P1 - Ciência dos Materiais

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Ciências e Tecnologia dos materiais
Prova P1 (Avaliação A1) 
Observações importantes:
i) Esta prova é INDIVIDUAL e SEM CONSULTA a qualquer material;
ii) A duração desta prova é de 180 minutos (17:00 – 20:00 h).
1. Com base no tipo de arranjo atômico, a classificação dos materiais, está relacionada com a forma de organização da estrutura em um modelo, que pode ser ordenado ou sem ordem e de longo ou curto alcance. Avalie as classificações e suas características de arranjo.
I: Materiais amorfos: sem ordenação de longo alcance. II: Gases: arranjo ordenado.
III: Cristais líquidos: arranjo ordenado e longo e curto alcance.
IV: Materiais cristalinos: arranjo ordenado de longo e curto alcance.
Está correto apenas:
A) I.
B) II.
C) I, III, IV.
D) II, III, IV.
2. Sabendo que a energia de ligação entre dois átomos representa a energia que seria necessário para separá-los a uma distância de separação infinita, observe a tabela a seguir com valores de energia de ligação para alguns materiais:
A partir dos dos dados da tabela acima, foram tiradas as seguintes conclusões, analise-as: I: A temperatura de fusão do tungstênio é maior que a do ferro. 
II: A temperatura de fusão do MgO é maior que a do tungstênio. III: A temperatura de fusão do NaCl é maior que a do ferro.
IV: A temperatura de fusão do MgO é maior que a do NaCl. 
As conclusões corretas que podem ser inferidas são:
A) I e IV.
B) II e III.
C) I, III e IV.
D) II, III e IV
Justifique sua escolha.
	Porque para comparar a temperatura de fusão entre duas substâncias que não são semelhantes precisamos analisar outros fatores além da energia de ligação, que também irão influenciar na temperatura necessária para que ocorra a fusão.
3. No gráfico a seguir, são apresentados três curvas de materiais diferentes relativas ao módulo de elasticidade vs temperatura. A identificação correta dos materiais, de acordo com a numeração do gráfico é: (onde, W = tungstênio, Aço= liga FeC, Al = alumínio).
A) 1-W; 2-Aço; 3-Al.
B) 1-Aço; 2-Al; 3-W.
C) 1-Al; 2-Aço; 3-W.
D) 1-Aço; 2-W; 3-Al.
Disserte sobre a relação módulo de elasticidade vs ligações químicas, justificando sua
 (
resposta em relação ao gráfico acima e os materiais citados.
)
	O módulo de elasticidade é o coeficiente angular da reta, quanto maior for o módulo maior a rigidez do material. É uma medida da resistência à separação de átomos adjacentes, ou seja da força da ligação presente. Sendo assim, quanto mais forte for a ligação maior será o módulo de elasticidade. Com o aumento da temperatura ocorre uma diminuição do módulo de elasticidade que está diretamente ligado a força das ligações atômicas.
4. A compreensão de muitas propriedades físicas dos materiais está baseada no conhecimento das forças interatômicas que unem os átomos (ligações químicas). A ligação covalente é uma das formas que os átomos encontram para se unirem. O número de ligações covalentes para um átomo particular, é determinado pelo número de:
A) Elétrons de valência.
B) Camadas eletrônicas.
C) Prótons do átomo principal.
D) Massa atômica do átomo.
5. A eletronegatividade implica na tendência de um elemento de atrair elétrons durante a ligação química. Quanto maior for a diferença de eletronegatividade entre dois elementos, mais iônica será a ligação. De maneira contrária, quanto mais próximos estiverem os átomos (compartilhamento de um ou mais pares de elétrons), maior será seu grau de covalência. Diante dessa afirmação, o par de elementos químicos que possui maior grau de covalência é:
A) Cromo e Ferro.
B) Cobre e Zinco.
C) Cálcio e Alumínio.
D) Chumbo e polônio.
6. Considere as três importantes propriedades mecânicas de um metal:
1: Medida do grau de deformação plástica que foi suportada até o momento da fratura. 2: Capacidade de absorver energia sem sofrer deformação plástica.
3: Medida de abilidade em absorver energia até sua fratura. Estas propriedades estão relacionadas, respectivamente, com:
A) Resiliência, tenacidade e ductilidade.
B) Tenacidade, ductilidade e resiliência.
C) Ductilidade, tenacidade e resiliência.
D) Ductilidade, resiliência e tenacidade. 	
7. Os materiais cristalinos apresentam uma organização períodica em que o volume unitário pode ser descrito com base em parâmetros geométricos bem definidos: arestas, denominados a, b e c e os ângulos entre os planos das faces do paralelogramo, denominados α, β e γ. Associe o sistema cristalino com seus parâmetros geométricos.
	I – Q , I – R , III – P e IV – S.
8. Metais de estrutura CCC fraturam normalmente por clivagem (fratura frágil). Por outro lado, metais com estrutura CFC fraturam normalmente, de modo dúctil. Justifique. Para aplicações criogênicas você indicaria um metal com estrutura CFC, CCC ou HCP. Justifique.
	A clivagem ocorre quando a deformação plástica é restrita, envolve ruptura ao longo de planos cristalográficos específicos. Os planos preferenciais de clivagem são aqueles que apresentam menor densidade de empacotamento atômico, já que poucas ligações devem ser quebradas e o espaçamento entre os planos é maior. Os metais que apresentam estrutura cristalina CCC quando submetidos a baixas temperaturas falham por clivagem, pois existe um número limitado de sistemas de deslizamento. Metais CFC não fraturam por clivagem, pois apresentam comportamento dúctil, onde o mecanismo de deslizamento é operante em praticamente todas as temperaturas.
	Metais e ligas com estruturas CFC pois não apresentam transição dúctil-frágil, sendo mais indicadas para aplicações criogênicas.
9. Observe o gráfico abaixo: Na seleção de materiais para as mais diversas aplicações estruturais, algumas das propriedades que devem ser observadas são: limite de escoamento; tensão de resistência; módulo de elasticidade e ductilidade. Assim, com base no gráfico, os materiais que possuem o maior limite de escoamento, a maior tensão de resistência, o maior módulo de elasticidade e a maior ductilidade, respectivamente, são? Justifique.
P – maior limite de escoamento, pois é o ponto onde a deformação plástica inicia. Observando o gráfico o maior valor para esse ponto é encontrado em P. 
Q – maior tensão de resistência, pois o limite de resistência é a tensão no ponto máximo da curva tensão-deformação.
P – maior módulo de elasticidade, pois o módulo de elasticidade é o coeficiente angular da reta então quanto maior inclinação da reta maior módulo de elasticidade.
R – maior ductilidade, pois a ductilidade é uma medida de extensão a deformação que ocorre até a fratura. A curva R é a apresenta maior deformação sem se romper.
10. Sejam os diagramas de tensão vs deformação dos materiais A, B, C e D a seguir. Qual é o material mais frágil e o mais dúctil justifique.
	
	A é o material mais frágil pois quanto maior o modulo de elasticidade mais rigido é o material. D é o material mais dúctil pois apresenta maior extensão de deformação até a fratura.
11. 	A Figura abaixo mostra gráficos tensão vs deformação de vários tipos de materiais. Sobre essa Figura é correto afirmar que o gráfico:
A) 1 é um material de baixa resistência mecânica.
B) 3 representa um material cerâmico.
C) 1 representa um material tenaz.
D) 2 representa um aço 1020.
12. A Tabela apresenta aços identificados como A1, A2, A3, A4, e A5, bem como suas respectivas propriedades de resistência e tenacidade à fratura.
Qual dos aços apresentados na tabela acima é o mais indicado para o emprego em um trem de pouso de avião?
(A) A1, por ter boa tenacidade e resistência mecânica.
(B) A2, por ser o aço de maior tenacidade à fratura.
(C) A3, por ser o aço de maior resistência mecânica.
(D) A4, por combinar alta resistência e tenacidade.
(E) A5, por ser resistente à corrosão e tenaz.
13. A respeito do efeito dos defeitos no comportamento mecânico de um material metálico é correto afirmar que:
A) Qualquer mecanismo que facilite a movimentação de discordâncias irá contribuir para um aumento do limite de escoamento do material.
B) Os defeitos não afetam o comportamento mecânico dos materiais.
C)Reduzir o tamanho do grão aumenta o limite de escoamento.
D) Aumentar o tamanho de grão aumenta o limite de escoamento.
14. Por quê ao realizar o ensaio de difração de raios-x sobre um material amorfo não ocorre interferência construtiva?
A) Porque os raios-x são absorvidos pelos átomos do material.
B) Porque o tamanho dos átomos de um material amorfo é maior que o comprimento de onda dos raios-X.
C) Porque não há ordenamento atômico regular de longo alcance.
D) Porque o feixe atravessa o material amorfo.
15. Quanto às ligações químicas que são responsáveis pela formação dos materiais, marque a opção correta.
A) As ligações iônicas são não direcional, envolvendo compostos metálicos e não metálicos. No processo de ligação, todos os átomos adquirem configurações estáveis ou de gás inerte, e adicionalmente uma carga elétrica, isto é, eles se tornam íons.
B) Na ligação covalente, normalmente, são formadas moléculas elementares, como O2, Cl2, HF, e uma característica marcante dessas ligações é que são muito fracas.
C) As ligações metálicas são fortes, de caráter direcional, normalmente encontradas em elementos das famílias 1A, 2A, são excelentes condutores térmicos e elétricos.
D) As ligações de Van der Waals são ligações físicas fortes e de caráter direcional, normalmente encontradas em materiais não metálicos como o diamante e os polímeros.
16. Materiais são constituídos por átomos que, no estado sólido, mantêm-se unidos por ligações químicas primárias e secundárias. O tipo de ligação afeta as propriedades químicas e físicas do material. Acerca desse assunto e sabendo que o número atômico do hidrogênio é Z(H) = 1; do carbono é Z(C) = 6; do oxigênio é Z(O) = 8; do cloro Z(Cl) = 17; e do cálcio Z(Ca) = 20, assinale a opção incorreta.
A) Diferentemente do que ocorre com materiais metálicos e cerâmicos, a temperatura de fusão dos polímeros é determinada por ligações primárias covalentes e não por ligações secundárias fracas, como ligações de Van der Waals e pontes de hidrogênio.
B) A ligação química formada entre átomos de cálcio e oxigênio é predominantemente iônica.
C) A ligação carbono-cloro tem energia menor que as ligações carbono-carbono e carbono- hidrogênio. Por essa razão, durante a degradação do policloreto de vinila (PVC), ocorre a liberação de ácido clorídrico (HCl) devido à quebra da ligação carbono-cloro.
D) O módulo de elasticidade do silício metálico (Si) é menor que o da sílica (SiO ), devido à mais alta energia das ligações presentes neste composto.
E) O elemento químico cobre é encontrado na natureza na forma de óxido de cobre, dado que a ligação química iônica é mais estável que a ligação metálica
17. 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 maclação.
18. A adição intencional de impurezas em um material, mesmo em pequenas quantidades, pode afetar significativamente suas propriedades ópticas e elétricas.A tenacidade à fratura é uma característica do material relacionada à resistência à propagação de trincas. Uma limitação do uso de cerâmicas em aplicações estruturais é a sua baixa tenacidade à fratura. Entretanto, nas últimas décadas, cerâmicas avançadas de alta tenacidade têm sido desenvolvidas e utilizadas em aplicações antes restritas ao grupo de materiais metálicos. Acerca desse assunto, julgue os itens abaixo.
I A tenacidade à fratura de cerâmicas pode ser aumentada por meio da introdução de elementos microestruturais que geram mecanismos para inibir a propagação de trincas.
II Por meio do controle das técnicas de processamento, é possível a obtenção de cerâmicas de alta densidade e com tamanho de grão excepcionalmente pequeno, fatores que aumentam a resistência mecânica de cerâmicas.
III Partículas ou fibras cerâmicas adicionadas a uma matriz cerâmica acarretam aumento da tenacidade à fratura, mas não afetam o limite de resistência à tração.
IV A introdução de tensões residuais de compressão na superfície, onde há maior probabilidade de trincar, é um mecanismo de aumento de tenacidade à fratura usado para materiais vítreos.
V Aumento de tenacidade por transformação de fase é um mecanismo utilizado em cerâmicas à base de carbeto de silício, ou em situações em que se adicionam partículas desse material a outras cerâmicas. Estão certos apenas os itens:
A) I e III.
B) I, II e IV.
C) II, III e V.
D) II, IV e V.
E) III, IV e V.
19. Com base no gráfico abaixo de energia livre (G) vs concentração de defeitos, justifique se é ou não possível obter um material com isenção de defeitos (100%). (onde, H = entalpia, energia total do sistema, TS = entropia, medida de energia associada a desorganização do sistema), G = energia livre, medida de energia efetiva para realização de trabalho G = H – TS).
	O gráfico de energia livre nos mostra que não é possível obter um material com isenção 100% de defeitos, pois o mínimo do ΔG está numa posição diferente de zero. Isso significa que o defeito é um processo espontâneo natural.
20. Podemos aumentar a resistência de um metal ou de uma cerâmica pela redução do tamanho de grão (<1µm, o que implica no aumento da quantidade de contornos de grãos). Por quê materiais resistentes a fluência (elevadas temperaturas) não podem ter tamanho de grão fino? Justifique e cite exemplos (aplicação prática).
	Porque em elevadas temperaturas o contorno do grão irá favorecer a deformação, logo quanto mais contornos de grão existirem maior será a deformação. Exemplo de aplicação prática: turbinas navais.