Lista 6 - Ciência e Tecnologia dos Materiais

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Lista 6 - Ciência e Tecnologia dos Materiais 
 
1 Elementos de liga influem pouco no módulo de elasticidade. Entretanto, 
as resistências mecânicas são significativamente afetadas. Por quê? 
Porque a deformação elástica é resultado de um pequeno alongamento ou 
contração das células cristalinas na direção da tensão aplicada: tração ou 
compressão (os átomos podem se deformar ou se afastar um pouco uns dos 
outros). O módulo de elasticidade está ligado diretamente às forças das ligações 
interatômicas. 
Os elementos de liga dificultam a deformação do material, pois travado os 
caminhos de deslizamento das discordâncias, eles aumentam a resistência 
mecânica e afetam muito pouco a parte elástica, ou seja, o módulo de 
elasticidade. 
 
2 Por que as ligas de metais têm maior resistência mecânica do que os 
metais puros? 
Porque com a solubilização de um segundo elemento na rede o movimento de 
discordâncias é dificultado, pois o segundo elemento é a barreira para tal 
movimento, assim aumentando a resistência mecânica. 
 
3 Qual a dificuldade de se empregar deformação plástica para obter-se um 
aumento de resistência mecânica para metais como chumbo, zinco e 
estanho? 
Em função de sua temperatura de recristalização ser muito baixa, o material 
sofre facilmente o processo de recristalização, o número de discordâncias reduz 
ainda mais e as propriedades mecânicas voltam ao seu estado original. 
 
4 Qual o efeito da temperatura sobre o módulo de elasticidade e sobre a 
resistência mecânica de um metal? 
O módulo de elasticidade e a resistência mecânica dos metais decrescem com 
o aumento da temperatura. 
 
5 Qual a diferença entre tensão de cisalhamento crítica e tensão de 
cisalhamento efetiva? 
A tensão de cisalhamento crítica é a tensão mínima necessária para iniciar o 
escorregamento dos planos dentro de um monocristal, que tem seu início de 
escorregamento para a direção de orientação que está mais favorável. 
A tensão de cisalhamento efetivas são as tensões paralelas e perpendiculares à 
direção de uma tensão por tração ou compressão, as tensões de cisalhamento 
efetivas não dependem apenas das tensões aplicadas, mas também da 
orientação do plano de escorregamento e a direção dentro do mesmo plano. 
6 Por que metais com tamanho de grão pequeno possuem a temperatura 
ambiente maior resistência mecânica do que se possuíssem grãos 
maiores? 
Metais com tamanho de grão pequeno possuem maior resistência mecânica 
porque, proporcionalmente, possuíssem uma maior 
área de contorno de grão que os com grãos maiores. O contorno de grão 
interfere no movimento das discordâncias. Devido às diferentes orientações 
cristalinas presentes, resultantes do grande número de grãos, as direções de 
escorregamento das discordâncias variam de grão para grão. Quanto menor 
tamanho de grão, mais descontinuidades para travar o movimento de 
discordâncias. 
 
7 Por que metais com tamanho de grão grande possuem a elevadas 
temperaturas maior resistência mecânica do que se possuíssem grãos 
pequenos? 
Em elevadas temperaturas, grãos menores, maior área de contorno, fluência 
mais rápida: existem mais “alçapões” para os átomos ao longo dos contornos 
horizontais e mais “fontes” de átomos de contornos verticais. Materiais de 
granulometria fina as distâncias de difusão são bem menores. 
 
8 Os grãos aumentam seu tamanho médio a altas temperaturas? Por que 
não diminuem a baixas temperaturas? 
O crescimento dos grãos ocorre através da migração de contornos de grão e sua 
energia associada. O início do crescimento do grão é uma relação entre o tempo 
e a temperatura de exposição, e só ocorre acima da temperatura de 
recristalização, os grãos não diminuem com baixas temperaturas porque o 
material já está recristalizado e não há energia suficiente para mudança de 
tamanho de grão. 
9 Explique como um átomo de um elemento liga bloqueia uma discordância 
em movimento. 
A presença de um elemento intersticial ou substitucional compensa a região 
tracionada ou comprimida nas discordâncias e atua restringindo o movimento 
dessa discordância e tornando necessário o uso de maior energia para esse 
movimento, ‘bloqueando-a’. 
 
10 Explique os diferentes estágios de fluência. 
Fluência é a deformação permanente de materiais quando estes são sujeitos a 
cargas ou tensões constantes e está em função do tempo. 
Pode ser dividida em 3 estágios: 
I - Alongamento inicial instantâneo do corpo-de-prova: taxa de fluência 
diminui ao longo do tempo; 
II – Inclinação da curva de fluência é a taxa de fluência, que é constante 
nesta fase; 
III – Taxa de fluência aumenta rapidamente com o tempo até a ruptura 
 
11 O que é recuperação, recristalização e crescimento de grão? Descreva 
esses fenômenos. 
Recuperação: Há um alívio das tensões internas armazenadas durante a 
deformação devido ao movimento das discordâncias resultante da difusão 
atômica. Redução do número de discordâncias e seu rearranjo. 
Recristalização: ocorre um rearranjo dos átomos em grãos menos deformados 
em temperaturas elevadas, a recristalização, com o crescimento do grão o 
número de discordâncias reduz ainda mais e as propriedades mecânicas voltam 
ao seu estado original. A temperatura de recristalização é dependente do tempo 
e está entre 1/2 e 1/3 da temperatura absoluta de fusão. 
Crescimento de grão: Depois da recristalização se o material permanecer por 
mais tempo em temperaturas elevadas o grão continuará à crescer pela 
“absorção” de outros. 
 
12 Qual a distinção entre trabalho a frio e trabalho a quente para um metal. 
Para o tungstênio, por exemplo, qual seria a temperatura limite entre um e 
outro? 
Trabalho a frio: deformação realizada abaixo da temperatura de 
recristalização. 
Trabalho a quente: deformação realizada acima da temperatura de 
recristalização. 
Para o tungstênio a temperatura de recristalização é aproximadamente 1200°C. 
 
13 Descreva a fratura dúctil e a fratura frágil. 
Fratura Dúctil: a deformação plástica continua até uma redução de área tal 
em que não há mais resistência, rompendo o material. Na fratura dúctil se 
consome energia na formação de discordâncias e outras imperfeições no interior 
dos cristais. 
Fratura Frágil: as partes adjacentes do metal são separadas por tensões 
normais à superfície da fratura. A fratura frágil não produz deformação plástica, 
ela requer menos energia que uma fratura dúctil. 
 
14 Qual a importância da temperatura de transição. Que estruturas estão 
mais susceptíveis à transformação dúctil-frágil? 
A transição de dúctil para frágil está relacionada com a dependência da absorção 
da energia de impacto que é medida em relação a temperatura. A baixas 
temperaturas uma trinca pode se propagar mais velozmente que os 
mecanismos de deformação plástica, logo, pouca energia é absorvida, já em 
temperaturas mais altas, a fratura é precedida de uma deformação plástica, que 
consome energia. Quando os metais CCC são submetidos a cargas de impacto 
em temperaturas relativamente baixas, verifica-se uma transição da fratura dúctil 
para a fratura frágil. Como a transição ocorre numa faixa de temperatura, 
frequentemente adota-se como temperatura de transição a que corresponde a 
uma certa energia de impacto. 
 
15 Explique por que um metal monocristalino é mais macio e dúctil que um 
metal policristalino? 
Um metal monocristalino é mais macio e dúctil que um metal policristalino 
porque não apresenta contorno de grão, logo, a frio, não existe uma barreira na 
circulação dos átomos. E, em cada grão é necessário o sistema de 
deslizamento para que ocorra a deformação. Num metal policristalino os 
contornos de grão funcionam como barreiras para o movimento de 
discordâncias, tornando assim o metal menos dúctil. Já nos monocristais as 
discordâncias têm maior facilidade de movimentação. 
 
16 Qual a possível relação entre resistência mecânica à tração de um metal 
e o resultado dedureza Brinell? Por quê? 
A resistência mecânica e dureza Brinell estão diretamente ligados a resistência 
de um material a deformações plásticas, isto é, o aumento de uma das 
propriedades resulta no aumento proporcional da outra. 
 
17 Qual a possível relação entre resistência mecânica e limite à fadiga de 
um metal? Por quê? 
Sabendo que fadiga é a falha que ocorre em estruturas submetidas a tensões 
dinâmicas e flutuantes e que fatores como poros e irregularidades podem agir 
como concentradores de tensões, facilitando a falha, é possível relacionar o 
aumento de resistência mecânica de materiais provocado pelo aumento das 
discordâncias com a redução do limite à fadiga da peça. 
 
 
 
18 Em que etapas pode-se dividir o processo de fadiga de um material 
metálico? 
PROPAGAÇÃO FASE I: após aplicação de um determinado número de ciclos de 
carregamento, formam-se extrusões e intrusões, onde é intensa a concentração 
de tensões. Taxa de crescimento de trinca: muito baixa (10-10 m/ciclo). 
PROPAGAÇÃO FASE II: ocorre a propagação de uma trinca bem definida com 
velocidade elevada (ordem de µm), surgindo estrias com o avanço da trinca. 
Taxa de crescimento de trinca: muito elevada! 
FRATURA FINAL (CATASTRÓFICA!): trinca percorreu uma área suficiente e o 
material não consegue suportar a carga aplicada, ocorre a fratura. 
 
19 A presença de discordância contribui positivamente ou negativamente 
para a deformação plástica de um metal? 
As discordâncias contribuem positivamente para a deformação plástica de 
um metal, já que o movimento de escorregamento se dá pelo movimento de 
discordâncias. Mas já num número elevado de discordância acaba sendo um 
empecilho pois elas vão trancar o movimento mútuo delas. 
 
20 Explique a Figura 1 abaixo. 
A figura 1 mostra que quanto mais trabalho a frio é feito no material, o limite 
de escoamento aumenta e a ductilidade diminui. 
 
21 Relacione a estrutura e as propriedades mecânicas apresentadas na 
Figura 2. 
Quando o material sofre um trabalho a frio ocorre uma deformação plástica, 
que ocasiona uma diminuição na ductilidade e aumento na tensão de 
escoamento. Quando é feito um recozimento a temperatura vai aumentando e 
com isso os grãos antes deformados começam a gerar novos grãos. Quando se 
atinge a recristalização temos uma microestrutura igual a original, ou seja, com 
muitos grãos e de pequeno tamanho. Nessa fase a ductilidade já é alta e a tensão 
de escoamento diminui, com o aumento contínuo da temperatura os grãos 
começam a crescer e o material se estabiliza com uma ductilidade alta e uma 
tensão de escoamento baixa.