Introdução à Ciência dos Materiais - Ulbra Canoas

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CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
Profa. Ester Rieder 
OBJETIVOS 
 
• Apresentar a relação entre Ciência dos Materiais e 
Engenharia de Materiais. 
 
• Apresentar a relação entre composição, estrutura, 
processamento e propriedades/desempenho de um 
material. 
 
• Apresentar uma classificação dos diferentes tipos de 
materiais. 
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Definições 
 
• Ciência dos Materiais 
− Investigação das relações entre 
composição/estrutura e propriedades dos 
materiais 
 
• Engenharia dos Materiais 
− Projetar, desenvolver ou aperfeiçoar técnicas de 
processamento de materiais (= técnicas de 
fabricação) com base nas relações 
composição/estrutura e propriedades. 
− E também: 
• Desenvolver formas de produção de materiais 
socialmente desejáveis a custo socialmente aceitável. 
• Ciência dos Materiais está associada ao 
desenvolvimento e geração de conhecimento 
fundamental sobre os materiais, tentando 
compreender o comportamento dos materiais em 
função de sua estrutura interna e dos processos 
utilizados em seu processamento. 
 
• Engenharia dos Materiais está ligada à utilização 
desse conhecimento na viabilização e otimização de 
processos de transformação dos materiais em 
produtos finais. 
Definições 
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Ciência e Engenharia dos Materiais são campos 
intimamente interligados e interdisciplinares. 
 
“Ciência e Engenharia dos Materiais é a área da 
atividade humana associada com a geração e a 
aplicação de conhecimentos que relacionem 
composição, estrutura e processamento de materiais 
às suas propriedades e usos.” 
Morris Cohen, MIT (in Padilha, A.F. – Materiais de Engenharia, Hemus, 1997, cap. 1) 
 
Objetivos: 
− Desenvolvimento de materiais já conhecidos visando novas 
aplicações ou visando melhorias no desempenho. 
− Desenvolvimento de novos materiais para aplicações conhecidas. 
− Desenvolvimento de novos materiais para novas aplicações. 
20/02 Introdução, programa da disciplina, bibliografia, microestrutura x 
propriedades, classificação dos materiais. 
27/02 Influência das atrações interatômicas na formação dos materiais; 
Formas de estrutura cristalina. 
06/03 Sistemas cristalinos cúbico e hexagonal, exercícios. 
13/03 Modelo de solidificação de materiais cristalinos. 
16/03 Atividade semi-presencial – Artigo 1 
20/03 Imperfeições cristalinas decorrentes da gênese dos materiais, 
técnicas de caracterização de materiais. 
27/03 Prova P 1 (entrega lista de cálculos) 
03/04 Materiais cerâmicos e suas estruturas; processos de fabricação. 
10/04 Materiais metálicos; processos de fabricação. 
17/04 Materiais poliméricos, processos de fabricação e conceito sobre 
materiais compósitos. 
24/04 Prova T 1 - G 1 (lista teórica manuscrita) 
08/05 Análise das propriedades mecânicas. 
15/05 Propriedades mecânicas (fadiga / fluência / dureza). 
18/05 Atividade semi-presencial – Artigo 2 
22/05 Propriedades mecânicas; Conceito de equilíbrio de fases. 
29/05 Equilíbrio de fases e introdução aos diagramas de fases. 
05/06 Diagrama de fases; Diagrama de fases do sistema ferro-carbono. 
Exercícios. 
12/06 Prova P 2 (entrega lista de cálculos) 
15/06 Atividade semi-presencial – Artigo 3 
19/06 Tratamentos térmicos; Tratamentos termoquímicos. 
26/06 FINALIZAÇÃO DAS ATIVIDADES DE G2 (PROVA T2) (trabalhos, 
lista teórica manuscrita) 
03/07 ATIVIDADES DE ENCERRAMENTO E SUBSTITUIÇÃO DE GRAU 
PROGRAMA/ 
CRONOGRAMA 
 
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BIBLIOGRAFIA: 
 
 PADILHA, A. F. Materiais de Engenharia, microestrutura e propriedades. Hemus, 1997. 
349 p. 
 CALLISTER JR., W. P. Ciência e Engenharia dos Materiais: uma introdução. 5ª edição, Rio 
de Janeiro, LTC, 2002. 589p. 
 GARCIA A.; SPIM J. A.; DOS SANTOS C. A. Ensaios dos Materiais. 1ª edição, Rio de 
Janeiro, LTC, 2000. 247 p. 
 ASKELAND, D.; PHULÉ, P. Ciência e Engenharia dos Materiais. São Paulo: Cengage 
Learning, 2008. 
 CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecânica. São Paulo, Makron Books, 1986. 
 VAN VLACK, L. Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais. São Paulo; Blücher, 
1992. 
 SOUZA, S. A. Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos. 5ª edição (6ª reimpressão), 
Edgar Blücher, 1993. 286 p. 
 SHACKELFORD, J.F. Ciência dos Materiais. São Paulo: Pearson. 6ª edição, 2008. 
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PROCESSOS AVALIATIVOS 
 
G1 = prova P1 (3 pontos) + prova T1 (6 pontos) + listas manuscrita (0,5 
pontos cada) 
 
G2 = prova P2 (3 pontos) + prova T2 (5 pontos) + listas manuscrita (0,5 
pontos cada) + análise de artigo (1 ponto) 
 
0,6
3
221 GG
MédiaFinal
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Importância dos Materiais 
Perspectiva Histórica 
 
• Desde o início da civilização os materiais são usados com o objetivo de 
permitir e melhorar a vida do ser humano. 
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GFRP - Glass Fiber Reinforced Polymer 
CFRP - Carbon fiber reinforced polymer 
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Materiais x Civilização 
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Processamento x Estrutura x 
Propriedades x Desempenho 
• Estrutura: ordem subatômica, atômica, 
microscópica ou macroscópica; 
• Processamento: conformação, usinagem, 
fundição, soldagem, tratamento térmico, etc. 
• Propriedades: mecânicas, ópticas, elétricas, 
térmicas, etc. 
• Desempenho: satisfazer uma aplicação 
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O que faz a Ciência e Engenharia de Materiais ? 
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Propriedades de um Material 
 
• Propriedade 
 – Tipo e intensidade da resposta a um estímulo 
que é imposto ao material 
 
• As principais propriedades dos materiais podem ser 
agrupadas em: 
1– Mecânicas 
2– Elétricas 
3– Térmicas 
4– Magnéticas 
5– Ópticas 
6– de degradação (corrosão, oxidação, desgaste) 
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Processamento e Desempenho 
 
• Processamento: conjunto de técnicas para 
obtenção de materiais com formas e propriedades 
específicas. 
• Desempenho: resposta do material a um estímulo 
externo, presente nas condições reais de utilização. 
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São muitas 
perguntas... 
 
...a serem 
feitas em cada 
caso. 
-Qual a relação resistência 
mecânica / densidade? 
-Qual a facilidade de 
conformação? 
-Como os materiais 
envolvidos se comportam 
sob impacto? 
-Qual é o custo? 
-Ligas de aço ou alumínio? 
-Quais elementos químicos usar? 
-Quanto de cada elemento de liga? 
-Polímeros? Quais? 
-Compósitos? Matriz? Fibra? 
- Como produzir chapas de forma a obter ao 
mesmo tempo conformabilidade e resistência? 
- Como controlar a 
estrutura? 
- que aspectos da 
estrutura controlam as 
propriedades desejadas? 
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Classificação dos materiais sólidos 
Características dos Materiais Sólidos 
 metálicos: 
 condutores térmicos e elétricos, 
 não transparentes à luz visível, 
 alta resistência mecânica, 
 Maleáveis 
 
 cerâmicos: 
 compostos entre elementos metálicos e não-metálicos (nitretos, 
óxidos e carbetos), 
 ligação com caráter misto: iônico-covalente 
 tipicamente isolantes elétricos e térmicos, 
 alta dureza, 
 muito quebradiços 
 
 Tipos: - cerâmicas tradicionais, 
 - cerâmicas de alto desempenho, 
 - vidros e vitro-cerâmicas, 
 - cimentos 
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• poliméricos: 
• química baseada no carbono, hidrogênio e não-metálicos, 
• estruturas moleculares grandes, 
• baixa densidade, 
• flexibilidade e facilidade de conformação 
 
• Tipos: - termo-plásticos, 
 - termo-rígidos, 
 - elastômeros 
 
Características dos Materiais Sólidos 
• compósitos: 
• composto de mais de um tipo de material: 
 matriz e o reforçador 
 
 
 
 
 
 
 semicondutores: 
 - entre condutor elétrico e isolante 
 
Características dos Materiais Sólidos 
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Materiais cristalinos e amorfos 
[B
a
rs
o
u
m
, 
1
9
9
7
] 
Materiais cristalinos: sólidos queapresentam ordem de longo alcance 
(periodicidade maior que comprimento 
de ligações) 
 Monocristalinos 
 Policristalinos (contornos de grãos) 
Materiais amorfos, vítreos, não-
cristalinos: sólidos que não apresentam 
ordem de longo alcance 
 
Estruturas cristalinas e amorfas 
[B
a
rs
o
u
m
, 
1
9
9
7
] 
Cristalina Amorfa 
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Esquema de policristal 
[B
a
rs
o
u
m
, 
1
9
9
7
] 
Contornos 
de grão 
Grão 
Grão A 
Grão B 
Orientação da célula 
unitária no grão A 
Orientação da célula 
unitária no grão B 
Materiais: 
estrutura e propriedades 
Material 
Estrutura Propriedades 
Ligação 
Cristali-
nidade 
Estabilidade 
Conduti-
vidade 
Mecânica 
Cerâmico 
Iônica, 
covalente 
Amorfa, 
cristalina 
Alta Média Média 
Metálico Metálica 
 
Cristalina 
 
Média 
 
Alta 
 
 
Alta 
 
Polimérico 
Covalente, 
van der Waals 
Amorfa, 
semicristalina 
Baixa 
 
Baixa 
 
Baixa 
[V
a
n
 V
la
ck
,1
9
7
3
] 
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TIPO DE 
MATERIAL 
CARACTERÍSTICAS CONSTITUINTES 
METÁLICO MÉDIA - ALTA RESISTÊNCIA 
MECÂNICA 
ALTA DUCTILIDADE 
BOM CONDUTOR TÉRMICO E 
ELÉTRICO 
BAIXA - ALTA TEMPERATURA DE 
FUSÃO 
BAIXA - ALTA DUREZA 
ELEMENTOS METÁLICOS 
E NÃO-METÁLICOS 
POLIMÉRICO BOM ISOLANTE TÉRMICO E 
ELÉTRICO 
ALTA DUCTILIDADE 
BAIXA RESISTÊNCIA MECÂNICA 
BAIXA DUREZA 
BAIXA ESTABILIDADE TÉRMICA 
CADEIAS MOLECULARES 
ORGÂNICAS 
CERÂMICO ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA 
ALTA FRAGILIDADE 
BOM ISOLANTE TÉRMICO E 
ELÉTRICO 
ALTA TEMPERATURA DE FUSÃO 
ALTA DUREZA 
ÓXIDOS 
SILICATOS 
NITRETOS 
Composição e Estrutura 
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Elementos químicos usados em metais 
Elementos químicos usados em cerâmicos 
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Elementos químicos usados em polímeros 
Elementos químicos usados em semicondutores 
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Escolha do material em 
função de suas 
características 
Estabilidade térmica e química 
[B
a
rs
o
u
m
, 
1
9
9
7
] 
Suscetível a corrosão, oxidação Metal 
Resistente a corrosão, oxidação, altas 
temperaturas 
Cerâmica 
Degrada com solventes, altas 
temperaturas 
Polímero 
Característica Material 
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Condutividade elétrica 
[C
a
lli
st
e
r,
 1
9
9
7
] 
10-8 a 10-7 Metal 
10-6 a 1018 Cerâmica 
108 a 1017 Polímero 
Resistividade elétrica (ohm-m) Material 
Condutividade térmica 
[C
a
lli
st
e
r,
 1
9
9
7
] 
10 a 400 Metal 
1 a 500 Cerâmica 
0,01 a 0,5 Polímero 
Condutividade térmica (W/m-K) Material 
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Módulo de elasticidade 
30 a 400 Metal 
60 a 430 Cerâmica 
0,002 a 5 Polímero 
Módulo de elasticidade (GPa) Material 
[C
a
lli
st
e
r,
 1
9
9
7
] 
Resistência mecânica 
100 a 1700 Metal 
100 a 1000 Cerâmica 
1 a 70 Polímero 
Resistência sob tensão (MPa) Material 
[C
a
lli
st
e
r,
 1
9
9
7
] 
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30 
Deformação 
1 a 60 Metal 
- Cerâmica 
1 a 1400 Polímero 
Deformação (%) Material 
[C
a
lli
st
e
r,
 1
9
9
7
] 
Tenacidade à fratura 
20 a 90 Metal 
0,5 a 6 Cerâmica 
0,5 a 6 Polímero 
Tenacidade a fratura (MPa-m-1/2) Material 
[C
a
lli
st
e
r,
 1
9
9
7
] 
20/2/2019 
31 
©
 2
0
0
3
 B
ro
o
k
s/C
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le P
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b
lish
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g
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h
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m
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 L
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g
™
 
Temperatura x Resistência Mecânica