Lista de Exercícios de Ciência dos Materiais #6
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Lista de Exercícios de Ciência dos Materiais #6

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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
Aluno: André Canal Marques
Professor: Carlos Bergmann
EXERCÍCIOS \u2013 DEGRADAÇÃO ENTRE OS MATERIAIS EM USO\u2013 CAPÍTULO 6
1. Os seguintes dados foram coletados durante a oxidação de uma pequena barra de liga metálica.
2. TempoGanho de massa (mg)1 min0,401 hora24,01 dia576
3. O ganho de massa é devido a formação de óxido. Devido às condições experimentais, não é possível inspecionar visualmente a camada de óxido. Diga se ela é (1) porosa e descontínua ou (2) densa e tenaz. Explique brevemente sua resposta. 
Ao traçar o gráfico tempo versus ganho de massa e ajustando-se uma função aos mesmos, constata-se que a função associada é uma reta, portanto temos que a camada é porosa e descontínua, pois não protege o metal e também por ser observado que a taxa de oxidação permanece constate durante o passar do tempo.
4. As densidades para três óxidos de ferro são FeO (5,70 Mg/m3), Fe3O4 (5,18 Mg/m3) e Fe2O3 (5,24 Mg/m3). Calcule a razão de Pilling-Bedworth para o ferro relativo a cada tipo de óxido e comente as implicações para a formação de uma camada protetora.
Fe: m=55.9 (=7.88
FeO=5.7 R=71.9*7.88/1.55.9*5.7= 1.78 ( forma óxido protetor
Fe3O4=5.7 R=231.7*7.88/3.55.9*5.18= 2.09 ( não forma óxido protetor
Fe2O3=5.7 R=159.8*7.88/2.55.9*5.24= 2.15 ( não forma óxido protetor
5. Dada a densidade do SiO2 (quartzo) = 2,65 Mg/cm3, calcule a razão de Pilling-Bedworth para o silício e comente as implicações para a formação de uma camada protetora se o quartzo fosse o óxido formado.
SiO2: (=2.65. ( R = 60.1*2.33/(1*28.1*2.65) = 1.88 ( forma óxido protetor. O SiO2 deve ser formado em altas temperaturas, e o filme de óxido não é estável neste caso.
6. Em contraste com o assumido no problema anterior, a oxidação do silício tende a produzir um filme de sílica vítrea com densidade = 2,20 Mg/cm3. A fabricação de semicondutores rotineiramente envolve estes filmes vítreos. Calcule a razão de Pilling-Bedworth para este caso e comente as implicações para a formação de um filme tenaz. 
SiO2: (=2.20
R= 60.1*2.33/(1*28.1*2.20 = 2.26 ( não forma óxido protetor.
7. Verifique a assertiva relativa às equações dy/dt = c3/y e y2 = c4(t + c5 em que c4 = 2c3 e c5=y2 em t=0. 
y2=c4t + c5 substituindo t=0, teremos c5= y2
8. Em uma célula de corrosão por concentração iônica envolvendo níquel (formando Ni+2), uma corrente elétrica de 5 mA foi medida. Quantos átomos de Ni por segundo são oxidados no ânodo? 
VOXIDO = M/D ; vMETAL = m/d
VOXIDO/vMETAL = Md/mD
5x10-3 / 0.16x10-18 = Nº e-/s 
Nº e- /2 = Nº átomos Ni = 1.56x1016 átomos de Ni/s
9. Para a célula descrita no problema anterior, quantos átomos de Ni por segundo são reduzidos no cátodo? 
Os mesmos 1.56x1016 átomos de Ni/s
10. (a) Em uma célula galvânica simples consistindo de eletrodos de Co e Cr imersos em soluções iônicas 1 molar, calcule o potencial da célula. (b) Qual metal sofrerá corrosão nesta célula? 
(a) O potencial é de \u20132,319V
(b) O metal que irá sofrer corrosão é o cromo.
11. Identifique o ânodo nas seguintes células galvânicas, incluindo uma breve discussão para cada resposta. (a) eletrodos de cobre e níquel em soluções padrão de seus próprios íons, (b) uma microestrutura bifásica de uma liga Pb-Sn 50:50, (c) uma solda chumbo-estanho em uma liga de alumínio 2024 na água do mar, e (d) um parafuso de latão em uma placa de Hastelloy C, também em água do mar.
(a) Níquel
(b) Sn
(c) Al 2024
(d) Latão
12. Uma liga cobre-níquel (35% peso \u2013 65% peso) é corroída em uma célula de concentração de oxigênio gasoso usando água em ebulição. Que volume de oxigênio gasoso (a 1 atm) será consumido no cátodo para corroer 10g da liga? (Assuma que somente íons bivalentes são produzidos). 
13. Assuma que ferro é corroído em um banho ácido, com a reação do cátodo sendo dada pela equação 2H+ + 2e- = H2( reação de redução do hidrogênio. Calcule o volume de gás H2 produzido nas CNTP para corroer 100g de ferro. 
100g Fe(OH)3
O2 + 2H2O + 4e- (4OH- 1mol O2 ( 4 mois OH-
Fe3++3OH- ( Fe(OH)3 3 mois OH- ( 1 mol Fe(OH)3
1 mol Fe(OH)3 consome 3/4 mois de O2
N° mois de O2 = 100g/((55.8+3*(16+1)) * 3/4 = 0.702 mois de O2
V= 0.702*8.314*273*9.869x106 = 0.0157 m3 O2 consumidos
14. Um ânodo de sacrifício de zinco protege da corrosão com uma corrente média de 2A no período de 1 ano. Que massa de zinco é necessária para esta proteção? 
I = 2A t = 3,11x107s Z(Zn) = 2
m = 2 * 3,11x107s * 6.54 / (2*96470)
m = 21 Kg Zn
15. Um tipo de dano causado por radiação encontrado em uma variedade de sólidos está associado com a produção do par elétron-pósitron, que ocorre em um patamar de energia de 1,02 MeV. (a) Qual é o comprimento de onda deste fóton? (b) Que tipo de radiação eletromagnética é esta? 
E = 1.02 MeV E = h * ( ( = c / (
E = h * c / ( ( = h * c / E = 1.95x10-31 m * 6.24x1018 = 1.22x10-12 m 
Comprimento de onda típico do Raio X.
16. Calcule o diâmetro de uma partícula de abrasão para um disco de cobre sobre um aço 1040. Suponha uma carga de 40kg para uma distância de 10mm. (Dureza Brinell do aço 1040 = 235; k(x103) do cobre sobre o aço carbono = 1,5)
Utilizando a fórmula V=k P x / 3H temos o volume igual a 8.51*10-7 m3. O valor obtido do volume foi utilizado no cálculo do raio (pela fórmula do volume da esfera). O raio calculado foi multiplicado por dois, resultando o diâmetro: 11,75mm.
17. Calcule o diâmetro de uma partícula de abrasão produzida pelo desgaste adesivo de duas superfícies de aço inoxidável 410 sob às mesmas condições do problema anterior. (Dureza Brinell do aço inox 410 = 250; k(x103) do aço inox sobre o aço inox = 21).
Utilizando a fórmula V=k P x / 3H temos o volume igual a 1.12*10-5 m3. O valor obtido do volume foi utilizado no cálculo do raio (pela fórmula do volume da esfera). O raio calculado foi multiplicado por dois, resultando o diâmetro: 27,76mm.