(1) O documento introduz os principais conceitos sobre classificação e tipos de materiais, incluindo metais, cerâmicos, polímeros, compósitos e semicondutores. (2) Também discute materiais avançados e a necessidade de materiais modernos para diferentes aplicações. (3) Explica a importância dos recursos minerais para o desenvolvimento da humanidade e da sociedade.

1. INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS
CONCEITOS
BÁSICOS
Prof. Belarmino B. Lira

2. Classificação dos Materias
 Metais (Combinações de elementos metálicos)
 Cerâmicos (Elementos metálicos e não metálicos)
 Polímeros (Ex. Plásticos e borracha)
 Compósitos (Fibra de vidro com polímero )
 - Resistência do vidro e a flexibilidade do polímero
 Semicondutores
 -Propriedades elétricas intermediária (cond. e isolantes) – Circuitos
integrados
 Biomateriais
 - Implantes nos corpos humanos

3. Materiais avançados
 Ex. Materiais usados em laser, circuitos
integrados, fibra optica
Mecessidade de Materiais Modernos

4. Importância dos recursos minerais

A evolução da humanidade:
 Idades da pedra, do bronze, do ferro, etc.
Nenhuma civilização pode prescindir do uso dos bens minerais,
principalmente quando se pensa em qualidade de vida, uma
vez que as necessidades básicas do ser humano - alimentação,
moradia e vestuário - são atendidas essencialmente por estes
recursos.
Uma pessoa consome direta ou indiretamente cerca de 10
toneladas/ano de produtos do reino mineral, abrangendo 350
espécies minerais distintas. A construção de uma residência é
um exemplo desta diversidade.

6. Sua casa vem da mineração

7. Realização de uma obra de
engenharia, estão envolvido
- projeto
- materiais
- execução
conhecimento das materiais e minerais@pr.gov.br
suas propriedades é de
fundamental importância para
uma construção bem
sucedida:
Uso adequado dos materiais!

8. Elemento construtivo Principais substâncias minerais utilizadas
tijolo argila
bloco areia, brita, calcário
fiação elétrica cobre, petróleo
lâmpada quartzo, tungstênio, alumínio
fundações de concreto areia, brita, calcário, ferro
ferragens ferro, alumínio, cobre, zinco, níquel
vidro areia, calcário, feldspato
louça sanitária caulim, calcário, feldspato, talco
azulejo caulim, calcário, feldspato, talco
piso cerâmico argila, caulim, calcário, feldspato, talco
isolante - lã de vidro quartzo e feldspato
isolante - agregado mica
pintura - tinta calcário, talco, caulim, titânio, óxidos metálicos
caixa de água calcário, argila, gipsita, amianto, petróleo
impermeabilizante - betume folhelho pirobetuminoso, petróleo
pias mármore, granito, ferro, níquel, cobalto
encanamento metálico ferro ou cobre

9. forro de gesso gipsita
esquadrias alumínio ou ligas de ferro-manganês
piso pedra ardósia, granito, mármore
calha ligas de zinco-níquel-cobre ou fibro-amianto
telha cerâmica argila
telha fibro-amianto calcário, argila, gipsita, amianto
pregos e parafusos ferro, níquel
e outros equipamentos e bens que nos garantem qualidade de vida também
lápis, papel, louças, martelo, automóvel,
alimentos - corretivo de solo, medicamento,
borracha, talheres, serra, avião,
fertilizante, defensivo agrícola perfumaria
giz panelas torno barco
rodovia, hidroelétrica, computador, fogão, combustível
água
ferrovia termoelétrica televisão geladeira

10. Desenvolvimento social e econômico
A atividade mineral => recursos minerais essenciais ao seu
desenvolvimento
A intensidade de aproveitamento dos recursos um indicador social.
Ex. O consumo per capita de agregados para a construção civil (areia + brita),
este reflete a real intensidade estrutural de uma sociedade, pois está
associado diretamente às vias de escoamento de produção, obras de arte,
como viadutos e pontes, saneamento básico, hospitais, escolas, moradias,
edifícios, energia elétrica e toda sorte de elementos intrínsecos ao
desenvolvimento econômico e social de um povo.
O crescimento sócio-econômico implica em maior consumo de bens minerais,
O caráter pioneiro da mineração resulta em novas fronteiras econômicas e
geográficas, abrindo espaço para o desenvolvimento e gerando
oportunidades econômicas

12. (Trilhões de Btu)
Consumo de Energia
Industrial Energy Intensity vs. Energy Consumption
1000
Energy-Intensive Industries
Petroleum
100
Energy Intensity (Thousand Btu/$ GDP)
Primary Metals Paper
Chemicals
Mining Minerals
Textiles/Apparel
Wood
10
Food Processing
Tobacco/Beverages
Plastics/ Fabricated Metals
Furniture Rubber
Transportation
Leather Printing
Machinery and Computers
Miscellaneous Electrical
1
10 100 1000 10000
Energy Consumption (Trillion Btu)
Sources: EIA 2001, 1998 Manufacturing Energy Consumption Survey; U.S. DOE 2002, Energy and Environmental Profile of the
U.S. Mining Industry

13. Mineral
É um corpo natural sólido e cristalino formado em
resultado da interacção de processos físico-químicos em
ambientes geológicos. Cada mineral é classificado e
denominado não apenas com base na sua composição
química, mas também na estrutura cristalina dos materiais
que o compõem.
Materiais com a mesma composição química podem
constituir minerais totalmente distintos em resultado de
meras diferenças estruturais na forma como os seus
átomos ou moléculas se arranjam espacialmente (como
por exemplo a grafite e o diamante).

15. Rochas
 É um agregado natural composto de alguns
minerais ou de um único mineral.

16. Origem dos Materiais
Conceitos de Mineração
Superfície
Corpo
Mineralizado
Esc:
1km

17. Mineração - Lavra
Céu aberto
Bancada

18. Lavra a céu aberto

20. Petróleo

21. Processamento Mineral

23. Fluxograma - Britagem, Moagem e Classificação
Refugo da moagem

26. Liberação - Cominuição

27. Metodos físicos de Conentração :
Gravimetrica, Eletrostática, Magnética; Flotação e Flocução Seletiva

28. Construções devem apresentar:
Segurança
Servicibilidade
Durabilidade
Servicibilidade: comportamento adequado=> envolvendo
pequenas deformações, aparência, conforto, etc
Fator fundamental:
Custo

29. No trabalho; na produção e na estrutura da
Segurança construção
No trabalho:
 Pessoa qualificada
(Engenheiro) presente
no canteiro de obras.
 Obrigatoriedade do uso
de capacetes, luvas,
botas, cintos de
segurança.
 Conscientização dos
trabalhadores a fim de
evitar acidentes .

30. Segurança Sob o ponto de vista estrutural:
 assegurar que a construção não se torne
imprópria causando danos

31. Segurança Sob o ponto de vista da geologia
 assegurar que a localização da construção
seja adequada e não cause danos

32. Servicibilidade
Comportamento adequado para a construção

33. Conforto
O conforto deve ser previsto pelo projetista
da obra e assegurado por uma boa
manutenção.
Exemplos de previsão de conforto:
 Eliminação de vibração em pontes.
 Controle da deformabilidade excessiva.
 Eliminação de ruídos.
 Previsão de boa iluminação.
 Projeto de refrigeração e/ou aquecimento.
 Velocidade e estabilidade de elevadores.

34. Aparência
A aparência de uma obra deve ser de tal
modo que não cause impacto negativo sobre
o meio ambiente.
O conforto está diretamente ligado à aparência
e certos detalhes (cor, forma, textura e outros
detalhes artísticos) mostram isso claramente.

35. Durabilidade
Capacidade de a construção se manter em
condições normais de utilização ao longo da sua vida
É importante lembrar que
nada é eterno e por melhor
que seja a obra, seu tempo
de vida está ligado à sua
manutenção.
Necessidade de conhecer bem os materiais a serem utilizados!

36. Aspecto econômico
A boa engenharia é aquela que proporciona
a associação mais adequada de segurança,
durabilidade, conforto e arte com o menor
custo possível.
Ou seja, a economia é um ponto relevante
que põe em conjunto todos os outros
aspectos, formando com isso, um projeto
bem sucedido.

37. Ciências ligadas aos Materiais
A fim de se realizar uma construção, é
preciso se conhecer a priori as ações
externas atuantes como: peso próprio,
cargas temporárias ou acidentais, ações do
vento, temperatura, efeitos de terremotos,
etc.
É nesse contexto que a interação de diversas
ciências (Física, Mecânica, Química,
Metalurgia, Mineração e Geologia etc) ocorre.

38. Normalização
Normas técnicas: existem para regulamentar os ensaios
que permitam avaliação da qualidade, classificação e o
emprego dos diversos materiais.
Ao redor de todo o mundo diversas entidades estão
responsáveis pelas normas:
Brasil: ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas)
Estados Unidos: ASTM (American Society for Testing
Materials)
Europa: CEN (Comitê Europeu de Normalização)
Mundo: ISO (International Standard Organization)

39. Propriedades dos materiais sólidos
Por serem os materiais mais importantes
para a indústria da construção civil, as
propriedades dos corpos sólidos devem ser
estudadas de modo a permitir o
conhecimento do comportamento em serviço
da construção.

40. CONCEITOS STRESS E STRAIN
•Stress significa “tensão“, que tem por medida força/área (N/m2 ).
A tensão é a força/área necessária para produzir deformação
(aplicando-se um stress em um corpo será gerado um strain).
• Strain significa “deformação". É uma grandeza escalar medida
somente pelo comprimento.
Tensor é quantitativo matemático usado para descrever a
propriedade física de um material.
Tanto o stress quanto o strain são materializados por elipsóides
utilizados para representação espacial da tensão e da
deformação, cujos eixos são inversamente proporcionais.

41. Elipsóide de deformação (strain)
Eixos são representados pelas letras “x","y","z“, onde x>y>z
representam uma ordem decrescente de deformação.
O elipsóide de tensão é inversamente proporcional ao
elipsóide dedeformação. Numa comparação aproximada:
σ1 Z /σ2 Y /σ3 X
Os eixos dos elipsóides variam de acordo com o stress
aplicado na superfície rochosa. Desta forma os eixos
podem sofrer:
Estiramento/Encurtamento/Encurtamento
Estiramento/Encurtamento/Estiramento
Encurtamento/Estiramento/Estiramento

42.  Unidade de Tensão:
Unidade de força (N)/unidade de área (m 2):
Pascal: Pa = N/m2
 Em engenharia: Pascal unidade muito
pequena: usa-se megapascal: MPa
 1 MPa =1N/mm2 =1000kN/m2 = 0,1kN/cm2
 1MPa = 10 kgf/cm2 = 100 tf/m2

43. Conceito de tensão em um ponto
Para que um corpo esteja em equilíbrio,
qualquer de suas partes (corpo livre) deve
estar em equilíbrio.
Corpo submetido a um Corpo em equilíbrio
sistema de forças devido a suas forças
externas. internas.

44. Tensão em um ponto
 ∆f 
Tensão: σ = lim 
∆S →0 ∆S 
 
 ∆f n 
Tensão Normal:
σ n = σ = lim  
∆S →0 ∆S
 
 ∆f t 
Tensão Tangencial: σ t = τ = lim  
∆S →0 ∆S
 
Portanto, é possível verificar que o valor da tensão
depende da orientação do plano considerado.

46. Fatores extrínsecos
(a) Pressão confinante: materiais friáveis tornam-se mais dúcteis,
quanto maior a pressão confinante (PC). Os limites de elasticidade,
resistência e esforço máximo se elevam com o aumento da PC, isto significa
que a maiores profundidades maiores esforços são necessários para
produzir a mesma deformação.
(b) Temperatura: facilita a deformação, tornando os materiais mais
dúcteis, principalmente quando a pressão confinante e a temperatura
somam seus efeitos. O limite da resistência, o esforço máximo e o limite de
elasticidade, diminuem com o aumento de temperatura, isto significa que a
mesma deformação é causada poresforços, tanto menores, quanto maior for
a temperatura. A temperatura age contrariamente em relação à pressão
confinante.
(c) Tempo de Aplicação do Esforço: se faz lentamente e com pausas -
fenômeno comum na natureza – através de acréscimos infinitesimais.
Quanto maior o tempo de aplicação do esforço mais dúctil será a
deformação.

48. Fatores intrínsecos
(d) Presença de Fluídos
O limite de plasticidade, o limite de resistência e o esforço máximo,
diminuem com a presença das soluções (uma mesma deformação exige
esforços menores se a rocha portar soluções).
(e) Anisotropia Estrutural
Corpos de provas, cortados paralelamente e perpendicularmente à
xistosidade, mostram comportamentos diferentes (a orientação da
anisotropia estrutural influi na deformação).
(f) Heterogeneidade litológica
Willis (1932) introduziu o conceito de competência: rochas
competentes são aquelas que se deformam sem se romperem e
transmitem os esforços por distâncias maiores; rochas incompetentes
são relacionadas à deformação concomitante, com absorção de esforços
em curtas distâncias.

50. Resistência
 Capacidade de o material resistir a tensões
 Resistência: medida em ensaios padronizados
para os diversos materiais

51. Deformação
A grandeza deformação é definida como a
taxa de variação do deslocamento (u e v) em
relação à coordenada espacial (x e/ou y)
Elemento plano sofrendo deformação

52. Relação Tensão x Deformação
Lei constitutiva de um material: permite
caracterização do comportamento de um
sólido através de uma relação entre as
grandezas tensão e deformação.
Cada material apresenta comportamento de
tensão x deformação diferente.

53. Comportamentos Tensão x
Deformação

54. Módulo de Elasticidade
Módulo de elasticidade inicial: inclinação do
trecho inicial do diagrama tensão-deformação

55. Propriedades mecânicas
Elasticidade: É a propriedade que um corpo
sólido apresenta de retornar à forma original
após cessada a aplicação de carga que o
deformou.
Em um gráfico Tensão x Deformação, a elasticidade do
material está evidenciada pela coincidência dos caminhos de
carregamento e descarregamento.

56. Elasticidade
A maioria dos materiais sólidos tem um
comportamento misto, apresentando uma
relação linear-elástica para baixos níveis de
tensão e perdendo a elasticidade quando
alcança tensões elevadas.
•Deformação elástica:
recuperável quando
cessada a tensão
Curva tensão x deformação para um material com
comportamento não-linear elástico

57. Plasticidade
É a propriedade que um corpo sólido
apresenta de se deformar, mudando
substancialmente sua forma sem, no entanto,
se romper
•Deformação plástica: não
recuperável (residual)
Relação tensão x deformação para um material linear
elástico perfeitamente plástico.

58. Plasticidade
Vale ressaltar que existem materiais com
comportamento plástico não-perfeito.
Curva tensão x deformação para um material com
comportamento não-linear com plastificação.

59. Resiliência
É a quantidade de energia que o
material pode absorver e recuperar.
Graficamente, é representada pela área sob a curva
tensão x deformação no trecho de descarregamento
correspondente à absorção de energia elástica.
Representação gráfica da resiliência

60. Tenacidade
É a quantidade de energia total (em regime
elástico e plástico) que o material pode
absorver. Graficamente,é representada pela
área sob a curva tensão x deformação.
Representação gráfica da tenacidade

61. Ductibilidade e Maleabilidade
Estão relacionados com a capacidade de
deformação plástica do material.
Maleabilidade se refere à capacidade do material
se deformar sem se romper, quando submetido a
esforços de compressão, e a ductibilidade a
esforços de tração.
Todos os materiais dúcteis são maleáveis, mas
nem todos os materiais maleáveis são dúcteis. Isso
ocorre pois o material maleável pode ter pouca
resistência e romper facilmente quando submetido
à esforços de tração.

62. Ductilidade
Em termos práticos, a ductilidade é expressa em
termos do alongamento percentual em um
ensaio de tração até a ruptura.
Alongamento percentual em um ensaio de tração:
ε = (Lu-Lo)/Lo x100

63. Ductilidade
Numa curva tensão x deformação, em tração,
a ductibilidade é medida pelo nível de
deformação na ruptura.
Ex:
aço: 8% a 20 %
concreto: 0,3%-0,4%
Parâmetro de ductibilidade numa curva tensão x deformação

64. material dúctil
Rompe com grandes
deformações: aço, borracha,
fibras vegetais...
grandes deformações para
construções: mais de 1 %
Materiais dúcteis:
desejáveis para a
Engenharia=>
dão pré-aviso da ruptura

65. Material frágil
- Rompe com pequenas deformações
- ruptura sem aviso prévio: cerâmicas, vidro,
pedras, concreto.

66.  Material dúctil: rompe
com grandes
deformações (dá um
pré-aviso da ruptura)
aço
 Material frágil: rompe
com pequenas
deformações (rompe
bruscamente, sem pré-
aviso)
concreto simples

67. Fluência
É o aumento contínuo de deformação ao
longo do tempo, com o material submetido a
um estado constante de tensão.
Curva deformação x tempo representativa da fluência

68. Fadiga
Diminuição da resistência de um material
quando submetido a tensões cíclicas.
Tensão ao longo do tempo num ensaio de fadiga
Importante em pontes, estruturas industriais etc

69. Fadiga
Se a tensão for reduzida, o material suporta
um número maior de ciclos até um ponto
limite, dito limite de fadiga, onde o material
suportaria, teoricamente, um número infinito
de ciclos.
Curva resistência x nº de ciclos num ensaio de fadiga

70. Dureza
Capacidade de um material resistir à abrasão
superficial, ou seja, é a resistência que o material
oferece ao ser riscado.
A dureza relativa dos materiais é constatada através da
escala de Mooh.
Equipamento para corte de concreto:
extremidade com diamante.

71. Propriedades físicas
Peso específico
É a relação entre o peso e o volume da
amostra do material.
peso
pe =
volume
Massa específica
É a relação entre a massa e o volume da
amostra do material.
massa
me =
volume

72. Densidade
É a relação entre a massa da amostra e a
massa do mesmo volume de água destilada
a 4º C.
Ex. aço: 7,85
concreto: 2,3 a 2,4

73. Conductibilidade térmica
É a capacidade do material de permitir a
propagação de calor através de seu meio.
Esta capacidade é medida através de um
coeficiente de conductibilidade térmica K.
Fluxo de calor através de uma parede

74. desejável: menor conductibilidade
térmica: terra => melhor que concreto!
Estudo do comportamento térmico de
paredes de terra crua (UFGG)

75. Conductibilidade elétrica:
É a capacidade que o material tem de permitir
que seus elétrons de valência (elétrons do nível
de energia mais externo do átomo) se desloquem
e tornem-se livres.
Os materiais podem ser de 3 tipos:
Supercondutores: Permitem o fluxo de corrente elétrica
quase que indefinidamente.
Isolantes: Os elétrons de valência estão firmemente
retidos em orbitais fixos.
Semicondutores: Onde a condução elétrica é devido ao
fluxo combinado de elétrons de valência e íons
positivos.

76. Bibliografia Recomendada:
BAUER; Falcão - Materiais de Construção
VERÇOSA; Enio José - Materiais de Construção Civil. Vol I
PETRUCCI; E. G. R. - Materiais de Construção
- Concreto do Cimento Portland
ALVES; José Dafico - Materiais de Construção. Vol I
SILVA, Moema Ribas - Materiais de Construção
SCANDIUZZA, Luércio ANDRIOLO, Francisco R. - Concreto e seus
Materiais: Propriedades e Ensaios
MEHTA, P. Kumar MONTEIRO, Paulo J. M. - Concreto: Estrutura,
Propriedade e Materiais.
Dana, Manual de Mineralogia
Notações de aula
Internet
webmaster@webmineral.com
Indicações durante as aulas