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DISCIPLINA: CIÊNCIAS DOS MATERIAIS ENGENHARIA MECÂNICA PROFa. ANTONIA SÔNIA A. CARDOSO DINIZ 1ª. Prova - 08/04/2021 – 25 PONTOS Questão 1 (10 pontos) – 1.1 (2 pontos) - Calcule o valor do parâmetro cristalino (a0) em função do raio atômico (r) para as células unitárias cúbica de corpo centrado (BCC) e cúbica de face centrada (FCC), abaixo. 1.2 (2 pontos) - Identifique as direções dos vetores, localizados na célula unitária, abaixo: P[011/2] = P[021] D[001] 1.3 – (3 pontos) - Identifique os planos: 1.3.1 Planos A e B da célula unitária cúbica; A(111) e B(120) 1.3.2 Plano B na célula unitária hexagonal compacta. (1112̅) 1.4 (3 pontos) – Para o difratograma de raios X, da figura abaixo, que foi tomado usando uma radiação X monocromática de 0,1542nm: 1.4.1 Identifique a estrutura cristalina que possui os planos dos picos do difractograma CCC – (h+k+l)par 1.4.2 Calcule o espaçamento interplanar para cada um dos picos; 1.4.3 Determine o parâmetro cristalino para cada um dos picos. Questão 2 – (8 pontos) – 2.1 (2 pontos) Utilizando a tabela abaixo, e aplicando a Regra de Hume–Rothery, responda com qual desses elementos seria esperada a formação dos tipo de composto listados, abaixo, com o Cu? Element Atomic Crystal Electro0 Valence Radius Structure nega0 (nm) tivity Cu 0.1278 FCC 1.9 +2 C 0.071 H 0.046 O 0.060 Ag 0.1445 FCC 1.9 +1 Al 0.1431 FCC 1.5 +3 Co 0.1253 HCP 1.8 +2 Cr 0.1249 BCC 1.6 +3 Fe 0.1241 BCC 1.8 +2 Ni 0.1246 FCC 1.8 +2 Pd 0.1376 FCC 2.2 +2 Zn 0.1332 HCP 1.6 +2 a) Uma solução sólida substitucional com solubilidade total; A maior probidade envolver o elemento Cu e Ni devido a menor diferença em termos de raio atômico menor 15%, havendo ainda semelhança em termo de eletronegatividade, tipo de estrutura cristalina e valência b) Uma solução sólida substitucional com solubilidade parcial; Os elementos com estrutura cristalinas diferentes, porem com o raio atômicos semelhantes: Fe, Co, Cr, Fe c) Uma solução sólida intersticial; Os elementos com raios atômicos inferiores: C, H e O d) Uma que apresente insolubilidade, explicando as razões de sua escolha. O Al e Ag por ter raio atomico diferente e a valencia maior ou raio atomico 2.2 (3 pontos) – Identifique as diversas imperfeições, abaixo mostradas, e explique-as. a) Defeitos Lineares: Discordância Mista A maioria das discordâncias encontradas nos materiais cristalinos provavelmente não é nem puramente em cunha nem puramente helicoidal, mas exibe componentes de ambos os tipos; essas discordâncias são denominadas discordâncias mistas. Todos os três tipos de discordâncias estão representados esquematicamente na Figura 4.6; a distorção da rede produzida longe das duas faces é mista, exibindo níveis variáveis de natureza helicoidal e em cunha. b) Defeitos Lineares: Discordância Helicoidal Considerada como consequencia da tensão de cisalhamento, aplicada para produzir distorção: A região superior do cristal é deslocada uma distância atômica para direita, em relação a parte a porção inferior. c) Defeito de lacuna O defeito pontual mais simples é a lacuna, ou um sítio vago na rede cristalina que normalmente deveria estar ocupado, mas no qual está faltando um átomo d) Defeito intersticial é um átomo do cristal que se encontra comprimido em um sítio intersticial, que é um pequeno espaço vazio que sob circunstâncias normais não estaria ocupado. e) Defeito Substitucional pequeno os átomos do soluto ou de impurezas repõem ou substituem os átomos hospedeiros. f) Defeito substitucional grande os átomos do soluto ou de impurezas repõem ou substituem os átomos hospedeiros. 2.3 (3 pontos)- Determine para a micrografia abaixo: a) Comprimento médio de interseção; b) Nº do tamanho de grão ASTM, G. 20mm Questão 3 ( 7 pontos) – 3.1 (1 ponto) - Classifique de VERDADEIRA (V) ou FALSA (F), e justifique caso a sua escolha seja FALSA. – Na difusão a energia necessária para um átomo mudar de posição é denominada energia cinética. Para um átomo fazer este movimento, duas condições devem ser atendidas: (1) deve existir uma posição adjacente vazia. (2) o átomo não deve possuir energia suficiente para quebrar as ligações atômicas com seus átomos vizinhos e então causar alguma distorção na rede cristalina. V(x) F ( ) 3.2 (1 ponto) - Classifique de VERDADEIRA (V) ou FALSA (F), e justifique caso a sua escolha seja FALSA. Difusão Substitucional ocorre devido ao movimento de átomos intersticiais para locais vizinhos. Sendo necessário energia adicional porque as distâncias interatômicas normais entre os átomos do hospedeiro são alteradas quando o átomo intersticial é movimentado para a posição seguinte. V(x ) F ( ) 3.3 (1 ponto) - Responda: Quem apresenta maior velocidade de difusão – a difusão substitucional ou intersticial? Por que? A difuçao intersticial Em metais e ligas a difusão intersticial é um mecanismo importante para a difusão de Impurezas de raio atômico pequeno com relação aos do hospedeiro. A difusão intersticial é mais rápida que a de substitucional pois os átomos são menores e mais móveis que os átomos hospedeiros e existem mais posições intersticiais vazias do que nas lacunas gerando maior probabilidade de movimentação atômica intersticial. 3.4 (1 ponto) Utilizando a Tabela abaixo, calcule o coeficiente de difusão para o Cobre no Alumínio a 500°C. 3.5 (1 ponto) - Para qual dos dois “caminhos” abaixo a energia de ativação para a difusão é maior? i. ao longo de defeitos cristalinos, como discordâncias e contornos de grão ii. no volume dos cristais. Justifique a sua resposta. Além dos mecanismos de difusão que podem se dar no volume do sólido (autodifusão, difusão substitucional, difusão intersticial), existe a possibilidade de difusão ao longo de defeitos cristalinos tais como os contornos de grão e os defeitos lineares (discordâncias). A difusão ocorre mais rapidamente nessas regiões de defeitos, em virtude das imperfeições inerentes a essas regiões, que fazem com que nelas haja um menor empacotamento atômico (ver a representação esquemática de regiões de contorno de grão, onde podem ser vistas as suas imperfeições, apresentada a seguir). A contribuição desses defeitos para o processo global de difusão só é importante em algumas situações, uma vez que os defeitos ocupam normalmente um volume relativamente pequeno em relação às regiões mais “ordenadas” dos cristais. 3.7 (2 pontos) - Deseja-se difundir o metal A numa barra de metal B a partir de um filme de A depositado em uma face da barra de B, conforme indicado na figura abaixo. Após um tratamento a 1000oC por 700h, a concentração A a uma distância de 3mm a partir da interface é de 2,5%. Qual deveria ser a temperatura para que a mesma concentração (2,5% A) fosse atingida em uma posição de 2mm a partir da interface, supondo o mesmo tempo de tratamento? Considerar as hipóteses e condições de contorno apresentadas abaixo: A concentração inicial de A em B é igual a C0 é constante ao longo do corpo B. Nenhum átomo de B atinge a extremidade da barra de metal B oposta à face e recebeu o depósito de metal A, ou seja, a concentração de A nessa extremidade da barra B, é igual a C0 durante todo o tratamento térmico de difusão. A concentração de A na interface AB é mantida constante durante todo o tempo de tratamento térmico de difusão e é igual a CS. A difusão de B em A pode ser considerada desprezível nas condições de tratamento térmico. Utilizar a 2a Lei de Fick para difusão não estacionária; Dados: D0= 2,7x10-5m2/s ;Qd = 256 kJ/mol; R = 8,31 J/mol.
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