EMC 5201 - MATERIAIS DE ENGENHARIA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA - Primeiro semestre de 2007- Prova I 1) Falamos de estrutura e de microestrutura de materiais. Qual a diferença entre estrutura e microestrutura e quais os principais elementos presentes em uma microestrutura? (1,0) Estrutura: ordem a nível atômico (estrutura cristalina ou não cristalina)Microestrutura: ordem ou arranjo dos elementos em microns ou submicros (Elementos: grãos, poros, maclas, contornos, fases, tamanho destas coisasNanoestrutura

2) Supor sistema termodinâmico formado por uma solução sólida ternária constituída pelos elementos químicos x, y e z. Sabemos que esta liga estará em equilíbrio termodinâmico quando o potencial químico é igual em todos os pontos do seu volume. (1,5)

a) Que condição deve ser atendida em relação aos elementos presentes na liga, isto é, x, y e z, para que a liga esteja em equilíbrio químico?

A concentração de cada um desses elementos seja igual em todos os pontos da solução sólida. Isto é, não haver gradiente de composição química ao longo do volume da solução sólida (em relação a cada um dos elementos).

b) O que é perfil de concentração?A Variação da composição ao longo de uma variável dimensional.

c) O que é gradiente de concentração de um elemento? Primeira derivada do perfil (dc/dx)

3) Considere a equação de Arrhenius D = D0exp(-Q/RT) que representa a variação do coeficiente de difusão D com a temperatura, responda: (1,5)

a) O que representa o Q nesta equação? Explique! A energia de ativação para a difusão atômica. Na realidade é igual a energia necessária romper as ligações e mover o átomo até a posição de rede seguinte (no caso uma vacância, se difusão de átomo substitucional)

b) Por que você acha que o D aumenta com a temperatura? Por que a quantidade de vacâncias também cresce exponencialmente com a temperatura e a energia térmica (supre a energia de ativação

c) Por que materiais distintos não apresentam coeficiente de difusão Igual na mesma temperatura? D0 e Q

4) Determine os índices de Miller do plano representado na figura 1: (1,0)

5) O Fator de empacotamento atômico é definido como sendo a fração do volume da célula unitária ocupada por massa, ou seja, pelos átomos contidos nesta célula unitária. (1,0)

a) Considerando que o ferro na temperatura ambiente forma uma estrutura cúbica de corpo centrado (CCC), calcule a fração do volume ocupada pelos interstícios em uma peça fabricada em ferro puro.

b) Estrutura C.C.C.

FEA=

24

33

3

R

a

Como no c.c.c. a diagonal do cubo é 4R, têm-se:

( )4 32 2 2 2 2R a b c a

aR

aR2

24

3

4

3

( )

F E AR

R. .( )

, 2

434

3

0 6 8

3

3

b) Na estrutura CCC do ferro a solubilidade de carbono é da ordem de 0,022% (no caso trata-se de solução sólida intersticial). No entanto, a solubilidade aumenta consideravelmente, podendo chegar a 2%, na fase cúbica de faces centradas do ferro, a qual ele assume acima de 910C. Explique por que!

(0 1 2)

Tamanho dos interstícios – associado a estabilidade do soluto na estrutura- tensões mecânicas geradas quando um elemento entra em solução. Diminui a energia livre do sistema

6) Sobre propriedades de materiais: (2,0)a) Por que os materiais cerâmicos não possuem plasticidade?

-

--

+

++

+ -

+

-

-- ++ -

-- +++

--

----

++

++++

++ --

++

--

---- ++++ --

---- ++++++

b) O que queremos dizer quando afirmamos que um material apresenta limite de resistência a fadiga igual a 200N/mm2?

Queremos dizer que suporta o número de ciclos programado para sua aplicação sem se romper por fadiga quando a tensão aplicada é igual o menor que 200N/mm2

c) O que é tensão de escoamento de um material?

É a tensa para a qual o material inicia a sua deformação plástica (além da elástica)

d) Comente alguns exemplos onde o coeficiente de dilatação térmica pode se tornar um sério problema na prática se não for levado em conta no design do material ou do sistema mecânico?

Polímeros..................

EMC 5201 - MATERIAIS DE ENGENHARIA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA - Primeiro semestre de 2007- Prova I 1) Falamos de estrutura e de microestrutura de materiais. Qual a diferença entre estrutura e microestrutura e quais os principais elementos presentes em uma microestrutura? (1,0)

2) Supor sistema termodinâmico formado por uma solução sólida ternária formada pelos elementos químicos x, y e z. Sabemos que esta liga estará em equilíbrio termodinâmico quando o potencial químico é igual em todos os pontos do seu volume. (1,5)

d) Que condição deve ser atendida em relação aos presentes na liga, isto é, x, y e z, para que a liga esteja em equilíbrio químico?

e) O que é perfil de concentração?

f) O que é gradiente de concentração de um elemento?

3) Considere a equação de Arhenius D = D0exp(-Q/RT) que representa a variação do coeficiente de difusão D com a temperatura, responda: (1,5)

d) O que representa o Q nesta equação? Explique!e) Por que você acha que o D aumenta com a temperatura?f) Por que materiais distintos não apresentam coeficiente de difusão

Igual na mesma temperatura?

4) Determine os índices de Miller do plano representado na figura 1: (1,0)

5) O Fator de empacotamento atômico é definido como sendo a fração do volume da célula unitária ocupada por massa, ou seja, pelos átomos contidos nesta célula unitária. (1,0)

c) Considerando que o ferro na temperatura ambiente forma uma estrutura cúbica de corpo centrado (CCC), calcule a fração do volume ocupada pelos interstícios em uma peça fabricada em ferro puro.

d) Na estrutura CCC do ferro a solubilidade de carbono é da ordem de 0,025% (no caso trata-se de solução sólida intersticial). No entanto, a solubilidade aumenta consideravelmente, podendo chegar a 2%, na fase cúbica de faces centradas do ferro, a qual ele assume acima de 910C. Explique por que!

6) Sobre propriedades de materiais: (2,0)e) Por que os materiais cerâmicos não possuem plasticidade?f) O que queremos dizer quando afirmamos que um material apresenta limite

de resistência a fadiga igual a 200N/mm2?g) O que é tensão de escoamento de um material?h) Comente alguns exemplos onde o coeficiente de dilatação térmica pode se

tornar um sério problema na prática se não for levado em conta no design do material ou do sistema mecânico?

Polímeros..................

EMEC 5201 - Materiais de Engenharia – 2a Prova – Primeira Semestre 2007

1) Difusão ocorre nos estados sólido, líquido e gasoso. A difusão no estado sólido é bastante lenta em função da elevada energia de ligação entre os átomos no sólido. Todos os processos/reações entre sólidos na área de engenharia são controlados pela difusão, isto é, sua cinética depende da taxa de difusão no material. Exceção são as transformações martensíticas que resultam do resfriamento muito rápido, não dando tempo para o equilíbrio da composição por difusão, nem tão pouco para a nucleação e crescimento de fases novas. O coeficiente de difusão D depende da temperatura. Esta dependência encontra-se expressa na equação de Arhenius D = Doexp (-Qd/RT). (2,0 pontos)

a) Porque, quando adicionamos elementos de liga a um aço, este aumenta a sua temperabilidade?

b) Porque, em resfriamento lento, a perlita e ferrita formadas apresentam lamelas mais largas, ou seja, a microestrutura é mais grosseira?

c) Em um tratamento de precipitação, quanto menor forem as partículas de segunda fase, maior o endurecimento alcançado. Por quê?

d) Como se faz para obter partículas precipitadas finas em uma liga endurecível por precipitação? (use um gráfico T versus tempo para explicar).

2) As propriedades dos materiais, além da composição química, microestrutura e estrutura, também são função da temperatura em que estas são medidas. Alguns materiais são menos sensíveis a temperatura do que outros, ou seja, suas propriedades variam menos com a temperatura e conservam valores adequados até temperaturas relativamente altas. (2,0 pontos)

a) Ligas de níquel são resistentes à corrosão, à oxidação, à fluência e ao calor. Baseado nestas informações, quais são as principais aplicações das ligas de níquel?

b) Como se dá a “resistência à oxidação” de um material?c) Como se dá a deformação plástica de um metal?d) Quando deformamos um material metálico este sofre encruamento. O que é

encruamento e como conseguimos remover este encruamento?

Composição (%at.)

0 5 10 15 20 25

0 3 4 5 6 6,7021400

Fe3CFe

1600

800

600

1400

1200

1000

Te

mp

era

tura

(C

)

Composição (% em peso)

Cemetita (Fe3C)

727 C

+ Fe3C

, austenita 2,14 4,30

1147

1147 C

0,670,022

(ferrita) + Fe3C

912C

1538C

1538C

+

+

Líquido

1493 C

Composição (%at.)

0 5 10 15 20 25

0 3 4 5 6 6,7021400

Fe3CFe

1600

800

600

1400

1200

1000

Te

mp

era

tura

(C

)

Composição (% em peso)

Cemetita (Fe3C)

727 C

+ Fe3C

, austenita 2,14 4,30

1147

1147 C

0,670,022

(ferrita) + Fe3C

912C

1538C

1538C

+

+

Líquido

1493 C

3) A figura acima apresenta o diagrama de fases do sistema abaixo Fe-Fe3C (parte do diagrama de fases do sistema ferro carbono). Considere uma liga de ferro + 1% de Carbono (% em peso) que está completamente homogênea em 1000C e responda: (2,0 pontos)

a) Qual a microestrutura que obtemos se esfriarmos esta liga lentamente, ou seja, em equilíbrio, a partir dos 1000C?

b) Quanto por cento se obtém de cada micro constituinte na temperatura ambiente?

c) Qual a microestrutura que obtemos se o esfriamento for realizado muito rápido, por exemplo, esfriando em água fria?

d) Que é uma liga hipo-eutética e qual a sua microestrutura após resfriamento lento, na temperatura ambiente?

4) Em uma câmara hermética, após fazer vácuo (eliminar o ar) colocamos 1 átomo-grama de pó de Si, outro de pó Mn e outro de pó de Ni e, então, injetamos 1 mol de gás CO2 (dióxido de carbono). Com base no diagrama de Ellingham abaixo responda:

a) Quais as fases presentes após alcançar o equilíbrio, em 1000 C? (0,5 ponto)

b) Por que precisamos controlara a atmosfera dos fornos quando realizamos tratamentos térmicos? (0,5 ponto)

c) Considerado a equação do equilíbrio dada por K = exp (-DG0T/RT), calcule a constante de equilíbrio para a reação: 2Co + O2 = 2CoO em 1200C (R = 1,987cal/mol.K) (1,0 ponto)

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 - 300

- 280

- 260

- 240

- 220

- 200

- 160

- 140

- 120

- 100

- 80

- 60

- 40

- 20

0

- 180

Temperatura ( 0C )

DG0(T)[ ]kcal mol

B M

M

M

M

M

M

B

2Ca +O2 = 2CaO

2Mg +O2 = 2MgO

4/3Al +O2 = 2/3Al2O3

Ti +O2 = TiO2

Si +O2 = SiO2

T 4/3Cr +O2 = 2/3Cr2O3

C +O2 = CO2

2C +O2 = 2CO

2H2 +O2 = 2H2O

4Cu +O2 = 2Cu2O

2Ni +O2 = 2NiO

2Co +O2 = 2CoO

M

2/3W +O2 = 2/3WO3

M = Melting point

B = Boiling point T = Transition point

M

2Mn +O2 = 2MnO

O

H

C

100

104

10-20

10-22

10-26

10-24

10-28

10-30

10-32 10-36 10-34

4Ag +O2 = 2Ag2O 4Fe3O4 +O2 = 6Fe2O3

PO2 zero absoluto (0 0K)

10-18

10-16

10-14

10-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2

5) Sobre propriedades de polímeros: a) Faça um gráfico explicando a dependência do peso molecular de um polímero em função de suas propriedades. Explique o que é um polímero polidisperso. (1,0 ponto)b) Faça um gráfico da dependência do módulo de relaxação em função da temperatura para o poliestireno amorfo sem ligações cruzadas. Identifique e explique no gráfico os diferentes

comportamentos (Regiões) dessa propriedade em função do aumento da temperatura. (1,0 ponto)

BOA SORTE

OBS.: Recuperação será no dia 23/07 (segunda feira), as 10horas, CTC sala 201

EMC 5201 - Materiais de Engenharia – RECUPERAÇÃO- Semestre I de 2007

1) A deformação plástica de materiais metálicos se dá através da movimentação de discordâncias e da maclagem (formação de maclas). Discordâncias são defeitos de linha. Existem dois tipos: Discordância em cunha e discordância em hélice. Na sua movimentação, a discordância, para andar por uma distância igual a um parâmetro de rede sobre o plano de deslizamento, necessita romper apenas as ligações químicas ao longo da linha de discordância. Isto significa que consegue se mover com forças relativamente pequenas. Assim, a dureza e a resistência à deformação plástica (tensão de escoamento) são relativamente baixas. No entanto existem mecanismos que permitem aumentar a dureza e a resistência, normalmente conhecidos por mecanismos de endurecimento (Strengthening or Hardening Mechanisms ). (2,0 pontos)

a) O que representa o módulo de elasticidade e a tensão de escoamento de um material?

b) Como ocorre o aumento de resistência à deformação plástica por solução sólida e que tipos de solução sólida você conhece?

c) Como ocorre o aumento de resistência por deformação plástica (ou encruamento)?

d) Por que a distância média (chamada de livre caminho médio, ) entre partículas de segunda fase precipitadas na matriz interfere na dureza e na resistência mecânica do material?

2) Existem materiais sólidos cristalinos (possuem ordem de curto e de longo alcance) e materiais sólidos amorfos(possuem apenas ordem de curto alcance). Os materiais sólidos cristalinos podem ser enquadrados, ao todo, em sete sistemas cristalinos; no entanto, cada sistema pode ter mais de uma estrutura cristalina na prática. Por exemplo, o sistema cúbico possui as seguintes estruturas: CFC, CCC e CS. O Ferro puro, por exemplo, possui estrutura CCC da temperatura ambiente até 912C, quando passa para a estrutura cúbica de faces centrada (CFC). (1,5 pontos)

a) Por quê o ferro diminui de volume quando transforma da estrutura CCC para a CFC?

b) Você acha que a estrutura cristalina influencia no comportamento mecânico dos materiais? Explique ou justifique sua resposta

c) Qual a importância da energia de ligação química para as propriedades dos materiais? Justifique sua resposta.

3) Se o módulo de elasticidade médio de um aço é de 210.000 MPa, de quanto será estendido um fio de aço com diâmetro de 6 mm e comprimento inicial de 3,14 metros ao suportar uma carga de 1890N ? (1,0 ponto)

4) Difusão ocorre nos estados sólido, líquido e gasoso. A difusão no estado sólido é bastante lenta em função da elevada energia de ligação entre os átomos no sólido. Todos os processos/reações entre sólidos na área de engenharia são controlados pela difusão, isto é, sua cinética depende da taxa de difusão no material. O coeficiente de difusão D depende da temperatura. Esta dependência encontra-se expressa na equação de Arhenius D = Doexp (-Qd/RT). (1,5 pontos)

a) O que são reações martensíticas e quais as propriedades genéricas de aços temperados?

b) Como ocorre o crescimento de grão em um material?c) Qual a importância do tamanho de grão de um aço para as suas

propriedades mecânicas?

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 - 220

- 200

- 160

- 140

- 120

- 100

- 80

- 60

- 40

- 20

0

- 180

Temperatura em 0C

M

Ti +O2 = TiO2

C +O2 = CO2

2C +O2 = 2CO

2Ti +N2 = 2TiN

Ti + C = TiC

DDGG00(T)(T)[[ ] ] kcalkcalmolmol

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 - 220

- 200

- 160

- 140

- 120

- 100

- 80

- 60

- 40

- 20

0

- 180

Temperatura em 0C

M

Ti +O2 = TiO2

C +O2 = CO2

2C +O2 = 2CO

2Ti +N2 = 2TiN

Ti + C = TiC

DDGG00(T)(T)[[ ] ] kcalkcalmolmolDDGG00(T)(T)[[ ] ] kcalkcalkcalkcalmolmol

5) Dado o diagrama de Ellingham acima, responda:a) A partir de que temperatura o CO é mais estável do que o CO2? (0,5 pontos)b) Suponha que em uma câmara hermética, posicionada no interior de um

forno, tenha sido introduzido uma bandeja com pó de Titânio em abundância, 2 mols de gás CO2 e 1 mol de N2. Quais os compostos (sejam eles sólidos, líquidos ou gasosos) que poderão ser encontrados na câmara após atingido o equilíbrio em 1400C? (1,0 pontos)

6) Polímeros:a) Faça um gráfico da tensão x deformação para uma resina de poliéster

insaturado (com mesmo grau de ligações cruzadas), quando submetida a ensaio de tração em velocidades de 20 e 0,1 mm/min. (0,5)

b) O que aconteceria com o módulo de tração e resistência ao impacto desta resina ao aumentar o seu grau de reticulação? Explique. (A resina não

apresenta poros, trincas ou impurezas e o ensaio foi realizado a uma temperatura constante). (0,5)

c) O que são materiais viscoelásticos? (0,5)d) O que é um polímero monodisperso? (0,5)e) Explique quais as principais diferenças entre polímero termofixo e

termoplástico. (0,5)

Boa SorteEMC 5201 - Materiais de Engenharia – 2a Prova Data: 03/12/2007 - Semestre II de 2007

1) Quando aquecidos, os matérias perdem massa por sublimação (ou por evaporação, se for liquido) até que a pressão gerada pelos átomos e/ou moléculas sublimadas na fase gasosa alcancem um valor chamado pressão de vapor para a aquela temperatura. Na pressão de vapor, cada substância ou elemento químico está em equilíbrio químico com o sólido (ou líquido).

a) Quais os principais problemas relacionados a pressão de vapor e o transporte de massa (transporte de elementos químicos e moléculas) via fase gasosa na fabricação e tratamentos térmicos de materiais? (1,0)

b) Quando que duas fases distintas A e B, formadas pelos mesmos elementos químicos (supor que sejam os elementos x,y,z) se encontram em equilíbrio químico? (1,0)

c) O que diz a segunda lei da termodinâmica de acordo com GIBBS, ou seja, expressa pela energia livre de Gibbs? (0,5)

2) O elemento químico Ni quando misturado com o Cu em elevada temperatura forma uma solução sólida substitucional, que é uma liga metálica, e a reação é chamada de “reação de dissolução”. Já quando mistura do com oxigênio, forma o composto NiO, que é uma fase cerâmica, e a reação é chamada de oxidação.

a) Qual a diferença fundamental entre uma solução sólida e um composto? (0,5)b) Qual das duas fases você acha que possui maior estabilidade química? Isto tem

algo a haver com a Energia Livre de Gibbs? (1,0)

3) Os principais grupos de processos de fabricação de materiais são: A) Processos de fundição onde ocorre a obtenção da geometria das peças por solidificação de metal fundido em um molde; B) Processos de conformação mecânica, onde se usa a plasticidade (capacidade de deformação plástica) dos metais para conformar a geometria por deformação plástica; C) Processos de usinagem, obtenção da geometria por remoção de material; D) Processamento de materiais a partir de pós ou consolidação de pós, obtenção da geometria pela densificação de pós em uma matriz ou molde por compactação ou prensagem. Podemos dizer que “nenhum processo de fabricação é mais importante que o outro. Qual o processo que usamos em cada caso, depende da aplicação para a qual a peça se destina. Definida a aplicação, sabemos quais as propriedades requeridas e, em função disto escolhemos o material e depois o processo de fabricação”.

a) Comente amplamente a colocação sublinhada? (1,0)b) Por que você acha que componentes de metais de alto ponto de fusão (ligas de

Tungstênio e Molibdênio) não são produzidos por fundição e sim pela consolidação de pós (no caso metalurgia do pó)? (1,0)

c) Que propriedades seriam requeridas em um material para facilitar o processo de conformação mecânica? (0,5);

d) Em que grupo de aplicações você acha que um acabamento superficial e elevada precisão dimensional são características fundamentais? (0,5)

4) Questão a ser feita por Guilherme

5) Questão a ser feita por Guilherme

BOA SORTE

OBS.: Recuperação será no dia 5/12 (quinta feira), as 18:00 horas, Bloco B do EMC, Sala EMC 07

EMC 5201 - Materiais de Engenharia - Semestre II de 2007– Recuperação Data: 11/12/2007 -

1) A deformação plástica de materiais metálicos se dá através da movimentação de discordâncias e da maclagem (formação de maclas). Discordâncias são defeitos de linha. Existem dois tipos: Discordância em cunha e discordância em hélice. Na sua movimentação, a discordância, para andar por uma distância igual a um parâmetro de rede sobre o plano de deslizamento, necessita romper apenas as ligações químicas ao longo da linha de discordância. Isto significa que consegue se mover com forças relativamente pequenas. Assim, a dureza e a resistência à deformação plástica (tensão de escoamento) são relativamente baixas. No entanto existem mecanismos que permitem aumentar a dureza e a resistência, normalmente conhecidos por mecanismos de endurecimento (Strengthening or Hardening Mechanisms ).

e) O que representa o módulo de elasticidade e a tensão de escoamento de um material? (1,0)

f) Como ocorre o aumento de resistência à deformação plástica por solução sólida e que tipos de solução sólida você conhece? (1,0)

g) Como ocorre o aumento de resistência por deformação plástica (ou encruamento)? (0,5)

h) Por que a distância média (chamada de livre caminho médio, ) entre partículas de segunda fase precipitadas na matriz interfere na dureza e na resistência mecânica do material? (0,5)

2) O elemento químico Ni quando misturado com o Cu em elevada temperatura forma uma solução sólida substitucional, que é uma liga metálica, e a reação é chamada de “reação de dissolução”. Já quando mistura do com oxigênio, forma o composto NiO, que é uma fase cerâmica, e a reação é chamada de oxidação.

c) Qual a diferença fundamental entre uma solução sólida e um composto? (1,0)d) Qual das duas fases você acha que possui maior estabilidade química? Isto tem

algo a haver com a Energia Livre de Gibbs? (1,0)

3) Os principais grupos de processos de fabricação de materiais são: A) Processos de fundição onde ocorre a obtenção da geometria das peças por solidificação de metal fundido em um molde; B) Processos de conformação mecânica, onde se usa a plasticidade (capacidade de deformação plástica) dos metais para conformar a geometria por deformação plástica; C) Processos de usinagem, obtenção da geometria por remoção de material; D) Processamento de materiais a partir de pós ou consolidação de pós, obtenção da geometria pela densificação de pós em uma matriz ou molde por compactação ou prensagem. Podemos dizer que “nenhum processo de fabricação é mais importante que o outro. Qual o processo que usamos em cada caso, depende da aplicação para a qual a peça se destina. Definida a aplicação, sabemos quais as propriedades requeridas e, em função disto escolhemos o material e depois o processo de fabricação”.

e) Comente amplamente a colocação sublinhada? (1,0)

f) Por que você acha que componentes de metais de alto ponto de fusão (ligas de Tungstênio e Molibdênio) não são produzidos por fundição e sim pela consolidação de pós (no caso metalurgia do pó)? (1,0)

6) Polímeros:f) Faça um gráfico da tensão x deformação para uma resina de poliéster insaturado

(com mesmo grau de ligações cruzadas), quando submetida a ensaio de tração em velocidades de 20 e 0,1 mm/min. (1,0)

g) O que aconteceria com o módulo de tração e resistência ao impacto desta resina ao aumentar o seu grau de reticulação? Explique. (A resina não apresenta poros, trincas ou impurezas e o ensaio foi realizado a uma temperatura constante). (0,5)

h) O que são materiais viscoelásticos? (0,5)i) O que é um polímero monodisperso? (0,5)j) Explique quais as principais diferenças entre polímero termofixo e termoplástico.

(0,5)

EMC 5201 - MATERIAIS DE ENGENHARIA- CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICAPrimeiro semestre de 2008 - Prova I. Data 29/04/2008

1) O Fator de empacotamento atômico é definido como sendo a fração do volume da célula unitária ocupada por massa, ou seja, pelos átomos contidos nesta célula unitária.

e) Considerando que o ferro na temperatura ambiente forma uma estrutura cúbica de corpo centrado (CCC), calcule a fração do volume ocupada pelos interstícios em uma peça fabricada em ferro puro. (1,0)

f) Na estrutura CCC do ferro a solubilidade de carbono é da ordem de 0,025% (no caso trata-se de solução sólida intersticial). No entanto, a solubilidade aumenta consideravelmente, podendo chegar a 2%, na fase cúbica de faces centradas do ferro, a qual ele assume acima de 910C. Explique por que! (0,5)

2) Propriedades mecânicas dos materiais:

a) Por que os materiais poliméricos apresentam menor resistência à tração e módulo de elasticidade do que materiais metálicos? (0,5)

b) Explique por que a densidade de polímeros é menor do que a dos metais. (0,5)

c) O que é tensão de escoamento de um material? (0,5)d) Faça uma curva tensão x deformação esquemática de um material frágil e de

um dúctil. Explique o comportamento desses materiais. (1,0)e) Um aluno fez ensaios mecânicos em uma máquina de tração de um material

polimérico. Os resultados dos ensaios foram armazenados no computador, na forma de força em função do alongamento do material. Como é possível, a partir dos dados de força e alongamento, determinar a tensão e deformação de engenharia dos corpos-de-prova? (1,0)

f) Qual a diferença entre tensão, deformação de engenharia e tensão, deformação real? (0,5)

3) O que é a microestrutura de um material e de que ela depende? (1,0)

4) O que é limite de resistência a fadiga de um material metálico? (0,5)

5) Cite e comente alguns exemplos onde o coeficiente de dilatação térmica pode se tornar um sério problema na prática se não for levado em conta no design do material ou do sistema mecânico? (1,0).

6) Sendo E o módulo de elasticidade (unidade: N/mm2) de um arame de comprimento inicial L0 (unidade: mm), A0 a área da seção transversal (unidade: mm2), e el a deformação elástica quando o arame está submetido a uma tensão (unidade: N/mm2), demonstre que a variação elástica de comprimento DL sofrida pelo arame sob uma tensão , é dada por: DL = F.L0 / E.A0. (1,0)

7) Mostre, esquematicamente, com auxilio de um gráfico, como se comportam os aços em relação à energia absorvida no ensaio de impacto em função da temperatura do ensaio e explique porque o navio Titanic afundou? (1,0)

Boa Sorte

EMC 5201 - MATERIAIS DE ENGENHARIA- CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICAPrimeiro semestre de 2008 - Prova I. Data 29/04/2008

1) O Fator de empacotamento atômico é definido como sendo a fração do volume da célula unitária ocupada por massa, ou seja, pelos átomos contidos nesta célula unitária.

g) Considerando que o ferro na temperatura ambiente forma uma estrutura cúbica de corpo centrado (CCC), calcule a fração do volume ocupada pelos interstícios em uma peça fabricada em ferro puro. (1,0)b) Estrutura C.C.C.

FEA=

24

33

3

R

a

Como no c.c.c. a diagonal do cubo é 4R, têm-se:

( )4 32 2 2 2 2R a b c a

aR

aR2

24

3

4

3

( )

F E AR

R. .( )

, 2

434

3

0 6 8

3

3

Vintersticios = (1- 0,68) = 0,32 ou 32%

h) Na estrutura CCC do ferro a solubilidade de carbono é da ordem de 0,025% (no caso trata-se de solução sólida intersticial). No entanto, a solubilidade aumenta consideravelmente, podendo chegar a 2%, na fase cúbica de faces centradas do ferro, a qual ele assume acima de 910C. Explique por que! (0,5)

Por que o tamanho dos interstícios muda. No CFC temos interstícios de menor tamanho onde o átomo de carbono se acomoda de forma mais estável. Além disso, o número de interstícios é maior no CFC.

2) Propriedades mecânicas dos materiais: g) Por que os materiais poliméricos apresentam menor

resistência à tração e módulo de elasticidade do que materiais metálicos? (0,5)

h) Explique por que a densidade de polímeros é menor do que a dos metais. (0,5)

i) O que é tensão de escoamento de um material? (0,5)j) Faça uma curva tensão x deformação esquemática de um

material frágil e de um dúctil. Explique o comportamento desses materiais. (1,0)

k) Um aluno fez ensaios mecânicos em uma máquina de tração de um material polimérico. Os resultados dos ensaios foram armazenados no computador, na forma de força em função do alongamento do material. Como é

possível, a partir dos dados de força e alongamento, determinar a tensão e deformação de engenharia dos corpos-de-prova? (1,0)

l) Qual a diferença entre tensão, deformação de engenharia e tensão, deformação real? (0,5)

3) O que é a microestrutura de um material e de que ela depende? (1,0)

4) O que é limite de resistência a fadiga de um material metálico? (0,5)

É o valor de tensão (N/mm2) para a qual o material (ou a peça) suporta o número de ciclos previsto no seu projeto de engenharia

5) Cite e comente alguns exemplos onde o coeficiente de dilatação térmica pode se tornar um sério problema na prática se não for levado em conta no design do material ou do sistema mecânico? (1,0).

Exemplo 1: Peças em contato que possuem movimento relativo entre si:Durante o serviço (em funcionamento!) ocorre aquecimentodevido ao atrito, ocasionando variações dimensionais nos componentes; um coeficiente de dilatação térmica distinto nas peças em contato acarreta desajuste dimensional. Resultado: engripamento, vibrações e ruído; desgaste acelerado em pontos específicos.

Exemplo 2: Materiais revestidos com camadas ou filmes

Quando o coeficiente de dilatação térmica do substrato for acentuadamente diferente daquele do revestimento, pode ocorrer o desplacamento da camada, ou o seu trincamento.

Exs.: vidrado (esmalte cerâmico) sobre azulejos; Filmes DLC (são filmes de elevada dureza e baixo coeficiente de atrito a base de carbono); Cromagem, zincagem, nitretação, cementação, etc.

3) Junção metal - cerâmica

4) Materiais compósitos Matriz metálica + fibras cerâmicas Matriz metálica + partículas cerâmicas(arranjo/ mistura tridimensional de fases com distintos coeficientes de dilatação).

6) Sendo E o módulo de elasticidade (unidade: N/mm2) de um arame de comprimento inicial L0 (unidade: mm), A0 a área da seção transversal (unidade: mm2), e el a deformação elástica quando o arame está submetido a uma tensão (unidade: N/mm2), demonstre que a variação elástica de comprimento DL sofrida pelo arame sob uma tensão , é dada por: DL = F.L0 / E.A0. (1,0)

Ao = лR2 = л(D/2)2 = лD2/4 à σ = F/Ao = F/лR2 ou 4F/лD2

ε = DL/Lo ou DL = εLo E = σ/ε ou ε = σ/E Então, temos que DL = (σ/E )Lo = (F/лR2E)Lo = FL0/EA0

7) Mostre, esquematicamente, com auxilio de um gráfico, como se comportam os aços em relação à energia absorvida no ensaio de impacto em função da temperatura do ensaio e explique porque o navio Titanic afundou? (1,0)

Energia absorvida no ensaio de impacto (Joules)

Temperatura do corpo de prova (0C)

10 0 60 - 20 -10 20 30 40 50 - 30

Energia absorvida no ensaio de impacto (Joules)

Temperatura do corpo de prova (0C)

10 0 60 - 20 -10 20 30 40 50 - 30

Energia absorvida no ensaio de impacto (Joules)

Temperatura do corpo de prova (0C)

10 0 60 - 20 -10 20 30 40 50 - 30

Boa Sorte

EMC 5201 - MATERIAIS DE ENGENHARIA- CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICAPrimeiro semestre de 2008 - Prova I. Data 29/04/2008

1) O que é a energia de ligação química e qual a importância da energia de ligação para as propriedades dos materiais, ou seja, o que Le tem a haver com as propriedades dos materiais de engenharia (1,0) 2) Propriedades mecânicas dos materiais:

m) Por que os materiais metálicos e cerâmicos apresentam poliméricos apresentam maior resistência à tração e maior módulo de elasticidade do que materiais poliméricos? (1,0)

n) O que é tensão de escoamento de um material de um material metálico? (1,0)o) Explique por que a densidade de polímeros é menor do que a dos metais.

(0,5)p) Por que materiais cerâmicos não possuem tensão de escoamento? (0,5)q) Para que aplicações de engenharia servem materiais condutores que

possuem apenas baixa condutividade elétrica? (0,5)r) Para que aplicações de engenharia servem materiais que possuem elevada

resistência ao calor? (0,5)s) O que você entende por materiais de baixo coeficiente de atrito? (0,5)t) Qual a diferença entre tensão, deformação de engenharia e tensão,

deformação real? (0,5)

3) O que é a microestrutura de um material e de que ela depende? (1,0)

4) O que é limite de resistência a fadiga de um material metálico? (1,0)

5) Cite e comente alguns exemplos onde o coeficiente de dilatação térmica pode se tornar um sério problema na prática se não for levado em conta no design do material ou do sistema mecânico? (1,0).

6) Um arame de comprimento inicial L0 (unidade: mm), com área da seção transversal A0 (unidade: mm2), é distendido elasticamente no sentido do seu comprimento por um valor DL quando aplicada uma tensão (unidade: N/mm2). Sendo el a deformação elástica e E o módulo de elasticidade (unidade: N/mm2), demonstre que o módulo de elasticidade é dado pela equação E = F.L0 / DL.A0. (1,0)

Boa Sorte

EMC 5201 - Materiais de Engenharia - Semestre I1 de 2008Data: 11/12/2007 Profs. Guilherme Barra e Aloisio N. Klein

Os principais grupos de processos de fabricação de materiais são: A) Processos de fundição onde ocorre a obtenção da geometria das peças por solidificação de metal fundido em um molde; B) Processos de conformação mecânica, onde se usa a plasticidade (capacidade de deformação plástica) dos metais para conformar a geometria por deformação plástica; C) Processos de usinagem, obtenção da geometria por remoção de material; D) Processamento de materiais a partir de pós ou consolidação de pós, obtenção da geometria pela densificação de pós em uma matriz ou molde por compactação ou prensagem. As propriedades dos materiais podem ser classificadas em mecânicas, óticas, elétricas, químicas, térmicas, tribológicas, etc. Podemos dizer que “nenhum processo de fabricação é mais importante que o outro. Escolhemos (selecionamos) o material e o processo de fabricação a ser utilizado para fabricar a peça em função do conjunto de propriedades que cada aplicação particular exige. Quando um material não possui os valores das propriedades mecânicas adequadas, estas podem ser alteradas pelos mecanismos chamados de “mecanismos de endurecimento ou de aumento da resistência”, que envolvem inclusive tratamentos térmicos.

1) Para que aplicações utilizamos materiais que possuem elevada resistência elétrica? (0,5). Para fabricar resistências elétricas de fornos e chuveiros e outros sistemas de aquecimento

2) Que propriedades você considera fundamentais para uma engrenagem? (0,5). Boa resistência a desgaste; baixo coeficiente de atrito; alta dureza, tenacidade no núcleo.

3) Por que você acha que componentes de metais refratários Tungstênio e Molibdênio e as ligas são produzidos a partir do pó (metalurgia do pó)? (0,5). Possuem elevado ponto de fusão, sendo difícil obter economicamente por fundição; necessitam grão muito fino não possível de obter na solidificação; AS de W são muito duras e não possuem plasticidade adequada para a conformação mecânica

4) Por que materiais cerâmicas são geralmente produzidos a partir de pós cerâmicos? (0,5). Por que são difíceis de fundir, são muito resistentes ao desgaste dificultando usinagem e são muito duros e sem plasticidade, impedindo a conformação mecânica.

5) Quais são as propriedades mais importantes para um material utilizado para

fazer equipamentos de esporte, como raquetes de tênis, aros e estruturas de bicicleta de competição e “windsurfing”? (1,0). Baixo peso, resistência à corrosão e boa resistência mecânica; relação resistência/peso elevada.

6) Quais as principais características ou propriedades de uma pastilha de freio? (0,5). Precisa ter: coeficiente de atrito definido e constante com as condições metereológicas; boa resistência a o desgaste, boa condutividade térmica por que o atrito gera calor, capacidade de amortecer vibrações

7) Por que não fazemos a têmpera da peça mecânica antes da sua conformação mecânica? (1,0). Por que necessitamos de levada plasticidade para a conformação mecânica (conferir forma por deformação plástica);

8) Por que metais distintos (por exemplo, Ni e Mo) apresentam coeficientes de

difusão distintos (valores distintos) em uma mesma temperatura? (0,5); Por que a energia de ativação é distinta em função do valor da energia de ligação entre os átomos no materila. Esta é diferente para cada material.

9) O que significa na prática, aumentar a temperabilidade de um aço? (0,5). Significa: - deslocar o joelho das curvas TTT para a direta no eixo do tempo (tempos maiores); isto é possível quando diminui a difusividade do carbono em função da presença de elementos de liga.

10) Quais as principais propriedades exigidas do material quando este trabalha em temperaturas mais altas do que as normais? (0,5). Resistência à oxidação; resistência ao calor; resistência à fluência.

11)Quais as principais propriedades requeridas de um material que será utilizado para trocador de calor? (0,5); Alta condutividade térmica (como por exemplo, SiC); elevado ponto d efusão; resistência ao calor; Estabilidade do material perante o fuido trocador e ao meio ambiente em que se encontra.

EMC 5201 - Materiais de Engenharia - Semestre I1 de 2008Data: 11/12/2007 Profs. Guilherme Barra e Aloisio N. Klein

Os principais grupos de processos de fabricação de materiais são: A) Processos de fundição onde ocorre a obtenção da geometria das peças por solidificação de metal fundido em um molde; B) Processos de conformação mecânica, onde se usa a plasticidade (capacidade de deformação plástica) dos metais para conformar a geometria por deformação plástica; C) Processos de usinagem, obtenção da geometria por remoção de material; D) Processamento de materiais a partir de pós ou consolidação de pós, obtenção da geometria pela densificação de pós em uma matriz ou molde por compactação ou prensagem. As propriedades dos materiais podem ser classificadas em mecânicas, óticas, elétricas,

químicas, térmicas, tribológicas, etc. Podemos dizer que “nenhum processo de fabricação é mais importante que o outro. Escolhemos (selecionamos) o material e o processo de fabricação a ser utilizado para fabricar a peça em função do conjunto de propriedades que cada aplicação particular exige. Quando um material não possui os valores das propriedades mecânicas adequadas, estas podem ser alteradas pelos mecanismos chamados de “mecanismos de endurecimento ou de aumento da resistência”, que envolvem inclusive tratamentos térmicos.

12)Para que aplicações utilizamos materiais que possuem elevada resistência elétrica? (0,5). Para fabricar resistências elétricas de fornos e chuveiros e outros sistemas de aquecimento

13)Que propriedades você considera fundamentais para uma engrenagem? (0,5). Boa resistência a desgaste; baixo coeficiente de atrito; alta dureza, tenacidade no núcleo.

14)Por que você acha que componentes de metais refratários Tungstênio e Molibdênio e as ligas são produzidos a partir do pó (metalurgia do pó)? (0,5). Possuem elevado ponto de fusão, sendo difícil obter economicamente por fundição; necessitam grão muito fino não possível de obter na solidificação; AS de W são muito duras e não possuem plasticidade adequada para a conformação mecânica

15)Por que materiais cerâmicas são geralmente produzidos a partir de pós cerâmicos? (0,5). Por que são difíceis de fundir, são muito resistentes ao desgaste dificultando usinagem e são muito duros e sem plasticidade, impedindo a conformação mecânica.

16)Quais são as propriedades mais importantes para um material utilizado para

fazer equipamentos de esporte, como raquetes de tênis, aros e estruturas de bicicleta de competição e “windsurfing”? (1,0). Baixo peso, resistência à corrosão e boa resistência mecânica; relação resistência/peso elevada.

17)Quais as principais características ou propriedades de uma pastilha de freio? (0,5). Precisa ter: coeficiente de atrito definido e constante com as condições metereológicas; boa resistência a o desgaste, boa condutividade térmica por que o atrito gera calor, capacidade de amortecer vibrações

18)Por que não fazemos a têmpera da peça mecânica antes da sua conformação mecânica? (1,0). Por que necessitamos de levada plasticidade para a conformação mecânica (conferir forma por deformação plástica);

19)Por que metais distintos (por exemplo, Ni e Mo) apresentam coeficientes de

difusão distintos (valores distintos) em uma mesma temperatura? (0,5); Por que a energia de ativação é distinta em função do valor da energia de ligação entre os átomos no materila. Esta é diferente para cada material.

20)O que significa na prática, aumentar a temperabilidade de um aço? (0,5). Significa: - deslocar o joelho das curvas TTT para a direta no eixo do tempo (tempos maiores); isto é possível quando diminui a difusividade do carbono em função da presença de elementos de liga.

21) Quais as principais propriedades exigidas do material quando este trabalha em temperaturas mais altas do que as normais? (0,5). Resistência à oxidação; resistência ao calor; resistência à fluência.

22)Quais as principais propriedades requeridas de um material que será utilizado para trocador de calor? (0,5); Alta condutividade térmica (como por exemplo, SiC); elevado ponto d efusão; resistência ao calor; Estabilidade do material perante o fuido trocador e ao meio ambiente em que se encontra.