Portfólio Ciência dos Materiais - Thamara Prado

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ENGENHARIA CIVIL – MÓDULO: CIENTÍFICO II
THAMARA MEDEIROS PRADO – RA: 237682017
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Exercícios
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Osasco
2021
THAMARA MEDEIROS PRADO
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Exercícios
Trabalho apresentado ao Curso Engenharia Civil do Centro Universitário ENIAC para a disciplina Ciência dos Materiais.
Prof. Maria Cristina Tagliari Diniz
Osasco
2021
Respostas
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Introdução:
Este trabalho tem como objetivo a resolução dos desafios propostos nos assuntos 01, 02 e 03 da matéria de ciência dos materiais.
Proposta:
Desafio do assunto 01:
Utilizando o conceito de densidade volumétrica, calcule o valor teórico da densidade do cobre em megagramas por metro cúbico.
Sabendo que o cobre tem estrutura cristalina cúbica de face centrada, em que seus átomos são esferas rígidas que se tocam ao longo das diagonais das faces da célula unitária CFC, raio atômico de 0,1278 nm e massa atômica de 63,54 g/mol, apresente os cálculos para obtenção do resultado e justifique sua resposta.
Desafio do assunto 02:
Em algumas aplicações industriais, nas quais ocorre o deslizamento de duas superfícies metálicas, além da lubrificação adequada, é necessário que essas superfícies apresentem alta dureza. Em um processo de usinagem, por exemplo, trabalha-se com ligas de aço relativamente macias para redução dos tempos de processo.
Nesse caso, é necessário tratar a superfície da peça de forma que ela atinja a dureza necessária, por meio de processo chamado de cementação, em que a peça será exposta a uma atmosfera rica em carbono, geralmente em gás metano ou GLP.
Sabendo disso, você, engenheiro de produção, deverá calcular o tempo necessário para a transformação do carbono, em uma liga de aço com concentração uniforme de carbono, 0,25% em peso. A temperatura do forno utilizado na cementação é de 950 ºC e a concentração de carbono na sua superfície da peça é mantida em 1,20% em peso.
Assumindo que a peça tem dimensões de uma placa semi-infinita e que o coeficiente de difusão do carbono no ferro é de 1,6 x 10-11m2/s, calcule o tempo necessário para que a concentração de carbono a 0,6 mm abaixo da superfície torne-se igual a 0,7% em peso. Considere a tabela da função erro a seguir:
	z
	erf z
	z
	erf z
	z
	erf z
	z
	erf z
	0
	0
	0,40
	0,4284
	0,85
	0,7707
	1,6
	0,963
	0,025
	0,0282
	0,45
	0,4755
	0,9
	0,7970
	1,7
	0,9838
	0,05
	0,0564
	0,50
	0,5205
	0,95
	0,8209
	1,8
	0,9891
	0,10
	0,1125
	0,55
	0,5633
	1,0
	0,8427
	1,9
	0,9928
	0,15
	0,1680
	0,60
	0,6039
	1,1
	0,8802
	2,0
	0,9953
	0,20
	0,2227
	0,65
	0,6420
	1,2
	0,9103
	2,2
	0,9981
	0,25
	0,2763
	0,70
	0,6778
	1,3
	0,9340
	2,4
	0,9993
	0,30
	0,3286
	0,75
	0,7112
	1,4
	0,9523
	2,6
	0,9998
	0,35
	0,3794
	0,80
	0,7421
	1,5
	0,9661
	2,8
	0,9999
Desafio do assunto 03:
A solda de estanho é uma solda comum à base de estanho e chumbo e que pode conter pequenas quantidades de outros elementos, como prata e antimônio.
É importante destacar que uma solda 70/30 contém 70% de estanho e 30% de chumbo. Essas soldas normalmente são usadas nas proporções 70/30, 60/40, 50/50 e 40/60, apresentando um baixo ponto de fusão, que é a temperatura em que existe a passagem do estado sólido para o líquido.
Imagine que você é um dos engenheiros de uma metalúrgica e precisa saber exatamente o que vai acontecer com a liga de estanho-chumbo a uma temperatura de 300 °C.
​​​​​​​Dessa forma, tendo em mãos o diagrama Pb-Sn, você deverá analisar as fases, a proporção e a composição para uma liga com 10% de Sn a uma temperatura de 300°C.
Desenvolvimento:
Resolução do desafio do assunto 01:
Usando o modelo atômico de esferas rígidas para a célula unitária e estrutura cristalina de um metal e um valor para o raio atômico do metal, determinado por difração de raios-X, pode obter-se a densidade volumétrica de um metal usando a equação:
Onde:
n: número de átomos por célula unitária;
A: massa atômica do material;
V: volume da célula unitária do material;
NAV: número de Avogadro.
Na célula unitária CFC, existem quatro átomos por célula unitária. Cada átomo de cobre tem a massa de (63,54 g/mol) (6,02x10 átomos/mol). Assim, a massa m dos átomos de Cu na célula unitária CFC é:
O volume V da célula unitária do cobre é:
Por conseguinte, a densidade do cobre é calculada pela seguinte expressão:
Obteve-se para a densidade do cobre o valor 8,98 Mg/m3(8,98 g/cm3). O valor experimental tabelado para a densidade do cobre é 8,96 Mg/m3 (8,96 g/cm3).
O valor ligeiramente mais baixo da densidade experimental pode ser atribuído à ausência de átomos em algumas posições atômicas (lacunas), a defeitos lineares e ao desajustamento dos átomos em limites de grão (fronteiras entre grãos). Outra causa da discrepância pode ser devida ao fato de os átomos não serem esferas perfeitas.
Resolução do desafio do assunto 02:
Devemos primeiramente, determinar a equação a ser utilizada.
Difusão e estado transiente - Utilizando a 2ª Lei de Fick
Estabelecimento das condições de contorno:
C0=0,25% em peso;
Cs=1,20% em peso;
Cx=0,70% em peso;
x=0,6mm;
D=1,6x10-3m2/s
Substituição das CC e cálculos do tempo:
Cálculo de valor de erf via consulta na tabela da função erro fornecida:
Valos de erf z=0,5263 → Conforme consta na tabela, observa-se que o valor mais próximo que existe assume o valor de erf z=0,5205. Como o valor é muito próximo, não é necessário fazer interpolar para calcular o valor de erf z.
Quando erf z=05263 → z=0,50
Calculando o tempo:
t=22500 segundos
t=6,25 horas
Resolução do desafio do assunto 03:
As fases presentes a 300ºC: α+L, sendo que o alfa (α) é uma liga sólida formada pelo chumbo e o estanho e o L também é formado pelos elementos, porém está na fase líquida.
Nesse ponto de 300ºC, a liga está tentando virar líquido, ou seja, apresentam baixo ponto de fusão.
Para saber a proporção das fases a 300ºC, será calculada a porcentagem exata de alfa (α) e a porcentagem de líquidos (L) que temos nessa temperatura.
Temos então, que a composição a 300ºC é:
O L (líquido) é formado por 18% de Sn (estanho) e 82% de Pb (chumbo);
O α (sólido) é formado por 6% de Sn (estanho) e 94% de Pb (chumbo).
Conclusão:
Com a realização deste trabalho, pude aprender sobre ciência dos materiais, através de pesquisas externas e no material fornecido pela faculdade.
A realização deste trabalho foi importante para, aprender melhor e colocar em prática cálculos de valor teórico, densidade, aprender sobre o diagrama Pb-Sn e as fases presentes nele, bem como sua porcentagem, entender a aplicação da 2ª lei de Fick.
Este estudo foi de grande valia para compreender o quanto a ciência dos materiais é essencial para a engenharia, estudando a estrutura de um material, suas propriedades químicas, físicas, mecânicas, elétricas, magnéticas, suas aplicabilidades, onde encontrar, como fabricar e de que forma otimizar as atividades e usos de cada material, visando praticidade e rapidez.
Referências:
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BRASIL. Ministério da Educação. Secretaria de Educação Profissional e Tecnológica. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina. Curso técnico em mecânica integrado ao Ensino Médio. Unidade curricular: Ciência dos materiais - CM2 - estrutura de metais, cerâmicas e plásticos. Joinville, 2013. Disponível em: http://joinville.ifsc.edu.br/~paulosergio/Ciencia_dos_Materiais/Apostila%20CM2_%20I%20Est rutura%20dos%20Materiais.pdf. Acesso em: 11 set. 2017.
CALLISTER, W. D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. John Wiley & Sons, Inc., 2002.GHELEN, Rubens. Tecnologia dos Materiais. SAGAH, 2017.
ROJAS, FERNANDO CUENCA. Tecnologia dos Materiais. SAGAH, 2017.
SHACKELFORD J.F. Introdução à ciência dos materiais para engenheiros. Porto Alegre: Pearson Prentice Hall, 2008.
SMITH, W. F.; HASHEMI J. Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais. Porto Alegre: AMGH, 2012.
VAL, A. M. G. do; DOMINGUES, R. Z.; MATENCIO, T. Curso de Química: modalidade Ensino a Distância, UFMG. Unidade II: Diagrama de fases. Disponível em: http://www.ufjf.br/quimicaead/files/2013/09/FQ_II_Diagramasdefase.pdf. Acesso em: 20 ago. 2017.