Ciencias Dos Materiais 1
Ciencias Dos Materiais 1
Ciencias Dos Materiais 1
Materiais
Me. Luis Henrique de Souza
PALAVRA DO REITOR
Prezado(a) aluno(a), este livro foi elaborado para um curso inicial sobre
Ciências dos Materiais e, no decorrer do estudo dessa disciplina, utilizando
esse material, percorreremos um trajeto que nos dará conhecimento sobre
os sólidos, suas estruturas e defeitos estruturais, suas propriedades, falhas,
diagramas de transformações e aplicações usuais das classes de materiais.
Iniciaremos esse trajeto na Unidade 1, em que será realizada uma intro-
dução aos materiais, seguida de uma explicação breve sobre a classificação
dos materiais e terminando com o estudo das suas estruturas cristalinas. Na
Unidade 2, veremos como é realizada a determinação de pontos, direções
e planos na célula unitária de um sólido cristalino, definiremos materiais
amorfos e cristalinos e estudaremos as imperfeições estruturais.
A difusão em sólidos, os mecanismos de difusão, a lei de Fick e os parâ-
metros que influenciam no processo de difusão serão abordados e aplicados
em exemplos na Unidade 3. Já na Unidade 4, você irá conhecer as proprieda-
des mecânicas dos materiais, tais como dureza, limite de resistência à tração
e ductilidade, que serão trabalhadas após uma conceituação básica para lhe
deixar mais confortável com o assunto. Continuando, na Unidade 5, você
vai conhecer as falhas típicas que ocorrem em projetos envolvendo mate-
riais, sendo elas a fratura, fadiga e fluência, e os mecanismos usuais delas.
Na Unidade 6, você vai estudar um tópico muito importante nas ciências
dos materiais, denominado diagrama de fases, e vai aprender a determinar
fases presentes em um sistema, quantidades relativas e composição dessas
fases aplicando esses conhecimentos no diagrama ferro-carbono. Nas Uni-
dades 7 e 8 serão abordadas outras propriedades dos materiais; na Unidade
7, você verá as propriedades elétricas, condução elétrica nos condutores
e isolantes, e as propriedades térmicas, condutividade térmica, expansão
térmica e capacidade calorífica. Já na Unidade 8, você vai conhecer as pro-
priedades ópticas, como a reflexão, absorção e refração; as propriedades
magnéticas, como o diamagnetismo e ferromagnetismo; e, concluindo a
unidade, você vai conhecer os tipos de corrosão que ocorrem em materiais
metálicos e a degradação em materiais poliméricos.
Concluiremos os nossos estudos da disciplina de Ciências dos Materiais
com a Unidade 9, na qual serão abordadas as classes dos metais, cerâmicas,
polímeros e compósitos, e onde você vai conhecer um pouco mais de cada
umas dessas classes apresentadas na Unidade 1 e mencionadas nas demais
unidades. Aqui, veremos alguns métodos de produção, materiais específicos
de cada uma dessas classes e aplicações deles.
Desejo a você uma ótima leitura.
CURRÍCULO DOS PROFESSORES
13
Estruturas e
Imperfeições nos
Sólidos Cristalinos
41
Difusão em Sólidos
71
Propriedades
Elétricas e
Propriedades Propriedades
Mecânicas Térmicas dos
Materiais
101 193
Propriedades
Ópticas,
Falhas em Propriedades
Materiais Sólidos Magnéticas e
Corrosão dos
Materiais
131 223
Classes de
Diagrama de Fases Materiais e
Aplicações
159 253
Para que você possa perceber a importância dos materiais para a humanidade, imagine a sua vida
sem alguns deles, por exemplo, o plástico, o cimento, o vidro, o alumínio e o papel. É impossível imagi-
nar tal situação, não é? Isso deixa claro que os materiais estão presentes em todos os setores de nossas
vidas, seja na habitação, transporte, comunicação, indústria ou, ainda, no lazer.
A produção e a transformação desses materiais em bens acabados representa uma das atividades mais
importantes da economia moderna. Todo o conhecimento adquirido ao longo da nossa evolução acerca
dos materiais tornou possível o desenvolvimento de uma variedade enorme de materiais e moldagem das
propriedades desses materiais de acordo com o interesse e a necessidade da sociedade (SMITH; ROSA,
1998; CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2013).
UNIDADE 1 15
classe dos materiais metálicos, também existem as ligas metálicas, que são formadas pela mistura de um
metal com um ou mais metais ou não metais, alguns exemplos de materiais não metálicos que podem
estar presentes em ligas metálicas são o carbono, nitrogênio e oxigênio (ASKELAND; WRIGHT, 2015).
A ligação do tipo iônica é uma ligação que ocorre entre dois íons de cargas opostas, um cátion e
um ânion, enquanto a ligação covalente é um tipo de ligação em que ocorre o compartilhamento
de elétrons entre os átomos envolvidos. Por fim, a ligação metálica é aquela que ocorre entre dois
átomos de metais e, nessa ligação, todos os átomos envolvidos perdem elétrons de suas camadas
mais externas, e esses elétrons se deslocam com grande mobilidade entre essas camadas, formando
uma nuvem eletrônica (também conhecida como “mar de elétrons”).
Fonte: adaptado Callister Jr. e Rethwisch (2013).
Alguns exemplos comuns, feitos de materiais metálicos, presentes no nosso dia a dia, podem ser vistos
na Figura 1.
Eles possuem alto nível de organização espacial no arranjo de seus átomos, definido pelo termo “es-
trutura cristalina”. Em função dessa estrutura atômica organizada, os metais possuem boa resistência
mecânica, ductilidade, alta rigidez, resistência a choques e podem ser deformados sob a ação de forças
externas. Além disso, são bons condutores de eletricidade e de calor, devido às suas ligações metálicas.
Apesar dos metais puros serem pouco utilizados, as ligas possuem diversas aplicações, uma vez que
elas permitem combinações de propriedades melhores que os metais puros. Na fabricação de joias, por
exemplo, o ouro puro não é utilizado, pois ele é um material muito macio; para resolver esse problema,
os ourives misturam o ouro com cobre, com a finalidade de melhorar a sua resistência mecânica para
que a joia não seja danificada facilmente (ASKELAND; WRIGHT, 2015).
Cerâmicas
Os materiais cerâmicos são duros, possuem rigidez e resistência comparadas às dos metais, entretanto,
são frágeis, ou seja, apresentam baixa resistência a esforços de tração, torção, flexão etc. Contudo, as
cerâmicas são mais resistentes a altas temperaturas e ambientes severos do que os polímeros e os me-
tais, e são materiais tipicamente isolantes térmicos e elétricos (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2013).
No âmbito de ciência dos materiais, dureza é a uma das características dos materiais que está inti-
mamente vinculado com a ligação dos átomos que formam esse material. A grosso modo, a dureza
pode ser entendida como a facilidade que um material tem de riscar ou penetrar em outro.
Fonte: Durocontrol (2016, on-line)1.
Os usos mais comuns das cerâmicas são na produção de tijolos, vasos sanitários, refratários, entre
outros. Já as cerâmicas avançadas são aplicadas na produção das estruturas de chips de computadores,
capacitores, velas de ignição de automóveis, indutores elétricos etc. (ASKELAND; WRIGHT, 2015).
UNIDADE 1 19
Polímeros
Em geral, os materiais poliméricos possuem grande ductilidade e tem baixa densidade. Além disso,
esses materiais são isolantes elétricos, não magnéticos e, alguns polímeros, são altamente resistentes
a produtos químicos corrosivos. Suas desvantagens estão no fato de serem menos resistentes a defor-
mações que os metais, e de amolecer e/ou se decompor em temperaturas moderadas; contudo, mesmo
com essas limitações, eles ainda são uma opção altamente versátil e útil.
O avanço das tecnologias, na última década, no desenvolvimento de compostos poliméricos, tem
permitido a produção de polímeros com resistência e rigidez altas o suficiente para substituir alguns
metais em aplicações estruturais comuns em projetos (SHACKELFORD, 2013).
Compósitos
Os compósitos são formados pela combinação entre os materiais das classes apresentadas anteriormente
(metais, cerâmicas e polímeros). Essa união conduz a um material com propriedades superiores aos
dos componentes separadamente.
Existem vários tipos de compósitos, formados por diferentes combinações entre metais, cerâmicas
e polímeros, a maior parte deles e feita pelo homem; contudo, alguns materiais de ocorrência natural
também são considerados compósitos, como é o caso do osso e da madeira.
Um dos compósitos mais famosos é a fibra de vidro, constituída de pequenas fibras de vidro em-
butidas no interior de uma matriz polimérica. A união das fibras de vidro, material resistente e rígido
(porém frágil) com a matriz polimérica, material dúctil e flexível (porém fraco) resulta em um material
compósito flexível, dúctil, resistente e relativamente rígido (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2013).
Metais e Ligas
Cerâmicas e vidros
Polímeros
Compósitos
Os materiais avançados são materiais que são Os biomateriais são materiais pertencentes às
aplicados na produção de componentes ou dis- classes de materiais anteriores (metais, polímeros,
positivos de alta tecnologia, cujo funcionamento cerâmicas e semicondutores). Esses materiais são
possui princípios intrincados ou sofisticados. Os utilizados na área da saúde para as mais diversas
materiais dessa categoria pertencem às classifica- finalidades, entre elas dispositivos biomédicos
ções descritas anteriormente e devemos entender (biosensores, tubos de circulação, sistemas de he-
o termo “alta tecnologia” como sendo relacionado modiálise), materiais implantáveis (suturas, subs-
a produtos e dispositivos, por exemplo, equipa- titutos ósseos, lentes, dentes, válvulas cardíacas),
mentos eletrônicos, computadores, aeronaves, órgãos artificiais (pulmões, coração, rim, pele),
sistemas de fibras ópticas, equipamentos médi- curativos, dentre outros.
cos etc. Devido à finalidade desses materiais, eles de-
vem ser materiais não tóxicos, pois eles entram
em contato com sistemas biológicos. Além disso,
Semicondutores eles devem ser compatíveis com os tecidos do
corpo, uma vez que muitos deles são implanta-
Os semicondutores são materiais com proprieda- dos como substitutos a órgãos e tecidos danifi-
des elétricas intermediárias entre os condutores cados do corpo humano (PIRES; BIERHALZ;
(metais) e os isolantes (polímeros e cerâmicas). MORAES, 2015).
Além disso, as propriedades elétricas desses ma- Dentre os materiais metálicos, o titânio e suas
teriais são extremamente sensíveis a pequenas ligas, por exemplo, têm sido usado por décadas na
concentrações de átomos de impurezas presentes fixação de fraturas e reconstrução de articulações
em sua composição. por ser resistente à corrosão, biocompatível e pela
O controle das concentrações de impurezas indução do crescimento ósseo (bioadesão). Além
em regiões definidas do material permite con- disso, alguns tipos de ligas de cobre são aplicados
trolar a condutividade elétrica nessas regiões do para artroplastia total de quadril, que consistem em
material, possibilitando sua aplicação em compo- uma haste femoral conectada a uma cabeça modular
nentes como, por exemplo, circuitos eletrônicos sujeita à articulação com o componente acetabular.
integrados. Já os materiais cerâmicos bioinertes possuem
Os semicondutores são, geralmente, feitos de aplicações biomédicas, principalmente nas áreas
silício, germânio e arsenato de gálio. Ao longo das de ortopedia e odontologia, com grande represen-
últimas décadas, os semicondutores revoluciona- tatividade de compostos, como a alumina (Al2O3),
ram a indústria de eletrônicos e de computadores, zircônia (ZrO2) e zircônia estabilizada com óxido
em decorrência de suas propriedades elétricas de ítrio (ZrO2(Y2O3)), devido à sua capacidade de
diferenciadas (CALLISTER JR.; RETHWISCH, não reagir com o tecido adjacente, resistência à
2013). Voltaremos a falar sobre os materiais semi- corrosão, grande resistência ao desgaste e alta re-
condutores mais adiante, na Unidade 7. sistência mecânica (BIOFABRIS, [2019], on-line)2.
A palavra magnetismo está associada ao fenômeno de atração que um material exerce sobre outro
material. Sendo assim, os materiais magnéticos são materiais com a capacidade de exercer uma força
de atração ou repulsão sobre outros materiais.
Alguns materiais são capazes de se manterem magnetizados mesmo na ausência de um campo
magnético, eles são chamados de ferromagnéticos; outros materiais apresentam propriedades mag-
néticas apenas na presença de um campo magnético atuante.
Um exemplo de material ferromagnético é o imã em barra, apresentado na Figura 4a, que exibe dois
polos identificados (norte-sul); para um imã reto e um imã em formato de U, na Figura 4b, são visuali-
zadas as linhas de campo formadas pela limalha de ferro quando submetida a esses dois tipos de imãs.
a) Ímã de barra
b) Ímã em ferradura
Figura 4 - a) Representação das linhas de campo de um imã; b) O efeito do imã sobre a limalha de ferro
UNIDADE 1 23
Os materiais magnéticos possuem aplicações variadas, desde pequenos imãs para fechar portas de
armários, até componentes sofisticados utilizados na indústria de eletrônicos (RODRIGUEZ, 1998).
Os materiais magnéticos serão vistos com maior detalhamento na Unidade 8.
Nanotecnológicos
Iônico Atômico
Sal de Cozinha – NaCl Diamante – C
Molecular Metálico
Gelo seco – CO2 Ferro metálico - Fe
Como existem diversas estruturas cristalinas cionado com a aresta de comprimento b, e o eixo
diferentes, é conveniente agrupá-las de acordo z está relacionado com a aresta de comprimento
com a configuração de suas células unitárias. O c, como mostrado na Figura 7.
enfoque mais utilizado é fundamentado somen-
te na geometria da célula unitária, sem levar em
z
consideração as posições dos átomos nela.
Além disso, para que seja possível a aplicação
desse enfoque, definimos um sistema de coorde-
nadas cartesianas xyz, com a origem posicionada
em um dos vértices da célula unitária, e com cada
um dos eixos, x, y e z, coincidindo com uma das
arestas do paralelepípedo e estendendo-se a partir β α
do vértice de origem. y
c
A Figura 7 representa uma célula unitária ge-
nérica de um material qualquer; nela, os parâme- γ a
tros a, b, c, α, β e γ apresentados são denominados
parâmetros de rede cristalina ou simplesmente
parâmetros de rede, onde a, b e c são os compri- x b
mentos das arestas que compõem a célula unitá-
ria e α, β e γ são os ângulos formados entre essas
Figura 7 - Esquematização de uma célula unitária genérica
arestas. Por convenção, o eixo x está relacionado
com a aresta de comprimento a, o eixo γ está rela-
e seus parâmetros de rede
Fonte: adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2013).
UNIDADE 1 27
Sistema Relações Ângulos entre Geometria da
Cristalino Axiais os Eixos Célula Unitária
a a a
Romboédrico
a=b=c α = β = γ ≠ 90° aa
(Trigonal)
a
Figura 8 - Representação e caracterização dos parâmetros da célula unitária para os sete sistemas cristalinos
Fonte: adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2013).
Cúbico
a
a
α
a c
a
a
de corpo centrado a a
a
c
a
b de face centrada
Ortorrômbico
Redes de Bravais
β c β α
c β
a γ
a
b b
Monoclínico Triclínico
UNIDADE 1 29
Polimorfismo e alotropia
Quando estudamos os materiais, não podemos deixar de mencionar um fenômeno conhecido como
polimorfismo; esse fenômeno ocorre, principalmente, em metais e alguns ametais. O polimorfismo
acontece quando um material possui mais do que uma estrutura cristalina, e esta que prevalece é depen-
dente da temperatura e pressão às quais o material é submetido. Em sólidos elementares, ou seja, em um
material formado apenas por um elemento químico, o mesmo fenômeno recebe o nome de alotropia.
Na Figura 10, a seguir, vemos quatro formas alotrópicas do carbono, ou seja, quatro arranjos cris-
talinos diferentes dos átomos de carbono e, por consequência, quatro compostos com propriedades
distintas, formados somente por carbono.
Geralmente, as transformações polimórficas são acompanhadas de mudanças nas propriedades
físicas do material, por exemplo, na massa específica. Um outro exemplo de alotropia acontece com
o estanho branco, que possui uma estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado nas condições
ambiente; porém, quando submetido à temperatura de 13,2 °C, transforma-se em estanho cinza, que
possui uma estrutura cristalina cúbica (semelhante à do diamante). A velocidade com que a transfor-
Grafite Diamante
Fulereno Grafeno
UNIDADE 1 31
ASKELAND, D. R.; WRIGHT, W. J. Ciência e Engenharia dos Materiais. 3. ed. São Paulo: Editora Cengage
Learning, 2015.
CALLISTER JR., W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e Engenharia de Materiais: uma Introdução. 8. ed. Rio
de Janeiro: Editora LTC, 2013.
PIRES, A. L. R.; BIERHALZ, A. C. K.; MORAES, Â. M. Biomateriais: tipos, aplicações e mercado. Química nova,
On-line, v. 38, n. 7, p. 957-971, 2015. Disponível em: http://quimicanova.sbq.org.br/detalhe_artigo.asp?id=6262.
Acesso em: 1 abr. 2019.
SHACKELFORD, J. F. Ciência dos Materiais. 6. ed. São Paulo: Editora Pearson, 2013.
SMITH, W. F.; ROSA, M. Princípios de ciência e engenharia de materiais. 3. ed. Portugal: Editora McGra-
w-Hill, 1998.
ZARBIN, A. J. G. Química de (nano) materiais. Química Nova, On-line, v. 30, n. 6, p. 1469, 2007. Disponível
em: http://www.scielo.br/pdf/qn/v30n6/a16v30n6.pdf. Acesso em: 1 abr. 2019.
REFERÊNCIAS ON-LINE
1
Em: http://www.durocontrol.com.br/blog/dureza/. Acesso em: 28 maio 2019.
2
Em: http://biofabris.com.br/pt/biomateriais/. Acesso em: 28 maio 2019.
3
Em: https://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6414-empacotamen-to-atomico-dos-cristais-intro-
ducao#.W43_pM4zqpp. Acesso em: 28 maio 2019.
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1. D.
a≠b≠c ; γ = β = α = 90°
A afirmativa II está incorreta porque a estrutura é ortorrômbica, contudo, não há como determinar a
estrutura ortorrômbica dentre as quatro possibilidades, pois nessa representação não temos os átomos
apresentados.
A afirmativa III está incorreta porque a célula unitária não possui nenhuma aresta igual. E a afirmativa IV
está incorreta porque o sistema é ortorrômbico.
2. D.
A afirmativa III está incorreta, pois os metais e suas ligas são substâncias inorgânicas constituídas por
elementos químicos metálicos e podendo conter elementos não metálicos como o carbono, por exemplo.
Dentre os materiais metálicos mais usuais estão o magnésio, o cobre, o alumínio, a prata, o bronze, o
titânio, o ouro, o aço, o ferro entre outros.
3. A.
A afirmativa III está incorreta, pois alguns materiais possuem comportamento magnético naturalmente;
esse comportamento magnético envolve a capacidade de exercer uma força de atração ou repulsão sobre
outros materiais
A alternativa IV também está incorreta, pois a nanotecnologia aplicada as ciências dos materiais possibilita
modificar as propriedades de um determinado material por meio do controle do tamanho e da forma de
suas partículas constituintes e com isso obter novas possibilidades de aplicação para o mesmo material.
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