Tecnicas

1. Técnicas e materiais deTécnicas e materiais de
construçãoconstrução
Uma introduçãoUma introdução
Prof. DSc. Stênio Cavalier CabralProf. DSc. Stênio Cavalier Cabral
E-mail – stenio.cavalier@gmail.comE-mail – stenio.cavalier@gmail.com

2. Capítulo 1 / Introdução
 PERSPECTIVA HISTÓRICA
Historicamente, o desenvolvimento e o avanço
das sociedades têm estado intimamente ligados
às habilidades dos seus membros em produzir e
manipular materiais para satisfazer as suas
necessidades.
De fato, as civilizações antigas foram designadas
pelo nível de seus desenvolvimentos em relação
aos materiais (isto é, Idade da Pedra, Idade do
Bronze).

4. Os primeiros seres humanos tiveram acesso a apenas um
número limitado de materiais, aqueles que ocorrem
naturalmente: pedra, madeira, argila, peles, e assim por
diante.
Com o tempo eles descobriram técnicas para a produção
de materiais que tinham propriedades superiores às dos
produtos naturais; estes novos materiais incluíam a
cerâmica e vários metais.
Além disso, foi descoberto que as propriedades de um
material poderiam ser alteradas através de tratamentos
térmicos e pela adição de outras substâncias. Naquele
ponto, a utilização de materiais era totalmente um
processo de seleção, isto é, decidia-se, a partir de um
conjunto relativamente limitado de materiais disponíveis,
aquele que era o mais adequado para uma dada aplicação
em virtude das suas características.

5. Desta forma, dezenas de milhares de materiais
diferentes foram desenvolvidos com características
relativamente específicas que atendem as
necessidades de nossa moderna e complexa
sociedade; estes incluem metais, plásticos, vidros e
fibras.
O desenvolvimento de muitas tecnologias que tornam
nossa existência tão confortável tem estado
intimamente associado com a acessibilidade a
materiais adequados. Um avanço na compreensão
de um tipo de material é freqüentemente o precursor
da progressão escalonada de uma tecnologia. Por
exemplo, os automóveis não teriam sido possíveis
sem a disponibilidade de aço a baixo custo ou de
algum outro substituto comparável. Em nossos
tempos, dispositivos eletrônicos sofisticados
dependem de componentes que são feitos a partir
dos chamados materiais semicondutores.

6.  A disciplina envolve a investigação das
relações que existem entre as estruturas
e as propriedades dos materiais. Em
contraste, a engenharia de materiais
consiste, com base nestas correlações
estrutura-propriedade, no projeto ou
engenharia da estrutura de um material
para produzir um conjunto
predeterminado de propriedades.
Técnicas e materiais de
construção.

7. "Estrutura" é, a esta altura, um termo nebuloso que
merece alguma explicação. Sucintamente, a
estrutura de um material está geralmente
relacionada ao arranjo de seus componentes
internos. A estrutura subatômica envolve elétrons no
interior dos átomos individuais e as interações com
seus núcleos. No nível atômico, a estrutura engloba
a organização dos átomos ou moléculas em relação
uns aos outros. O próximo universo estrutural de
maior dimensão, que contém grandes grupos de
átomos normalmente conglomerados, é chamado de
"microscópico", significando aquele que está sujeito
a observação direta usando algum tipo de
microscópio. Finalmente, os elementos estruturais
que podem ser vistos a olho nu são chamados de
"macroscópicos".

8.  A noção de "propriedade" merece
elaboração. Enquanto em uso, todos os
materiais estão expostos a estímulos
externos que provocam algum tipo de
resposta. Por exemplo, uma amostra
sujeita a forças irá experimentar uma
deformação; ou uma superfície metálica
polida irá refletir a luz. Propriedade é uma
peculiaridade do material em termos do
tipo e da intensidade da resposta a um
estímulo específico que lhe é imposto.
Geralmente, as definições das
propriedades são feitas de maneira
independente da forma e do tamanho do
material.

9. Virtualmente, todas as propriedades importantes
dos materiais sólidos podem ser agrupadas em
seis categorias diferentes:
mecânica,
elétrica,
térmica,
magnética,
ótica e
deteriorativa.
Para cada uma existe um tipo característico de
estímulo capaz de provocar diferentes respostas.

10. As propriedades mecânicas relacionam
deformação com uma carga ou força
aplicada; são exemplos o módulo de
elasticidade e a resistência.
Para as propriedades elétricas, como a
condutividade elétrica e a constante
dielétrica, o estímulo é um campo elétrico.
O comportamento térmico de sólidos pode
ser representado em termos da
capacidade calorífica e da condutividade
térmica.

11. As propriedades magnéticas demonstram a
resposta de um material à aplicação de um
campo magnético.
Para as propriedades óticas, o estímulo é a
radiação eletromagnética ou a luminosa; o
índice de refração e a refletividade são
propriedades óticas representativas.
Finalmente, as características deteriorativas
indicam a reatividade química dos materiais.

12. Além da estrutura e propriedades, dois outros
componentes importantes estão envolvidos na
ciência e na engenharia dos materiais, quais
sejam, "processamento" e "desempenho".
Com respeito às relações destes quatro
componentes, a estrutura de um material irá
depender da maneira como ele é processado.
Além disso, o desempenho de um material será
uma função das suas propriedades.
Assim, a inter-relação entre processamento,
estrutura, propriedades e desempenho é linear,
conforme mostrado na ilustração esquemática da
Fig. 1.1.

13. Apresentamos agora um exemplo destes
princípios de processamento-estrutura-
propriedades-desempenho com o auxílio da Fig.
1.2, uma fotografia que apresenta três amostras
com o formato de discos delgados, colocadas
sobre algum material impresso. Fica óbvio que as
propriedades óticas (isto é, a transmitância da luz)
de cada um dos três materiais são diferentes; o
material à esquerda é transparente (isto é,
virtualmente a totalidade da luz refletida passa
através dele), enquanto os discos no centro e à
direita são, respectivamente, translúcido e opaco.

15. Todas estas amostras são compostas pelo mesmo
material, oxido de alumínio, porém aquela mais à
esquerda é o que chamamos de um monocristal —
isto é, ela é altamente perfeita —, o que dá origem
a sua transparência. A amostra do centro é
composta por numerosos monocristais muito
pequenos, todos conectados entre si; as fronteiras
entre estes pequenos cristais espalham uma
fração da luz refletida da página impressa, o que
torna este material opticamente translúcido. E,
finalmente, a amostra à direita é composta não
somente por muitos cristais pequenos interligados,
mas também por um grande número de poros ou
espaços vazios muito pequenos. Estes poros
também espalham de maneira efetiva a luz
refletida, tornando este material opaco

16. Os materiais sólidos têm sido convenientemente agrupados
em três classificações básicas: metais, cerâmicos e polímeros.
Esse esquema está baseado principalmente na composição
química e na estrutura atômica, e a maioria dos materiais se
encaixa em um ou outro grupamento distinto, embora existam
alguns materiais intermediários. Adicionalmente, existem três
outros grupos de materiais importantes na engenharia —
compósitos, semicondutores e biomateriais. Os compósitos
consistem em combinações de dois ou mais materiais
diferentes, enquanto os semicondutores são utilizados devido
às suas características elétricas peculiares; os biomateriais
são implantados no interior do corpo humano.
Uma explicação sucinta dos tipos de materiais e suas
características representativas é apresentada a seguir.

17. METAIS
Materiais metálicos são normalmente combinações de
elementos metálicos. Eles possuem um número grande de
elétrons não localizados;
isto é, estes elétrons não estão ligados a qualquer átomo em
particular. Muitas propriedades dos metais são atribuídas
diretamente a estes elétrons. Os metais são condutores
extremamente bons de eletricidade e calor, e não são
transparentes à luz visível; uma superfície metálica polida
possui uma aparência lustrosa. Além disso, os metais são
muito resistentes, e ainda assim deformáveis, o que é
responsável pelo seu uso extenso em aplicações estruturais.

18. CERÂMICOS
Os cerâmicos são compostos entre os elementos metálicos e
não metálicos;
eles são frequentemente óxidos, nitretos, carbetos e boretos.
A grande variedade de materiais que se enquadra nesta
classificação inclui cerâmicos que são compostos por minerais
argilosos, cimento e vidro. Estes materiais são tipicamente
resistentes à passagem de eletricidade e calor, e são mais
resistentes a altas temperaturas e ambientes abrasivos do que
os metais e polímeros.
Com relação ao comportamento mecânico, os cerâmicos são
duros, porém muito quebradiços.

19. POLÍMEROS
Os polímeros compreendem os materiais comuns de
plástico e borracha. Muitos deles são compostos
orgânicos que têm sua química baseada no carbono,
no hidrogênio e em outros elementos não-metálicos;
além disso, eles possuem estruturas moleculares
muito grandes. Estes materiais possuem tipicamente
baixas densidades e podem ser extremamente
flexíveis.

20. COMPÓSITOS
Vários materiais compósitos, que consistem em mais
de um tipo de material, têm sido desenvolvidos pela
engenharia. A fibra de vidro é um exemplo familiar, no
qual fibras de vidro são incorporadas no interior de um
material polimérico. Um compósito é projetado para
mostrar uma combinação das melhores características
de cada um dos materiais que o compõe. A fibra de
vidro adquire resistência do vidro e flexibilidade do
polímero. Muitos dos desenvolvimentos recentes de
materiais têm envolvido materiais compósitos.

21. SEMICONDUTORES
Os semicondutores possuem propriedades elétricas que são
intermediárias entre aquelas apresentadas pelos condutores
elétricos e pelos isolantes. Além disso, as características
elétricas destes materiais são extremamente sensíveis à
presença de minúsculas concentrações de átomos de
impurezas, concentrações que podem ser controladas ao
longo de regiões espaciais muito pequenas. Os
semicondutores tornaram possível o advento dos circuitos
integrados, que revolucionaram totalmente as indústrias de
produtos eletrônicos e de computadores (para não mencionar
as nossas vidas) ao longo das últimas duas décadas.

22. BIOMATERIAIS
Os biomateriais são empregados em componentes
implantados no interior do corpo humano para a
substituição de partes do corpo doentes ou
danificadas. Esses materiais não devem produzir
substâncias tóxicas e devem ser compatíveis com os
tecidos do corpo (isto é, não devem causar reações
biológicas adversas). Todos os materiais citados
acima — metais, cerâmicos, polímeros, compósitos e
semicondutores — podem ser usados como
biomateriais.

23. MATERIAIS AVANÇADOS
Os materiais utilizados em aplicações de alta
tecnologia ( ou hightech) são algumas vezes
chamados de materiais avançados.

24.  Ciência e tecnologia dos materiais faz
parte do conhecimento básico para
todas as engenharias
As propriedades dos materiais definem:
 o desempenho de um determinado
componente e o processo de fabricação
do mesmo

25. Propriedades dosPropriedades dos
MateriaisMateriais
Composição e ProcessoComposição e Processo
de Fabricaçãode Fabricação
MicroestruturaMicroestrutura
EE
NN
GG
EE
NN
HH
AA
RR
II
AA

26. Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do
Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da

27. O número de materiais cresceu muito
nas últimas décadas e a tendência é
de se proliferarem mais num futuro
próximo
 Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos
métodos de extração de materiais da natureza
 Modificação de materiais naturais
 Combinação de materiais conhecidos para a
formação de novos materiais

28. Entre 40000 e 80000
diferentes, contando as variantes
de tratamento térmico e composição
de cada material
QUANTOS MATERIAIS DIFERENTES EXISTEM ?
COMO ESCOLHER ??

29. Como definir qual o melhor material para
um determinado fim?
Exemplo: Copo
Vidro
Cerâmica
Plástico
Madeira
Metal
Papel
 Custo
 Tempo de vida ou
Durabilidade
 Aparência
 Finalidade: Natureza do
líquido (ex: copo de
metal e papel não pode
ser usado para café,
suco de laranja não
pode ser armazenado
numa taça antiga de
peltre porque remove o
Pb da liga)
Depende

30. Quais os critérios que um engenheiro deve
adotar para selecionar um material entre
tantos outros?
 Em primeiro lugar, o engenheiro deve
caracterizar quais as condições de
operação que será submetido o referido
material e levantar as propriedades
requeridas para tal aplicação, saber como
esses valores foram determinados e quais as
limitações e restrições quanto ao uso dos
mesmos.

31. Quais os critérios que um engenheiro deve adotar
para selecionar um material entre tantos outros?
 A segunda consideração na escolha do
material refere-se ao levantamento sobre o
tipo de degradação que o material sofrerá em
serviço.
 Por exemplo, elevadas temperaturas e
ambientes corrosivos diminuem
consideravelmente a resistência mecânica.

32. Quais os critérios que um engenheiro deve adotar
para selecionar um material entre tantos outros?
 Finalmente, a consideração talvez mais
convincente é provavelmente a
econômica:
Qual o custo do produto acabado???
Um material pode reunir um conjunto
ideal de propriedades, porém com custo
elevadíssimo.

33. INDÚSTRIA DE PONTA PRODUÇÃO EM MASSA
TIPOS DE INDÚSTRIA - INFLUÊNCIA DOS MATERIAIS
SELEÇÃO CUIDADOSA
(FATOR CUSTO SECUNDÁRIO)
SELEÇÃO CUIDADOSA
(FATOR CUSTO PRIMORDIAL)
• Grande exigência
tecnológica
• Utilização dos mate-
riais nos limites
• Produtos não
diferenciados
• Utilização de materiais
abaixo dos limites
Figura copiada do material do Prof. Arlindo Silva do Instituto
Superior Técnico da Universidade de Portugal

34. Quais os critérios que um engenheiro deve adotar
para selecionar um material entre tantos outros?
 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.

35. CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
 A classificação tradicional dos materiais
é geralmente baseada na estrutura
atômica e química destes.

36. CLASSIFICAÇÃO DOS
MATERIAIS
 Metais
 Cerâmicas
 Polímeros
 Compósitos
 Semicondutores
 Biomateriais (Mat. Biocompatíveis)
Classificação tradicional

37. CLASSIFICAÇÃO DOS
MATERIAIS
 Metais  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

39. CLASSIFICAÇÃO DOS
MATERIAIS
 Cerâmicas
 Materiais cerâmicos são geralmente
uma combinação de elementos
metálicos e não-metálicos.
 Geralmente são óxidos, nitretos e
carbetos
 Geralmente tem alta resistência a
passagem de calor e eletricidade
 São mais resistentes à altas
temperaturas e à ambientes
severos que metais e polímeros
 Com relação às propriedades
mecânicas as cerâmicas são duras,
porém frágeis
 Em geral são leves
ALUMINA

40. OS MATERIAS CERÂMICOS NA TABELA PERIÓDICA
Os cerâmicos são constituídos de metais e não-metais

41. CLASSIFICAÇÃO DOS
MATERIAIS
 Polímeros  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

43. CLASSIFICAÇÃO DOS
MATERIAIS
 Compósitos
 Materiais compósitos são
constituídos de mais de um tipo
de material insolúveis entre si.
 Os compósitos são “desenhados”
para apresentarem a combinação
das melhores características de
cada material constituinte
 Muitos dos recentes
desenvolvimento em materiais
envolvem materiais compósitos
 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

44. CLASSIFICAÇÃO DOS
MATERIAIS
 Semicondutores
 Materiais semicondutores
apresentam propriedades
elétricas que são intermediárias
entre metais e
isolantes(resistentes a passagem
de corrente)
 Além disso, as características
elétricas são extremamente
sensíveis à presença de
pequenas quantidades de
impurezas, cuja concentração
pode ser controlada em pequenas
regiões do material (para formar
as junções p-n)
 Os semicondutores tornaram
possível o advento do circuito
integrado que revolucionou as
indústrias de eletrônica e
computadores
InP

45. CLASSIFICAÇÃO DOS
MATERIAIS
 Biomateriais  Biomateriais são empregados em
componentes para implantes de
partes em seres humanos
 Esses materiais não devem
produzir substâncias tóxicas e
devem ser compatíveis com o
tecido humano (isto é, não deve
causar rejeição).
 Metais, cerâmicos, compósitos e
polímeros podem ser usados
como biomateriais.

46. EVOLUÇÃO DA UTLIZAÇÃO DOS MATERIAIS
Figura copiada do material do Prof. Arlindo Silva do Instituto
Superior Técnico da Universidade de Portugal

47. MATERIAIS AVANÇADOS
 São materiais utilizados em aplicações de
tecnologia de ponta, ou seja, são materias
utilizados para a fabricação de dispositivos ou
componentes que funcionam ou operam usando
princípios sofiscados
 Exemplos destas aplicações incluem:
equipamentos eletrônicos, computadores,
sistemas de fibra óptica, foguetes e mísseis
militares, detectores, lasers, displays de cristal
líquido, indústria aeroespacial, etc.
 Estes materiais são geralmente materiais
tradicionais cujas propriedades são optimizadas
ou materiais novos de alto desempenho.

48. ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE A
NECESSIDADE DE MATERIAIS MODERNOS
 Materias que apresentem:
- Alto desempenho
- Baixo peso e alta resistência
- Resistência à altas temperaturas
- Desenvolvimento de materiais que
sejam menos danosos ao meio
ambiente e mais fáceis de serem
reciclados ou regenerados