MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA II (1)

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MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA II
Livro texto: PLT 256
Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais, de William D Callister Jr
Capítulo 07
Problemas e perguntas: 7.3,7. 22. Verificação de conceito: 7.4.
7.3) Um corpo – de - prova de alumínio com seção reta retangular de 10 mm X 12,7 mm (0,4 pol. X 0,5 pol.) é puxado em tração com uma forca de 35.500 N (8000 lb f ), produzindo apenas uma deformação elástica. Calcular a deformação resultante.
T = F/A 
T=tensão; F=força; A=area 
 
area= 0, 01 m x 0, 0127m 
area= 0, 000127 metros quadrados 
 
Dessa forma, T= 35500/0, 000127 
T= 279527559, 05 Pa (pascal) ou 
T= 279, 53 MPa (mega pascal) 
7.22) Um bastão cilíndrico com 120 mm de comprimento e diâmetro de 15,0 mm deve ser deformado utilizando-se uma carga de tração de 35.000 N. Ele não deve experimentar deformação plástica ou redução no seu diâmetro superior a 1,2 X mm. Dos materiais listados abaixo, quais são possíveis candidatos ? Justificar sua(s) escolha(s).
	Material
	Módulo de
Elasticidade
(GPa)
	Limite de
Escoamento
(MPa)
	Coeficiente
de Poisson
	Liga de alumínio
	70
	250
	0,33
	Liga de titânio
	105
	850
	0,36
	Liga de aço
	205
	550
	0,27
	Liga de magnésio
	45
	170
	0,20
Verificação de conceito:
 7.4.) Citar as principais diferenças entre os comportamentos das deformações elásticas, anelástica, viscoelástica e plástica.
A deformação elástica é independente do tempo e não permanente; a deformação anelástica é dependente do tempo e não permanente, enquanto a deformação plástica é permanente e a viscoelástica, ou seja, são materiais que, ao deformar-se, sofrem simultaneamente deformações elásticas e viscosas.
Capítulo 08
Problemas e perguntas: 8.19, 8.20, 8.22, 8.27, 8.31.
8.19) Explicar sucintamente por que os metais com estrutura cristalina HC são em geral mais frágeis do que os metais com estruturas cristalinas CFC e CCC.
Metais com estruturas cristalinas CFC e CCC possuem um número relativamente grande de sistemas de escorregamento (pelo menos 12, podendo chegar até 24). Esses metais são bastante dúcteis, pois uma extensa deformação plástica é normalmente possível ao longo dos vários sistemas. De maneira contraria metais com estrutura HC, com poucos sistemas de escorregamento ativos (de 3 a 6 no máximo), normalmente são bastante frágeis
8.20) Descrever em suas próprias palavras os três mecanismos para o aumento de resistência discutidos neste capitulo (isto é, a redução no tamanho do grão, o aumento de resistência por formação de solução solida e o encruamento). Explicar como as discordâncias estão envolvidas em cada uma das técnicas de aumento da resistência.
Redução no tamanho de grão : O contorno de grão atua como uma barreira ao movimento das discordâncias, uma vez que os dois grãos possuem orientações diferentes e uma discordância que atravessa um grão, ao chegar ao contorno, terá que alterar sua direção de movimento sendo que isso se torna mais difícil à medida que a diferença de orientação cristalográfica aumenta. Um material com granulação fina, que possui grãos pequenos, é mais duro e mais resistente (e também mais tenaz) do que um material que possui granulação grosseira, porque possui maior área de contornos de grão para dificultar o movimento das discordâncias Contornos de grão de baixo ângulo não são eficazes na interferência no processo de escorregamento devido ao leve desalinhamento cristalográfico através do contorno.
Aumento de resistência por solução sólida:
Outra técnica utilizada para aumentar a resistência e endurecer metais consiste naformação de ligas com átomos de impurezas que entram quer em solução sólida substitucional, quer emsolução sólida intersticial. O aumento da concentração de impurezas resulta em um consequente aumento no limite de resistência à tração e no limite de escoamento. As ligas são mais resistentes do que os metais puros,pois os átomos de impurezas que entram em solução sólida impõem geralmente deformações da redecristalina sobre os átomos hospedeiros vizinhos. Dessa forma, movimento das discordâncias ê restringido devido às Interações do campo de deformação da rede cristalina entre as discordâncias e esses átomos deimpurezas.
Encruamento:
O fenômeno de encruamento e explicado com base em interações entre campos dedeformação de discordâncias. A densidade de discordâncias em um metal aumenta com a deformação ou como encruamento, devido à multiplicação (ou à formação de novas) discordâncias. Consequentemente, adistância média de separação entre as discordâncias diminui. Na média, as interações de deformaçãodiscordâncias-discordâncias são repulsivas. Como resultado o movimento de uma discordância é dificultadopela presença de outras discordâncias. À medida que a densidade de discordâncias aumenta essa resistência ao movimento das discordâncias por outras discordâncias se torna mais pronunciada. Dessa forma, a tensão imposta, necessária para deformar um metal, aumenta com o aumento do trabalho a frio
8.22) O limite de escoamento inferior para uma amostra de ferro com o diâmetro médio de grão 5 X mm e de 135 MPA (19.500 psi). Em um diâmetro de grão de 8 X mm, o limite de escoamento aumenta para 260 MPa (37.500 psi). Em qual diâmetro de grão o limite de escoamento inferior será de 205 Mpa ( 30.00 psi). 
 8.27) Dois corpos - de - prova de um mesmo metal, previamente sem deformação, devem ser submetidos a um processo de deformação plástica pela redução de suas áreas de seção reta. Um dos corpos - de - prova possui seção reta circular enquanto o outro possui seção reta retangular. Durante a deformação, a seção reta circular deve permanecer circular, enquanto a seção reta retangular deve permanecer como tal. Suas dimensões original e após a deformação são as seguintes :
 Circular( diâmetro, mm) Retangular( mm )
Dimensões originais 15,2 125 X 175 Dimensões após a deformação 11,4 75 X 200
Qual desses dois corpos- de – prova será o mais duro após a deformação plástica e por que ?
8.31) Citar sucintamente as diferenças entre os processos de recuperação e de recristalização.
Durante a recuperação, uma parte da energia interna de deformação armazenada e liberada em virtude do movimento das discordâncias, devido a uma melhor difusão atômica à temperatura mais elevada.Mesmo após o processo de recuperação estar completo, os grãos ainda se apresentam em um estado de energia de deformação relativamente elevado. A recristalização e o processo de formação de um novo conjunto de grãos livres de deformação, equiaxiais e com baixas densidades de discordâncias.
Capítulo 09
Problemas e perguntas: 9.3, 9.29, 9.37, 9.38 Verificação de conceito: 9.1, 9.2
9.3)Estimar a resistência a fratura teórica para um material frágil quando se sabe que a fatura ocorre através da propagação de uma trinca de superfície com formato elíptico, com comprimento de 0,5 mm(0,02 pol.) e raio de curvatura na extremidade de 5 X mm ( 2 X pol.), quando é aplicado uma tensão de 1035 MPa (150.00 psi).
9.29) Um bastão cilíndrico com diâmetro de 15,2 mm (o,60 pol.) fabricado a partir de uma liga de alumínio 2014-T6 (ver a figura 9.63) é submetido a um ciclo de aplicação de cargas repetidas de tração e de compressão ao longo do seu eixo. Calcular as cargas máximas e mínimas que deverão ser aplicadas para produzir uma vida em fadiga de 1,0 X ciclos. Considerar que a tensão traçada no eixo vertical do gráfico seja amplitude da tensão, e que os dados tenham sido coletados para uma tensão media de 35 MPa (5000 psi).
9.37) Explicar sucintamente a diferença entre as estrias e as marcas de praia da fadiga, tanto em termos de (a) suas dimensões como de (b) sua origem.
As estrias são características morfológicas microscópicas da superfíciede fratura e se referem ao estágio II da propagação da trinca por fadiga; no geral as estrias são linhas paralelas distanciadas da ordem de μm umas das outras. As estrias não devem ser confundidas com as marcas de praia que por sua vez são características macroscópicas da superfície de fratura por fadiga. As marcas de praia são formadas devido a variações na amplitude e/ou freqüência do ciclo de carregamento. Entre duas marcas de praia podem existir milhares de estrias.
.As estrias de fadiga são relativamente planas e assumem aparência de quase-clivagem quando formadas em um meio agressivo e tendem a ter aparência de dúcteis quando formadas em um meio neutro
Marcas de Praia:Fadiga é o processo pelo qual os materiais perdem suas características iniciais devido a esforços repetitivos. A falha resultante da fadiga pode variar desde a perda de elasticidade e resistência da peça até sua quebra total.Existe uma outra importante característica no estágio II de fadiga, isto é, as
chamadas “marcas de praia
.As marcas de praia podem ser originadas através dos diferentes graus de oxidação produzidos nas sucessivas paradas para repouso do equipamento ou pela variaçãonas condições de carregamento. Estas marcas representam milhares de ciclos e elas apontam para o local de início de propagação de trinca. 
9.38) Listar quatro medidas que podem ser tomadas para aumentar a resistência a fadiga de uma liga metálica.
- Tratamento Superficial.
- Pré Compressão.
- Acabamento (Liso, Poliido, etc.
- Jateamento.
Verificação de conceito: 9.1, 9.2
9.1) Citar duas situações nas quais a possibilidade de uma falha é parte integrante do projeto de um componente ou produto
 Algumas situações em que a possibilidade de uma falha é parte do projeto de um componente ou de um produto são as seguintes: (1) o anel de abertura na parte superior de latas de bebidas em alumínio; (2) postes de utilidades/iluminação em alumínio localizados nas margens de rodovias – danos mínimos ocorrem a um veículo quando há colisão com o poste; e (3) em alguns componentes de máquinas, um pino de cisalhamento é usado para conectar uma engrenagem ou uma polia a um eixo – o pino é projetado para ser cisalhado antes que algum dano seja causado ao eixo ou à engrenagem em uma situação de sobrecarga.
9.2) Citar as diferenças significativas que existem entre o fator de uma intensidade de tensão, a tenacidade a fratura em tensão plana e a tenacidade a fratura em deformação plana.
O Fator de Intensidade de Tensões é um dos parâmetros da Mecânica de Fratura Linear Elástica utilizados para se conhecer o comportamento de estruturas e componentes contendo trincas e defeitos Em corpos com geometria simples, KI pode ser determinado com o auxílio de tabelas e manuais ou, e ainda analíticamente. Em casos mais complexos, esta determinação só pode ser feita por meio de métodos numéricos como o método dos elementos finitos ou de procedimentos experimentais.
A diferença entre deformação plana e tensão plana está baseada na presença ou ausência, respectivamente, de constrição transversal na deformação do material nas vizinhanças da ponta da trinca.
Capítulo 13
Problemas e perguntas: 13.1,13.3. Verificação de conceito: 13.1, 13.3, 13.4, 13.5
 13.1) (a) Listar as quatro classificações dos aços. (b) para cada uma dessas classificações, descrever sucintamente as suas propriedades e aplicações típicas.
Baixo Carbono
Propriedades: sem resposta a tratamentos de calor; relativamente macios e fracos; usinada e soldáveis.Aplicações típicas: carrocerias de automóveis, formas estruturais, tubulações, edifícios, pontes e latas.
Os aços
Propriedades: tratável termicamente, combinações relativamente grandes de características mecânicas.Aplicações típicas: rodas ferroviárias e trilhos, engrenagens, virabrequins e peças de máquinas.
Alto Carbono
Propriedades: duro, forte, e relativamente frágil.Aplicações típicas: cinzéis, martelos, facas, lâminas de serra tico-tico.
Aços de Alta Liga (aço e ferramenta)
Propriedades: duros e resistentes ao desgaste; resistentes à corrosão em uma grande variedade de ambientes.Aplicações típicas: ferramentas de corte, brocas, talheres, processamento de alimentos e instrumentos cirúrgicos.
13.3) Qual a diferença dos elementos de liga nos aços – ferramenta ?
Os aços-ferramentas são aqueles utilizados nas operações de corte, formação, afiação e quaisquer outras relacionadas com a modificação de um material para um formato utilizável. Estes aços se caracterizam pelas suas elevadas dureza e resistência à abrasão geralmente associadas à boa tenacidade e manutenção das propriedades de resistência mecânica em elevadas temperaturas.
Aco ferramenta Elementos químicos adicionados a uma matriz visando a formação de ligas metálicas. Os metais são geralmente utilizados na forma de ligas metálicas, ou seja, consistem em misturas de dois ou mais materiais dos quais pelo menos um é metal. A liga mantém as propriedades metálicas.
Verificação de conceito: 13.1, 13.3, 13.4, 13.5
13.1) Explicar sucintamente por que os aços inoxidáveis ferriticos e austeniticos não podem ser tratados termicamente.
 Os aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos não são tratáveis termicamente pois considera-se que “tratável termicamente” implica que martensita pode ser formada com relativa facilidade mediante têmpera da austenita a partir de uma temperatura elevada.
Nos aços inoxidáveis ferríticos, a austenita não se forma quando o material é aquecido e, portanto, a transformação da austenita em martensita não é possível.
Nos aços inoxidáveis austeníticos, o campo da fase austenita estende-se até temperaturas tão baixas que a transformação martensítica não ocorre.
13.3) Qual a diferença principal entre um latão e um bronze ?
Tanto os latões quanto os bronzes são ligas à base de cobre. Nos latões, o principal elemento de liga é o zinco, enquanto os bronzes são ligados com outros elementos, tais como estanho, alumínio, silício ou níquel.
13.4) Explicar por que, sob algumas circunstancias, não e aconselhável soldar uma estrutura que seja fabricada em liga de alumínio 3003.
 O aumento da resistência de uma liga de alumínio 3003 é obtido por trabalho a frio. A soldagem de uma estrutura feita com a liga 3003 trabalhada a frio fará com que ela sofra recristalização e uma resultante perda de resistência.
13.5) Com base na temperatura de fusão, na resistência a oxidação, no limite de escoamento, e no grau de fragilidade, discutir se seria ou não aconselhável submeter os seguintes materiais a processos de trabalho a quente ou de trabalho a frio : (a) ligas de alumínio, e (b) ligas de magnésio.
A maioria das ligas de alumínio pode ser trabalhada a frio, uma vez que são dúcteis e têm limites de escoamento relativamente baixos.
As ligas de magnésio são normalmente trabalhadas a quente, uma vez que são bastante frágeis em temperatura ambiente. Além disso, as ligas de magnésio apresentam temperaturas de recristalização relativamente baixas.