CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS_atividade03

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CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS 
 
Universidade Estadual do Amazonas 
Escola Superior de Tecnologia 
Curso: Engenharia Naval 
Disciplina: ciência e engenharia dos materiais Cod: ESTENV002 
Turma: ENV03_T01 
Aluno: Brendo Xavier lima Matrícula: 1915200005 
 
Resumo: PTM3110_TOPICO_05_2018 
Diagramas de fase 
 
Os diagramas de fases (também chamados de diagrama de equilíbrio) relacionam 
temperatura, composição química e quantidade das fases em equilíbrio. 
Um diagrama de fases é um “mapa” que mostra quais fases são as mais estáveis 
nas diferentes composições, temperaturas e pressões. 
A microestrutura dos materiais pode ser relacionada diretamente com o diagrama 
de fases. 
Existe uma relação direta entre as propriedades dos materiais e as suas 
microestruturas. 
 
Limite de solubilidade 
Para muitos sistemas e para uma determinada temperatura, existe uma 
concentração máxima de átomos de soluto que pode ser dissolvida no solvente formando 
uma solução sólida. Essa concentração máxima é chamada limite de solubilidade. 
 
Sistemas binários isomorfos 
Num sistema binário isomorfo, os dois componentes são completamente solúveis um no 
outro. 
 A leitura de diagramas isomorfos é feita primeiramente definindo o par 
composição-temperatura desejado. Esse par define um ponto no diagrama. 
 Se o ponto desejado estiver num campo onde somente existe uma fase, a 
composição já está definida, e a fase é a indicada no campo do diagrama. 
 Se o ponto estiver numa região onde existem duas fases em equilíbrio, a 
determinação da composição das fases presentes é possível traçando-se um 
segmento de reta horizontal que passa pelo ponto e atinge as duas linhas que 
delimitam o campo de duas fases (linhas liquidus e solidus). As composições das 
fases líquida e sólida são dadas pelas intersecções deste segmento de reta e as 
respectivas linhas de contorno. 
 
Regra da Alavanca 
É usada para se determinar as proporções das fases em equilíbrio em um campo de duas 
fases. 
 
Sistemas fora do equilíbrio 
 Considerações termodinâmicas e diagramas como o do sistema água-açúcar dão 
informações a respeito das condições de equilíbrio dos sistemas em suas diversas 
condições, mas não informam nada a respeito do tempo necessário para que as 
condições de equilíbrio sejam atingidas. 
 É muito comum que em sistemas sólidos o tempo para que o equilíbrio seja 
atingido seja muito longo. 
 Um sistema pode permanecer longo tempo em condições fora do equilíbrio. 
 Um sistema nessas condições é chamado de metaestável. 
 
Regra das Fases 
P + F = C + N 
P = número de fases presentes 
C = número de componentes do sistema 
N = número de variáveis além da composição – p.ex., temperatura, pressão 
F = número de graus de liberdade – número de variáveis que pode ser alterado de forma 
independente sem alterar o número de fases existente no sistema 
 A regra das fases representa um critério para o número de fases que coexistirão 
num sistema no equilíbrio. 
 A regra das fases não representa um critério para quantidade relativa das fases que 
coexistem num sistema no equilíbrio. 
 
Sistemas Binários – Três fases em equilíbrio 
Em um sistema binário, quando 3 fases estão em equilíbrio o número de graus de 
liberdade F é zero. Assim, o equilíbrio é invariante, ou seja, o equilíbrio entre 3 fases 
ocorre em uma determinada temperatura e as composições das 3 fases são fixas. 
 
Sistemas Binários: Eutético 
Eutético: ponto onde o equilíbrio é invariante, portanto, o equilíbrio entre três fases 
ocorre a uma determinada temperatura e as composições das três fases são fixas. 
 
Transformações de fase 
 
As transformações de fase nos materiais geralmente resultam em mudanças 
microestrutrurais. A maioria das transformações de fase não ocorrem imediatamente, pois 
existem problemas de transporte de massa a serem superados. Daí decorre que a maioria 
das transformações de fase são dependentes do tempo. Por exemplo quando há formação 
de uma nova fase, os átomos do reticulado devem se rearranjar, havendo criação de uma 
interface que separa a nova fase da fase matriz. 
Além disso os átomos têm que se movimentar (difusão) para formar o núcleo 
cristalino. 
 
Cinética 
A formação de uma nova fase ou de um novo arranjo ordenado de átomos ocorre por 
nucleação e crescimento. 
O tempo necessário para nuclear e crescer um novo arranjo no interior do material pode 
ser medido e avaliado através do estudo da cinética da transformação 
Em reações no estado sólido a quantidade de fase transformada varia de acordo com um 
comportamento sigmoidal (S -shaped curve). 
A fração transformada (y) em uma reação isotérmica, varia exponencialmente com o 
tempo transcorrido, t, conforme uma expressão denominada equação de Avrami: y = 1 – 
exp (-kt^n) 
onde k e n são constantes independentes do tempo, porém características do tipo de 
transformação. 
 
Cinética da reação eutetóide em aços fora do equilíbrio 
Diagrama de transformação isotérmica TTT (Tempo Transformação Temperatura) para 
a reação eutetóide em aços. 
 
Têmpera dos Aços (fases de não-equilíbrio) 
O tratamento de têmpera do aço é descrito na Odisseia, obra de Homero escrita 
supostamente entre os séculos XII e VIII a.C. A têmpera consiste em resfriamento brusco 
(em água ou óleo) do aço a partir do campo austenítico. Forma-se uma fase acicular de 
não-equilíbrio denominada martensita. 
 A transformação martensítica ocorre quando a velocidade de resfriamento é rápida 
o suficiente para impedir a difusão do carbono. 
 A martensita é uma fase dura e frágil. •Sua dureza aumenta com o teor de carbono 
do aço. 
 
Endurecimento por Precipitação (fora do equilíbrio) 
A principal condição para que uma liga possa ser envelhecida é que a solubilidade 
diminua com o decréscimo da temperatura, de forma que uma solução sólida 
supersaturada possa ser obtida (não há tempo suficiente para precipitar a fase beta. 
No tratamento de precipitação, após solubilização, ocorre a formação de precipitados 
metaestáveis muito finos que endurecem o material. 
 
Questões: PTM3110_TOPICO_05_2018 
3. Considere o diagrama de fases do sistema chumbo-estanho (determinado a pressão 
constante) reproduzido em seguida. Analise as afirmativas e as designe com falso (F) ou 
verdadeiro (V). 
a) O ponto A representa o ponto de fusão do Sn. (F) 
b) O ponto B está no campo α, que corresponde à solução sólida de estanho no chumbo. 
(V) 
c) O ponto C está localizado no campo α + L, onde a fase sólida α coexiste com a fase 
líquida. (V) 
d) O ponto D representa o ponto eutético. ( V) 
e) O ponto D pertence ao patamar eutético onde coexistem em equilíbrio três fases, duas 
sólidas, a α e a β, e uma líquida. (V) 
f) A solubilidade máxima do estanho no chumbo no estado sólido é 2,2% em peso. (F) 
g) A solubilidade máxima do chumbo no estanho no estado sólido é 18,3% em peso. (F) 
h) A fração mássica de fase alfa (α) em uma liga contendo 40% em peso de Sn em 
equilíbrio a 150 oC é 0,66. (V) 
i) A fração volumétrica de fase alfa (α) em uma liga contendo 40% de Sn em equilíbrio 
a 150 oC é 0,66.(F) 
j) Uma liga contendo 18% em peso de Sn em equilíbrio a 150 oC apresenta duas fases. 
(V) 
k) Uma liga contendo 61,9% em peso de Pb apresenta a 150 oC uma microestrutura 
completamente eutética. (F) 
l) Em equilíbrio a 150 oC, a fase alfa (α) de uma liga contendo 20% em peso de Sn tem 
a mesma composição química da fase alfa (α) de uma liga contendo 80% em peso de 
Sn. (V) 
m) Uma liga equiatômica de Pb-Sn está totalmente líquida a 225 oC. (F) 
n) Não é possível determinar o volume relativo das fases, com auxílio apenas do 
diagrama de fases. (V) 
 
8. Considere um aço de composição eutetóide, que foi resfriado de 780 oC até 675 oC 
em menos de meio segundo, sendo em seguida mantido nessa temperatura. É dado 
abaixo o diagrama T T T para o aço. 
a) Qual é a fase estável a 780 oC? (casonecessite, consulte o diagrama de fases Fe-C do 
Exercício 5). 
 Resposta: A fase estável a 780ºC é a austenita. 
b) Qual o tempo estimado para que 50% da fase estável a 780 oC se transforme em 
perlita após o resfriamento? 
 Resposta: O tempo estimado para que 50% da austenita se transforme em perlita 
após o resfriamento rápida a 675º C pode ser obtido utilizando o diagrama T T T. A leitura 
do diagrama embora simples, não é muito precisa, devido ao fato da escala de tempo ser 
logarítmica e não apresentar valores intermediários. O tempo estimado é inferior a 100 s 
(~ 80 s). 
c) Qual o tempo estimado para que 100% da fase estável a 780º C se transforme em 
perlita após o resfriamento? 
 Resposta: O tempo estimado para que 100% da austenita se transforme em perlita 
após o resfriamento rápida a 675ºC também pode ser obtido utilizando o diagrama T T T. 
Esse tempo seria superior a 100 segundos, provavelmente 200 – 300 segundos. 
d) Se o resfriamento fosse feito até 550 oC, os tempos estimados para 50% e 100% da 
transformação em perlita seriam maiores ou menores do que os obtidos nos itens (b) e 
(c)? 
 Resposta: Os tempos para a transformação de 50% e 100% da austenita em 
perlita após o resfriamento rápido a 550ºC seriam inferiores àqueles após resfriamento 
até 675ºC. 
Resumo: PTM3110_TOPICO_06_2018 
Comportamento Mecânico dos Materiais 
 
Conceitos de Tensão e de Deformação 
 Tensões: tração, compressão, cisalhamento e torção. 
 Deformações: elásticas e plásticas. 
 
Tração Simples 
Tração Simples: Tensão perpendicular à superfície 
 Na deformação por tração, normalmente ocorre: Alongamento ao longo do eixo 
de aplicação da forçar; Contração ao longo dos dois outros eixos. 
 
Cisalhamento Simples 
 Cisalhamento Simples: Tensão paralela às superfícies 
 
Curva tensão-deformação 
 Para a maioria dos materiais metálicos, as deformações puramente elásticas 
ocorrem até deformações de ~0,5%. 
 Quando as deformações ultrapassam esse limite, a relação entre a tensão e a 
deformação deixa de ser linear (lei de Hook), produzindo-se deformação 
permanente (não recuperável), chamada deformação plástica. 
 
Materiais dúcteis e frágeis 
 Ductilidade e fragilidade: 
 A tendência de um material a deformar-se significativamente antes de se romper é uma 
medida de sua ductilidade. A ausência de deformação significativa antes da ruptura é 
chamada de fragilidade. 
Em geral, materiais com mais de 5% de alongamento após a região elástica e antes da 
ruptura são considerados dúcteis. Sendo este valor menor que 5% o material pode ser 
considerado frágil 
Os mesmos materiais podem apresentar comportamento frágil ou dúctil dependendo de 
como são fabricados, trabalhados ou tratados termicamente. 
Essas propriedades são definidas pelo tipo de fratura e podem ser decisivas na escolha do 
material, por exemplo, em fuselagem de avião é sempre desejável utilizar um material 
dúctil e não um frágil. 
 
Curvas de tração de materiais poliméricos parcialmente cristalinos 
O limite de escoamento superior corresponde ao início da formação de pescoço 
(estricção). A tensão cai até o limite inferior de escoamento devido à diminuição da seção 
resistente. Na região do pescoço, as cadeias moleculares se orientam, o que leva a um 
aumento localizado de resistência. Em consequência, a deformação plástica prossegue em 
uma região vizinha à do pescoço (de menor resistência), resultando em um aumento do 
comprimento do pescoço. A tensão de escoamento aumenta devido ao aumento da 
resistência do polímero (alinhamento de cadeias). 
Nos metais, a deformação plástica se concentra no pescoço logo após a sua formação, 
levando rapidamente à ruptura 
 
Dureza 
 Dureza: resistência de um material à deformação (plástica e elástica) localizada. 
O ensaio consiste na aplicação de uma carga conhecida através de um penetrador de 
geometria conhecida e na medição da área da impressão produzida na superfície do corpo 
de prova. 
Ensaio de grande importância tecnológica (controle de qualidade) ¸ 
Dureza, ao contrário do limite de escoamento e da tenacidade à fratura, não é um 
parâmetro característico do material (depende da máquina, da carga, do tipo de 
penetrador, etc.) 
Comportamento Mecânico dos Materiais 
 
Conceitos de Tensão e de Deformação 
 Tensões: tração, compressão, cisalhamento e torção. 
 Deformações: elásticas e plásticas. 
 
Tração Simples 
Tração Simples: Tensão perpendicular à superfície 
 Na deformação por tração, normalmente ocorre: Alongamento ao longo do eixo 
de aplicação da forçar; Contração ao longo dos dois outros eixos. 
 
Cisalhamento Simples 
 Cisalhamento Simples: Tensão paralela às superfícies 
 
Curva tensão-deformação 
 Para a maioria dos materiais metálicos, as deformações puramente elásticas 
ocorrem até deformações de ~0,5%. 
 Quando as deformações ultrapassam esse limite, a relação entre a tensão e a 
deformação deixa de ser linear (lei de Hook), produzindo-se deformação 
permanente (não recuperável), chamada deformação plástica. 
 
Materiais dúcteis e frágeis 
 Ductilidade e fragilidade: 
 A tendência de um material a deformar-se significativamente antes de se romper é uma 
medida de sua ductilidade. A ausência de deformação significativa antes da ruptura é 
chamada de fragilidade. 
Em geral, materiais com mais de 5% de alongamento após a região elástica e antes da 
ruptura são considerados dúcteis. Sendo este valor menor que 5% o material pode ser 
considerado frágil 
Os mesmos materiais podem apresentar comportamento frágil ou dúctil dependendo de 
como são fabricados, trabalhados ou tratados termicamente. 
Essas propriedades são definidas pelo tipo de fratura e podem ser decisivas na escolha do 
material, por exemplo, em fuselagem de avião é sempre desejável utilizar um material 
dúctil e não um frágil. 
 
Curvas de tração de materiais poliméricos parcialmente cristalinos 
O limite de escoamento superior corresponde ao início da formação de pescoço 
(estricção). A tensão cai até o limite inferior de escoamento devido à diminuição da seção 
resistente. Na região do pescoço, as cadeias moleculares se orientam, o que leva a um 
aumento localizado de resistência. Em consequência, a deformação plástica prossegue em 
uma região vizinha à do pescoço (de menor resistência), resultando em um aumento do 
comprimento do pescoço. A tensão de escoamento aumenta devido ao aumento da 
resistência do polímero (alinhamento de cadeias). 
Nos metais, a deformação plástica se concentra no pescoço logo após a sua formação, 
levando rapidamente à ruptura 
 
Dureza 
 Dureza: resistência de um material à deformação (plástica e elástica) localizada. 
O ensaio consiste na aplicação de uma carga conhecida através de um penetrador de 
geometria conhecida e na medição da área da impressão produzida na superfície do corpo 
de prova. 
Ensaio de grande importância tecnológica (controle de qualidade) ¸ 
Dureza, ao contrário do limite de escoamento e da tenacidade à fratura, não é um 
parâmetro característico do material (depende da máquina, da carga, do tipo de 
penetrador, etc.) 
 
Questões: PTM3110_TOPICO_06_2018 
1. Considere as curvas tensão de engenharia versus deformação de engenharia para 
os três materiais (A, B e C). O pequeno segmento de reta desenhado em cada curva 
representa seu ponto de máximo. Responda as afirmativas com falso (F) ou 
verdadeiro (V). 
a) Os três materiais têm módulos de elasticidade idênticos. (V) 
b) Os três materiais apresentam módulos de resiliência idênticos. (F) 
c) O material C apresenta maior limite de escoamento do que A ou B. (V) 
d) O material C apresenta maior limite de resistência do que A ou B. (V) 
e) O material A apresenta maior alongamento uniforme do que B. (F) 
f) O material A apresenta maior alongamento total (ductilidade) do que B. (V) 
g) O material B tem provavelmente maior tenacidade do que C. (V)h) O material B apresenta maior expoente de encruamento do que A. (V) 
i) O material C é provavelmente mais duro do que A. (V) 
j) Os três materiais (A, B e C) são provavelmente materiais cerâmicos. (F) 
2. Para alguns metais e ligas, a região da curva tensão versus deformação (reais ou 
verdadeiras) desde o início da deformação plástica até o ponto onde tem início a estricção 
(pescoço) pode ser descrita pela relação σR = K (εR)^n , onde K e n são constantes. 
Calcule o expoente ou coeficiente de encruamento (n) para uma liga cuja tensão 
verdadeira de 415 MPa produz uma deformação de engenharia de 0,20. Suponha um valor 
de 935 MPa para K. Lembre-se que a deformação de engenharia (ε) e a deformação 
verdadeira (εR) estão relacionadas pela expressão: εR = ln(1+ε). 
 Resposta: