Trabalho Comportamento Mecânico Dos Materiais

Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG U FMG Programa de pós-graduação em Engenharia Mecânica

1ª Avaliação Questionário  – 12 Questões

Disciplina: Comportamento mecânico dos materiais

Profa. Maria Teresa Paulino Aguilar

Washington Moreira Cavalcanti

Belo Horizonte/MG 2017

1. Qual é o limite de Escoamento de um aço com 0,5% de carbono? O aço é uma liga metálica formada essencialmente por ferro e carbono, com percentagens deste último variando entre 0,008 e 2,11%. Distingue-se do ferro fundido, que também é uma liga de ferro e carbono, mas com teor de carbono acima de 2,11%. Para o aço carbono com 0,5% de carbono (aço 1050), o limite de escoamento apresenta os seguintes valores: Processo .......................... Fe(MPa) Tensão de cisalhamento . 200 (vide tabela anexo) Tensão de tração ............ 340 Laminação a quente ....... 350 Trefilação ........................ 590 Diversas variáveis podem determinar o limite de escoamento do aço. Nas peças produzidas com aços de médio teor de carbono, como o aço 0,5%, é sempre aplicado o tratamento de alívio de tensões, para refinar a estrutura e melhorar a ductilidade. As melhores propriedades mecânicas nesses materiais são obtidas por têmpera em água e revenido posterior, cuja temperatura pode chegar de 650ºc até 750ºc, para obtenção da melhor ductilidade e resistência ao choque.

2. Explique por que os átomos de carbono no diamante ligam-se covalentemente, enquanto os átomos de chumbo apresentam ligação metálica, embora o carbono e o chumbo tenham ambos quatro Elétrons de valência. Que efeitos se devem esperar dessa diferença de ligação? A estrutura atômica dos materiais são muito diferentes, o chumbo apresenta movimento atômico maior, o que demonstra possuir as suas camadas mais externas em relação ao núcleo, terá valência menor que permite aceitar elétrons por meio de uma ligação covalente, direcional, assim os elétrons do chumbo não se ligam especificamente a outro átomo de chumbo, de modo que esses elétrons ficam livres para se movimentar entre os átomos, que é a característica das ligações do tipo metálica. O carbono tem raio atômico muito menor que o de chumbo, cerca de 2,5 vezes menor. Deste modo, as ligações covalentes realizadas pelos átomos de carbono do diamante são muito mais fortes que as ligações de outros materiais, isto é, a força de atração que mantém seus átomos unidos é bem maior, necessitando de muito mais energia para quebrá-la. 3. Em um cristal existem direções e planos mais compactos que outros. Explique por que as  propriedades de um material policristalino são frequentemente isotrópicas. Os materiais policristalinos, em sua maioria, possuem as orientações cristalográficas de seus grãos de forma aleatória. Essa aleatoriedade irá conferir ao material policristalino propriedades isotrópicas, ou seja, as propriedades irão possuir valores idênticos em todas as regiões cristalográficas.Isso confere um comportamento isotrópico a esse tipo de material, em que o valor medido de uma propriedade será determinado pela quantidade grande de grãos anisotrópicos. Esta aleatoriedade de orientação e dimensões é possivelmente devida ao crescimento e condições de processamento.

4. Nas estruturas CFC e CCC existem dois tipos de vazios intersticiais: octaédricos e tetraédricos. Em cada uma delas um tipo de vazio é maior que o outro. Os sítios maiores são os ocupados pelos átomos intersticiais. a) Cálcule o diâmetro máximo que um átomo pode ter para acomodar-se intersticialmente em um cristal de cobre (CFC) sem distocê-lo. Os sítios octaédricos são os maiores. O diâmetro aparente do Cu é 1,28ª. Para raio atômico 1,28° (0,128 nm), temos: 2k=2,56

    ∗ ∗    ∗   −   ∗  − ∗   A° =2

2

=2

1,28

= 2,56

2

2

R d

=2R + d

2

d=

= 2,56 = 1,06

2

 2

a R

1,28

b) Determine o tamanho do maior átomo que poderia ser localizado nos interstícios do  ferro CCC sem forçamento. O vazio tetraédrico é o de maior tamanho e seu centro encontra-se nas posições 0,1/2, ¼, isto é, sobre as faces.

   ℎ     ℎ   ℎ  ℎ  ∗  =4

2 2 2

= = =

3

2

4

3 16 2

+

3

2

4

+

3 16 2 3

32 2 3

32

=

3

 ∗  −   ∗  − ∗   A° d=

32

= 2,56 = 1,57

3

a

 2

2

 2

1,28

5. O carbono tem maior solubilidade no ferro CFC que no CCC? No entanto a célula CFC tem um fator de compacidade superior a do CCC. Explique o fenômeno. Na CFC o fator de compacidade é maior porque os interstícios na estrutura CCC são pequenos por acomodar o átomo de carbono, a estrutura CFC, estrutura cristalina, possui interstícios maiores e a solubilidade pode chegar a 2,11% contra 0,02% na CCC.

6. Por que temperaturas elevadas promovem o “crescimento do Grão”? Por que os materiais apresentam maior solubilidade à altas temperaturas? Além dos dois efeitos relatados, qual a terceira influência da temperatura para o processamento dos materiais? Temperaturas elevadas implicam em alta energia que provocam movimentos de migração dos carbonos dos grãos, através do qual, ocorre o aumento do grão. A elevação da temperatura proporciona o aumento da taxa de difusão. Migração dos carbonos .

7. Por que o Pb e o Sn, ao contrário da maioria dos metais não encruam quando deformados lentamente à temperatura ambiente? A temperatura de cristalização se encontra entre um terço e metade da temperatura de fusão para Sn 232°c e Pb 327°c. A recristalização Sn -21°c e Pb -21°c. Assim, a temperatura ambiente não podem encruar pois eles recristalizam a uma temperatura mais baixa. 8. Quais os mecanismos de resistência mecânica pode ocorrer em: a) Elementos puros: Varia de acordo comas ligações químicas, pode ocorrer restrição ao movimento discordâncias. Para o carbono podemos citar a elevado limite de resistência mecânica no diamante e baixa resistência mecânica no grafite. Para o ferro puro (Fe) ocorre alta dutibilidade, limite de resistência a tração, limite de escoamento e limites elásticos e dec fratura definidos. b) Sólidos monofásicos: Ocorre a redução do tamanho dos grãos, formação de liga por sólidos e encroamento. c) Sólidos polifásicos: Ocorre deformação plástica, recristalização, formação por ligação sólida, endurecimento por precipitação, alteração do tamanho dos grãos e tratamento térmico por recozimento.

9. Na tabela abaixo são apresentados alguns dados mais comuns para alguns elementos. Para os metálicos é dado apenas os valores de raio atômico: Elemento

Raio (nm)

Eletronegatividade

Estrutura cristalina

Valência

Cu

0,1278

1,9

CFC

+2

C

0,071

H

0,046

O

0,060

Ag

0,1445

1,9

CFC

+1

Al

0,1431

1,5

CFC

+3

Co

0,1253

1,81

HC

+2

Cr

0,1249

1,6

CCC

+3

Fe

0,1241

1,8

CCC

+2

Ni

0,1246

1,8

CFC

+2

Pd

0,1376

2,2

CFC

+2

Pt

0,1387

2,2

CFC

+2

Zn

0,1382

1,6

HC

+2

Com quais desses elementos o cobre poderia fo rmar: a) Solução sólida completa? A medida que a quantidade de soluto aumenta não há formação de uma nova fase. Elementos a se formar são Cu-Ni; Cu-Pd; Cu-Pt b) Uma solução sólida substancialmente incompleta? Neste caso a segunda fase ocorre quando os limites são passados por uma quantidade de soluto. Elementos a se formar são Cu-Al; Cu-Fe; Cu-Co; Cu-Cr c)

Solução sólida intersticial? Os elementos C; H e O podem formar uma solução intersticial com o Cu. O raio atômico destes elementos permitem esta ligação.

10. Os seguintes dados foram obtidos quando um metal que foi trabalhado a frio foi recozido: Temperatura de aquecimento (°C)

Tensão residual (psi)

Limite de resistência (psi)

Tamanho do Grão (in)

250

21000

52000

0,0030

275

21000

52000

0,0030

300

5000

52000

0,0030

325

0

52000

0,0030

350

0

34000

0,0010

375

0

30000

0,0010

400

0

27000

0,0035

425

0

25000

0,0072

a) Estime as temperaturas de recuperação, recristalização e crescimento do grão. Considerando as faixas de temperaturas para recuperação, tensões internas apresentam reduções na faixa de T = 275°C a 325°C, não apresentam variações na estrutura que possam ser identificadas por microscopia. Temperatura de recristalização, os grãos apresentam início de alterações e aumento da resistência mecânica na faixa de T= 325°C a 375°C. A temperatura de crescimento do grão, pode ser estimada entre a faixa T> 375°C, alterando a estrutura morfológica e efetivo aumento do grão. b) Estime a temperatura adequada para obtenção de máxima resistência mecânica e condutividade elétrica. Em uma estrutura com grãos finos, a temperatura máxima de resistência mecânica estará na faixa de T= 350°C a 375°C. A faixa de recuperação de conductividade entre T=250°C a 300°C. c)

Recomende a temperatura adequada para o trabalho a quente desse material. A temperatura estimada em que acontecerá a maior resistência, pode ser definida na faixa T= 350°C a #&%°C. d) Estime a temperatura de fusão do material. A temperatura de fusão pode ser definida por Tf=2 a 3Tr, assim, a faixa de Tf= 650°C a 1125°C.

11. Os metais CFC são frequentemente recomendados para uso em temperaturas baixas,  particularmente quando carregamentos súbitos são esperados. Explique. Os metais CFC não apresentam uma transição dúctil frágil, retém elevada energia de impacto nos carregamentos súbitos e permanecendo dúcteis com a diminuição da temperatura.

12.  Admita a possibilidade de se poder produzir misturas do metal Z com o composto intermediário θ , em várias formas e tamanhos. Na figura abaixo estão representados cinco curvas tensão-deformação reais possíveis (A a E) e cinco microestruturas (1 a 5) com o mesmo aumento. Combinar cada microestrutura com a mais provável curva tensãodeformação, sem repetição.

Combinação:

E-5

A  – 100% Z

D-4    l   a   e    R   o

B  – 95% Z e 5% θ

  s   n   e    T

C-2

B-3  A - 1

Deformação Real

C  – 95% Z e 5% θ

D  – 95% Z e 5% θ

E  – 95% Z e 5% θ

13.  A fratura frágil ou dúctil é uma propriedade que depende apenas do material? Explique. Qual ou quais ensaios justificam sua resposta? Para cada metal específico, existe uma temperatura crítica, abaixo da qual a fratura é frágil. O campo de transição define a passagem do comportamento frágil para o dúctil. O conhecimento do comportamento de cada material é essencial para definir suas características. A temperatura de transição, em termos simples, é a temperatura abaixo da qual a fratura do material é frágil O gráfico abaixo descreve o ensaio de impacto que determina a transição de comportamento dúctil a frágil com a elevação da temperatura.

Altas deformações em baixas temperaturas favorecem a fratura frágil. Ao se elevar a temperatura, surge novos sistemas de desligamento o que resulta na ocorrência de fratura dúctil de um material. De forma geral, para os metais a transição ocorre para valores entre 10 e 20% da temperatura absoluta de fusão. Para materiais cerâmicos este valor fica entre 50 e 70%