Curso de Extensão - ciencias dos materiais

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Curso de Extensão 
Engenharia de Materiais 
 
1. 
 
2. Aços rápidos (“high speed steels”) são ligas de ferro contendo carbono, 
tungstênio, molibdênio, vanádio, cromo e outros elementos, desenhadas 
para atingir um elevado valor de dureza por tratamento térmico de 
têmpera e revenimento. Dentre os aços rápidos, o mais popular é o aço 
AISI M2, que apresenta aproximadamente 6%W, 5% Mo, 4% Cr, 2% V e 
por volta de 1%C. Ele é usado na fabricação de ferramentas (bits, fresas, 
brocas) de usinagem apresentando elevada resistência ao desgaste 
(abrasivo e adesivo), o que permite aumentar a velocidade de corte nestas 
operações (daí o nome). 
Kim et al. (Fracture toughness of AISI M2 High-speed steel and 
corresponding matrix tool steel, Metall. Trans. 13A, 1982, pp. 1595 – 1605) 
mediram a tenacidade à fratura em deformação plana (KIc) para aços M2 
sujeitos a diferentes condições de tratamento térmico (Vide a Figura 2), 
que consiste em austenitizar (aquecer a uma temperatura TA onde a 
austenita é estável), temperá-lo e, posteriormente, reaquecê-lo a uma 
temperatura intermediária, TR, em um tratamento chamado de revenido. 
A Tabela I a seguir sumariza alguns dos resultados de KIc obtidos por 
estes autores em função de algumas escolhas de temperaturas de 
tratamento térmico. 
 
 
Figura 2- Esquema do ciclo térmico correspondente ao tratamento 
térmico de têmpera e revenido do aço AISI M2. 
𝐾𝐼𝐶 = 𝑌×𝜎×√𝜋×𝑎𝑐
2 
 
Tabela I – Resultados de tenacidade à fratura obtidos por Kim et. al. Para 
um aço AISI M2 sujeito a três diferentes condições de tratamento térmico de 
têmpera e revenido. 
 
Com base nestes valores e supondo que o componente fabricado a partir 
deste aço estará sujeito, em serviço, a uma tensão máxima de tração de 
400MPa, calcule o tamanho máximo do defeito crítico superficial (isto é, use 
Y = 1,12) aceitável para as três condições de tratamento térmico. Qual é a 
condição mais segura para o tratamento térmico deste componente? 
 
 
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7. Nosso entendimento da relação entre estrutura e propriedade de materiais 
provê a base para a seleção de materiais existentes e o desenvolvimento de 
novos materiais. Nós dependemos também desse conhecimento científico 
para utilizar materiais na obtenção de produtos úteis, uma vez que o 
processamento desses materiais depende da estrutura e das propriedades 
dos materiais que usamos e também as influencia. O parágrafo acima retrata 
a inter-relação existente entre os três elementos básicos da ciência dos 
materiais: estrutura, propriedade e processamento. As opções abaixo contêm, 
cada uma, duas assertivas relativas a essa correlação, sendo que a segunda 
é uma justificativa da primeira. Assinale a opção em que as duas assertivas 
são verdadeiras e a segunda é uma justificativa correta para a primeira. 
 
a) Produtos cerâmicos não podem ser fabricados por processos que 
dependam de deformação plástica no material porque as matérias-primas 
utilizadas para fabricação de cerâmicas convencionais são naturais. 
b) A laminação a frio de metais causa aumento de sua dureza, mecanismo 
conhecido como encruamento, porque o tamanho do grão de metal diminui 
durante a laminação a frio. 
c) A consolidação dimensional de produtos cerâmicos obtidos por prensagem 
ocorre durante a queima porque a diminuição de porosidade advinda da 
sinterização acarreta aumento da resistência mecânica de cerâmicas. 
d) O controle da temperatura e da concentração do iniciador durante a 
síntese de polímeros influencia o limite de resistência à tração desses 
materiais porque tais parâmetros afetam a massa molar média do polímero 
obtido. 
e) Peças metálicas obtidas por fundição apresentam grão menor que o de 
peças do mesmo componente processadas por forjamento porque a 
solidificação de metais leva à formação de um material policristalino. 
 
 
8. No campo da ciência de materiais, defeito ou imperfeição estrutural significa 
que ocorre uma interrupção, uma irregularidade ou um desarranjo na estrutura 
do material. A presença de imperfeições não implica, necessariamente, em 
um efeito negativo sobre as propriedades. A respeito desse tema, assinale a 
opção incorreta. 
a) Lacunas são imperfeições no arranjo atômico que, geralmente, estão 
presentes em materiais metálicos e cerâmicos, o que possibilita a difusão 
atômica, necessária para a maioria dos processos de transformação de 
fase. 
b) O contorno de grão, imperfeição estrutural tipicamente presente em 
materiais monocristalinos, influencia as propriedades mecânicas do 
material. Reduzindo-se o tamanho do grão, é possível diminuir o limite de 
resistência do material. 
c) A deformação plástica de metais, por meio da qual são possíveis diversos 
processos de conformação mecânica, como, por exemplo, a laminação, 
ocorre por meio do movimento de discordâncias ou de deslocações. 
d) A presença de poros pode — ou não — ser desejável, dependendo da 
aplicação do material. Poros podem ser introduzidos intencionalmente, 
por exemplo, para reduzir a condutividade térmica de materiais. 
e) A adição intencional de impurezas em um material, mesmo em pequenas 
quantidades, pode afetar significativamente suas propriedades ópticas e 
elétricas. 
 
9. 
 
αm representa a fase inicial 
(solução supersaturada ou 
fase vítrea) 
β representa a segunda fase 
formada 
Transformações de fase podem ser usadas para controle de microestrutura e, 
portanto, de propriedades de materiais. Grande parte das transformações de fase 
nos materiais ocorre por nucleação e crescimento de cristais a partir de uma fase 
metaestável, como no exemplo acima, que ilustra a cristalização a partir de um 
vidro e a precipitação a partir de uma solução sólida. Esse processo pode ser 
representado em um diagrama tempo-temperatura-transformação, ilustrado na 
figura acima. Dependendo do tratamento térmico a que o material metaestável 
inicial for submetido, diferentes microestruturas podem ser obtidas. Os ciclos 
térmicos identificados em azul (R1) e em vermelho (R2) representam dois 
diferentes tratamentos térmicos. Considerando essas informações, assinale a 
opção correta. 
a) As fases existentes antes da transformação indicada no diagrama, vidro 
ou solução sólida supersaturada, são fases de equilíbrio. 
b) A curva R1 representa um tratamento térmico utilizado quando se deseja 
obter um material em que a segunda fase formada apresenta tamanho de 
partícula menor que o apresentado pelo tratamento R2. 
c) Partindo-se do vidro, o produto resultante do tratamento térmico 
representado pelo ciclo térmico R2 apresentará maior limite de resistência 
mecânica que o obtido pelo tratamento R1. 
d) A vitrocerâmica obtida por meio do tratamento térmico do vidro pelo ciclo 
térmico R2 tem menor tenacidade que o vidro inicial. 
e) Assumindo-se que o custo do processo depende exclusivamente da 
temperatura de tratamento térmico, o processo R1 é financeiramente mais 
vantajoso que o processo R2. 
 
 
10. A literatura que trata dos efeitos da microestrutura sobre as propriedades 
mecânicas dos materiais metálicos policristalinos estabelece uma relação 
entre o tamanho médio de grão e o limite de escoamento (σy) — relação de 
Hall-Petch. Com base nesses conceitos, foram desenvolvidas técnicas de 
processamentos termomecânicos, como, por exemplo, a laminação 
controlada, que visam o refino de grão de aços estruturais, em que os 
requisitos de resistência mecânica e tenacidade são essenciais na 
especificação desses produtos. Acerca dessa relação, assinale a opção 
correta. 
a) Nosmateriais monofásicos, o limite de escoamento (σy) cresce com a raiz 
quadrada do tamanho médio de grão. 
b) Quando o material apresenta grãos de fases diferentes, com 
características microestruturais muito distintas, é possível adotar uma 
expressão do tipo “regra das misturas”, utilizando a equação de Hall-Petch 
para cada uma das fases na proporção da fração em volume de cada fase. 
c) A equação de Hall-Petch aplica-se apenas aos materiais com grãos 
completamente recristalizados e que apresentem distribuição uniforme de 
tamanhos. 
d) É possível adotar um tamanho de grão equivalente na equação de Hall-
Petch, desde que uma fração dos grãos de uma mesma fase não 
apresente subestrutura de discordâncias para formação de subgrãos. 
e) O tamanho médio dos grãos na relação de HallPetch representa o efeito 
dos contornos dos grãos como barreira à movimentação das 
discordâncias. Portanto, quanto maior é o tamanho médio de grão, maior 
é o número de contornos por unidade de volume e, assim, maior é o 
número de barreiras à movimentação das discordâncias.