1-Seleção e Classificação de Materiais

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Márcia Rocha
Introdução
 Seleção e Classificação de Materiais
 Classificação Tradicional
 Outras classificações
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Seleção de Materiais
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Composição – Processamento – Estrutura - Propriedade 
 As amostras de óxido de alumínio (Al2O3), abaixo foram 
obtidas por três diferentes processamentos.
Material 
monocristalino
(safira) . 
Transparente
Material policristalino e 
altamente denso (sem 
poros). Translúcido
Material policristalino
com ~5% de 
porosidade. Opaco
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Composição – Processamento – Estrutura - Propriedade 
 As três estruturas das três amostras são diferentes em 
termos das fronteiras entre os cristais e poros, o que afeta as 
propriedades de transmitância ótica.
Monocristal (transparente): monocristal altamente perfeito
Policristal denso (translúcido): Composto por inúmeros 
monocristais muito pequenos, todos conectados entre si; as fronteiras 
entre estes pequenos cristais (contornos de grão) espalham uma 
fração da luz refletida o que torna o material translúcido.
Policristal poroso (opaco): Muitos pequenos cristais interligados 
com grande número de poros. Estes poros também espalham de 
maneira efetiva a luz refletida tornando o material opaco.M
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Estrutura
Estrutura dos Materiais
(está geralmente relacionada ao arranjo de seus componentes 
internos)
Ligações Atômicas: 
Iônica, Covalente e Metálica
Estrutura: 
Cristalina, e Amorfa M
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Divisão da Estrutura nos Materiais
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Propriedades
Propriedades
Mecânicas Resistência, rigidez, tenacidade, fadiga, ductibilidade, temperabilidade,
fragilidade, plasticidade.
Elétricas Resistividade , condutividade, constante dielétrica.
Térmicas Calor específico (armazenar energia), condutividade térmica, expansão
térmica, transição vítrea.
Óticas Cor, transparência, refração, absorção, transmitância
Magnéticas Permeabilidade, imantação.
Deteriorativas Corrosão, inflamabilidade, degradação térmica.
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Critérios de Seleção de Materiais
 Condições de Operação: temperatura de trabalho, agentes 
corrosivos (ataque químico), desgaste, radiações;
 Propriedades requeridas (limitações e restrições de uso);
 Disponibilidade de matéria-prima e viabilidade técnica de 
transformação;
 Impacto ambiental / reciclabilidade pós uso;
 Custo (beneficiamento, transformação, fabricação, descarte, 
etc).
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Seleção de Materiais
 Um item comum fabricado com três diferentes tipos de materiais são os 
contêineres de bebidas. Estes podem ser comercializados em latas de alumínio 
(metal), garrafas de vidro (cerâmico) e de plástico (polímero). 
 Os recipientes irão apresentar prazos de validade diferentes. Isso acontece 
porque mesmo que as embalagens estejam vedadas, elas não impedem 
completamente a saída do gás. A garrafa pet conserva o gás de maneira inferior 
em relação às latas e vidros.
 Como as garrafas plásticas conservam menos o gás elas geralmente possuem 
prazos de validade menores. A concentração de gás presente no refrigerante é 
identificada pelo paladar por isso percebemos a diferença de sabor entre esses 
produtos.M
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Seleção de Materiais
 1. PET
Há componentes "fujões", que escapolem da embalagem para o líquido. 
Quais seriam eles? Os polímeros, micropartículas do plástico que se 
desprendem da garrafa e se misturam com o líquido. Daí o sabor 
"contaminado" de sua Coca 2 litros.
2. LATINHA
Feita de alumínio, tem a vantagem de gelar mais fácil. Esse tiro, porém, 
pode sair pela culatra. Quando a temperatura se eleva, as substâncias 
voláteis na bebida se agitam mais. Saldo: o gás carbônico - responsável 
pelo "tschiiii" da latinha - escapa mais rapidamente.
3. VIDRO
Há motivos para a preferência: é um material impermeável e de grande 
inércia química, ou seja, demora anos para interagir quimicamente com 
o conteúdo. Por ter um índice de porosidade inferior ao do alumínio e 
ao do PET, é bem mais eficiente na hora de reter o CO2.M
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Classificação Tradicional
 Os materiais sólidos são classificados, com base na estrutura 
atômica e nas ligações químicas predominantes, em três 
grupos principais:
 Metais
Compreende os metais e suas ligas.
 Cerâmicos
Cerâmicas, vidros e cimentos.
 Polímeros
Termoplásticos e termorrígidos (termofixos).
Plásticos e elastômeros (borrachas)
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Metais
 São formados pela ligação metálica entre átomos que se agrupam 
em estruturas cristalinas, possuem um numero grande de elétrons 
não localizados; isto é não estão ligados a qualquer átomo em 
particular. Muitas propriedades dos materiais são atribuídas 
diretamente a estes elétrons. Os metais são condutores 
extremamente bons de eletricidade e calor, e não é transparente a 
luz visível. São muito resistentes, e ainda assim deformável o 
que é responsável pelo seu uso extenso. 
 Podem ser divididos em metais ferrosos e não ferrosos, estando 
incluso nos ferrosos todos os metais que apresentam o elemento 
químico ferro em sua composição (ferro, aços e ferros fundidos).
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Metais – Características Básicas
 Resistentes (suportam tensões elevadas antes de romper);
 Dúcteis (alta plasticidade: deformam antes de romper);
 Rígidos (alto módulo de elasticidade);
 Tenazes (resistentes a trincas);
 Encruáveis (endurecem por deformação);
 Bons condutores de corrente elétrica e de calor.
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Cerâmicos
 Material cerâmico é uma denominação genérica dada a 
todos os materiais não metálicos e não-orgânicos. 
 são usualmente combinações de metais com elementos não 
metálicos. 
 A grande variedade de materiais que se enquadram nessa 
classificação inclui cerâmicas que são compostos por 
minerais argilosos, cimento e vidro. 
 Estes materiais são tipicamente isolantes à passagem de 
eletricidade e calor, e é mais resistente a altas temperaturas 
e ambientes abrasivos do que os metais e polímeros. São 
duros, porém muito quebradiço. 
 Os principais são: óxidos, nitretos e carbonetos.M
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Cerâmicos – Características Básicas
 Alta rigidez;
 Alta dureza;
 Não encruáveis nem maleáveis;
 Alto ponto de fusão & estabilidade térmica (refratários);
 São isolantes térmicos e elétricos;
 São frágeis (rompem sem deformar);
 Quimicamente estáveis
 Podem ser transparentes.
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Polímeros
 Polímeros são materiais compostos por macromoléculas 
orgânicas. 
 Essas macromoléculas são cadeias compostaspela repetição de 
uma unidade básica, chamada mero. Daí o nome: poli (muitos) + 
mero. 
 Tem sua química baseada no carbono, hidrogênio e outros 
elementos não metálicos. 
 Possuem estruturas moleculares muito grandes.
 Compreendem os materiais comuns de plástico e borracha.
 Possuem tipicamente baixas densidades e podem ser 
extremamente flexíveis, Têm baixa condutividade térmica e 
elétrica, tem baixa resistência mecânica e não são adequados 
para utilização em altas temperaturas.M
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Polímeros – Características Básicas
 A maioria dos polímeros é sintética (feitos pelo homem);
 Polímero mais abundante é natural: celulose;
 Materiais altamente moldáveis;
 Baixa densidade;
 Pouco rígidos;
 Baixa temperatura de fusão ou de decomposição;
 Maus condutores de calor;
 Bons isolantes elétricos
 Boa resistência química.
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Tipos de cadeias Poliméricas
Linear Ramificada Ligação Cruzada Reticulada
As cadeias são unidas 
por forças 
secundárias.
São formadas por 
cadeias lineares com 
ligações 
perpendiculares ao 
corpo do 
monômero.
As cadeias lineares 
adjacentes estão 
unidas umas às outras 
em várias posições 
por ligações 
covalentes.
Possuem 3 ligações 
covalentes ativas 
formando redes 
tridimensionais.
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Polímeros – Comportamento frente à temperatura
 Termoplásticos
Amolecem com o aumento da 
temperatura consequentemente 
são moldáveis com o aumento 
da temperatura.
 Termorrígidos
Não amolecem com o aumento 
da temperatura 
consequentemente não são 
moldáveis com o aumento da 
temperatura.
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Comportamento Mecânico
 Plásticos
Não apresentam propriedade 
de elasticidade. 
Ao serem alongados, essa 
deformação é quase 
totalmente permanente.
 Predominância da região 
plástica, região elástica é 
pequena.
 Borrachas ou Elastômeros
Exibem elasticidade em longas 
faixas de deformação na 
temperatura ambiente após o 
processo de vulcanização.
Cadeias com ligações 
cruzadas, semelhantes às dos 
termofixos, porém em menor 
densidade de reticulação.
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Cristalinidade de Polímeros
 Diferentes dos metais e cerâmicos, apresenta um 
empacotamento de cadeias moleculares.
 Em geral são parcialmente cristalinos
Parte cristalina - com ordem.
Parte amorfa - sem ordem.
 O grau de cristalinidade depende da taxa de resfriamento 
durante a solidificação e da configuração da cadeia.
 Quanto mais simples a cadeia maior a cristalinidade.
 Maior a cristalinidade maior será a densidade, a resistência 
mecânica, a resistência ao calor (amolecimento) e a 
resistência à degradação.M
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Outras Classificações - Compósitos
 Grupo de materiais formados pela combinação de metais, 
cerâmicas ou polímeros, de modo a obter combinações não-
usuais de propriedades.
Exemplos:
Concreto armado: Matriz: cimento (cerâmica), reforço: metal;
Madeira (dois polímeros, celulose e lignina);
Fibra de vidro (numa matriz polimérica com reforço de cerâmico);
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Compósitos versus Metálicos
 Vantagem do uso de compósito em ralação aos metais:
Um dos objetivos da competitiva aeronática é reduzir o peso da
aeronaves sem comprometer a rigidez e a resistência dos
componentes. Isto só é possível substituindo-se as ligas metálicas
convencionais por compósitos. Muitas vezes fabricar peças em
compósitos é mais caro que em metais, porém o ganho da redução do
gasto com combustível vale a pena. Para cada massa de 0,453 Kg
reduzida em uma aeronave comercial economiza-se 1360 litros de
combustível por ano, sendo que as despesas com combustível
representam 25% dos custos operacionais de uma aeronave
comercial. As propriedades mecânicas dos compósitos são mais
eficientes em algumas aplicações, assim sendo mais vantajoso sua
aplicação do que materiais metálicos.
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Ônibus Espacial 
 O ônibus espacial usa um sistema de proteção térmica elaborado. Durante a 
reentrada, o ônibus espacial atinge uma velocidade tão alta cerca de 27350 km/h. 
Os materiais na parte externa do ônibus espacial passam, rapidamente, de 
temperaturas no espaço, próximas ao zero absoluto, para temperaturas tão 
elevadas quanto 1650°C.
 Tijolos pretos, de cerâmica altamente avançada à base de sílica, cobrem a maior 
área da parte de baixo do ônibus espacial e são complementados por um 
cobertura isolante e uma segunda camada de tijolo cerâmico brancos. Esses 
materiais fornecem um excelente isolamento e são leves, mas não podem lidar 
sozinhos com todo o processo de proteção.
 O nariz do ônibus espacial e o bordo de ataque das asas sofrem maior 
aquecimento durante a reentrada. Para essas áreas, compósitos carbono-carbono, 
altamente especializados, são usados devido a sua habilidade única de conduzir 
em uma direção e isolar em outra. Esse escudo de compósito isolam a cabine do 
calor, ao mesmo tempo em que conduzem o calor para longe dos bordos de 
ataque do ônibus espacial .
 Fonte: Fundamentos da Moderna Engenharia e Ciência dos Materiais – James Newell - LTCM
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Veleiro
 Um veleiro típico tem casco feito de GFRP, fabricado em uma única 
moldagem; o GFRP tem boa aparência e , à diferença do aço e da madeira, 
não oxida nem é corroído pelas tempestades.
 O mastro é feito de liga de alumínio, que é mais leve do que a madeira para 
uma dada resistência, agora estão sendo fabricados mastros de tecnologia 
avançada reforçando a liga com de carbono ou boro (compósitos).
 As velas, antes fabricadas de algodão, um material natural, agora são de 
polímeros como o náilon, Terylene ou Kevlar e, no cordame de manobras, as 
cordas de algodão também foram substituídas por polímeros. Polímeros de 
PVC são usados extensivamente em vários componentes de defesas, anoraks
(jaquetas com capuz), boias e coberturas de proteção de barcos.
 Fonte: Engenharia de Materiais – Uma Introdução a Propriedades, Aplicações e Projeto –
Volume I – Michael F. Ashby e David R. H. Jones - Campus
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Exercícios
1 - As safiras, variedade cristalina de óxido de alumínio (Al2O3), incolores têm sido muito
utilizadas como um substituto para diamantes. Quando a safira branca é de boa qualidade
é transparente e sem cor e parece ser um quilate de diamante, mas não custa nem perto do
que um diamante custaria. Explique a transparência apresentada por este material.
2 - Atualmente, diversos componentes de motores de combustão interna são
confeccionados a partir de materiais cerâmicos. Qual a principal vantagem do emprego
destes materiais neste caso?
3 - Com o objetivo de aprimorar o sistema de proteção térmica do ônibus espacial alguns
pesquisadores têm examinado o uso de tijolos metálicos especiais (ligas refratárias). Qual
seria a desvantagem dos tijolos metálicos em relação aos de cerâmicos?
4 - Classifique as alternativas abaixo em verdadeiras ou falsas
I. Existem polímeros que não possuem temperatura de fusão. 
II. Os elastômeros apresentam alto módulo de elasticidade.III. Termoplásticos não possuem ligações químicas cruzadas de caráter covalente. 
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Exercícios
5 - Comparando-se um polímero linear com um de ligações ramificado qual apresenta maior
cristalinidade? Explique.
6 - A reciclagem de polímeros, especialmente plásticos e borrachas é um assunto de extrema
relevância na atualidade, seja pelo aspecto econômico, seja pelo ecológico. No segundo
caso, é notória a importância da reciclagem para a diminuição da quantidade de resíduos já
que veem causando graves problemas ao meio ambiente em razão de sua difícil
biodegradação. Em termos econômicos, a reciclagem dos materiais poliméricos é
fundamental como processo auxiliar de economia do petróleo que é a fonte mais importante
de matéria-prima para a indústria de polímeros. É possível reciclar, de forma direta uma peça
feita de baquelite (polímero fenol-formaldeído), termofixo, usados em cabos e alças de
panelas? Justifique s sua resposta.
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Glossário
 Contornos de grãos
 É a interface que separa dois grãos adjacentes que possuem orientações 
cristalográficas diferentes. Defeito de interface.
 GFRP
 Terminologia inglesa: GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastic) ou “plásticos reforçados 
com fibras de vidro”.
 Grão
 É um cristal individual em um material policristalino.
 Kevlar
 Fibra sintética de aramida muito resistente e leve. Possui alta resistência ao impacto 
(é sete vezes mais forte que o aço).
 Módulo de elasticidade (E)
 É uma medida da rigidez de um material.
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Glossário
 Monocristal
 Material cristalino formado por um só cristal (não há contornos de grão).
 Policristal
 Material cristalino composto por mais de um cristal ou grão.
 Poros
 Defeito de volume.
 PVC
 Abreviação: Poli (cloreto de vinila)
 Terylene
 É um tecido produzido com fios puros ou mistos de poliéster podendo ser também 
misturado com algodão.
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