Lista de Exercícios

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1 Lista de Exercícios Introdução a ciências dos materiais 1 - Com que se ocupa a Ciência dos Materiais e qual sua importância na engenharia moderna? A Ciência dos Materiais se ocupa da investigação e o estudo dos materiais disponíveis, analisando seus potenciais e limitações, como eles se comportam em si; também como se comportam em relação ao meio. É a ciência que estuda a composição, estrutura e processamento dos materiais, relacionando-as com as suas propriedades e usos. 2 - Classifique os materiais segundo os seguintes critérios: a) aplicação na indústria; b) grau de desenvolvimento tecnológico e c) morfologia. a) aplicação na indústria: Metais: Seus átomos têm os elétrons numa nuvem pairando por cima, isto faz com que eles sejam bons condutores de eletricidade e calor. Sendo normalmente resistentes e deformáveis. Ex.: latão, cobre e ouro. Cerâmicos: São geralmente mal condutores de eletricidade e calor. Resistem a maior temperatura que os metais e os polímeros. São frágeis, mas duros. Ex.: gres, vidro. Polímeros: São geralmente compostos orgânicos e se constituem de moléculas bastante grandes de cadeias de carbono. São de baixa densidade e podem ser bastante flexíveis. Ex.: plástico e borracha. Compósitos: combinação de dois ou mais materiais que mantém duas ou mais fases fazendo com que estes materiais tenham uma característica distinta do que teriam se estivessem expostos em separado. Ex.: fibra de vidro + polímero. b) grau de desenvolvimento tecnológico: Naturais: são aqueles que são utilizados conforme encontrados na natureza. Ex.: madeiras, pedras, ossos. Empíricos: são aqueles que já sofreram um certo grau de transformação mas seus processo foram meio que desenvolvidos a partir de fenômenos ocorridos na natureza, sem muito estudo do processo em si. Ex.: cerâmica de olarias. Desenvolvimento científico: aqui já envolve a ciência no desenvolvimento de materiais. Ex.: polias, rolamentos, vidrados cerâmicos. Projetado: são materiais desenvolvidos com alta tecnologia com fins de produzir tais comportamentos. Ex: as peças frontais dos ônibus espaciais que suportam melhor o atrito na hora da volta a atmosfera. c) morfologia: Mono-estruturado: material com as mesmas propriedades por todo o material. Recobrimento: as propriedades de superfície são diferentes das propriedades no interior do objeto. Gradiente: são produtos com multicamadas com propriedades diferentes. Aleatório: são os compósitos, onde há um reforço de propriedades através de incorporação de dois ou mais materiais que mantém duas os mais fases, sem se misturar. 3 - Como se interrelacionam estrutura, propriedades, processamento e desempenho em serviço de um material? Formam um triângulo harmônico. As propriedades dependem da estrutura cristalina ou não-cristalina dos materiais que por sua vez depende do processamento e do material. As propriedades de um material, originam-se em sua estrutura interna que por sua vez estão ligadas não apenas aos átomos mas também como estes se ligam aos seus vizinhos em cristais, moléculas e microestrutura. Diferentes processamentos podem alterar as estruturas internas sob diferentes perspectivas originando, por conseguinte, materiais com propriedades também distintas. Dependendo do processamento o desempenho varia na hora de utilização do material, assim que quando se vai escolher um processamento é necessário levar em conta o custo da matériaprima, custo de produção e também as características que se quer do produto acabado. O desempenho de um material está relacionado com o seu comportamento quando em regime de uso, ou

2 seja, a resposta do material quando exigido em condições reais. Muitas vezes um material apresenta ótimas características funcionais que o tornariam excelente para determinadas aplicações, mas, sob testes de uso efetivo, avaliam-se debilidades que comprometem seu uso em algumas aplicações. Cabe então algum acompanhamento e uma análise de falha em um laboratório visando assinalar as causas de uma eventual falha. 4 - Como se divide e qual o critério no estudo da estrutura de um material? Divide-se no estudo da estrutura atômica, estrutura cristalina, microestrutura e macroestrutura. Este critério está associado ao valor dimensional de cada nível estrutural. Estrutura atômica: estuda o átomo em si, raio atômico e partículas elementares. Estrutura cristalina: estuda a estrutura molecular, célula unitária, distância atômica. Microestrutura: estuda orientação, distribuição, proporção, tamanho, composição, fases, forma. Macroestrutura: estuda os acabamentos e a geometria das peças. 5 - Do que depende a escolha de um determinado processo de fabricação? Os processos de fabricação são determinados em função da matéria-prima a ser usada e o objetivo envolvido quanto as características que se tem para o produto final, dentro de suas limitações já que vai ser necessário avalia quais as propriedades mais importantes a serem mantidas. 6 - Diferencie com suas palavras os tipos de materiais quanto às suas propriedades (físicas, químicas e mecânicas) típicas. Segundo suas propriedades típicas, os materiais se dividem em Metálicos (geralmente: dúcteis, densidade relativamente alta, baixa resistência a corrosão e boa resistência mecânica), Cerâmicos (geralmente: frágeis, densidade relativamente media-alta, alta resistência a corrosão e boa resistência mecânica), Polímeros (geralmente: flexiveis, densidade relativamente baixa, alta resistência a corrosão e baixa resistência mecânica) e compósitos (geralmente: propriedades médias em relação aos outros materiais, possuem combinações de propriedades não encontradas em outros materiais). 7 - Dê dois exemplos que evidenciam a relação entre estrutura e propriedades dos materiais. 1º) O diamante e o grafite. O grafite tem estrutura cristalina hexagonal. O diamante sofreu uma pressão e tem estrutura cúbica. 2º) O ferro que ao elevar a temperatura passa de uma estrutura cúbica de corpo centrado para uma estrutura cúbica de face centrada, sendo um material com mais resistência o homem deu um jeito de manter esta estrutura com um rápido esfriamento e adição de carbono criando o aço. 8 - Quais são os critérios para a seleção de um material para determinada aplicação. Os critérios para a seleção de um material para determinada aplicação começam com a análise do serviço que vai ser submetido o material e as necessidades principais de propriedades finais incluindo suas limitações e os processos de degradação do material; suas capacidades e custo de processamento, incluindo a disponibilidade da matéria-prima; seu comportamento em relação ao meio ambiente e a capacidade de ser reciclável. 9 - Como a questão ambiental está presente na seleção de um material para determinado emprego. A questão ambiental está presente na seleção de um material e do processo de produção tendo em consideração a relação impacto ambiental x produção (buscasse o menor impacto possível); energia, o material, em geral, que se usa tem em quantidades limitadas na terra.

3 Estrutura Cristalina 1 - Quais são os níveis de ordenação dos átomos em um sólido e como diferem entre si? São três os níveis de ordenação em um sólido diferindo entre si da seguinte forma: - sem ordem: não existe ordenamento preferencial, os átomos estão dispostos aleatoriamente no espaço. Ex: Gás. - ordem à pequenas distâncias (a curto alcance): o arranjo espacial atômico se estende a sua vizinhança mais próxima, não possuem arranjo espacial preferencial, ocupando aleatoriamente o espaço. Ex: Vidro. - ordem à longas distâncias (a longo alcance): os átomos estão dispostos em uma ordem de longo alcance estendendo o arranjo ao longo de todo o material. Os átomos formam um retículo ou rede que se repete regularmente. Ex: cristal. 2 - O que se entende por estrutura cristalina de um material? São as características que se referem ao tamanho, forma e arranjo atômico dentro da rede. A estrutura cristalina tem importante papel na determinação da microestrutura e comportamento de materiais sólidos. Modificando-se o cristal modifica-se as propriedades mecânicas. 3 - Determine os parâmetros pelos quais se define um cristal. A estrutura é em escala atômica. Os átomos dos materiais são arrumados de maneira regular e repetitiva formando a geometria cristalina. Dentro da estrutura cristalina é necessário saber descrever as posições dos átomos, as direções cristalinas e os planos dos cristais. É necessário identificar os sete sistemas e 14 redes. 4 - O que é a célula unitária de uma rede cristalina. É a menor subdivisão da rede cristalina, que apresenta todos os parâmetros de cristalinidade; retém as características de toda a rede. Existem 14 tipos de células unitárias, ou Redes de Bravais, agrupadas em 7 estruturas cristalinas. 5 - Quantos e quais são os sistemas cristalinos? Como diferem entre si? Quais são suas características? Os sistemas cristalinos são 7 diferentes e se diferem entre si por seus lados iguais ou diferente e seus ângulos também iguais ou diferentes. Sistemas Eixos Ângulos axiais Cúbico a = b = c Todos os ângulos iguais a 90º Tetragonal a = b c Todos os ângulos iguais a 90º Ortorrômbico a b c Todos os ângulos iguais a 90º Hexagonal a = b c Dois ângulos de 90o e um de 120º. Romboédrico a1 = a2 = a3 Todos os ângulos iguais e diferentes de 90º. Monoclínico a b c Dois ângulos de 90o e um diferente de 90º. Triclínico a b c Todos os ângulos diferentes entre si e de 90º 6 - O que é parâmetro de rede da célula unitária? O parâmetro de rede da célula unitária é a combinação de comprimentos de aresta da célula unitária e de ângulos interaxiais que define a geometria da célula unitária. É a distância entre dois pontos de rede denominada por "a" sendo a, a distância entre dois átomos nas condições normais de temperatura e pressão. 7 - Faça uma lista de metais com estrutura cristalina hexagonal, outra com metais CFC e CCC. - CCC: Ferro, Titânio, Bário, Cromo e Tungstênio. - CFC: Ferro, Prata, Ouro, Níquel, Chumbo, Alumínio e Cobre. - HC: Ósmio, Zircônio, Zinco, Magnésio, Cádmio e Titânio. 8 - Quantos tipos de células unitárias são conhecidas. Que são redes de Bravais? Os tipos de células unitárias conhecidas são 14, também conhecidos de Redes de Bravais, que são alterações de redes cristalinas nos seus sistemas de

4 empacotamento, divididas em 7 sistemas cristalinos e apresentando diferentes possibilidades de empacotamento. Exemplo de redes de Bravais: a cúbica pode ser: simples; de faces centradas; de corpo centrado. 9 - Qual o número de átomos (ou número de pontos de rede) das células unitárias do sistema cúbico para metais? O número de átomos (ou número de pontos de rede) das células unitárias do sistema cúbico para metais são: - CS: n pontos da rede = 8(cantos) *1/8 = 1 átomo célula unitária - CCC: 1 átomo no centro mais 1/8 em cada vértice (8 vértices), no total de 2 átomos por célula unitária. - CFC: 1/8 em cada vértice (8 vértices) mais ½ no centro de cada face (6 Faces), no total de 4 átomos por célula unitária. - HC: 1/6 de cada um dos 12 átomos localizado nos vértices das faces superiores e inferiores, metade de cada um dos dois átomos centrais localizados nas faces superior e inferior, e todos os três átomos interiores no plano intermediário, no total 6 átomos Determine as relações entre o raio atômico e o parâmetro de rede para o sistema cúbico em metais. CS a0 = 2r CCC a0 = 4.r/ 3 CFC a0 = 4.r/ Número de coordenação: o que é e do que depende? Quais são os números de coordenação nas células unitárias dos metais? É o número de vizinhos mais próximos que determinado átomo tem. Dois fatores governam o NC: - covalência: o número de ligações covalentes em torno de um átomo é dependente do número de seus elétrons de valência; - fator de empacotamento cristalino: um material é mais estável se os átomos forem arranjados de forma mais fechada e suas distâncias interatômicas forem reduzidas. Os números de coordenação nas células unitárias dos metais dependem da estrutura cristalina de cada metal assim sendo eles são: 6 para CS; 8 para CCC; 12 para CFC; 12 para HC O que é alotropia? O que é anisotropia? Alotropia é quando um metal ou não-metal possui, em seu estado sólido, mais de uma estrutura cristalina, dependendo da temperatura e pressão. Materiais de mesma composição química, mas que podem apresentar estruturas cristalinas diferentes, são denominados de alotrópicos ou polimórficos. Geralmente as transformações polimórficas são acompanhadas de mudanças na densidade e mudanças de outras propriedades físicas. O exemplo típico é o grafita e o diamante. Anisotropia é quando as propriedades variam conforme a orientação cristalina. Um exemplo de propriedade que varia com a orientação cristalina é o Módulo de Elasticidade Descreva a estrutura cristalina cúbica tipo diamante. Cite exemplos de materiais que cristalizam nessa estrutura. A estrutura cristalina cúbica tipo diamante é inicialmente uma CFC com C ligado por 4 ligações covalentes que geram um tetraedro. É uma estrutura polimórfica do C, e é metaestável a temperatura ambiente. NC = 8. Ex. diamante Comente a cristalinidade de materiais poliméricos. Materiais poliméricos não possuem estrutura cristalina, possuem uma estrutura de macromoléculas desorganizadas, chamada de estrutura amorfa. No entanto a estrutura desses materiais pode apresentar certa organização, a qual é chamada de cristalinidade Descreva a estrutura não-cristalina dos vidros. O que são pontes-de-oxigênio e modificadores de redes?

5 O vidro é considerado um silicato vítreo. Da mesma forma que um líquido, é um material amorfo, mas ao contrário dos líquidos mais comuns, o vidro tem estrutura tridimensional contendo ligações covalentes. Possuem também ordem a curtas distâncias(de átomo para átomo) mas não a longas distâncias. Pontes de oxigênio podem ser exemplificadas com a estrutura do SiO4 na qual cada átomo de oxigênio possui 7 elétrons na sua camada eletrônica mais externa ao invés de 8. Quando o oxig6enio supre esta deficiência compartilhando um par de elétrons com um segundo átomo de silício formam-se grupos múltiplos de coordenação tetraédrica, sendo o oxigênio compartilhado a Ponte de Oxigênio. Modificadores de Rede tornam possível a moldagem do vidro é necessário o acréscimo de Modificadores de Rede, como por exemplo, o CaO e o Na2O. Estes reduzem a energia de ativação requerida para a movimentação atômica necessária à fluidez do vidro liquido Como pode-se obter informações sobre estrutura cristalina de materiais a partir da difração de raio-x? Distância interplanar, parâmetro de rede, orientação cristalográfica, identificação de fases, quantificação das fases presentes. Defeitos e Imperfeições 1 - Que tipo de defeitos podem ocorrer num cristal. Quais são os defeitos pontuais? Descreva-os. Defeito cristalino é uma imperfeição ou um "erro" no arranjo periódico regular dos átomos em um cristal. Na realidade, os cristais nunca são perfeitos e contêm vários tipos de imperfeições e defeitos, que afetam muitas das suas propriedades físicas e mecânicas. Defeitos pontuais: irregularidades que se estendem sobre somente alguns átomos (defeitos adimensionais - dimensão zero), podendo ser lacunas, intersticiais ou substitucionais; 2 - Classifique os defeitos pontuais quanto à forma, origem e estequiometria. Vacância ou lacuna: é simplesmente um sítio atômico não ocupado na estrutura do cristal. Interstício: é um átomo que ocupa um sítio intersticial normalmente não ocupado por um átomo na estrutura cristalina perfeita. 3 - O que são defeitos não-estequiométricos? 4 - O que são defeitos extrínsecos e intrínsecos? 5 - O que é íon aliovalente e íon isovalente? 6 - Calcule o número de vacâncias por cm 3 e o número de vacâncias por átomo de cobre (a) a temperatura ambiente e (b) a 1084ºC (justo acima do ponto de fusão. 83,6 kj são necessários para produzir uma vacância no cobre. 7 - Defina grão. O que é contorno de grão. Que tipo defeito é considerado um contorno de grão? 8 - Como pode a superfície de um cristal ser considerado um defeito da estrutura cristalina? 9 - O que são defeitos volumétricos? 10 - Cite algumas propriedades influenciadas diretamente pela presença de defeitos. 11 Calcular a fração dos sítios atômicos que estão vagos para o chumbo na sua temperatura de fusão de 327 C (600K). Supor uma energia para a formação de lacunas equivalente a 0,55 ev/átomo. 12 Calcule o número de lacunas por metro cúbico de material no ouro a 900 C. A energia para a formação de lacunas é 0,98 ev/átomo.

6 Além disso, a densidade e o peso atômico para o Au são 19,32 g/cm 3 e 196,9 g/mol, respectivamente. 13 Qual é a composição, em termos de porcentagem atômica, de uma liga que consiste em 92,5%p Ag e 7,5%p Cu? 14 Calcular a composição em termos de porcentagem em peso, de uma liga que contém 105 kg de ferro, 0,2 kg de carbono, e 1,0 kg de cromo. 15 Qual a composição em termos de porcentagem atômica, de uma liga que contém 33 g de cobre e 47 g de zinco? 16 Determinar a densidade aproximada de um latão com alto teor de chumbo que possui um composição de 64,5%p Cu, 33,5%p Zn, e 2%p Pb. Propriedades Mecânicas 01 Um pedaço de cobre originalmente com 305 mm de comprimento é puxado em tração com uma tensão de 276 MPa. Se sua deformação é inteiramente elástica, qual será o alongamento resultante? 02 - A figura a mostra uma haste de alumínio com área de seção transversal circular e sujeita a um carregamento axial de 10 kn. Se uma porção do diagrama tensão-deformação para o material a mostrada na figura b, determine o valor aproximado do alongamento da haste quando a carga é aplicada. Se a carga for removida, qual é o alongamento permanente da haste? Considere Eal = 70 GPa O diagrama tensão deformação para uma liga de alumínio utilizado na fabricação de peças de aeronaves é mostrado na figura abaixo. Se um corpo de prova desse material for submetido à tensão de tração de 600 MPa, determine a deformação permanente no corpo de prova quando a carga é retirada Para uma liga de latão, a tensão na qual a deformação plástica se inicia é 345 MPa e o Módulo de Elasticidade é 103 GPa. (a) Qual a carga máxima que pode ser aplicada em uma amostra com área de seção transversal de 130 mm2 sem causar deformação plástica? (b) Se o comprimento original da amostra é 76 mm, qual o alongamento máximo possível sem causar deformação plástica? 05 - Um pedaço de arame recozido de aço baixo carbono tem 2 mm de diâmetro, limite de escoamento 210 MPa, limite de resistência 380 MPa e módulo de elasticidade 207 GPa. Pergunta-se:

7 a) Se uma garota de 54 kg se dependura neste arame, ocorrerá deformação plástica no arame? b) Se for possível, calcule o alongamento porcentual do arame com a garota dependurada. c) O que aconteceria se o arame fosse de cobre (limite de escoamento = 70 MPa; limite de resistência = 220 MPa e módulo de elasticidade = 115 GPa)? 06 - Uma barra com diâmetro igual a 1,25 cm suporta uma carga de 6500 kgf. Qual a tensão atuante na barra? Se o material da barra possui um módulo de elasticidade igual a kgf/mm 2, qual a deformação que a barra sofre ao ser solicitada pela carga de 6500 kgf? 07 - Uma liga de cobre possui um módulo de elasticidade de kgf/mm 2, um limite de escoamento de 33,6 kgf/mm 2 e um limite de resistência de 35,7 kgf/mm 2. (a) Qual a tensão necessária para aumentar em 0,15 cm o comprimento de uma barra de 3 m? (b) Que diâmetro deve ter uma barra desta liga para que a mesma suporte uma carga de 2300 kgf sem deformação permanente? 08 - Uma barra de aço de seção retangular (0,6 x 1,25 cm) com 300 m de comprimento suporta uma carga máxima de 7600 kgf sem deformação permanente. (a) Qual o limite de elasticidade da barra? (b) Determine o comprimento final da barra solicitada por esta carga, sabendo que o módulo de elasticidade do aço é igual a kgf/mm Os dados a seguir são coletados para um módulo de ensaio de ruptura em um tijolo refratário de MgO. F = 7,0 x 10 4 N, L = 178 mm, b = 114 mm, h = 76 mm. a) Cálculo o módulo de ruptura. b) Suponha que você tenha um refratário de MgO semelhante, com a mesma resistência e as mesmas dimensões, exceto por sua altura, h, que é apenas de 64 mm. Qual seria a carga (F) necessária para quebrar esse refratário mais fino? 08 Uma barra de Al 2 O 3 monocristalina (precisamente com 6 mm de diâmetro x 50 mm de extensão é usada para pequenas amostras em um dilatômetro de alta precisão (um dispositivo de medição de comprimento). Calcule as dimensões resultantes da barra se o cristal estiver sujeito a uma carga de compressão axial de 25 kn.