? O que se entende por material frágil? Não se 
preocupe em responder esses questionamentos agora. Anote esse termos. Eles serão 
detalhados e exemplificados nos próximos tópicos e unidades.
3.2 MATERIAIS CERÂMICOS
Os materiais cerâmicos são, em sua maioria, constituídos de óxidos 
metálicos. As ligações químicas desses materiais podem ser iônicas ou covalentes 
(estaremos estudando as características dessas ligações no tópico 2 dessa unidade). 
Diferente dos metais, as cerâmicas normalmente apresentam estruturas mais 
complexas e menos simétricas. Esse fato, aliado ao tipo de ligação, faz com que 
a deformação da peça antes da ruptura seja praticamente nula: o componente 
rompe rapidamente ao atingir seu limite de resistência. A situação descrita acima 
é crítica quando pensamos em aplicações mecânicas com restrições de segurança. 
Outra característica importante dos materiais cerâmicos é que estes 
apresentam uma sensibilidade maior a defeitos de fabricação. A presença de 
trincas, muitas vezes não detectáveis, torna o limite de resistência mais baixo 
do que o calculado no projeto do componente sem falhas. Por esse motivo, em 
alguns casos, testes mecânicos prévios desses componentes são necessários para 
garantir uma resistência mecânica mínima exigida pela aplicação.
FIGURA 1 – FRATURA DE MATERIAL DÚCTIL (À ESQUERDA) E FRÁGIL (À DIREITA)
FONTE: Callister (2007)
ESTUDOS FU
TUROS
TÓPICO 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS
7
Por outro lado, algumas características dos materiais cerâmicos os tornam 
a melhor escolha para determinadas aplicações: 
• ausência de elétrons livres, culminando em elevada rigidez dielétrica e baixa 
condutividade elétrica, o que os torna excelentes isolantes elétricos; 
• a baixa condutividade térmica permite a aplicação como material refratário, 
isolando o calor de um processo do ambiente, protegendo os materiais 
metálicos que revestem determinados equipamentos; 
• a característica de rigidez de suas ligações químicas culmina em materiais com 
elevada dureza, tornando-os excelentes materiais abrasivos, de usinagem de 
materiais metálicos, ou para aplicações onde se deseja diminuir o desgaste 
mecânico; 
• a combinação entre suas características estéticas e resistência ao desgaste os 
torna uma escolha interessante no desenvolvimento de biomateriais, como 
próteses dentárias;
• as translucides dos vidros e suas propriedades de refração da luz permitem 
a fabricação de diversos objetos decorativos e técnicos, incluindo lentes para 
aplicações diversas;
• as características de pega hidráulica e propriedades mecânicas após cura, 
isolamento térmico e baixo custo permitem a utilização de gesso e cimentos 
em larga escala para construção e revestimento de edificações.
Os materiais cerâmicos são utilizados atualmente em diversos setores, seja 
como isoladores em linhas de transmissão de energia, como blocos estruturais 
para edifícios, cimentos, vidros para janelas, frascos, vitrocerâmicos para fogões, 
substratos para catalisadores, e próteses biocompatíveis.
UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS
8
FIGURA 2 – COMPONENTE CERÂMICO: SUBSTRATO DE CATALISADOR, DE 
CORDIERITA
FONTE: INESCAP. Disponível em: <http://www.inescap.com.br/eng/prod_doc.
html>. Acesso em: 25 fev. 2012.
3.3 POLÍMEROS
Os materiais poliméricos são de base orgânica (contêm carbono, C). 
Esses materiais, assim como os metais e cerâmicas, podem ser caracterizados 
por um agrupamento de átomos que formam uma estrutura, que se repete 
indefinidamente no material. No caso dos polímeros, essa estrutura é chamada 
de mero. Um polímero pode ser definido, então, como um conjunto de meros.
As ligações químicas nesse tipo de material são normalmente de caráter 
covalente. Apesar de a ligação química do tipo covalente ser forte, os polímeros 
apresentam como uma das suas principais características a elevada maleabilidade. 
Esse comportamento, em primeira análise, nos parece contraditório, porém é 
explicado pela presença de ligações secundárias.
Um polímero consiste em várias cadeias poliméricas, normalmente de 
longo tamanho, que mantêm interações de coesão entre si por forças secundárias, 
como pontes de hidrogênio. Estas ligações, mais fracas, explicam a facilidade de 
deformação desses materiais, pois a deformação ocorre pelo deslocamento das 
cadeias poliméricas.
TÓPICO 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS
9
Uma das características principais dos polímeros é a sua facilidade 
de processamento em baixas temperaturas (da ordem de 200°C), bem como a 
sua boa relação entre densidade e propriedades mecânicas. Para muitos casos, 
os polímeros podem ter resistência mecânica suficiente para substituir partes 
metálicas, com diminuição do peso do componente e também do produto. Esse 
fato normalmente implica em menores custos de transporte e economia de 
combustível, dentre outros, e é a tendência que observamos nas últimas décadas 
no desenvolvimento dos automóveis. Assim como nos metais, as propriedades 
dos polímeros podem ser alteradas, nesse caso essencialmente pelo tamanho das 
cadeias poliméricas e seu grau de cristalinidade.
Os polímeros apresentam diversas propriedades que os tornam interessantes 
para determinadas aplicações, embora também apresentem limitações intrínsecas. 
Normalmente apresentam baixa resistência ao calor e podem sofrer degradação 
quando expostos a intempéries. Essa degradação consiste na quebra de ligações 
pela presença de raios UV provenientes da luz solar.
As aplicações dos polímeros são das mais diversas: desde recipientes e 
utensílios domésticos em polipropileno (PP) e polietileno (PE), até componentes 
automotivos em Nylon®, ABS ou borrachas. Os polímeros também podem 
ser reforçados por outros tipos de materiais, sendo então classificados como 
compósitos, os quais serão discutidos no item a seguir.
FIGURA 3 – ENGRENAGENS DE NYLON®
FONTE: MECÂNICA OURINHENSE. Disponível em: <http://www.
mecanicaourinhense.com.br/engrenagem-de-corrente-transportadora.
php>. Acesso em: 25 fev. 2012.
UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS
10
3.4 COMPÓSITOS
Vimos nos itens anteriores que os diferentes tipos de materiais apresentam 
características que os tornam interessantes para determinadas aplicações, porém, 
apresentam também limitações. A busca de propriedades ótimas para aplicações 
específicas motivou o estudo dos materiais compósitos.
Um material compósito consiste na junção em um mesmo material 
de duas ou mais classes de materiais (metais, polímeros ou cerâmicas) para o 
desenvolvimento de um novo material com propriedades muitas vezes superiores 
às apresentadas pelos componentes separadamente, ou seja, ocorre uma sinergia 
entre os componentes utilizados.
É possível, por exemplo, melhorar as propriedades mecânicas de um 
material polimérico (resina epóxi, poliuretano) adicionando certa quantidade 
de fibras de vidro (material cerâmico), de tamanho e características controladas. 
Chamamos esse tipo de material de fibra de vidro, sendo bastante empregado na 
indústria naval, reservatórios de água e piscinas, dentre outros.
A melhora na resistência mecânica do componente, nesse caso, se dá pela 
transferência da carga mecânica do polímero para a fibra, que é mais rígida que 
a matriz polimérica. No entanto, um fator importante é a qualidade da interface 
entre a fibra de vidro e o polímero: a adesão de dois materiais com características 
físico-químicas tão distintas muitas vezes precisa ser auxiliada por um tratamento 
superficial da superfície das fibras. Ou seja, precisamos compatibilizar a fibra 
para que esta fique aderidacorretamente ao polímero.
Quando desejamos unir a resistência à abrasão elevada, mantendo a 
resistência a impactos e deformações, podemos utilizar um material compósito 
que seja capaz de suprir essa necessidade. É o caso do metal duro (na indústria 
comumente chamado de “Widea”). O metal duro consiste em uma matriz metálica 
(Co, Ni) com partículas cerâmicas (WC, carbeto de tungstênio). A fase cerâmica é 
responsável pela elevada dureza e resistência a abrasão, enquanto a matriz metálica 
dissipa o calor gerado e absorve impacto e trepidação. Pastilhas de usinagem 
confeccionadas nesse tipo de material apresentam propriedades adequadas para 
usinagem de metais com dureza elevada, bem como para usinagem a seco de 
materiais cerâmicos.
Compósitos de base polimérica com adição de metais são utilizados 
para desenvolvimento de propriedades de semicondutividade: a concentração e 
interpolação das partículas do metal condutor na matriz polimérica irão definir a 
condutividade desse material, sendo interessante nos casos onde se deseja obter 
condutividades controladas para determinadas aplicações, bem como onde as 
propriedades do polímero são adequadas.
TÓPICO 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS
11
FIGURA 4 – OS COMPÓSITOS DE FIBRA DE VIDRO SÃO UTILIZADOS NA 
FABRICAÇÃO DE BARCOS E LANCHAS
FONTE: VALE NÁUTICO. Disponível em: <http://www.valenautico.com.br/
site/?key=81>. Acesso em: 25 fev. 2012.
3.5 SEMICONDUTORES
Os materiais semicondutores apresentam condutividade elétrica 
intermediária entre metais condutores e materiais intrinsecamente isolantes, como 
é o caso da maioria das cerâmicas. Normalmente o nível dessa condutividade 
é afetado por variações pequenas na quantidade de determinadas impurezas, 
sendo esse um ponto chave no desenvolvimento desses materiais.
Com o advento dos semicondutores puderam ser desenvolvidos 
transistores e diodos, os quais são fundamentais para o campo da eletrônica. 
Esses dispositivos têm, além da capacidade de amplificar um sinal elétrico, a 
propriedade de atuarem como interruptores. Isto é particularmente importante, 
visto que a tecnologia digital opera em sistemas binários (algumas vezes 
designados por 0 e 1), que podem corresponder a “ligado” e “desligado” para 
cada transistor. Assim, dados e equações podem ser armazenados em chips de 
silício nos computadores, calculadoras, celulares, e inúmeros equipamentos.
3.6 BIOMATERIAIS
A função dos biomateriais, como o nome indica, é a de substituir partes do 
corpo danificadas ou doentes. Podemos produzir biomateriais utilizando cerâmicas, 
polímeros, metais, semicondutores ou compósitos. Uma das principais características 
desses materiais é a não liberação de produtos tóxicos e biocompatibilidade, ou seja, 
não devem sofrer rejeição por parte do organismo receptor.
Próteses dentárias, ósseas, estéticas (próteses de silicone) e marca-passos 
são exemplos de biomateriais.
UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS
12
4 ESTRUTURA ATÔMICA
A explicação para o comportamento macroscópico dos materiais tem sua 
origem em suas características atômicas: tipos de átomos e arranjo entre eles, no 
que chamamos de estrutura. No entanto, para compreendermos as características 
de arranjo entre os átomos, é necessário relembrarmos alguns conceitos de 
química e física, os quais você já estudou nas respectivas disciplinas.
Os átomos são unidades compostas por partículas subatômicas que se 
diferem pela sua carga e massa: prótons, elétrons e nêutrons. Os átomos possuem 
um núcleo, e esse núcleo é composto por prótons e nêutrons, que são unidades 
muito pequenas. Prótons e nêutrons apresentam massa semelhante entre si (1,67 x 
10-27 Kg). A principal diferença entre prótons e nêutrons é que os prótons apresentam 
carga positiva (1,60 x 10-19 C), enquanto os nêutrons não apresentam carga.
Os elétrons apresentam carga de mesma magnitude dos prótons (1,60 x 10-
19C), porém, negativa. Outra diferença fundamental entre os elétrons e prótons é a 
sua massa (9,11 x 10-31 Kg), ou seja, os elétrons são cerca de 10000 vezes mais leves.
O átomo, composto de prótons e nêutrons, partículas mais pesadas, fica 
agrupado em um núcleo, enquanto os elétrons, partículas mais leves, circulam 
ao redor deste núcleo. Podemos concluir também que o núcleo apresenta carga 
positiva, pela presença dos prótons.
FIGURA 5 – O ÁTOMO
FONTE: O autor
A quantidade de prótons do núcleo do átomo irá determinar o número 
atômico (Z) e o tipo de átomo. Essa informação, consequentemente, caracteriza 
um elemento químico. Cada elemento apresenta um número específico de 
prótons. Se o átomo estiver em seu estado neutro, o número de elétrons será igual 
ao número de prótons (lembre-se de que a magnitude da carga do elétron e do 
próton é a mesma, porém de sinal contrário).
TÓPICO 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS
13
A forma como os átomos se agrupam no material sólido não é totalmente 
densa. Existem vazios entre os átomos, e a densidade do sólido irá depender dessa quantidade 
de vazios. No tópico 3 iremos calcular a densidade do chumbo a partir da massa atômica e 
seu arranjo cristalino!
Portanto, não somente o conhecimento das características dos átomos, 
como, por exemplo, a sua massa atômica (A), é suficiente para explicar os 
diferentes comportamentos macroscópicos dos materiais. Além da forma como os 
átomos são arranjados, tanto a magnitude como o tipo de ligação entre os átomos 
no material sólido se relacionam com algumas propriedades desses sólidos. É do 
estudo dessas forças que estaremos tratando no próximo tópico.
A massa atômica (A) é a massa de um átomo do elemento. Essa massa é 
caracterizada pela soma das massas de cada próton e cada nêutron do elemento. 
Nessa conta se exclui a massa dos elétrons, pois neste caso esta é praticamente 
desprezível. Um mesmo elemento pode ter diferentes quantidades de nêutrons, e 
apresentará massas ligeiramente diferentes. Eles são chamados de isótopos.
Podemos imaginar então, a partir das premissas descritas acima, que 
algumas propriedades físicas, como a densidade e a massa dos materiais, 
apresentam alguma relação com a quantidade de prótons e nêutrons dos núcleos 
dos seus elementos. 
Vamos analisar este exemplo: 
Da observação da tabela periódica podemos constatar que o alumínio (Al) 
apresenta número atômico Z=13 e massa atômica A=26,982, enquanto o chumbo 
(Pb) apresenta Z=82 e A=207,19. Portanto, podemos esperar que 1m3 de chumbo 
metálico apresente maior massa quando comparado a 1m3 de alumínio metálico.
No entanto, é importante observar que a densidade destes metais no estado 
sólido em temperatura ambiente não depende somente da massa atômica, mas 
também de outros fatores, como o seu arranjo atômico, ou seja, de sua estrutura. 
Assim, para calcularmos a densidade e posteriormente a massa de 1m3 dos 
materiais citados, precisaremos de informações a respeito de como estes átomos 
ficam arranjados no sólido, e quantidade de vazios em cada estrutura.
ATENCAO
14
Neste tópico estudamos alguns conceitos fundamentais da ciência dos 
materiais. A seguir apresentamos um resumo dos principais pontos abordados:
• Apresentamos uma perspectiva histórica do desenvolvimento dos materiais, 
enfatizando a sua importância no desenvolvimento tecnológico.
• Foram discutidos alguns dos aspectos principais relativos às diferentes classes 
de materiais e suas aplicações em função de suas propriedades.
• Compreendemos que o conhecimento da estrutura do átomo é insuficiente para 
entendermos as propriedades macroscópicas dos materiais, sendo necessário 
obter informações a respeito de suas ligações e arranjo desses átomos no 
material.
RESUMO DO TÓPICO 1
15
Caro(a) acadêmico(a), para melhor fixar o conteúdo da unidade, 
sugerimos que desenvolva as seguintes atividades:
1 Descreva com suas palavras a importância da ciência dos materiais para a 
sociedade moderna.
2 Defina quais são as principais características que diferenciam metais, 
polímeros, cerâmicas e compósitos.
3 Defina as característicasde cada partícula subatômica: prótons, elétrons e 
nêutrons.
AUTOATIVIDADE
16
17
TÓPICO 2
LIGAÇÕES QUÍMICAS
UNIDADE 1
1 INTRODUÇÃO
As características das ligações químicas dos materiais estão relacionadas 
diretamente com as suas propriedades. Por esse motivo torna-se muito 
importante conhecermos os princípios que governam essas ligações nos sólidos. 
Quando analisamos o comportamento mecânico ou térmico de um material, 
o conhecimento da origem do comportamento macroscópico observado é 
importante para interpretarmos os resultados obtidos.
Neste tópico estudaremos os princípios de equilíbrio das forças das 
ligações químicas, bem como os tipos de ligação e suas características relacionadas 
às propriedades de cada classe de material.
2 LIGAÇÕES ATÔMICAS NOS MATERIAIS
Sabemos que um material sólido é composto por um número muito 
grande de átomos e que, conforme estudamos anteriormente, estes átomos são 
compostos por elétrons, prótons e nêutrons. A própria estrutura do átomo é 
resultante do equilíbrio das forças de atração e repulsão entre o núcleo positivo e 
os elétrons, que apresentam carga negativa.
Para facilitar a nossa incursão na análise das ligações atômicas, vamos 
imaginar a unidade mais simples possível: a ligação entre apenas dois átomos. 
Quais fenômenos físicos vocês esperam observar ao aproximarmos dois átomos?
FIGURA 6 – ÁTOMOS SEPARADOS POR UMA DISTÂNCIA D
FONTE: O autor
UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS
18
Considerando que, em um estado inicial que promovemos, existe uma 
grande distância entre os dois átomos (d). Nesse caso, as forças entre estes dois 
átomos podem ser consideradas desprezíveis. No entanto, ao aproximarmos os 
dois átomos, surgem dois tipos de forças: uma atrativa e outra repulsiva, cujas 
magnitudes irão depender das características de ligação entre estes átomos. Ao 
aproximarmos os dois átomos a ponto de suas camadas de elétrons se sobreporem, 
ocorre um aumento na força de repulsão. A força líquida (FL) entre dois átomos é 
a soma entre a força de repulsão e a força de atração e, como podemos imaginar, 
irá depender da distância entre os dois átomos.
FL = FA + FR
Se ao aproximarmos dois átomos existem duas forças concorrentes 
(atração e repulsão), podemos supor que, a uma determinada distância entre 
estes átomos, a força resultante entre estes é nula, ou seja:
FA + FR = 0
De fato esse estado de equilíbrio existe, e pode ser representado pela 
figura a seguir.
Para facilitar o nosso entendimento, vamos considerar a energia resultante 
dessas forças ao invés de analisarmos as forças envolvidas. A energia pode ser 
obtida a partir da equação a seguir.
E = ∫ F dr
A figura a seguir mostra um gráfico esquemático da soma das energias de 
atração e repulsão entre dois átomos.
FIGURA 7 – ENERGIA POTENCIAL EM FUNÇÃO DA SEPARAÇÃO INTERATÔMICA
FONTE: Callister (2007)
TÓPICO 2 | LIGAÇÕES QUÍMICAS
19
Vamos imaginar que a curva descrita na figura funciona como uma rampa, 
e que depositamos uma esfera no ponto A. A esfera está em equilíbrio no ponto 
A, e não irá se movimentar, a menos que coloquemos alguma energia mecânica 
que a faça se movimentar para o lado direito ou esquerdo. Ao movimentarmos 
a esfera para o lado direito por um curto percurso, e ao liberarmos a esfera, a 
mesma retornará ao ponto A. O mesmo acontece ao movimentarmos a esfera para 
a esquerda: a esfera retorna ao ponto A, que é o de menor energia.
FIGURA 8 – CURVA DE ENERGIA DE LIGAÇÃO APLICANDO EXEMPLO DAS ESFERAS
FONTE: O autor
Se entendermos esse fenômeno, poderemos compreender que existe uma 
distância entre os dois átomos onde o valor da soma entre a energia repulsiva 
e atrativa é nula, que consiste em um ponto de equilíbrio, e que coincide 
com o valor da energia de ligação (E0). Portanto, chegamos a um ponto muito 
importante: em um material sólido, se um átomo se liga a diferentes átomos por 
ligações químicas, existe uma força de coesão entre esses átomos, e um estado 
de equilíbrio. Dessa forma, diferentes tipos de ligações e as magnitudes dessas 
energias, no equilíbrio, irão resultar em materiais de diferentes propriedades, 
como dureza, resistência mecânica, ponto de fusão, dentre outras, governadas 
por esta energia de ligação. Na prática, diferentes materiais apresentam curvas de 
energia de ligação diferentes, o que gera valores de energia de ligação e distância 
interatômica diferentes.
Repulsão
Atração d
E
UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS
20
A seguir estudaremos os tipos de ligações predominantes nos materiais 
sólidos.
3 LIGAÇÕES PRIMÁRIAS
3.1 LIGAÇÕES IÔNICAS
Aprendemos nas disciplinas de química que os átomos tendem, através 
de ligação química com outros átomos, a adquirir a configuração eletrônica dos 
gases inertes (estáveis). A ligação do tipo iônica sempre envolve átomos metálicos 
e não metálicos, sendo que o metal nesse tipo de ligação perde seu elétron de 
valência, e o átomo não metálico o recebe. No entanto, essa permuta tem como 
consequência a geração de uma carga elétrica, tornando-os íons, o que caracteriza 
a ligação iônica.
Os átomos isoladamente apresentavam uma estrutura neutra de carga, 
porém, após ligação, apresentam carga positiva (o que doou o elétron) e negativa (o 
que recebeu elétron). No entanto, no material sólido não existem apenas dois átomos, 
mas uma infinidade destes. O que ocorre neste caso é uma atração entre átomos 
vizinhos de carga positiva e negativa, e a essa energia de atração damos o nome de 
energia de ligação iônica. As forças de atração são chamadas de Forças de Coulomb.
A figura a seguir mostra um exemplo esquemático desse tipo de ligação.
A energia de ligação E
0
 é diferente para cada tipo de material. Um material mais 
rígido tem maior energia de ligação, e um material mais maleável apresenta menor energia 
de ligação.
ATENCAO
TÓPICO 2 | LIGAÇÕES QUÍMICAS
21
FIGURA 9 – ESQUEMA DAS LIGAÇÕES QUÍMICAS DO TIPO IÔNICA NO 
CLORETO DE SÓDIO (SAL DE COZINHA)
FONTE: Callister (2007)
3.2 LIGAÇÕES COVALENTES
Nesse tipo de ligação, um ou mais elétrons são compartilhados entre 
os átomos, ou seja, os elétrons compartilhados não pertencem a um átomo 
específico. Da mesma forma que na ligação iônica, os átomos adquirem dessa 
forma a estrutura eletrônica estável. A ligação covalente tende a ocorrer quando 
a diferença de eletronegatividade entre os átomos envolvidos é pequena. As 
ligações covalentes podem apresentar energia de ligação bastante elevada, como 
também relativamente baixas, dependendo dos tipos de átomos envolvidos.
A figura a seguir mostra uma molécula de metano (CH4). Observe que a 
ligação entre os átomos de C e H apresenta compartilhamento de elétrons.
FIGURA 10 – LIGAÇÕES QUÍMICAS DO CH
4
FONTE: Callister (2007)
Força de ligação de Coulomb
Elétron compartilhado 
do carbono
Elétron compartilhado 
do hidrogênio
UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS
22
Observem que quando tratamos de características dos átomos e ligações 
químicas, um aspecto comum é a existência de um equilíbrio entre as forças de atração e 
repulsão entre cargas negativas e positivas de prótons, elétrons e íons.
FIGURA 11 – LIGAÇÃO METÁLICA
FONTE: Callister (2007)
3.3 LIGAÇÕES METÁLICAS
As ligações metálicas apresentam uma característica bastante interessante, 
que as distingue das ligações de caráter iônica e covalente. Os átomos de um 
metal apresentam geralmente de um a três elétrons na camada de valência. No 
sólido metálico, estes elétrons não pertencem a nenhum átomo específico, mas 
formam uma nuvem de elétrons, ao que chamamos de elétrons livres (já havíamos 
citado esse termo no tópico anterior).
Os elétrons das camadas interiores, juntamente com os núcleos positivos, 
formam uma estrutura iônica que é eletricamente estabilizada pela nuvem de 
elétrons. A figura a seguir mostra esquematicamente a estrutura dos átomos em 
um material metálico.
Núcleos dos íons
Nuvem de elétrons de valência
ATENCAO
TÓPICO 2 | LIGAÇÕES QUÍMICAS23
4 LIGAÇÕES SECUNDÁRIAS
FIGURA 12 – LIGAÇÃO SECUNDÁRIA DO TIPO PONTE DE HIDROGÊNIO
FONTE: Callister (2007)
5 TIPOS DE LIGAÇÕES PREDOMINANTES EM METAIS, 
CERÂMICAS E POLÍMEROS
Como abordamos nos itens anteriores, podem existir nos materiais sólidos 
ligações primárias, mais fortes, e secundárias, mais fracas. As ligações primárias 
são classificadas em iônica, covalente ou metálica, e as secundárias podem ser 
de vários tipos, sendo mais comuns nos materiais sólidos as do tipo ponte de 
hidrogênio e de Van der Waals.
As ligações iônicas são predominantes em materiais cerâmicos, como, 
por exemplo, nas cerâmicas óxidas (vidro, porcelana, alumina, dentre outras). 
A alumina (Al2O3), por exemplo, é composta por átomos metálicos (Al) e não 
metálicos (O), combinação que é característica desse tipo de ligação. A energia de 
ligação iônica, e por consequência da maioria dos materiais cerâmicos, tende a 
ser bastante elevada. Portanto, podemos imaginar que é necessária uma elevada 
energia para separar esses átomos.
Vimos anteriormente que nas ligações iônicas, os átomos doadores e 
receptores de elétrons adquirem caráter positivo e negativo. Se considerarmos 
uma molécula, como, por exemplo, a do HF (fluoreto de hidrogênio), cuja 
ligação é de caráter iônico, podemos constatar que a extremidade que contém 
o H apresenta caráter positivo, enquanto a extremidade de F apresenta caráter 
negativo. Quando aproximamos duas moléculas de HF, o H positivo de uma 
das moléculas é atraído pelo F negativo da outra molécula. Temos nesse caso um 
exemplo de força de ligação secundária, do tipo ponte de hidrogênio (conforme 
a figura a seguir).
As ligações secundárias surgem quando existe uma separação entre a 
parte positiva e negativa das moléculas ou átomos, gerando uma atração entre as 
partes de carga contrária. Normalmente esse tipo de ligação apresenta energia de 
ligação bem inferior ao das ligações primárias.
UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS
24
A elevada energia de ligação nas cerâmicas também implica em uma 
elevada rigidez do material, ou seja, é necessário aplicar forças elevadas para 
deformar esses tipos de materiais. De fato, os materiais cerâmicos poderiam ser 
referência em termos de resistência mecânica, porém outros fatores acabam por 
limitar a sua confiabilidade em aplicações mecânicas, como será abordado nos 
tópicos posteriores.
Os materiais poliméricos apresentam como base ligações químicas do 
tipo C-H e C=C, que são do tipo covalente. Essas são ligações primárias, porém, 
nesse caso, não conseguimos obter uma correlação direta desses valores com 
a temperatura de fusão dos materiais poliméricos. Os polímeros em geral são 
processados em baixas temperaturas, em processos como o de injeção, onde as 
temperaturas são geralmente em torno de 200°C.
Para entendermos essa discrepância, precisamos entender que a estrutura de 
arranjo dos átomos nos polímeros é em forma de longas cadeias. Os átomos nessas 
cadeias apresentam uma energia de ligação elevada (ligações primárias), porém, a 
energia que inibe a deformação dessas cadeias é originada das forças secundárias 
existentes entre estas cadeias, que são de baixa magnitude. Esse comportamento 
também explica a relativa facilidade de deformarmos esse tipo de material.
Tipo de ligação Substância
Energia de ligação
Temperatura de 
fusão (ºC)kJ/mol eV/átomo, Ìon, Molécula
Iônica NaCl 640 3,3 801
Covalente C (diamante) 713 7,4 >3550
Metálica Fe 406 4,2 1538
Van der Waals Cl2 31 0,32 -101
Hidrogênio H2O 51 0,52 0
QUADRO 1 – PONTO DE FUSÃO E ENERGIA DE LIGAÇÃO
FONTE: Callister (2007)
Se compararmos a energia de ligação desses átomos com o ponto de fusão 
desses materiais, constataremos que, como podemos ver no quadro a seguir, existe 
uma relação interessante: energias de ligação mais elevada implicam em ponto de 
fusão mais elevado. Não é coincidência que os materiais cerâmicos apresentam 
normalmente elevado ponto de fusão, e são, em alguns casos, utilizados para revestir 
fornos onde são fundidas ligas metálicas, cuja temperatura de fusão é menor.
TÓPICO 2 | LIGAÇÕES QUÍMICAS
25
A título de visualização, podemos imaginar a estrutura de cadeias dos materiais 
poliméricos de forma semelhante à de um prato de espaguete. Considere que cada fio 
do macarrão corresponde a uma cadeia do polímero que, por conseguinte, é composta 
de inúmeras ligações químicas contendo C e H, primárias, covalentes, e relativamente 
rígidas. Para quebrarmos um fio de macarrão é necessária determinada força. Porém, para 
movimentarmos os fios de macarrão entre si, a força necessária é bem menor. Na maioria dos 
polímeros (nesse caso, mais especificamente tratamos dos termopláticos), o agrupamento 
dessas cadeias é mantido pelas forças secundárias.
Nos metais temos predominantemente ligações metálicas, onde os 
elétrons de valência não estão ligados a átomos específicos, formando uma 
nuvem eletrônica chamada de elétrons livres. Os metais apresentam pontos de 
fusão variados, dependendo da sua energia de ligação. Os elétrons livres são 
responsáveis pela capacidade de conduzir elétrons, característica importante dos 
materiais metálicos, enquanto a falta de mobilidade dos elétrons nos materiais 
poliméricos e cerâmicos os torna intrinsecamente isolantes.
Outras propriedades dos materiais metálicos irão se relacionar com a energia 
de ligação e o tipo de ligação, embora a estrutura de arranjo atômico seja, em grande 
parcela, determinante dessas características, como veremos no tópico a seguir. 
UNI
26
Neste tópico estudamos as ligações químicas dos materiais. A seguir 
apresentamos um resumo dos principais pontos abordados:
• A ligação entre os átomos no material é função do equilíbrio entre as energias 
de atração e repulsão.
• Em função dos átomos envolvidos, diferentes tipos de ligação primária podem 
ocorrer: metálica, iônica ou covalente. Essas ligações apresentam características 
e energia de ligações específicas, que determinam as propriedades das 
diferentes classes dos materiais.
• As propriedades físicas dos materiais poliméricos dependem fortemente das 
características das suas ligações secundárias.
RESUMO DO TÓPICO 2
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AUTOATIVIDADE
Caro(a) acadêmico(a), para melhor fixar o conteúdo da unidade, 
sugerimos que desenvolva as seguintes atividades:
1 Descreva com suas palavras a origem da energia de ligação entre os átomos.
2 Descreva quais são os tipos de ligação entre átomos.
3 Quais os tipos de ligação predominantes em cada classe de materiais?
4 Qual a relação entre o ponto de fusão e a magnitude da energia de ligação?
28
29
TÓPICO 3
TIPOS DE ESTRUTURA CRISTALINA
UNIDADE 1
1 INTRODUÇÃO
Compreendemos no tópico anterior que o tipo de ligação dos átomos e 
a energia de ligação química são características importantes para classificarmos 
e entendermos o comportamento dos materiais. No entanto, essas informações 
são insuficientes para entendermos completamente as suas propriedades 
macroscópicas.
Nesse tópico estudaremos como os átomos se arranjam na estrutura dos 
sólidos, e como esse arranjo atômico pode ser determinante no comportamento 
dos mesmos.
2 ESTRUTURAS TÍPICAS DOS METAIS
Os metais, caracterizados pela ligação metálica, apresentam, na maioria 
dos casos, estruturas de arranjo atômico relativamente simples e de elevada 
simetria. Esse comportamento se deve ao fato de a ligação metálica ser não 
direcional, o que implica em elevado número de átomos vizinhos. Esse elevado 
número de átomos vizinhos resulta em um grande empacotamento de átomos, o 
que culmina nos altos valores de densidade observados na prática nos materiais 
metálicos, quando comparados aos polímeros e cerâmicas.
Um material metálico apresenta inúmeros átomos ligados entre si. Se 
analisarmos essa estrutura mais de perto, poderemos constatar que ela consiste 
em um arranjo de átomos que se repete indefinidamente pelo material. A essa 
pequena porção ou agrupamento de átomos, que representa o arranjo atômico do 
material,dá-se o nome de célula unitária. Na prática, o material é constituído pelo 
agrupamento desses pequenos “tijolos”.
Como sabemos, os diferentes átomos metálicos apresentam raios iônicos 
e distâncias interatômicas diferentes. O número de átomos vizinhos também será 
função do número de ligações necessárias para formar uma estrutura estável. 
Dessa forma, temos células unitárias diferentes, cujos tamanhos e densidades 
também irão depender desses fatores. A seguir estudaremos os tipos de célula 
unitárias mais comuns nos metais.
UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS
30
2.1 CÚBICA DE FACES CENTRADAS
A estrutura cúbica de faces centradas (CFC) é apresentada na figura a 
seguir. Essa estrutura é típica de muitos metais comerciais, como, por exemplo, 
o alumínio, o chumbo e o ouro.
 
As estruturas cúbicas, obviamente, contêm arestas de igual comprimento. 
No caso da estrutura CFC, quatro átomos ocupam as arestas, e seis átomos ficam 
localizados em cada face do cubo. Se pensarmos somente na fração dos átomos 
que ocupam o interior do cubo, podemos fazer algumas observações importantes 
a respeito dessa estrutura:
• O número de coordenação, ou seja, o número de átomos que estão ligados 
a cada um dos átomos, é 12. Para visualizarmos isso, basta observarmos o 
átomo da face frontal: ele faz ligação com os quatro átomos dos vértices de sua 
respectiva face, com quatro átomos que estão nas faces de sua célula unitária, 
e mais quatro átomos das faces da célula unitária que se posiciona à frente da 
célula unitária mostrada na figura.
• Se conhecermos o raio atômico do átomo que estamos estudando, podemos 
geometricamente calcular o comprimento da aresta do cubo (a). De posse desse 
valor, podemos calcular o volume da célula unitária (a3).
• Podemos obter o número de átomos contidos em uma célula unitária. Cada 
átomo da face pertence a duas outras células unitárias adjacentes, e cada átomo 
da aresta pertence a quatro outras células unitárias. Assim, cada átomo da face 
contribui com ½ átomo, e cada átomo da aresta contribui com ¼ de átomo por 
célula. De posse dessa informação é simples calcularmos quantos átomos há 
em cada célula unitária CFC.
• Se soubermos quantos átomos existem em cada célula e a massa de cada átomo 
de um determinado material, podemos calcular a massa de uma célula unitária;
• Se calcularmos o volume da célula unitária e sua massa, podemos obter a sua 
densidade. Podemos obter também o percentual de ocupação dos átomos nessa 
célula, ou fator de empacotamento atômico (FEA).
TÓPICO 3 | TIPOS DE ESTRUTURA CRISTALINA
31
FIGURA 13 – CÉLULA UNITÁRIA DO TIPO CFC
FONTE: Callister (2007)
Exemplo:
Tomemos como exemplo a célula unitária do chumbo (Pb), que apresenta 
raio atômico de 0,175 x 10-9 m.
a) Cálculo do comprimento da aresta (a).
● Observe a face frontal da célula unitária do tipo CFC (figura 14, a seguir). 
Podemos traçar um triângulo retângulo que compreende duas arestas;
● Podemos constatar que a hipotenusa desse triângulo tem o comprimento de 
4 raios iônicos (r). Ou seja, temos que h2=a2+a2. onde h é a hipotenusa e a é a 
corresponde a aresta do cubo. 
● Se h=4r, temos:
4
16 2
8
2 0 175 10 2
2 2 2
2 2
2
9
R a a
R a
a R
a x
� � � �
�
�
� � �
a = 2R 2
,
a = 0,50 × 10 m.-9
UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS
32
FIGURA 14 – CÉLULA UNITÁRIA CFC, INDICANDO AS RELAÇÕES 
GEOMÉTRICAS
FONTE: Callister (2007)
b) Cálculo do volume da célula unitária:
c) Cálculo da massa da célula unitária:
V a
V R
V
�
�
� � �� ��
3
3
9
3
2 2
16 0 175 10 2
( )
V = 16 R 2
,
V = 0,125 × 10 m
3
-27 3
Mc A n
NA
�
�
Onde:
Mc = Massa dos átomos por célula unitária (g)
A = Massa atômica (g/mol)
n = Número de átomos no interior da célula unitária
A = Número de Avogadro (6,023 X 1023 átomos/mol)
TÓPICO 3 | TIPOS DE ESTRUTURA CRISTALINA
33
Assim, para o caso do chumbo temos:
Mc
Mc
�
�
�
� �
207 19 4
6 023 10
1 376
23
,
,
, 10 g-21
d) Cálculo da densidade da célula unitária:
 =
M
V
cρ
Onde:
ρ = Densidade da célula unitária (g/cm3)
Mc= Massa da célula unitária (g)
V = Volume da célula unitária (cm3)
Para o chumbo, temos:
A densidade do chumbo comercial é de 11,34 g/cm3. Portanto, podemos 
ter uma boa aproximação da densidade do material a partir de dados de sua 
estrutura cristalina e das características de seus átomos.
e) Cálculo do fator de empacotamento:
O fator de empacotamento atômico (FEA) é calculado pela razão entre o 
volume dos átomos que ocupam a célula unitária e o volume da célula. Para o 
caso da CFC, temos:
ρ
ρ
= 1,376 ×10 g
0,125 ×10 cm
 = 11,00�
cm
0
-21
-21 3
3
ρ = 11,00 cm³g
FEA � Volume do átomo (esfera de raio R) x número de átomos
VVolume da célula unitária
FEA =
4
3 R × 4
16 R 2
FEA = 0,74
3
3
�
UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS
34
O que na prática indica que 74% da célula unitária é ocupada por átomos, 
e 26% são vazios.
2.2 CÚBICA DE CORPO CENTRADO
A estrutura do tipo cúbica de corpo centrado (CCC) é típica dos materiais 
ferrosos (aços, ferros fundidos) em temperatura ambiente. Diferentemente da 
estrutura CFC, os átomos das faces do cubo são substituídos por um átomo do 
centro do cubo. Dessa forma, em cada célula unitária temos dois átomos, um no 
centro, e ¼ de átomo em cada aresta (vejam a figura a seguir).
FIGURA 15 – CÉLULA UNITÁRIA DO TIPO CÚBICA DO CORPO CENTRADO (CCC)
FONTE: Callister (2007)
O número de coordenação para a estrutura CCC é 8, que é inferior ao da 
CFC. Dessa forma o fator de empacotamento é menor: 0,68.
A aresta da célula CCC é obtida a partir do raio atômico pela equação: 
a = 4R
3
A aresta da face do cubo de uma célula CCC, volume da célula e fator de 
empacotamento podem ser deduzidos de forma semelhante ao apresentado anteriormente 
para a célula do tipo CFC. Para isso precisamos compreender que, na estrutura CCC, existe 
um triângulo retângulo onde a hipotenusa é uma das diagonais internas do cubo, e que esta 
apresenta comprimento igual a 4r.
UNI
TÓPICO 3 | TIPOS DE ESTRUTURA CRISTALINA
35
2.3 HEXAGONAL COMPACTA
Alguns metais, como o zinco, cádmio, magnésio e titânio, apresentam 
estrutura do tipo hexagonal compacta (figura a seguir).
A estrutura hexagonal compacta é composta por três planos: dois conjuntos 
de seis átomos que se arranjam na forma de um hexágono, apresentando um 
átomo adicional no centro deste, e um plano contendo três átomos, que se localiza 
entre os dos conjuntos hexagonais.
No interior dessa estrutura se concentra o equivalente a seis átomos: 
• 1/6 de átomo em cada um dos 12 vértices da estrutura;
• Cada um dos dois átomos nos centros dos hexágonos contribui com ½ átomo;
• Os três átomos do plano intermediário estão completamente inseridos na 
estrutura, contabilizando três átomos para o nosso cálculo.
Como a estrutura não é cúbica, neste caso se caracteriza a sua relação 
geométrica pela razão c/a (conforme figura a seguir). Essa razão é adimensional 
e corresponde a 1,633, no entanto, para alguns materiais, a estrutura apresenta 
diferenças nesse valor. O número de coordenação é 12 e o fator de empacotamento 
atômico (FEA) é 0,74, de forma idêntica ao apresentado pela estrutura do tipo CFC. 
Estes valores podem também ser geometricamente calculados. 
FIGURA 16 – CÉLULA UNITÁRIA DO TIPO HEXAGONAL COMPACTA
FONTE: Callister (2007)
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UNIDADE 1 | FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS
3 ESTRUTURAS CRISTALINAS DE MATERIAIS CERÂMICOS
Diferentemente dos metais, o materiais cerâmicos, com poucas exceções, 
são compostos por dois ou mais elementos químicos. Esses átomos apresentam 
raios atômicos muitas vezes bastante diferentes entre si, resultando em estruturas 
mais complexas que as dos metais. Devemos lembrar também que nas ligações 
iônicas os átomos devem ser considerados como cátions e ânions, com carga 
positiva e negativa. As magnitudes dessas cargas e tamanho dos ânions envolvidos 
irão determinar a forma como estes átomos irão se arranjar no sólido.