Ciência e técnologia dos materiais (01)

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GABRIELLE BOCHI LONGO-33281
LISTA 01
1- Qual classificação dos materiais?
Os diversos elementos e substâncias conhecidas podem ser classificados de várias formas diferentes. Uma classificação importante em termos de propriedades elétricas é a de metais, isolantes e semicondutores. Esta classificação tem grande importância na engenharia e na física de dispositivos.
Metais e isolantes
Os metais, como se sabe, são bons condutores de eletricidade enquanto os isolantes não a conduzem. Os semicondutores, por outro lado, possuem comportamento intermediário, conduzindo ou não a corrente elétrica em função das condições de operação. Além desta classificação, há também uma outra que diz respeito ao modo como os átomos ou moléculas estão arranjados ou distribuídos no material.
Cristais
Materiais nos quais os átomos ou moléculas se distribuem de forma organizada e regular por todo o material, são classificados como materiais cristalinos ou simplesmente cristais, ou ainda sólidos. Esta última designação não se refere ao estado físico do material (vapor, líquido ou sólido), mas sim ao fato de que sua estrutura atômica se acha na forma de um sólido geométrico, tal qual um cubo por exemplo.
Esta organização interna dos átomos em um cristal é responsável por uma série de propriedades importantes em aplicações industriais. Os materiais sem organização atômica interna definida, são chamados amorfos. Exemplos de materiais amorfos muito utilizados são os vidros e plásticos em geral.
Semicondutores
Os semicondutores, além de suas propriedades elétricas dependentes das condições de operação, também são materiais cristalinos ou sólidos. Estas duas características combinadas conferem a estes materiais uma grande importância tecnológica.
Os semicondutores são os responsáveis por toda a moderna tecnologia eletrônica, estando presentes em praticamente todos os aparelhos eletroeletrônicos que conhecemos, desde um simples rádio a pilha até os mais sofisticados computadores.
2- Defina aço e explique como este é formado.
O aço é uma liga metálica formada essencialmente por ferro e carbono, com percentagens deste último variando entre 0,008 e 2,11%.
Portanto, o seu componente principal é o metal ferro, que, conforme mostrado no texto “Ferro”, é obtido em siderúrgicas por meio do seu principal mineral, a hematita, Fe2O3. A palavra “siderurgia”, que vem do grego, significa “trabalho feito sobre o ferro” e trata-se, em geral, de um campo específico da metalurgia que transforma o ferro em aço.
O ferro obtido nas siderúrgicas não é puro, mas possui de 2 a 5% de carbono em sua constituição e é chamado de ferro-gusa. Assim, antes de ser transformado em aço, o ferro precisa ser purificado. Uma das formas de se fazer isso é por injetar gás oxigênio no interior do alto-forno onde o ferro é produzido. O carbono reage, então, com o oxigênio e forma dióxido de carbono (CO2), que é um gás que se desprende, separando-se do ferro.
O ferro usado para fazer o aço fica com a porcentagem de carbono mencionada, cerca de 0,5 a 1,7%. Essa liga metálica possui cor branco acinzentada, ponto de fusão próximo de 1 300 ºC e densidade igual a 7,7 g/cm3.
Atualmente, a obtenção do ferro é pequena em relação à produção de aço. Em 2008, por exemplo, a produção anual de aço passou de um bilhão de toneladas em todo o mundo.
3- O que é alotropia?
Alotropia foi uma denominação ao fenômeno em que um mesmo elemento químico pode originar duas ou mais substâncias simples diferentes. São alótropos os carbonos, enxofre, oxigênio, entre outros.
As variedades alotrópicas podem resultar de duas situações. Um deles se refere à quantidade de átomos presentes nas moléculas, a outra, do arranjo da sua estrutura, ou seja, na forma como os átomos se dispõem geometricamente.
Alotropia do Carbono
Os alótropos de carbono mais comuns são o grafite e o diamante, mas há outros alótropos de carbono. São exemplos fulereno, nano tubo de carbono e diamante lonsdaleíta. A alotropia do carbono decorre da organização atômica, ou seja, a forma como os átomos se dispõem geometricamente.
Alotropia do Enxofre
O enxofre possui várias formas alotrópicas (S2, S4, S6). Dentre as mesmas se destacam o enxofre ortorrômbico, ou rômbico, e o enxofre monoclínico, ambas representadas por S8, mas agrupadas de formas diferentes.
A alotropia do enxofre decorre da organização atômica, ou seja, a forma como os átomos se dispõe geometricamente.
Alotropia do Oxigênio
O oxigênio forma dois alótropos: o gás oxigênio (O2) e o gás ozônio (O3).
Pelo fato de ser formado de átomos de oxigênio em número de dois a dois, formam moléculas biatômicas. Quanto aos átomos de ozônio, eles se unem de três em três, formando moléculas tri atômicas. A alotropia do oxigênio acontece em função do número de átomos presentes nas moléculas, o que é chamado de alotropia por atomicidade.
Alotropia do Fósforo
As formas de alotropia do fósforo mais conhecidas são o fósforo vermelho e o fósforo branco. Enquanto o fósforo vermelho não tem uma estrutura definida (Pn), o fósforo branco é formado pela estrutura tetraédrica, ou seja, por quatro átomos de fósforo (P4). A alotropia do fósforo, tal como a do oxigênio, é feita por atomicidade, o que significa que ela depende do número de átomos presentes nas moléculas.
4- Qual a diferença entre estrutura cristalina de Cúbico de Corpo Centrado, Cúbico de faces Centradas e estrutura cristalina hexagonal compacta?
Cúbico de Corpo Centrado
A rede cúbica de corpo centrado é uma rede cúbica na qual existe um átomo em cada vértice e um átomo no centro do cubo. Os átomos se tocam ao longo da diagonal. 
Número de átomos na célula unitária: Na= 1 + 8x(1/8) = 2 
Relação entre a e R 4R = a3 => a = 4R/3 
O átomo do centro pertence somente a sua célula unitária;
Há 2 átomos por célula unitária na estrutura CCC; 
Fe, Cr, W.
Cúbico de Faces Centradas
Número de átomos na célula unitária Na= 6x1/2 + 8x(1/8) = 4 
Relação entre a e r 4R = a 2 => a = 2R2
Logo, cada célula unitária contém quatro átomos (8 dos vértices, que estão compartilhados com mais 7 outras células + 6 átomos das faces, que estão compartilhados, cada qual, com outra célula 8 x 1/8 + 6 x ½ = 4). Número de coordenação é o número de vizinhos mais próximos de um átomo.
Hexagonal Compacta
Esta é uma célula unitária de uma estrutura hexagonal compacta, hc. Ela contém um átomo em cada vértice dos hexágonos de base (superior e inferior) e três átomos em seu centro.
Há dois parâmetros de rede (láticos) em um cristal hc, a e c, representando os parâmetros basais e de altura, respectivamente. No caso ideal, a relação c/a é de 1,633, porém, divergências podem ocorrer O número de coordenação e o fator de empacotamento são exatamente idênticos aos da estrutura cfc (12 e 0,74, respectivamente), uma vez que ambas estruturas estão empacotadas compactamente.
5- - O que são aços hipouetetóides, eutetóides e hipereutetóides?
Hipouetetóide
Com composição à esquerda do ponto eutetóide (que contenha entre 0,02 e 0,76%p de C) é conhecida como liga hipoeutetóide. 
Aço hipoeutetóide é aquele que possui menos carbono que o previsto na composição eutetóide. O resfriamento de uma liga hipoeutetóide - em condições de equilíbrio, com resfriamento lento - até uma temperatura abaixo da eutetóide, produzirá uma microestrutura em que a ferrita estará presente tanto na perlita quanto como uma fase que se formou enquanto se resfriava ao longo da região das fases. 
A ferrita nucleia-se no contorno de grão da austenita (ferro). Denomina-se ferrita eutetóide a ferrita presente na perlita, e ferrita proeutetóide a ferrita que se formou acima da temperatura eutetóide. 
Eutetóides
O aço eutetóide é a menor temperatura de equilíbrio entre a ferrite e a austenite, correspondendo a cerca de 0,76% de carbono a 727°C. O termo eutético se refere ao equilíbrio entre fases líquida e sólida. Nesse caso, usamos o sufixo oide (= semelhante a) para indicar que o equilíbrio ocorre entre fases sólidas.
Esse ponto é o lugar do diagrama em que temos a convivência simultânea das três fases citadas acima,isto é, quando resfriamos o aço, teremos a transformação da austenite em ferrite e cementite. Especificamente para essa composição, a temperatura permanece constante enquanto a transformação não se completar totalmente.
O aço eutetóide é um aço que tem um teor de carbono de 0,76%, que tem como produto final as fases ferrite e cementite em contorno de grão (perlite). A essa reação é dado o nome de reação eutetóide, que é uma reação na qual temos a transformação de uma fase sólida (austenite) em duas fases sólidas (ferrite e cementite). A reação eutetóide se processa lentamente, pois é um processo em que temos que ter migração dos átomos de carbono para que as novas fases sejam formadas.
Aço hipereutetóide
6- Caracterize as microestruturas ferrita, perlita, austenita e cementita?
Ferrita 
A ferrita possui um Módulo de Young de 280 N/mm² e uma dureza aproximada de 80 Brinell. O aço macio (aço carbono com cerca de até 0,02% em peso C) consiste principalmente de ferrita, com quantidades crescentes de perlita (uma estrutura lamelar e fina de ferrita e cementita). Como tanto a bainita quanto a perlita possuem ferrita em suas composições, qualquer liga de ferro-carbono conterá alguma quantidade de ferrita se for deixada para atingir o equilíbrio à temperatura ambiente. A quantidade exata de ferrita dependerá do processo de resfriamento a que a liga de ferro-carbono será submetida.
No ferro puro, a ferrita é estável abaixo de 910 °C (1.670 °F). 
Perlita
A microestrutura de um material compreende, em poucas palavras, tipicamente as diferentes fases e o modo como elas estão arranjadas. Um bom exemplo de arranjo é aquele apresentado pela perlita nas ligas Fe-C. A perlita não é uma fase, mas uma combinação geométrica das fases alfa e Fe3C (ferrita e cementita). A perlita é um sanduíche formado por minúsculas camadas de ferrita e cementita. Quando não existe cementita (como no ferro ‘puro’ – Fe com teor de C < 0,004%) não há perlita; quando só há cementita, também. Nas composições intermediárias, sempre existe perlita. Na composição correspondente ao teor de 0,76%C – dita eutetóide – a perlita compõe 100% da microestrutura.
Austenita
Essa fase geralmente se encontra muito acima da temperatura ambiente, tendo seu mínimo a 912°C (1185K) para o ferro puro e a 727°C (1000K) para o aço carbono eutetóide (perlita). Entretanto, as ligas metálicas influenciam muito na formação dessa fase, podendo esta inclusive ser estável à temperatura ambiente sob a forma de aço austenítico. 
A austenita é o ponto de partida para vários tratamentos térmicos nas ligas de ferro, pois partindo da austenita é possível a transformação da liga em vários microconstituintes, como por exemplo a têmpera que consiste na transformação da austenita em martensita por meio de um rápido resfriamento da peça tratada termicamente.
A estrutura austenítica nos aços carbono possui alta difusividade de hidrogênio, o que a torna preferencial na seleção de consumíveis de soldagem quando se busca evitar a trinca por hidrogênio.
7- Conforme o diagrama FeC como se formam as microestruturas ferrita, perlita, austenita e cementita?
Perlita
O crescimento da perlita ocorre de maneira cooperativa. A reação eutetóide é caracterizada pela transformação da austenita em ferrita e cementita de maneira simultânea. Com o crescimento da partícula de cementita há um empobrecimento do teor de carbono da austenita nas regiões vizinhas até ocorrer a formação da ferrita.
Ferrita
É obtida com um revenimento depois da têmpera. Ao realizar o aquecimento a martensita experimenta uma série de transformações e no intervalo compreendido entre 400 e 650 °C a antiga martensita perdeu tanto carbono, que se converteu em ferrita.
Austenita 
Uma solução sólida de carbono e ferro com um formato centro-estrutural cristalino cúbico, que é formado pelo aquecimento de ferro a uma temperatura de pelo menos 723 graus Celsius.
Cementita
O aço é temperado para aumentar a dureza e reduzir a fragilidade criando cementita. O primeiro passo no processo de têmpera é chamado austenização, quando o aço é fundido em uma solução de ferro e carbono ou austenita. O aço é rapidamente arrefecido e forma martensita a partir da austenita.
É, então, aquecida de novo e arrefecida lentamente de uma maneira controlada e cementita é formada. É impossível produzir energia suficiente para executar a reação até a conclusão, de modo que a cementita é normalmente misturada com pequenas quantidades de martensita não convertida, bainita, que é também Fe3C, mas com uma diferente estrutura de cristal e de ferrite (ferro).
8- Qual a relação destas microestruturas com a dureza, a resistência a tração e o alongamento?
Ferrita
É o constituinte mais mole dos aços, porém é o mais tenaz, e o mais maleável, sua resistência a tração é de 28 daN/mm2 e alongamento de 35%. 
O aço é muito pobre em carbono, sua estrutura está formada quase que totalmente por grãos de ferrita cujos limites podem ser revelados facilmente com o microscópio, depois de um ataque com ácido nítrico diluído.
Perlita
A perlita é mais dura e resistente que a ferrita, porém mais branda e maleável que a cementita.
Austenita
Estável a temperatura ambiente. É deformável como o ferro gama, pouco dura, apresenta grande resistência ao desgaste, é magnética, e é o constituinte mais denso dos aços e não é atacada por reagentes. A resistência da austenita retida à temperatura ambiente oscila entre 80 e 100 daN/mm2 e alongamento entre 20 e 25 %.
Cementita
É muito frágil e duro, apresentando mais de 840 Vickers, e é muito resistente ao cisalhamento. Em baixas temperaturas é ferromagnético e perde esta propriedade a 212 ºC.
9- Porque devemos estudar a microestrutura austenita?
Grão grande, bastante espaço entre os grãos, aço maleável, fácil de trabalhar, tem muito carbono. 
10- Qual a influência da quantidade de carbono e o tamanho de grão sob a dureza brinell, a resistência a tração, o limite de escoamento e no alongamento?
O ensaio de dureza Brinell consiste em endentar o material com uma esfera de aço endurecido ou metal duro. 
Para cada tipo particular de distribuição de carbonetos, o teor de carbono é o principal fator de influência na dureza e na resistência mecânica do aço. Para a mesma dureza, por outro lado, a dispersão do tipo esferoidal possui maior tenacidade do que a estrutura lamelar.
O limite de escoamento é o ponto onde começa o fenômeno escoamento, a deformação irrecuperável do corpo de prova, a partir do qual só se recuperará a parte de sua deformação correspondente à deformação elástica, resultando uma deformação irreversível
Aços-carbono tem sua principal característica de tenacidade, isto é, o alongamento, e também estricção e a resistência ao choque.