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Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
INTRODUÇÃO AOS 
MATERIAIS
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
1. INTRODUÇÃO AOS 
MATERIAIS
1-1 INTRODUÇÃO
1-2 TIPOS DE MATERIAIS
1-3 RELAÇÃO: ESTRUTURA-PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
1-4 EFEITOS DO MEIO SOB O COMPORTAMENTO DO MATERIAL
1-5 SELEÇÃO DE MATERIAIS
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
1-1 INTRODUÇÃO
MATERIAIS
Possível definição: ‘Qualquer substância que pode ser usada em 
aplicações práticas’
 utilização – desde os primórdios da civilização
 são parte integrante da vida humana
 o conhecimento dois materiais definiu as diversas idades da história 
da humanidade: idade da pedra, idade do bronze, idade do ferro
Com uso, por exemplo, em:
- máquinas
- estruturas
- dispositivos
- produtos
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-1 Introdução
CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS:
MATÉRIA-PRIMA
BÁSICA
metal, papel, cimento, 
fibras, produtos químicos
SUCATA
ou
RESÍDUOS
A TERRA
MATÉRIA-PRIMA
BRUTA
carvão, minérios, madeira,
petróleo, rochas,planta,
argilas
MATÉRIA-PRIMA
INDUSTRIAL
cristais, ligas, tecidos,
chapas, cerâmicos, plásticos
BENS DE
CONSUMO
carros, pontes, relógios,
equipamentos, máquinas, prédios
Transformação
ou
Processamento
Uso
ou
Serviço
ou
Desempenho
Fabricação
Montagem
Descarte
Extração
ou
Refino
ou
Processamento
Prospecção
ou
Mineração
ou
Colheita
Reciclagem
Ciência e
Engenharia
do
Meio Ambiente
Ciência e
Engenharia:
Materiais
aplicados na
Engenharia
ou
TERRA: fonte e depósito de todos os materiais
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-1 Introdução
CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS:
Ex.: Ciclo do Alumínio
Alumínio – abundante, mas não se apresenta sob a forma pura
Constituinte de materiais como BAUXITA
MICA
FELDSPATO
CRIOLITA Único material utilizado para 
produção do alumínio
Solução de soda cáustica – separação do óxido de alumínio das impurezas do minério
Precipitação hidrato de alumínio produto sólido calcinação
1000ºC
Processo Bayer (químico):
Alumina metalúrgica (produção Alumínio)
Alumina especial (cerâmicos e refratários)
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-1 Introdução
CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS:
Ex.: Ciclo do Alumínio
Alumina metalúrgica Redução: etapa eletrolítica
(eletricidade produzindo reação química)
Fornos de Redução Alumina banho de sais fundidos
Dois eletrodos: transformam a alumínio em líquido (900º)
Refusão: Correção química Transformação em ligas Resfriamento
Material sólido
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-1 Introdução
CICLO GLOBAL DOS MATERIAIS:
Ex.: Ciclo do Alumínio
Reciclagem da lata de alumínio
Economia de 95% da energia usada na 
obtenção do alumínio
Economia de etapas: evita a extração, 
refino e redução
Economia de tempo: uma lata reciclada 
volta ao mercado em 90 dias
Economia de recursos naturais (bauxita): 
para se produzir 1 ton de alumínio são 
necessárias 5 ton de bauxita - mineral 
extraído do solo - o que pode ser evitado 
com a reciclagem.
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
CONHECIMENTO CONHECIMENTO
ENCICLOPÉDICO FENOMENOLÓGICO
1-1 Introdução
X
EVOLUÇÃO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS:
compreensão das propriedades dos materiais e a conseqüente 
capacidade de desenvolver e preparar novos materiais para 
aplicações particulares
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-1 Introdução
EVOLUÇÃO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS:
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
TODO ENGENHEIRO
 manufatura materiais
 processa materiais
 projeta materiais
 constrói com materiais
 seleciona materiais
 testa e analisa materiais
Ponte nos 
EUA
Série 
LIBERTY: 
1000 navios
1-1 Introdução
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-1 Introdução
 Todo ENGENHEIRO responsável está interessado em 
melhorar a performance do que está projetando ou 
manufaturando
 elétrico (materiais elétricos/dielétricos)
 civil: durabilidade, estética, resistência à corrosão
 automotivos (leves, resistentes e duráveis)
 aeroespacial (densidade/resistência mecânica, alta 
temperatura)
mecânico (estruturas, componentes) 
materiais: materiais com melhor desempenho, com menor 
custo.
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-1 Introdução
OBJETIVO DA CIÊNCIA DOS MATERIAIS
 ampliar os conhecimentos dos materiais disponíveis
 entender seu comportamento em geral e seu 
POTENCIAL de utilização
 reconhecer os efeitos do meio e condições de serviço -
LIMITAÇÕES
 fornecer subsídios para compreender o comportamento
de materiais em serviço
 seu potencial (e limitações) de utilização em função das 
condições de serviço e do meio
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
1-2 TIPOS DE MATERIAIS
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS:
CRITÉRIOS
 aplicações pela indústria
– metais, cerâmicos, polímeros e compósitos 
 pelo grau de desenvolvimento tecnológico
– naturais, empíricos, desenvolvimento científico e 
projetados
 morfologia estrutural
– monoestruturados, recobrimentos, gradiente e 
aleatório
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
Metálicos Cerâmicos Poliméricos Compósitos
Classificação dos materiais pela indústria
Cobre
Ferro fundido
Ligas de aço
Porcelana
Vidros
Tijolos
Refratários
Louças
Polietileno
Epóxi
Fenólicos
Grafite-epóxi
Carbeto de 
Cobalto e
Tungstênio
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
 Materiais metálicos são geralmente uma 
combinação de elementos metálicos.
 Os elétrons não estão ligados a nenhum 
átomo em particular e por isso são bons 
condutores de calor e eletricidade
 Não são transparentes à luz visível
 Têm aparência lustrosa quando polidos
 Geralmente são resistentes e deformáveis
 São muito utilizados para aplicações 
estruturais
Classificação dos materiais pela indústria
Metais
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
Classificação dos materiais pela indústria
 Materiais cerâmicos são não-
metálicos e inorgânicos.
 Geralmente são óxidos, nitretos e 
carbetos
 São geralmente isolantes de calor e 
eletricidade
 São mais resistentes a altas 
temperaturas e à ambientes 
severos que metais e polímeros
 Os materiais cerâmicos são 
materiais de alta dureza, porém 
frágeis
Cerâmicos
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
Classificação dos materiais pela indústria
 Materiais poliméricos são 
geralmente compostos orgânicos 
baseados em carbono, hidrogênio 
e outros elementos não-metálicos.
 São constituídos de moléculas 
muito grandes (macro-moléculas)
 Tipicamente, esses materiais 
apresentam baixa densidade e 
podem ser extremamente flexíveis
 Materiais poliméricos incluem 
plásticos e borrachas
Polímeros
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
Classificação dos materiais pela indústria
 Materiais compósitos são 
constituídos de mais de um tipo 
de material insolúveis entre si.
 Os compósitos são projetados 
para a obtenção de propriedades 
as quais não estão presentes em 
um material monofásico
 Um exemplo clássico é o 
compósito de matriz polimérica 
com fibra de vidro. O material 
compósito apresenta a 
resistência da fibra de vidro 
associado a flexibilidade do 
polímero
Compósitos
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
Classificação dos materiais pela indústria
Resistência 
mecânica 
representativa para 
diferentes 
categorias de 
materiais
As diferentes propriedades dos materiais são determinantes na sua classificação
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
Classificação dos materiais pela indústria
O uso das diferentes classes dos materiais tem sido alterado com 
a evolução tecnológica.
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
Classificação dos materiais pela indústria
Materiais 1977 (%) 1999 (%)
Ferro 15 11
Plásticos 5 8
Outros metais (Al, Cu, Zn, Mg) 5 10
Borracha 4 4
Vidros 2 3
Aço 60 55
Competição entre os materiais:
Evolução da participação 
dos materiais no peso da 
carroceriados veículos 
americanos entre 1977 e 
1999. 
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Classificação dos materiais pela indústria
Competição entre os materiais:
Boeing 777
Início do projeto: 1990
Entrada em Serviço: 1994
Porcentagem de materiais 
compósitos no peso do avião: 9%
Boeing 7E7 Dreamliner
Início do Projeto: Final de 2003
Entrada em Serviço: Prevista para 2008
Porcentagem de materiais compósitos
no peso do avião:
Estimada entre 50 e 60%
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
Classificação dos materiais pela indústria
Competição entre os materiais:
 1º Chassis em compósito: 1981 (McLaren MP4-1)
 Chassis em fibra de carbono/epoxy (Prost AP-01) após um acidente 
(2 impactos laterais, o primeiro a 180Km/h)
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
Classificação dos materiais pela indústria
 Classificação 
dos materiais
Metais
Polímeros
Cerâmicos
Aplicação pela
indústria
Espessura de parede: 0,15 mm
%peso embalagem/conteúdo: 3,85
Densidade (g/cm3): 2,70
Espessura de parede: 0,30 mm
%peso embalagem/conteúdo: 2,90
Densidade (g/cm3): 1,35
Espessura de parede: 
8,0 mm
%peso 
embalagem/conteúdo: 
46,80
Densidade (g/cm3): 
2,70
Competição entre os materiais:
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
Classificação dos materiais pela indústria
 Etapas no processo de fabricação de latas de alumínio para bebidas
Classificação dos materiais quanto ao 
grau de desenvolvimento tecnológico
1. Naturais: utilizados como se encontram na natureza
2. Empiricamente desenvolvidos:
ex. argila vermelha
3. Desenvolvimento científico:
a ciência no desenvolvimento dos materiais
4. Materiais projetados: fabricados 
com grau de conhecimento elevado
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PROJETADOS:
Viabilização de 
projetos de alta 
tecnologia
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
Ex. :
lâmpada de sódio (1000oC) com tubo de 
alumina: 100 lúmens/W
lâmpada convencional 15 lúmens/W
Alumina convencional (opaca) Alumina translúcida
Materiais projetados:
Classificação dos materiais quanto ao grau de desenvolvimento tecnológico
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
Classificação dos materiais segundo morfologia
1.Monoestruturados: único conjunto de propriedades
2.Recobrimentos: propriedades da superfície diferente
das do corpo
3.Gradiente material: multicamadas com gradiente
de propriedades
4.Composição aleatória de diferentes materiais:
reforço por segunda fase
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-2 Tipos de Materiais
1-3 RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA-
PROCESSAMENTO-PROPRIEDADES
MATERIAIS PARA ENGENHARIA
desenvolvidos para uso na Indústria
fundamento: CIÊNCIA DOS MATERIAIS
interrelação entre ESTRUTURA e PROPRIEDADES
ESTRUTURA PROPRIEDADES
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
MATERIAIS PARA ENGENHARIA
ESTRUTURA
PROPRIEDADES
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades
ESTRUTURA PROPRIEDADES
PROCESSO DE FABRICAÇÃO
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades
ESTRUTURA PROPRIEDADES
PROCESSO DE FABRICAÇÃO
ESTRUTURA ATÔMICA
ESTRUTURA CRISTALINA
MICROESTRUTURA
MACROESTRUTURA
FUNDIÇÃO
LAMINAÇÃO
EXTRUSÃO
METALURGIA DO PÓ
PRENSAGEM
COLAGEM
OUTROS ...
MECÂNICAS 
FÍSICAS
QUÍMICAS
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades
– DIVISÃO DA ESTRUTURA NOS MATERIAIS
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS
 mecânicas
 resistência à tração, compressão, flexão
 resistência ao escoamento, à fluência, à fadiga
ductilidade
módulo de elasticidade
 resistência ao desgaste
 físicas
propriedades elétricas
magnéticas
 térmicas
ópticas
densidade
 químicas
 resistência à corrosão
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades
DE SUPERFÍCIE
DE CORPO
PROPRIEDADES
reatividade com o meio, 
resistência à corrosão e ao 
desgaste, 
biocompatibilidade, 
efeito decorativo
comportamento mecânico, 
propriedades elétricas e 
magnéticas, condutividade 
térmica 
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades
Exemplos representativos: aplicações e propriedades de cada categoria de material
METAIS APLICAÇÕES PROPRIEDADES
Cobre Cabos elétricos
Alta condutividade elétrica, boa 
conformabilidade
Fofo cinzento Blocos de motores de combustão
Boa moldagem por fundição, 
absorção de vibrações, usinabilidade
Aços Forjados
Boa susceptibilidade a tratamentos 
térmicos
CERÂMICOS APLICAÇÕES PROPRIEDADES
SiO2 – Na2O – CaO Vidro de Janela
Boas propriedades óticas e 
isolamento térmico
Al2O3, MgO, SiO2 Refratários
Isolamento térmico, alto ponto 
de fusão, relativamente inerte ao 
metal fundido
Titanato de bário Transdutor para toca-discos
Comportamento piezoelétrico 
(converte som e eletricidade)
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades
Exemplos representativos: aplicações e propriedades de cada categoria de material
COMPÓSITOS APLICAÇÕES PROPRIEDADES
Grafite-epóxi
Componentes para a 
indústria aeronáutica
Elevada relação resistência 
mecânica/peso
Carbeto de W-Co
Ferramentas de corte para 
usinagem
Elevada dureza e boa resistência 
ao impacto
Aços recobertos 
com Ti
Vasos de reatores
Baixo custo, alta resistência 
mecânica do aço com boa 
resistência à corrosão do titânio
POLÍMEROS APLICAÇÕES PROPRIEDADES
Polietileno Embalagem para alimentos
Facilmente moldável em filmes 
finos, flexíveis e impermeáveis
Epóxi
Encapsulamento para 
circuitos integrados
Bom isolamento elétrico e 
resistência à umidade
Fenólicos
Adesivos para madeiras 
condensadas
Resistência mecânica e à 
umidade
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
 os materiais precisam adquirir forma e dimensões para ser 
utilizáveis na Indústria
 são definidos em função das propriedades dos materiais iniciais e 
das propriedades necessárias para fazer frente às condições de 
serviço da peça ou componente
METAIS
Fundição: areia, vazamento, molde permanente, cera 
perdida, lingotamento contínuo
Conformação: forjamento, extrusão, estampagem 
profunda, dobramento, laminação
Junção: soldagem a gás, por resistência elétrica, 
brasagem, a arco, a estanho, por fricção e por difusão
Usinagem: torneamento, perfuração, fresa, corte
Metalurgia do pó
CERÂMICOS
Fundição ou colagem
Compactação: extrusão, prensagem e 
prensagem isostática
Sinterização
POLÍMEROS
Moldagem por injeção
Conformação: a vácuo, por repuxamento, por 
extrusão
COMPÓSITOS
Fundição, incluindo infiltração
Conformação
Junção: junção adesiva, ligadura por explosão, 
por difusão
Compactação e sinterização
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
DIFERENTES PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 
DIFERENTES MICROESTRUTURAS
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-3 Relação entre estrutura – processamento - propriedades
MATERIAIS PARA ENGENHARIA
 ESTRUTURA
 PROPRIEDADES
 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
 DESEMPENHO
• como os materiais se comportam nas condições de serviço
• (laboratório, acompanhamento e análise post-mortem)
ESTRUTURA PROPRIEDADES
PROCESSO DE FABRICAÇÃO
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
1-4 EFEITOS DO MEIO SOBRE O 
COMPORTAMENTO DO MATERIAL
• Os materiais têm seu comportamento influenciado 
pelo meio em que se encontram:
 TEMPERATURA
 CORROSÃO
 RADIAÇÃO
 DESGASTE
Ciênciados Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-4 Efeitos do meio sobre o comportamento do material
Temperatura
Tendência:  T  RM
troca rápida de temperatura - catastrófica
Aumento de 
temperatura 
diminui a 
resistência 
mecânica dos 
materiais
Corrosão
Metais e polímeros reagem com O2 e outros gases
aumento de temperatura reage mais
pode ocorrer corrosão por líquidos
pits, trincas  fratura
Cerâmicos podem ser atacados por outros líquidos cerâmicos
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-4 Efeitos do meio sobre o comportamento do material
Alumínio 
atacado por 
bactéria
Hidrogênio 
dissolvido no 
cobre
fratura frágil
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-4 Efeitos do meio sobre o comportamento do material
Radiação De alta energia
Ex.: nêutrons de reatores nucleares que podem afetar a estrutura 
interna dos materiais, diminuir a resistência mecânica e fragilizar o 
material, devido a formação de fissuras.
Desgaste Abrasão
Ex.: pisos cerâmicos desgastados com o tráfego de pessoas
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para 
selecionar um material entre tantos outros?
 1º: Caracterizar quais as condições de serviço a que será submetido o material e
levantar as propriedades requeridas para tal aplicação. Deve-se incluir os fatores de
degradação de propriedades, como temperatura de trabalho, agentes corrosivos -
ataque químico, desgaste, radiações, nessas considerações.
 2º: Determinar (ou saber como foram determinados) as propriedades de interesse e
saber qual o desempenho e limitações e restrições no uso dos materiais
selecionados.
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.
 3º: Disponibilidade de matéria-prima e viabilidade técnica em obter a dimensão e
forma da peça para seu emprego.
 4º: Impacto ambiental da produção e reciclabilidade do material após uso
 5º: Custo total
1-5 SELEÇÃO DE MATERIAIS
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-5 Seleção de Materiais
Em resumo deve-se selecionar um material que:
1. Apresente as propriedades adequadas
Compromisso entre propriedades
Confiabilidade
2. Possa ser processado na forma desejável
3. Seja economicamente viável (matéria-prima e processo de fabricação)
4. Possa ser produzido com baixo impacto ambiental e posa ser reciclado
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS1-5 Seleção de Materiais
Material Resistência Mecânica
(MPa)
Densidade Resistência/peso
(m2s-2103)
Polietileno 7 0,83 8
Alumínio puro 45 2,7 17
Cobre puro 207 8,9 23
Aço baixo-carbono 393 7,8 50
Titânio puro 241 4,4 55
Al2O3 207 3,9 53
Nylon 76 1,11 68
Epóxi 103 1,4 74
Aço alto-carbono 614 7,8 79
Si3N4 483 3,2 151
Aço-liga tratado termicamente 1655 7,8 212
Liga de alumínio tratada termicamente 593 2,7 220
Compósito carbono-carbono 414 1,8 230
Liga de titânio tratada termicamente 1172 4,4 256
Compósito Kevlar-epóxi 448 1,4 320
Compósito carbono-epóxi 551 1,4 393
RELAÇÃO: RESISTÊNCIA/DENSIDADE
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS
1-5 SELEÇÃO DE MATERIAIS
RELAÇÃO: RESISTÊNCIA/DENSIDADE
1-5 Seleção de Materiais