Exercícios Lista 5 CM

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
Programa de Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica, Minas e de Materiais
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
EXERCÍCIOS – RELAÇÃO ENTRE ESTRUTURA E PROPRIEDADES – CAPÍTULO 5
1. Elementos de liga influem pouco no módulo de elasticidade. Entretanto, as resistências mecânicas são significativamente afetadas. Porquê?
	Quando se coloca átomos de outra substância, eles formam barreiras na passagem das discordâncias afetando assim a resistência mecânica. Já o módulo de elasticidade é resultado da energia de ligação entre os elétrons e não influem muito a colocação de alguns elementos na rede.
	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. Porque as ligas de metais têm maior resistência mecânica do que os metais puros?
	Os elementos de liga criam defeitos na estrutura cristalina, dificultando assim a movimentação de discordâncias.
3. Qual a dificuldade de se empregar deformação plástica para obter-se um aumento de resistência mecânica para metais como chumbo, zinco e estanho?
	Isso ocorre devido a ambos possuírem temperaturas de recristalização muito baixas, assim, quando é realizado trabalho a frio o material é deformado plasticamente, mas mesmo a temperatura ambiente o material volta a sua condição original.
4. Qual o efeito da temperatura sobre o módulo de elasticidade e sobre a resistência mecânica de um metal?
	O módulo de elasticidade de todos os materiais decresce com o aumento da temperatura. A resistência mecânica diminui com o aumento da temperatura porque isso facilita o movimento das discordâncias deixando o material mais macio e dúctil.
5. Qual a diferença entre tensão de cisalhamento crítica e tensão de cisalhamento efetiva?
	Tensão de cisalhamento efetiva: é uma função da tensão axial e também depende do ângulo entre o plano de escorregamento e a direção da força e entre a direção de escorregamento e a direção da força.
	Tensão de cisalhamento crítica: tensão de cisalhamento necessária para produzir escorregamento em um determinado plano cristalino.
6. Porque 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 na temperatura ambiente maior resistência mecânica porque, proporcionalmente, possuíssem uma maior área de contorno de grão que os com grãos maiores e volume de material . Isto faz com que haja maior “áreas barreiras” para a passagem das discordâncias pelo material. Porque na temperatura ambiente os contornos de grão servem como barreiras para o movimento das discordâncias. Então quanto menor o tamanho de grão, mais barreiras teremos, e mais difícil fica para deformar o material.
7. Porque metais com tamanho de grão grande possuem a elevadas temperaturas maior resistência mecânica do que se possuíssem grãos pequenos?
	Porque em alta temperatura a estrutura como um todo esta vibrando e isso permite que as discordâncias, quando chegam a um contorno de grão “saltem” para o próximo grão. Então para grãos maiores, como as discordâncias têm que atravessar todo o grão, elas podem encontrar alguma barreira dentro do grão.
8. Os grãos aumentam seu tamanho médio a altas temperaturas? Porque não diminuem a baixas temperaturas?
	Sim, a altas temperaturas os grãos aumentam de tamanho devido à vibração térmica dos átomos, que facilita a transferência de átomos através da interface dos grãos pequenos para os maiores. Estão buscando uma estruturação da rede cristalina a mais organizada possível buscando o ponto de menor energia, a altas temperaturas eles estão vibrando mais e conseguem saltar contornos de grão para formar um grão maior.
	Diminuindo a temperatura pode-se diminuir ou interromper o processo, mas nunca reverter. Eles vibram menos e não tem tanta facilidade em mudar de lugar assim eles ficam mais ou menos como estão. O único jeito de diminuir o tamanho de grão é através de deformação a frio, deformando os grãos já existentes e começando novos.
9. Explique como um átomo de um elemento liga bloqueia uma discordância em movimento.
	Um átomo de um elemento liga serve como barreira para o movimento de discordâncias e quanto maior for a diferença de tamanho entre o elemento de liga e o original, mais difícil se torna a passagem das discordâncias. Porque esse átomo serve como barreira para o movimento de discordâncias, ou seja, ele é um empecilho no meio do caminho. Quanto maior for a diferença de tamanho entre o elemento de liga e o original, mais “travadas” ficam as discordâncias. Essa diferença pode ser tanto para maior como para menor que o original.
10. Explique os diferentes estágios de fluência.
Pode-se dividir a fluência em três estágios:
- Primário ou Transiente: há uma rápida deformação plástica.
- Secundário: quando a taxa de deformação é praticamente constante.
- Terciário: há uma aceleração da taxa de deformação, levando a eventual ruptura do corpo de prova.
11. O que é recuperação, recristalização e crescimento de grão? Descreva esses fenômenos.
- Recuperação: Os efeitos nocivos da irradiação podem ser anulados através de um recozimento apropriado em temperaturas elevadas. O mecanismo de recuperação é análogo ao de recristalização. Entretanto, a temperatura necessária é usualmente mais baixa do que seria de esperar, aparentemente porque a distorção da estrutura é maior que no material trabalhado a frio. Ocorre quando, depois de submeter um material a uma deformação, se dá certa temperatura, ½ a 1/3 da temperatura de fusão e se deixa um certo tempo para que o grão volte a seu tamanho original.
- Recristalização: Quando se tem cristal deformado plasticamente, tem mais energia que os cristais não deformados, pois estão cheios de discordâncias e outras imperfeições. Havendo oportunidade, os átomos desses cristais se reacomodarão de forma a se ter um arranjo perfeito e não deformado. Tal oportunidade ocorre quando os cristais são submetidos a temperaturas elevadas, através de um processo denominado recozimento. A recristalização é parecido com a recuperação ,mas o tempo e recuperação leva em conta o objetivo para o qual o material vai ser utilizado. Deixando mais ou menos tempo do que na descrição anterio. Os novos grãos são mais perfeitos; ocorre um rearranjos atômicos apenas locais. Por exemplo: no caso do metal, quanto de resistência mecânica e o quanto de ductilidade é desejada.
- Crescimento de Grão: O tamanho médio dos grãos de um metal monofásico aumenta com o tempo, se a temperatura for tal que produza movimentos atômicos significativos. Um aumento na temperatura aumenta a vibração térmica dos átomos, o que, por sua vez facilita a transferência de átomos através da interface dos grãos pequenos para os maiores. Um abaixamento subseqüente da temperatura diminui, ou interrompe este processo, mas não o reverte. Crescimento de grão ocorre depois de uma recuperação. Se o material é deixado um tempo maior a temperatura antes sitada ocorre uma migração de átomos que se movem através do contorno de grão aumentando uns grãos 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 limite é aproximadamente 1150oC.
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 dediscordâncias 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 importância da temperatura de transição está na capacidade que o material tem de se deformar, ou suportar a energia imposta a ele sem romper. 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 (logo, avisa que irá romper).
	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, freqüentemente adota-se como temperatura de transição a que corresponde a uma certa energia de impacto.
	Esta transição pode-se tornar muito importante para o engenheiro que esta projetando uma estrutura a ser submetida a tensões de impacto (ex.: indústria naval).
	A transição dúctil para frágil é uma propriedade dos metais CCC, mas não dos CFC. Metais como cobre e alumínio não apresentam variação abrupta da tenacidade com a temperatura.
15. Explique porquê 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 os sistemas 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. Isso é válido para baixas temperaturas.
16. Qual a possível relação entre resistência mecânica à tração de um metal e o resultado de dureza Brinell? Porquê?
	Quanto maior a resistência à tração maior será a dureza Brinell do material. Isso ocorre porque a dureza Brinell é medida pela área de penetração de uma esfera, ou seja, quanto maior o limite de resistência do material mais difícil será para a esfera penetrar no material.
17. Qual a possível relação entre resistência mecânica e limite à fadiga de um metal? Porquê?
	Quando um metal possui uma resistência mecânica muito alta, a sua resistência à fadiga tende a ser baixa. Porque um metal assim possui baixa ductilidade e sob aplicação cíclica de carga, produz-se pequeníssimas deformações que não são totalmente reversíveis. Portanto, a ruptura por fadiga esta relacionada com o fato de ao invés de se ter um comportamento elástico, ideal e reversível do material ter-se deformação plástica não uniforme. O limite à fadiga pode ser expresso como a metade da tensão máxima suportada pelo material num ensaio estático.
18. Em que etapas pode-se dividir o processo de fadiga de um material metálico?
Divide-se em três etapas:
	Inicialmente o tensionamento cíclico causa deformações a frio e escorregamentos localizados. 
	Depois a gradual redução de ductilidade nas regiões encruadas resulta na formação de fissuras submiscroscópicas.
	O efeito de entalhe das fissuras concentra tensões até que ocorra a ruptura completa.
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. O movimento de discordâncias ao longo dos planos de escorregamento e a distorção dos planos resultantes das deformações dos grãos adjacentes tornam desordenada a estrutura cristalina regular que inicialmente estava presente. Portanto, torna-se mais difícil o escorregamento anterior e a dureza do metal é aumentada. Pode-se também notar que o módulo de elasticidade permanece o mesmo desde o início.
21. Relacione a estrutura e as propriedades mecânicas apresentadas na Figura 2.
���� SHAPE \* MERGEFORMAT �
		FIGURA 1					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 dutilidade alta e uma tensão de escoamento baixa.
22. O cloreto de sódio é isolante no estado sólido. Entretanto no estado líquido, ele é um bom condutor. Justifique.
	A condutividade elétrica depende do número de condutores ou transportadores de carga, da carga e da mobilidade dos mesmos. Como o número de condutores e a carga independem do estado (líquido ou sólido), conclui-se que a mobilidade dos condutores que no estado líquido é bem maior é que justifica este fenômeno.
23. As condutividades elétricas da maioria dos metais decrescem gradualmente com a temperatura, mas a condutividade intrínseca dos semicondutores sempre cresce rapidamente com a temperatura. Justifique a diferença.
	Nos metais, os elétrons responsáveis pelo transporte de cargas ao serem aquecidos se agitam mais fortemente e esta maior agitação acaba interferindo no movimento dos transportadores de carga, de forma prejudicial. Já nos semicondutores, os elétrons precisam da energia térmica para conseguir vencer a banda proibida, passando para a banda condutora.
24. Por que o efeito da temperatura na condutividade elétrica é, em geral, mais acentuado em um semicondutor do que em um isolante? 
	Porque comparativamente, a banda proibida nos isolantes é muito maior que nos semicondutores, necessitando de muito mais energia para vencer esta barreira.
25. A adição de pequenas quantidades (menos de um ppm) de arsênio no germânio aumenta drasticamente sua condutividade elétrica (semicondutor do tipo n), enquanto que a adição de pequenas quantidades (menos de um ppm) de gálio no germânio também aumenta drasticamente sua condutividade elétrica (semicondutor do tipo p). Explique estes dois comportamentos.
	O As possui 5 elétrons de valência. Quando é adicionado ao Ge que possui 4 elétrons, permite que este elétron a mais atue como transportador de carga para o eletrodo positivo. O Ga possui 3 elétrons de valência, que ao ser adicionado ao Ge, provoca um buraco eletrônico, fazendo com que a carga positiva se mova na direção do eletrodo negativo.
26. Por que a deformação plástica de um metal ou liga aumenta sua resistividade elétrica e o posterior recozimento a diminui?
	A deformação plástica de um metal ou liga aumenta sua resistividade elétrica pois dificulta o passo dos elétrons devido ao aumento de discordâncias ou impurezas no metal, dependendo diretamente desta deformação do material; e o recozimento minimiza os efeitos da deformação plástica e a resistividade volta a cair, pois estando o metal mais ordenado facilita o passo dos elétrons.
27. Por que pequenas adições de soluto aumentam a condutividade elétrica do germânio e diminuem a do cobre?
	Porque por Nordhein a resistividade elétricade um metal aumenta com a adição de átomos de soluto ((1=Ac1(1-c1)), isto vale para o Cu. O Ge segue a questão 25.
28. Pode um condutor metálico apresentar os fenômenos de ferroeletrecidade e/ou piezoeletrecidade?
	Não, um condutor elétrico possui suas cargas positivas e negativas quase sempre alinhadas não criando dipolos e não possibilitando os fenômenos citados.
29. Qual a diferença entre condução eletrônica e condução iônica?
	A condução eletrônica se dá em materiais metálicos e a eletricidade é transportada por elétrons, resulta do grande número de elétrons livres, que são os transportadores de carga.
	A condução iônica ocorre num material com ligações iônicas e o transporte se faz através de íons, normalmente necessitando maior temperatura para que haja movimentação destas cargas; ocorrem em semicondutores.
30. Em termos de bandas de energia eletrônica, discuta a razão para a diferença na condutividade elétrica entre metais, semicondutores e isolantes.
	Os metais são geralmente bons condutores pois possuem a sua banda condutora parcialmente ocupada.
	Os isolantes possuem uma banda proibida muito larga o que necessitaria de muita energia para ser vencida.
	Os semicondutores, possuem esta banda mais estreita, possibilitando que com um pouco de energia térmica, por exemplo, esta barreira seja vencida e o material se torne condutor.
31. Quais são as principais diferenças e similaridades entre um material (a) diamagnético e paramagnético e (b) ferromagnético e ferrimagnético?
	Diamagnéticos
	Paramagnéticos
	Forma muito fraca de magnetismo
	Forma muito fraca de magnetismo
	Ausência de campo externo = momento magnético nulo
	Ausência de campo externo = momento magnético nulo
	Na ausência de campo externo os átomos não formam dipolos
	Na ausência de campo externo os átomos formam dipolos alinhados ao acaso
	Ferromagnético
	Ferrimagnético
	Magnetismo permanente
	Magnetismo permanente
	Magnetismo diminui com a temperatura
	Magnetismo diminui com a temperatura
32. O que é material magnético mole?
Material magnético mole, é aquele material que é facilmente magnetizado e desmagnetizado.
33. O que é magnético duro?
Material magnético duro, é aquele que permanece magnetizado ou é um magneto permanente.
34. Desenhe um ciclo de histerese para um material magnético mole (por exemplo, ferro) recozido. Como a deformação plástica a frio altera o ciclo de histerese deste material?
	Para um material mole há a desmagnetização imediatamente após a remoção do campo magnético. Após a deformação plástica a frio, o material é tensionado e após a indução por um campo magnético as propriedades magnéticas são mantidas.
	
35. Explique porquê materiais ferromagnético podem ser permanentemente magnetizados, enquanto materiais paramagnéticos não podem.
	Porque os materiais ferromagnéticos possuem momentos atômicos alinhados, enquanto os materiais paramagnéticos possuem momentos distribuídos ao acaso, que só se alinham na presença de um campo magnético externo, ao ser removido este campo os momentos se distribuem ao acaso novamente.
36. Qual é a diferença entre a estrutura cristalina espinélio e espinélio inverso?
A estrutura cristalina de espinélio existe nos compostos cúbicos AmBnXp nos quais A é divalente e B é trivalente.
A estrutura cristalina de espinélio inverso existe nos compostos cúbicos AmBnXp nos quais A é trivalente e B é bivalente.
37. Explique brevemente porquê a magnitude de saturação de magnetização diminui com o aumento da temperatura para um material ferromagnético e porque o comportamento ferromagnético cessa acima da temperatura de Curie. 
	Os átomos dos materiais ferromagnéticos formam dipolos alinhados e com o aumento da temperatura se agitam tanto que mudam de direção anulando uns aos outros.
38. Em um dia frio, as partes metálicas de um carro causam maior sensação de frio que as partes de plástico, mesmo estando na mesma temperatura. Justifique.
	Isto ocorre devido ao fato de os metais serem melhores condutores térmicos que os polímeros, então mesmo estando à mesma temperatura o metal transmite uma sensação de temperatura menor.
39. Justifique as afirmativas a seguir (a) a condutividade térmica de um policristal é ligeiramente menor que a de um monocristal (do mesmo material). (b) uma cerâmica cristalina é geralmente melhor condutora térmica que uma cerâmica amorfa.
	Em ambos os casos, pelo fato de termos materiais com ligações mais covalentes do que iônicas, quanto mais “organizado” melhor o material para a condução da energia pelos elétrons. Os elétrons ficam orientados dentro do material de forma a favorecer melhor escoamento de energia.
40. Defina nível de Fermi.
	O nível de Fermi corresponde ao mais alto nível de energia ocupado por elétrons na temperatura de 0K.
41. A condutividade elétrica do alumínio é cerca de 20 ordens de grandeza maior que a da alumina. Por outro lado, a condutividade térmica do alumínio é apenas 8 vezes maior que a da alumina. Justifique.
	Esta aparente anomalia é justificada pela cristalinidade que a alumina possui de forma a possuir uma baixa condutividade elétrica devido a suas propriedades cerâmicas (ligações covalentes, sem elétrons livres, etc) mas uma boa condutividade térmica devido a seu bom grau de cristalinidade e organização de suas moléculas o que favorece o fluxo de energia térmica pelo material.
42. A condutividade térmica da alumina é maior que a condutividade térmica de um aço inoxidável austenítico do tipo 316 (Fe-19%Cr-11%Ni-2,5%Mo). Como você justifica o fato de um material cerâmico ser melhor condutor de calor que um material metálico?
	Dentre os materiais cerâmicos, a alumina possui uma condutividade térmica relativamente alta o que é incomum. Agora considerando um aço liga, este possui uma condutividade térmica menor que o ferro ou até um aço comum devido ao efeito de seus componentes da liga diminuírem o número de discordâncias entre planos de escorregamento.
43. Explique brevemente a expansão térmica usando a curva do potencial de energia versus a distância interatômica.
	Quando os átomos estão em seu estado de mais baixa energia eles possuem uma distância interatômica dita normal, onde se manterão estáveis até que algo aconteça com a molécula. Quando algo acontece como o aumento de energia pela adição de calor, a energia potencial aumenta, aumentando a distância interatômica, ocorrendo a expansão térmica do material.
44. Compare o efeito da temperatura sobre a condutividade térmica e elétrica para materiais cerâmicos e metálioco.
	Quando aumenta a temperatura, diminui a condutividade térmica e elétrica dos metais. Já para os materiais cerâmicos, geralmente, ocorre o contrário: aumentando a temperatura, aumenta a condutividade térmica e elétrica.
45. Para cada um dos pares de material apresentado decida qual deles tem a maior condutividade térmica. Justifique sua resposta. (a) prata pura; prata esterlina (92,5 Ag e 7,5 Cu % em peso); (b) sílica fundida; sílica policristalina.
Prata pura possui maior condução térmica, pois mantém suas discordâncias entre planos de escorregamento e vacâncias o que favorece o surgimento de elétrons livres para a condução.
Sílica fundida possui maior condução térmica, pois possui uma maior organização de seus cristais, o que favorece a transmissão de calor por fônons melhor que a sílica policristalina.
46. A pele humana é relativamente insensível à luz visível, mas a radiação ultravioleta pode ser-lhe bastante destrutiva. Isto tem alguma relação com a energia do fóton? Justifique.
	A energia de um fóton na radiação ultravioleta possui energia o suficiente para romper ligações C-H , ligações estas largamente presentes na pele humana. Por isso a nocividade.
47. Quais as principais diferenças e similaridades entre um fóton e um fônon?
	Um fóton é um quanta de energia cinética. Um fônon é um quanta de energia elásticaou vibracional.
48. Quando um corpo é aquecido a uma temperatura muito alta ele se torna luminoso. A medida que a temperatura aumenta, a sua cor aparente muda de vermelho para amarelo e finalmente para azul. Explique.
	À medida que a temperatura aumenta, a energia emitida aumenta também, de forma que isso se torna visível pelo comprimento de onda da energia emitida. Assim, a energia pode ser avaliada pela freqüência e comprimento de onda onde temos do vermelho ao azul uma relação de maior para menor comprimento de onda e conseqüentemente menor para maior quantidade de energia.
49. O silício não é transparente à luz visível mas é transparente à radiação infravermelha. Justifique 
	O silício é transparente a radiação infravermelha devido ao seu tamanho de grão. O tamanho de grão é a estrutura no material que provoca os efeitos e influencia diretamente nas propriedades óticas (refração, difração, etc). No caso do silício, para termos a transparência a radiação infravermelha, um tamanho maior que o comprimento de onda da radiação infravermelha é o suficiente para transparência.
50. Um cristal de KCl é irradiado com raios ( e adquire a cor púrpura. O cristal é colocado em um dessecador na temperatura ambiente. Com o passar do tempo, o cristal vai perdendo a cor. Justifique este comportamento.
	Porque a cor dos materiais transparentes são uma combinação dos comprimentos de onda que são absorvidos, logo composições diferentes originam cores diferentes. 
	Porque o Zinco e o Cobre absorvem comprimentos de onda diferentes e ao serem misturados, a combinação dos comprimentos de onda resultante é diferente da original.
51. Por que alguns materiais transparentes são incolores e outros são coloridos? Por que a adição de zinco muda a cor do cobre? 
	O cobre muda de cor com a adição de zinco porque ocorre um alteração na forma em que o cobre com zinco absorve e emite a radiação incidente, quando comparado com cobre puro.