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Lista de Exercício para 1º EE - Fundição e Solidificação

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GERAL
>> Em que consiste o processo de refino zonal? Explique.
A fusão zonal compreende uma família de métodos para controle e distribuição de impurezas na qual uma pequena zona fundida é deslocada/movimentada lentamente ao longo de um material sólido repetidas vezes, redistribuindo gradativamente um soluto. Ela é utilizada na purificação de materiais, no processo denominado de refino zonal, mas também pode ser usada na distribuição homogênea ou descontinuas de impurezas e no crescimento de cristais.
O refino zonal consiste na movimentação constante de uma zona líquida do material repetidas vezes numa barra que queira se purificar, de tal forma que as impurezas são acumuladas gradativamente nas extremidades da barra, que por fim são cortadas, removendo assim as impurezas.
>> Quais os mecanismos de endurecimento? Explique.
Mecanismos de endurecimento são obstáculos a movimentação das discordâncias, pois a habilidade de um metal deformar plasticamente depende basicamente da movimentação das suas discordâncias. O que provoca um aumento da resistência mecânica do metal.
- Solução sólida
Consiste na adição de elementos de liga, visando a formação de soluções sólidas substitucionais ou intersticiais (dependendo da relação de tamanhos atômicos entre o solvente e o soluto). Ao ocupar lugares da rede cristalina de um dado metal, os átomos do soluto provocam distorções na rede e para minimizar a energia do material procuram lugares onde se acomodam mais facilmente, junto a discordâncias.
- Precipitação/dispersão de partículas de segunda fase
O material exibe uma segunda fase (região com composição e características distintas) dispersa na matriz. Os contornos entre as diferentes fases (precipitado e matriz) em uma liga são defeitos planares e interferem na movimentação de discordâncias.
- Refino de grão
Ao diminuir os grãos haverá mais contornos para a discordância ultrapassar, dificultando a sua mobilidade. Isso ocorre devido as diferentes orientações dos grãos, havendo a necessidade da discordância mudar sua direção de movimento; e isso é mais difícil quanto maior for a diferença de orientação entre os grãos.
- Encruamento
Também chamado de endurecimento a frio ou endurecimento por trabalho mecânico. Aumenta a densidade de discordâncias através de deformação do metal, resultando em seu auto-embarreiramento; ou seja, limita seu movimento.
>> Qual a relação de Hall-Petch?
Sigma(y) = Sigma(o) + (K / d^1/2)
Sigma(y) -> Limite de escoamento (Yield)
Sigma(o) e K -> Constantes particulares do material
D -> Tamanho médio do grão
Observar que d e Sigma(y) são inversamente proporcionais, ou seja, a resistência mecânica depende do diâmetro médio dos grãos.
Obs. Esta relação não é válida para grãos manométricos (10^-9)
>> Defina grão e contorno de grão.
- Grão
Unidade cristalográfica com uma única orientação preferencial dos seus átomos.
Cada núcleo de solidificação dá origem a um grão.
É espacial, tem 3 dimensões. Quando tem aproximadamente a mesma dimensão nos 3 eixos é chamado de grão equiaxial (quando há deformação isso é mudado).
Tamanho do grão nos metais é de 10 a 30 mícrons.
- Contorno de grão
Região de desajuste entre átomos vizinhos/adjacentes.
É energicamente mais favorecido, pois há uma distorção devido as diferentes orientações dos cristais, quanto maior o desajuste, maior a energia do contorno.
Grãos adjacentes possuem diferentes orientações e um contorno de grão em comum.
>> Qual o mecanismo de deformação nos metais?
Escorregamento ou deslizamento de planos compactos com movimentação de discordâncias (o cristal é o empilhamento de planos compactos, interpretá-los como cartas de baralho em que seu deslizamento ocorre ao jogarmos estas cartas).
>> Segundo Frenkel qual a diferença entre as tensões máximas de cisalhamento para uma rede cristalina perfeita e a rede cristalina real? Qual a conclusão?
Frenkel calculou a tensão teórica de cisalhamento, encontrando valores da ordem de 10^3 a 10^4 da tensão real.
Isso ocorre porque, na prática, a rede cristalina não é perfeita (tem defeitos, como: discordância, lacuna, vacância, etc.). Não é possível fabricar um material sem defeito, mas sim próximo disso, o material chamado de Whiskers (fibras curtas que são resfriadas muito lentamente).
FABRICAÇÃO MECÂNCIA
>> Qual o principal objetivo dos processos de fabricação mecânica?
Conferir forma (geometria), dimensão (e tolerância dimensional) e acabamento superficial (especificado no projeto) a uma matéria-prima bruta, no intuito de que desempenhe uma função.
>> Os processos de fabricação mecânica podem ser divididos em dois grandes grupos. Quais são esses grupos?
- Processos mecânicos
As modificações de forma são provocadas pela aplicação de tensões externas.
- Processos metalúrgicos
As modificações de forma estão relacionadas com altas temperaturas.
DIAGRAMA DE FASE
>> Defina ponto de fusão.
É a temperatura ou ponto no diagrama de fases em que a energia livre dos estados sólido e líquido são iguais. Ou seja, é a temperatura de transição (transformação) entre os dois estados, deixa de estar no estado sólido e passa para o líquido.
>> O que é superesfriamento?
Consiste em resfriar um líquido abaixo do seu ponto de fusão (Tf). É necessário para a nucleação, pois o líquido não se transforma imediatamente em sólido ao atingir Tf, mas só inicia a nucleação a partir dele.
>> Quanto ao grau de superesfriamento. Onde o mesmo é mais acentuado: nos metais ou nas ligas metálicas?
Nos metais puros, pois a interface sólido/líquido é normalmente plana, a menos que um severo resfriamento térmico seja imposto. Já numa liga, pode ser planar, celular ou dendítrica, dependendo da condição de solidificação e dos componentes da liga.
>> Defina o conceito de fase em metalurgia.
É uma porção homogênea da matéria com as mesmas propriedades (físicas, químicas, magnéticas, óticas, etc.)
>> Uma mistura de água com areia pode ser considerada uma fase? E se a água fosse misturada apenas com um pouco de sal, seria também uma fase? Justifique.
Não, pois a areia é insolúvel em água, gerando assim duas fases. 
Sim, pois um pouco do sal é solúvel em água, gerando assim uma única fase.
>> Critique no aspecto científico a afirmação: “o aço é um material monofásico e policristalino.”
Os aços são policristalinos, porém geralmente não são monofásicos, pois possuem muitas fases, como: ferrita, cementita, austenita, etc.
>> O que são os diagramas de equilíbrio e quais são as principais limitações na sua aplicação prática?
São gráficos que mostram as fases presentes num material em equilíbrio com o ambiente. Corretamente interpretado, um diagrama de equilíbrio indica o número de fases presentes, suas composições e a percentagem de cada fase, em função da temperatura, da pressão e da composição global do material. Sua limitação na prática se deve a maioria dos materiais de engenharia exista em condição metastável, isto é, fora de equilíbrio
>> Defina o significado físico das linhas (a) solidus e (b) liquidus.
- Solidus
Representa o limite de estabilidade do estado sólido.
Linha onde termina a solidificação.
- Liquidus
Representa o limite de estabilidade do estado líquido.
Linha onde inicia a solidificação. 
SOLIDIFICAÇÃO
>> Descreva os fenômenos metalúrgicos que ocorrem no processo de solidificação de metais puros. Faça o mesmo para ligas metálicas.
- Cristalização
Consiste no surgimento das estruturas cristalinas (nucleação dos grão) e no crescimento destas estruturas, o qual ocorre de maneira não uniforme;
- Contração do volume
Contração líquido: Causada pelo aumento da densidade à medida que o metal líquido é resfriado;
Contração ou solidificação: Causada pela cristalização durante a solidificação;
Contração sólida: Causada pelo resfriamento do metal solidificado, desde a temperatura de solidificação até a temperatura ambiente;
- Concentração de Impurezas
As impurezas são menos solúveis