GRA1000 SELEÇÃO DE MATERIAIS MECÂNICOS - Propriedades Mecânicas e Elétricas

Prévia do material em texto

13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592_… 1/34
i t d ã
SELEÇÃO DE MATERIAISSELEÇÃO DE MATERIAIS
MECÂNICOSMECÂNICOS
SELEÇÃO DE MATERIAIS:SELEÇÃO DE MATERIAIS:
PROPRIEDADESPROPRIEDADES
MECÂNICAS E ELÉTRICASMECÂNICAS E ELÉTRICAS
Autor: Dra. Roberta Paye Bara
Revisor : A l lan Berbert
I N I C I A R
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592_… 2/34
introduçãoIntrodução
A seleção de materiais envolve conhecer a evolução dos materiais ao longo da
história da humanidade, bem como compreender as propriedades mecânicas dos
materiais metálicos e as propriedades elétricas.
O objetivo é evitar acidentes e também garantir que o produto não quebre ou sofra
uma fratura (porque fratura pode ser só uma trinca) por falta da análise das
propriedades mecânicas ligadas à tensão, deformação e dureza.
Os acidentes que envolvem essas propriedades incluem choques elétricos em
produtos em que isso não deveria ocorrer, ou o produto pode quebrar e os pedaços
da peça gerar ferimentos nas pessoas que estavam manuseando o produto.
Esses assuntos serão aprofundados nesta unidade. Veremos o que é a base para a
escolha de materiais em projetos e que isso depende do conhecimento prévio sobre
materiais, da de�nição de materiais metálicos, poliméricos e cerâmicos.
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592_… 3/34
A seleção de materiais envolve compreender que é necessário relacionar viabilidade
econômica no desenvolvimento do produto com as propriedades que o produto
deverá possuir para atender às necessidades de utilização e outros critérios que por
ventura sejam exigidos, por exemplo, limitações de fornecedores, exigência de
clientes ou respeito a alguma legislação ambiental.  
Materiais em Projeto
O desenvolvimento de produtos possui diversas etapas de projeto, desde veri�car o
portfólio de produtos quanto à viabilidade de mercado, incluindo a análise de
maquinário necessário para criação do produto e passando pela análise dos
materiais que serão utilizados no desenvolvimento do produto, até a embalagem.
Os materiais são avaliados no projeto considerando aspectos econômicos, como
disponibilidade de fornecedores locais, visto que quanto maior a distância do
fornecedor, maior será a chance de encarecer o valor. Ainda dentro dos aspectos
econômicos, são considerados os processos de fabricação que o material exige e as
propriedades mecânicas. Por exemplo, para um determinado produto é veri�cado
que três tipos de ligas metálicas atendem às necessidades de resistência mecânica
do produto �nal, porém a primeira liga possui um preço muito elevado em
Introdução à SeleçãoIntrodução à Seleção
de Materiaisde Materiais
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592_… 4/34
comparação com as outras e a segunda necessita que seja processada por uma
técnica que exige um maquinário cujo preço é muito elevado. Assim, nesse caso, a
melhor escolha será a terceira liga, pois possui preço mais acessível e não exige um
processamento oneroso.
Além das questões econômicas, é fundamental analisar o material conforme suas
características mecânicas, ou seja, se a escolha do material contempla o uso para
qual o produto será submetido. Para isso, devem-se incluir as condições de
resistência a intempéries locais. Quando não há um minucioso trabalho de pesquisa
para identi�car as condições em que o material estará submetido, podem ocorrer
acidentes. Um exemplo é o desabamento de parte do viaduto da BR 116 (Régis
Bittencourt), em 2005. Esse acidente resultou na morte de um caminhoneiro que
passava no local no momento em que a estrutura cedeu. Na imagem a seguir, é
possível observar que esse trecho da rodovia possuía dois viadutos paralelos, sendo
que parte do viaduto sentido Paraná desabou na encosta da represa do Capivari
(CENACID, 2005).
No estudo sobre materiais, temos a ciência dos materiais e a engenharia de
materiais. Em resumo, a ciência dos materiais contempla os conhecimentos básicos
sobre estrutura interna dos materiais, bem como as propriedades e as formas de
processamento. Já a engenharia de materiais consiste na aplicação da ciência dos
materiais no desenvolvimento de produtos. A maioria dos materiais utilizados na
engenharia de materiais pode ser catalogada em materiais metálicos e materiais
não metálicos, sendo que os materiais não metálicos podem ser materiais
cerâmicos ou materiais poliméricos (SMITH; HASHEMI, 2012). Vale lembrar que
materiais poliméricos são todos os materiais compostos por polímeros.
Figura 1.1 - Vista da parte do viaduto da BR 116 que desabou em 2005 
Fonte: CENACID (2005).
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592_… 5/34
A partir da Figura 1.2, percebemos a relação entre engenharia e ciência dos
materiais com outras áreas. A ciência dos materiais pode ser aplicada, por exemplo,
na medicina, com os biomateriais e os materiais que compõem equipamentos
médicos, e também na geologia, com o aperfeiçoamento dos materiais utilizados
para fazer as brocas de perfuração geológica.
A Evolução dos Materiais
O homem pré-histórico utilizava os materiais disponíveis na natureza, como pedras,
conchas e madeira, para sobreviver. Há indícios de pedras lascadas com formato
pontiagudo que indicam que, em alguns momentos, houve um interesse em
aperfeiçoar o material disponível para atender a uma necessidade (nesse caso, a
necessidade da caça).
Figura 1.2 - Relação entre as ciências dos materiais e outras áreas 
Fonte: Adaptado de Smith e Hashemi (2012, p. 4).
Figura 1.3 - Pedra lascada exposta no Museu da Natureza na Serra da Capivara
(Piauí) 
Fonte: Mario Cesar Mendonça Gomes / Wikimedia Commons.
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592_… 6/34
Historicamente, o desenvolvimento das civilizações se sustentou no
desenvolvimento de ferramentas para o trabalho humano (no trabalho com
animais, na agricultura ou demais atividades econômicas) e na fabricação de armas.
Conforme resultado de indícios arqueológicos encontrados até o presente
momento,  temos as idades dos metais como a última fase da pré-história. A partir
desse início da metalurgia, a humanidade aperfeiçoou técnicas e materiais. Veja a
seguir o infográ�co sobre os materiais ao longo da história.
Ao longo da história da humanidade ocorreram várias tentativas de aperfeiçoar
processos de fabricação e de tratamento dos materiais. Nas últimas décadas, com o
advento da internet, que facilitou o acesso à informação e o compartilhamento
rápido de pesquisas, houve uma maior difusão de pesquisas voltadas à evolução
dos processos de criação e processamento dos materiais. Isso é evidenciado em
linhas de pesquisa voltadas para os biomateriais e materiais compósitos.
Os biomateriais são materiais que precisam ser biocompatíveis com o organismo
humano, como os que são utilizados para implantes. O termo biocompatível de�ne
os materiais que não produzem substâncias tóxicas quando em contato com �uidos
e tecidos vivos; não são necessariamente inertes. Um exemplo são os �os de sutura
para cirurgias internas que são absorvidos com o tempo (há uma reação, mas ela
não é tóxica).
Já os compósitos são um grupo de materiais que podem ser aplicados em diversas
áreas. Eles consistem na associação de dois ou mais tipos de materiais, por
exemplo, o compósito plástico e �bra de coco, que é utilizado atualmente para criar
vasos de plantas.
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592_…7/34
Na evolução dos materiais, há um grupo conhecido como materiais inteligentes, que
alteram suas propriedades (mecânicas, elétricas ou de forma) conforme os
estímulos que recebem. Esses estímulos podem ser alteração na temperatura,
tensão, luz, umidade, campo elétrico ou magnético. Um exemplo são os metais
memória que, em função de algum estímulo pré-programado, retornam ao formato
da programação. Uma aplicação de metal memória de forma são os stents, reforço
expansível. Trata-se de estruturas metálicas utilizadas para desobstruir artérias ou
conter aneurismas. O stent é um metal com memória de forma que, na temperatura
ambiente, apresenta-se linear (normalmente como uma estrutura tubular) e, em
contato com a temperatura corporal, muda a sua forma para o formato de uma
mola, desobstruindo a artéria. Isso só é possível porque a liga metálica com
memória de forma (por exemplo, a liga cromo-cobalto e o nitinol, que é uma liga de
níquel com titânio) foi programada para reagir assim com relação ao estímulo da
temperatura corporal (SMITH; HASHEMI, 2012) e (AL-MUBARAK et al., 2004).
saibamaisSaiba mais
Explore as linhas de pesquisa, as imagens do
laboratório e as publicações. É uma área muito
importante da engenharia mecânica com
aplicações médicas e odontológicas, cujos
ensaios de caracterização das amostras incluem
testes que simulam o desempenho dos materiais
no organismo humano.
Para saber mais sobre biomateriais, acesse o site
a seguir do Laboratório de Biomateriais e
Eletroquímica do Departamento de Engenharia
Mecânica da Universidade Federal do Paraná.
ACESSAR
http://www.demec.ufpr.br/portal/gbio/
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592_… 8/34
Há materiais que geram um campo elétrico quando estimulados por uma força
mecânica. Essa característica é denominada piezeletricidade, e os materiais que a
possuem são conhecidos como materiais piezelétricos. Essa reação pode ser
estimulada inversamente, ou seja, ao submeter esses materiais a um campo elétrico
externo, haverá uma resposta mecânica (SMITH; HASHEMI, 2012). Um exemplo são
os buzzers (transdutores piezoelétricos), mecanismos que podem ser utilizados em
uma placa de arduino que, ao receber o estímulo externo de um campo elétrico, cria
uma vibração gerando um som.
Os nanomateriais são estruturas com dimensões da ordem do nanômetro ( )
e podem ser compostos de metais, polímeros, cerâmicos ou compósitos. A utilização
de estruturas tão pequenas possibilita o aperfeiçoamento de propriedades
mecânicas, elétricas e magnéticas, como no caso dos grãos magnéticos que são
utilizados no drivers de discos rígidos (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018).
praticarVamos Praticar
Leia o trecho a seguir.
“Os materiais inteligentes são um grupo de novos materiais de última geração que estão
sendo atualmente desenvolvidos e que terão uma in�uência signi�cativa sobre muitas das
nossas tecnologias. O adjetivo inteligente implica que esses materiais são capazes de sentir
mudanças nos seus ambientes e, assim, responder a essas mudanças segundo maneiras
predeterminadas – características que também são encontradas nos organismos vivos”.
CALLISTER JR, W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia de materiais: uma
introdução. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018. p. 11.
Ao longo da história da humanidade foram aprimoradas as técnicas de utilização dos
materiais, incluindo aperfeiçoamento da fabricação. Considerando a evolução dos
materiais, assinale a alternativa que apresenta corretamente a nomenclatura utilizada
m10−9
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592_… 9/34
como característica dos materiais que não liberam substâncias tóxicas quando em contato
com �uidos corporais.
a) Compósito.
b) Memória de forma.
c) Biomaterial.
d) Biocompatível.
e) Piezeletricidade.
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 10/34
As   propriedades mecânicas dos metais descrevem como cada material metálico
reage em relação a estímulos externos, como mudança de temperatura, de
umidade, de pressão, de ph ou em caso de impacto. A época da Segunda Guerra
Mundial foi um momento em que se buscou construir navios de forma mais rápida,
sem uma criteriosa análise cientí�ca, a �m de combater as tropas alemãs. O
problema foi que os primeiros navios da Classe Liberty apresentaram falhas
catastró�cas, visto que trincas nos navios se propagaram tão rapidamente e de
forma tão severa que eles se partiram ao meio. 
PropriedadesPropriedades
Mecânicas dosMecânicas dos
MetaisMetais
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 11/34
Após uma sequência de ocorrências catastró�cas, foram buscar entender o que
poderia ter afetado a estrutura. Os navios da classe Liberty foram construídos no
Atlântico Norte, onde as chapas metálicas do casco �cavam na transição dúctil para
frágil, ou seja, a temperatura em que estava submetido o navio facilitava a
fragilidade e a consequente formação de trincas. Além disso, as chapas foram
soldadas em vez de rebitadas para agilizar o processo de fabricação dos navios e os
cantos das escotilhas tinham um formato que fazia com que se tornassem pontos
de concentração de tensões facilitando a geração de trincas (CALLISTER JR;
RETHWISCH, 2018).
Existem diversos ensaios para de�nir propriedades mecânicas dos materiais, todos
conforme normas ASTM (American Society for Testing and Materials), para que,
independentemente do local, do laboratório e das barreiras linguísticas, exista a
possibilidade de serem repetidos da mesma forma e mantendo os mesmos
padrões. Os principais ensaios realizados nos metais são ensaios de: tração,
compressão, �exão, dureza, �uência, impacto, fadiga e envelhecimento acelerado.
Conceito de Tensão-Deformação
Quando uma estrutura metálica é tracionada (tensionada positivo, que é o mesmo
que esticada) em um único sentido, ocorre uma deformação da estrutura, mas o
que é analisado é se essa deformação continua após a retirada da força que estava
tracionando, pois se a estrutura retorna às dimensões iniciais (antes de ser
submetida à força de tração), é denominada deformação elástica. Quando a
estrutura metálica não retorna às dimensões iniciais, é denominada deformação
plástica (SMITH; HASHEMI, 2012). Essa característica de deformação plástica de
alguns metais é utilizada na estampagem (processo de fabricação), em que chapas
metálicas são pressionadas em formas para se obter o formato desejado (como
paralamas ou portas de veículos).
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 12/34
O ensaio de tração consiste em submeter um corpo de prova do material que se
deseja testar, de forma que suas extremidades estejam �xadas e sejam esticadas
gradativamente até a ruptura do material. Os parâmetros tensão de engenharia ( )
e deformação de engenharia ( ) dependem da área transversal da seção da amostra
( ), da força instantânea aplicada na direção perpendicular à seção transversal (F),
do comprimento inicial do corpo de prova ( ) e do comprimento durante a
aplicação da força de tração ( ). Onde,
Tensão da engenharia é 
Deformação de engenharia é 
Na prática, os valores de deformação de engenharia são multiplicados por 100,
sendo descritos como deformação percentual ou alongamento percentual.
Figura 1.5 - Grá�co de resistência à tração 
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 7).
σ
ϵ
A0
l0
l
σ = F
A0
ϵ = =l−l0
l0
Δl (varia o do comprimento da amostra)a~
 (comprimento inicial da amostra)l0
Figura 1.6 - Corpo de prova para ensaio de tração 
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 158).
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592…13/34
O corpo de prova, conforme a descrição da �gura 1.6, é colocado no equipamento
de ensaio de tensão-deformação por tração, conforme representado a seguir.
Por exemplo, considere um corpo de prova de alumínio comercialmente puro, com
1,30 mm de largura, 0,10 cm de espessura e 20,3 mm de comprimento, que foi
submetido a uma força de 11.120 N. São marcados dois pontos no centro da
amostra no sentido longitudinal (o mesmo sentido onde será aplicada a força). A
distância entre esses dois pontos é de 5,0 mm inicialmente e, depois de aplicada
uma força de tração, a distância entre as marcas passa para 6,5 mm. Calcule a
deformação e a tensão de engenharia.
Solução: primeiro é importante destacar que nem todas as medidas estão com a
mesma unidade, então vamos reescrever usando todas as medidas em milímetros e
identi�car quais são os valores das variáveis:
Tensão da engenharia é e deformação de engenharia é . Sabendo
que   , , 
e , a tensão da engenharia é 
. A deformação de engenharia é 
sendo o alongamento percentual 
.
Usualmente, esses dados são fornecidos em forma de tabela (são dados das ligas
metálicas conhecidas) e são calculados dessa forma por ensaios nos casos do
desenvolvimento de novos materiais, como compósitos.
Figura 1.7 - Modelo de equipamento para ensaio de tensão-deformação sob tração 
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 158).
σ = F
A0
ϵ = l−l0
l0
= (1, 30 mm  × 1, 0 mm) = 1, 30 mmA0 2 F = 11.120 N l = 6, 5 mm
= 5, 0 mml0
σ = = = 8.553, 85 N/mmF
A0
11.120 N
1,30mm2
2
ϵ = = = = 0, 3,  l−l0
l0
6,5 mm − 5,0 mm
 5,0 mm
1,5 mm
5,0 mm
= 0, 3  × 100
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 14/34
Os resultados obtidos no ensaio são descritos na forma de grá�co de tensão-
deformação, que pode ser observado a seguir. Observe que, ao longo da curva, são
representadas as mudanças no corpo de prova, desde a deformação elástica,
passando pela deformação plástica até o ponto de fratura.
Como as forças aplicadas nas extremidades do corpo de prova são iguais, há um
estrangulamento no centro do corpo de prova até a fratura. Veja que só uma região
central é deformada. Essa ocorrência é denominada estricção, o que, em algumas
referências, é chamada de “pescoço”. É nessa área que ocorrerá a fratura.
A ductilidade descreve o grau de deformação plástica (aquela deformação
irreversível, que não volta após a redução da carga de tensão) que ocorre no
material no momento da fratura, e é medido em função do alongamento
percentual. A ductilidade aumenta com o aumento da temperatura, enquanto que o
limite de resistência à tração diminui (CALLISTER; RETHWISCH, 2018). Por isso, a
ductilidade pode ser descrita como alongamento percentual ou na forma de
redução percentual na área , onde é a área da seção transversal no ponto de
fratura e é a área da seção transversal inicial.
A maioria dos metais e ligas metálicas apresenta uma relação linear entre tensão e
deformação na área elástica do diagrama de tensão-deformação de engenharia.
Essa relação é de�nida pela lei de Hooke na forma de , sabendo que é
tensão da engenharia, é deformação de engenharia e   é o módulo de
elasticidade (também conhecido como módulo de Young). A medida descreve a
rigidez de um material. Por exemplo, o módulo de elasticidade do aço é de 207 GPa
(independente do tratamento térmico ou teor de carbono). Quando a tensão
aplicada resulta em uma deformação plástica signi�cativa, é denominada tensão de
Figura 1.8 - Grá�co de tensão-deformação até o ponto de ruptura do corpo de prova 
Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 166).
Af
A0
σ = Eϵ σ
ϵ E
E
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 15/34
escoamento. Quando não há um ponto bem de�nido entre a deformação elástica e
a deformação plástica no grá�co de tensão-deformação, é feita a opção de utilizar
um ponto no início da   tensão de escoamento. Quando já ocorreu uma certa
deformação plástica, geralmente 0,2% de deformação plástica (mas isso varia, por
exemplo no Reino Unido o limite convencional é 0,1%).
A tensão de escoamento a 0,2% é conhecida como tensão limite convencional de
elasticidade a 0,2%, que é de�nida no diagrama de tensão-deformação de
engenharia. Para obter a tensão de escoamento a partir do diagrama de tensão-
deformação, primeiro é necessário traçar uma reta paralela à região elástica
passando pelo ponto correspondente a 0,2%, ou seja, m/m, que é
igual a 0,002 mm/mm. O local onde essa reta interceptar o grá�co será o ponto no
qual deverá ser traçada uma perpendicular para obter o valor de tensão de
escoamento, que, nesse caso, corresponde a  250 MPa.
Outro fator importante é o coe�ciente de Poisson ( ), que representa a razão
negativa das deformações transversal e longitudinal, em que .
Os valores do coe�ciente de Poisson são tabelados e de fácil consulta. Os materiais
metálicos, por exemplo, �cam na faixa de 0,25 e 0,35.
A resiliência consiste na habilidade dos materiais de absorver a energia quando são
deformados elasticamente. Após a retirada da carga, é possível recuperar essa
energia. O módulo de resiliência corresponde à energia de deformação por unidade
de volume necessária para tensionar o material desde o estado sem carga até sua
resistência ao escoamento.
Figura 1.9 - Diagrama de tensão-deformação de latão   
Fonte: Adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2018, p. 167).
= 0, 002
0,2
100
v
v =   − =   −ϵx
ϵz
ϵy
ϵz
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 16/34
A tenacidade consiste na habilidade de um material absorver a energia e se
deformar plasticamente antes de fraturar. É a propriedade que é analisada nos
ensaios de impacto.
A tensão verdadeira é de�nida por , pois corresponde à carga instantânea
( ) aplicada, dividida pela área instantânea da seção transversal ( ). Já a
deformação verdadeira, ou ,   corresponde ao logaritmo
natural da razão entre os comprimentos instantâneo ( ) e original ( ) do corpo de
prova (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018) e (NEWELL, 2010).
Por exemplo, um corpo de prova de aço é testado sob tração até sua fratura, tendo
sido determinado que ele tem resistência à fratura, expressa em tensão de
engenharia, de 460 MPa. Considerando que e ,
determine a tensão verdadeira e a deformação verdadeira .
Solução: Primeiro, é preciso identi�car os valores que serão utilizados. Vamos obter 
que é 
Observe que corresponde à área instantânea no momento da ruptura.
Agora, vamos de�nir a tensão verdadeira: 
Vimos que a deformação verdadeira é , contudo ela também pode ser
escrita como , logo 
Há também o ensaio de tensão-deformação sob compressão, similar ao de tração,
porém o sentido da força é contrário, comprimindo o corpo de prova.
Dureza
A dureza de um material depende da resistência à abrasão (desgaste por fricção), ou
seja, consiste na resistência da superfície do material à penetração de um material
conhecido como indentador. Existem alguns tipos de ensaio de dureza em que o
cálculo para dureza do material dependerá do formato do indentador, que poderá
=σV
F
Ai
F Ai
= ln ϵV
li
l0
= ln ϵV
A0
Af
li l0
σf = 128 mmA0 2 = 89 mmAf 2
σv ϵV
F ,  
F = ⋅ = (460 ×  N/m ) (128 mm )( ) = 58.800 Nσf A0 106 2 2 1 m
2
 mm106 2
Af
= = 660 ×  N/mσv
58.800 N
(89 mm )( )2 1 m2
 mm106 2
106 2
= ln ϵV
li
l0
= ln ϵV
A0
Af
= ln  = ln 1, 4 = 0, 36.ϵV
128
89
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 17/34
ser esférico, piramidal ou cônico e de material cuja dureza seja conhecida, com alta
dureza, como carboneto de tungstênio ou diamante. O ensaio consiste em aplicar,
lentamente, uma carga ao indentador sobre a amostra de metal e depois analisar a
marca paracalcular a dureza. Quanto mais macio, mais profunda será a marca
formada (NEWELL, 2010) e (SMITH; HASHEMI, 2012). Como é realizada uma marca
com o indentador na amostra, não ocorre dano catastró�co (não há fratura), ou seja,
é um ensaio mecânico não destrutivo.
O ensaio Rockwell consiste na possibilidade de uso de vários indentadores
combinados com várias possibilidades de cargas, que podem ser aplicadas em ligas
metálicas e alguns tipos de polímeros. O cálculo de dureza é de�nido pela diferença
na profundidade do indentador com uma carga inicial baixa e uma carga �nal maior.
No ensaio Brinell, o indentador é uma esfera de aço ou carboneto de tungstênio
com 10 mm de diâmetro. No ensaio Vickers, o indentador é uma pirâmide de base
quadrada. No ensaio de microdureza Knoop, o indentador é de diamante, com uma
forma piramidal, com base em forma de losango (SMITH; HASHEMI, 2012). Os
ensaios de microdureza são utilizados para medir a dureza de amostras muito
pequenas e de materiais muito frágeis, como materiais cerâmicos.
Variabilidade nas Propriedades dos
Materiais
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 18/34
A variabilidade nas propriedades dos materiais trata do fato de que algumas
propriedades aferidas para os materiais não são exatas. Isso ocorre porque podem
haver pequenas imprecisões de calibração ou falhas na homogeneidade das
amostras. Quando ocorre essa variação, é realizada uma média e calcula-se o
desvio-padrão (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018).  
Fatores de Projeto e Segurança
Os fatores de projeto e segurança envolvem procedimentos de projeto para
proteção contra falhas, considerando a variação das propriedades mecânicas dos
materiais, para que não ocorram falhas e consequentes acidentes ambientais ou
que possam vitimar pessoas. Ao longo do século XX, o procedimento consistia em
reduzir a tensão aplicada por um fator de segurança de projeto, que ainda é
considerado um procedimento aceitável em alguns casos estruturais. No geral,
quanto mais o produto pode interferir na vida das pessoas, maior será o coe�ciente
de segurança (um fator de segurança) aplicado aos materiais que compõem o
produto (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018). Por exemplo, o elevador cujos cabos são
projetados para receber uma tração de sete vezes o peso recomendado (ou mais),
nesse caso, possui um coe�ciente de segurança mínimo de 7 (MACHADO, 2016).
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 19/34
As incertezas nas propriedades mecânicas aferidas e nas tensões aplicadas em
serviço resultam nos fatores de projeto e segurança.
Em situações estáticas e menos críticas utilizando materiais dúcteis, é utilizada a
tensão de projeto , em que é o nível de tensão calculado e é o
fator de projeto (o valor varia conforme a aplicação do material, mas sempre é
maior que 1). Já a tensão de trabalho, (também conhecida como tensão
admissível), pode ser utilizada no lugar da tensão de projeto. Ela depende da
resistência ao escoamento do material, em que é o fator de segurança. Os
valores de variam conforme a aplicação do produto, considerando diversos
aspectos de projeto, mas, principalmente, o risco de perdas de vida em função de
possíveis falhas.
= ×σp N ′ σc σc N ′
=σt
σl
N
N
N
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 20/34
praticarVamos Praticar
Considere um corpo de prova de uma liga metálica com 1,30 mm de largura, 0,10 cm de
espessura e 20,3 mm de comprimento que foi submetido a uma força de 10.000 N. São
marcados dois pontos no centro da amostra no sentido longitudinal (o mesmo sentido em
que será aplicada a força). A distância entre esses dois pontos é de 4,0 mm inicialmente e,
depois de aplicada uma força de tração, a distância entre as marcas passa para 6,4 mm.
Qual o valor da ductilidade dessa liga metálica?
a) .
b) .
c) 0,3.
d) 60%.
e) 0,6.
7.692, 3 N/mm2
8.553, 85 N/mm2
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 21/34
As propriedades elétricas dos materiais estudam o comportamento dos materiais
quando submetidos a um estímulo externo correspondente a um campo elétrico,
por exemplo. Dentro das propriedades elétricas dos materiais, são avaliadas as
características relacionadas à condutividade elétrica, à ferroeletricidade e à
piezoeletricidade.
Condutividade Elétrica
A condutividade elétrica é a capacidade do material de permitir o transporte de
cargas elétricas. São chamados de condutores os materiais em que esse transporte
ocorre facilmente, o que, por sinal, é uma característica dos metais. São
denominados isolantes os materiais em que não há transporte de carga elétrica; e
semicondutores os materiais que possuem valores intermediários para transporte
de cargas elétricas (entre isolantes e condutores) (SANTOS, 2015). Na maioria dos
materiais, os elétrons livres são agitados na presença de uma corrente elétrica.
A banda de energia eletrônica do material de�ne o número de elétrons livres, por
isso que esta depende de como se dá o arranjo das bandas mais externas com as
demais bandas. Para compreender o conceito de bandas, é necessário relembrar a
distribuição eletrônica conforme o diagrama de Linus Pauling, com os subníveis , ,
PropriedadesPropriedades
ElétricasElétricas
s p
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 22/34
 e . Os elétrons nos níveis mais baixos são �rmemente ligados e formam o grupo
dos elétrons centrais. 
Nos materiais isolantes, os elétrons são fortemente ligados ao átomo através de
ligações iônicas ou covalentes, não há elétrons livres para permitir a condução de
eletricidade. “Uma banda eletrônica é uma série de estados eletrônicos com
espaçamento próximo uns dos outros em termos de energia, e pode existir uma
dessas bandas para cada subcamada eletrônica encontrada no átomo isolado.”
(CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018, p. 710)
Quanto mais os átomos se aproximam, cada um dos estados atômicos e se
divide para formar a banda de energia eletrônica, que consiste em 12 estados.
d f
Figura 1.11 - (a) níveis de energia em um único átomo de sódio; (b) con�guração
eletrônica em um átomo de sódio 
Fonte: Santos (2015, p. 541).
1s 2s
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 23/34
Para os metais, há dois tipos de banda possíveis quando são ocupados os estados
eletrônicos antes e depois de uma excitação dos elétrons.
Nos semicondutores e nos isolantes, as estruturas das bandas são semelhantes,
pois em ambos os casos existe uma zona proibida em que há um espaçamento
acima do normal entre as bandas. Esse espaçamento é estreito nos semicondutores
e nos isolantes é relativamente grande. Esses espaços, ou “buracos” de ausência de
elétrons na camada de valência, também podem participar do processo de
condução.
Os semicondutores podem ser classi�cados como intrínsecos e extrínsecos. Nos
intrínsecos, as propriedades elétricas dependem do fato do material se apresentar
na forma pura, sendo iguais as concentrações de elétrons e espaçamentos
(buracos). Já nos semicondutores extrínsecos, o comportamento elétrico depende
da presença de impurezas. A classi�cação destes depende de os elétrons (extrínseco
tipo ) ou os espaçamentos (extrínseco tipo ) serem os portadores da carga
dominante. Há classi�cação para as impurezas: as que contribuem para um excesso
de elétrons são as impurezas doadoras; e as que introduzem um excesso de
espaçamentos (buracos) são classi�cadas como impurezas receptoras. O aumento
da temperatura e o aumento do teor de impurezas diminuem a mobilidadedos
elétrons e buracos nos semicondutores extrínsecos.
A condutividade elétrica de um semicondutor intrínseco é ,
em que é o número de buracos por metro cúbico, é a mobilidade dos buracos, 
 é a mobilidade dos elétrons, é a concentração e é a carga elétrica (
).
n p
σ = n |e|   + p |e|μe μb
p μb
μe n e
1, 6  × 10−19C
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 24/34
Nas temperaturas baixas, a concentração dos elétrons cai drasticamente e essa
ocorrência é conhecida como freeze out:
Em baixas temperaturas, abaixo de aproximadamente 100 K, a
concentração de elétrons cai drasticamente com a diminuição da
temperatura e se aproxima de zero em 0 K. Ao longo dessas temperaturas,
a energia térmica é insu�ciente para excitar os elétrons do nível doador do
P para a banda de condução. Essa é denominada região de temperatura
de congelamento (freeze out), uma vez que os portadores carregados (isto
é, os elétrons) estão “congelados” junto aos átomos de dopagem
(CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2018, p. 710).
Por meio de duas placas metálicas é possível criar um capacitor de placas paralelas,
aplicando uma voltagem, sendo que uma placa será carregada negativamente e a
outra positivamente. A capacitância será (em coulomb por volt = farad), em
que é a quantia de carga armazenada em cada placa e a voltagem aplicada no
capacitor. Contudo, existe uma constante universal denominada permissividade que
está relacionada com a susceptibilidade elétrica de um material, ou seja, à
habilidade de um material se polarizar em função do estímulo de um campo
elétrico. A constante dielétrica de um material é como a característica em resistir à
polarização a partir do estímulo de um campo elétrico, por isso é propriedade dos
materiais isolantes. Também conhecida como permissividade relativa ( ), a
constante dielétrica é de�nida como , em que é a permissividade no
vácuo (valor constante igual a ) e é a permissividade do
material.
Caso seja inserido algum material entre as placas, a capacitância será alterada,
podendo diminuir ou aumentar dependendo do material entre elas, se for condutor
ou isolante. Essa é a base para criação de sensores capacitivos.
A característica dos materiais aumentarem a capacidade de armazenamento de
cargas dos capacitores ocorre em decorrência da polarização (que consiste no
deslocamento reversível das nuvens eletrônicas pelo material em decorrência de um
estímulo externo), que pode ser eletrônica (ocorre para todo o átomo), iônica
(ocorre somente em materiais iônicos) ou de orientação (ocorre somente em
substâncias que apresentam dipolos permanentes).
C =
Q
V
Q V
ϵr
=ϵr
ϵ
ϵ0
ϵ0
8, 85  ×    F/10−12 m ϵ
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 25/34
Ferroeletricidade e Piezoeletricidade
Ferroeletricidade é o nome da característica também conhecida como polarização
espontânea, em que um material se polariza sem a presença de um campo elétrico.
Existem materiais como o titanato de bário que, quando aquecidos acima de 120 °C,
perdem o comportamento de ferroelétricos. Alguns outros materiais ferroelétricos
são: niobato de potássio, sal de Rochelle e zirconato-titanato de chumbo.
Já a característica de piezoeletricidade corresponde ao fenômeno de, ao receber um
estímulo externo de um campo elétrico, o material reagir com um comportamento
mecânico de vibração. É função que vale a recíproca, ou seja, quando recebe o
estímulo externo de uma vibração mecânica (como um toque), responde com um
campo elétrico. Um exemplo são os buzzers, que normalmente são utilizados em
placas de arduino. Eles enviam o sinal elétrico que é convertido em som (pela
vibração mecânica) e são utilizados nos mais diversos projetos de automação, tendo
como função emitir som (com diferentes frequências). Alguns exemplos de materiais
piezoelétricos são: zirconato de chumbo, titanato de bário, titanato de chumbo e
niobato de potássio.
saibamaisSaiba mais
No vídeo “Tema 05 – Materiais Condutores |
Experimentos – Condutividade elétrica”, do canal
“Física Universitária” da Universidade Virtual do
Estado de São Paulo, são apresentadas algumas
experiências para exempli�car e de�nir os
conceitos de condutividade elétrica.
Para saber mais, assista ao vídeo a seguir.
ASS IST IR
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 26/34
praticarVamos Praticar
Leia o trecho a seguir.
“Mais recentemente, o uso de dispositivos [...] cresceu drasticamente como consequência
do aumento na automatização e da atração por parte dos consumidores em relação a
aparelhos so�sticados modernos. Os dispositivos piezoelétricos estão sendo usados em
muitas das aplicações atuais, incluindo nas indústrias: automotiva — balanceamento de
rodas, alarmes de cinto de segurança, indicadores de desgaste da banda de rolamento de
pneus, portas sem chave e sensores de air-bag; computadores/eletrônica — microfones,
alto-falantes, [...]”.
CALLISTER JR, W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia de materiais: uma
introdução. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018. p. 708.
A citação apresentada trata de algumas das aplicações dos materiais que, ao receberem
um estímulo externo de um campo elétrico, respondem com um comportamento
mecânico, vibrando e gerando som, sendo que também ocorre o inverso. Assinale a
alternativa que apresenta corretamente o nome dessa característica.
a) Polarização.
b) Condutividade.
c) Ferroeletricidade.
d) Piezoeletricidade.
e) Permissividade.
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 27/34
indicações
Material
Complementar
FILME
Piezoeletricidade
Ano: 2011
Comentário: É apresentada uma animação que esclarece o
funcionamento da piezoeletricidade, com destaque para
animação que representa o piezoelétrico invertido e a
geração de ultrassom. Assista ao vídeo a seguir.
T R A I L E R
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 28/34
LIVRO
Materiais e Design
Editora: Elsevier
Autor: Michael Ashby e Kara Johson
ISBN: 978-85-352-3842-6
Comentário: Esse livro aborda diversas questões referentes
à escolha de material quando se está desenvolvendo um
produto, como as relações das propriedades mecânicas dos
materiais com a aplicação do produto, análise da viabilidade
econômica e até inclusão de perspectivas ambientais.
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 29/34
conclusão
Conclusão
Há muitos avanços na área de materiais, mas mesmo com todos esses avanços é
imprescindível conhecer as propriedades dos materiais, em especial dos metálicos.
Isso possibilita escolher qual utilizar em um projeto ou em um produto, pois suas
características mecânicas e elétricas descrevem as respostas que darão em função
dos estímulos externos. Com isso, podem ser evitadas falhas que venham a gerar
aumento de custos operacionais, perda de insumos, inviabilidade do uso do produto
ou o pior, que são as perdas humanas.
referências
Referências
Bibliográ�cas
AL-MUBARAK et al. Carotid Artery Stenting: Current Practice and Techniques.
Editora Lippincott Williams & Wilkins, 2004.
CALLISTER JR., W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia de materiais: uma
introdução. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018.
CENACID. Deslizamento e queda de ponte sobre a represa Capivari-Cachoeira em
Campina Grande do Sul – PR, 25 jan. 2005. Centro de Apoio Cientí�co em
Desastres, UFPR. Disponível em:
http://www.cenacid.ufpr.br/portal/missao/deslizamento-e-queda-de-ponte-sobre-a-
http://www.cenacid.ufpr.br/portal/missao/deslizamento-e-queda-de-ponte-sobre-a-represa-capivari-cachoeira-campina-grande-do-sul-pr-250105/13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 30/34
represa-capivari-cachoeira-campina-grande-do-sul-pr-250105/. Acesso em: 8 abr.
2020.
IDADE do bronze. Britannica Escola, 2020. Disponível em:
https://escola.britannica.com.br/artigo/Idade-do-Bronze/480850. Acesso em: 9 abr.
2020.
MACHADO, L. C. Elevador para deslocamento de pequenas cargas. Projeto de
Graduação, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal
Fluminense, 2016. Disponível em:
https://app.u�.br/riu�/bitstream/1/1785/1/LeonardoCardosoMachadoSemAssinatura.pdf
Acesso em: 10 abr. 2020.
NEWELL, J. Fundamentos da moderna engenharia e ciência dos materiais. Rio de
Janeiro: LTC, 2010.
PANITZ, M. A. Dicionário técnico: português-inglês. Porto Alegre: EDIPUCRS, 2003.
SANTOS, G. A. dos. Tecnologia dos materiais metálicos: propriedades, estruturas e
processos de obtenção. São Paulo: Érica, 2015.
SMITH, W. F.; HASHEMI, J. Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais. 5.
ed. Editora McGraw-Hill, 2012.
http://www.cenacid.ufpr.br/portal/missao/deslizamento-e-queda-de-ponte-sobre-a-represa-capivari-cachoeira-campina-grande-do-sul-pr-250105/
https://escola.britannica.com.br/artigo/Idade-do-Bronze/480850
https://app.uff.br/riuff/bitstream/1/1785/1/LeonardoCardosoMachadoSemAssinatura.pdf
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 31/34
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 32/34
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 33/34
13/09/2021 21:18 Ead.br
https://anhembi.blackboard.com/webapps/late-course_content_soap-BBLEARN/Controller?ACTION=OPEN_PLAYER&COURSE_ID=_736592… 34/34