A das
G
utoatividades
CIÊNCIA E PROPRIEDADE DOS
MATERIAIS
Elaboração:
Revisão, Diagramação e Produção:
Centro Universitário Leonardo da Vinci - UNIASSELVI
2017
Prof. Jony Cesar Tomelin
C I Ê N CI A E P R O P RI E D A DE
D O S M A T ER I A I S
GABARITO DAS AUTOATIVIDADES DE CIÊNCIA E PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
UNIDADE 1
TÓPICO 1
1 Descreva com suas palavras a importância da ciência dos materiais para a sociedade moderna.
R.: O conhecimento acerca das características e propriedades dos materiais é importante para a sociedade moderna, tendo em vista que grandes avanços tecnológicos tiveram como base o estudo das propriedades dos materiais, e quais métodos poderiam ser utilizados para alterar essas propriedades para a obtenção de um melhor desempenho. Na atualidade, grandes esforços estão sendo tomados no sentido de se produzir materiais que facilitem os processos de reciclagem, direta ou indiretamente. Para o Engenheiro de Produção, a busca por processos mais eficientes passa, em alguns casos, pela utilização e aprimoramento de materiais com desempenho específico e adequado a esses processos, contribuindo para a minimização da utilização de recursos naturais e desperdício energético, o que também traz grandes benefícios para a sociedade.
2 Defina quais são as principais características que diferenciam metais, polímeros, cerâmicas e compósitos.
R.: De uma forma geral, correspondente ao estudo desse primeiro tópico, podemos citar algumas características típicas das diferentes classes de materiais:
Metais: São bons condutores de calor e energia elétrica. Boas propriedades mecânicas podem ser obtidas e alteradas através de tratamentos térmicos.
Apresentam deformação plástica, permitindo a identificação de falha antes da ruptura. São normalmente cristalinos, e aplicados como elementos estruturais e mecânicos.
Polímeros: São processados à baixa temperatura. Apresentam-se na forma de cadeias longas ligadas entre si por ligações fracas. São mais leves que os metais, sendo possível, em muitos casos, substituir partes metálicas por polímeros.
Cerâmicas: São intrinsecamente frágeis: não se deformam plasticamente.
No entanto, apresentam forte energia de ligação e ponto de fusão elevado,
Centro Universitário Leonardo da Vinci
RodoviaBR 470 Km 71,, nº .1 040 Bairro Benedito - CEP 89130-000 I daialn - Santa Catarina - 47 3281-9000Elaboração:
Revisão, Diagramação e Produção:
Centro Universitário Leonardo da Vinci - UNIASSELVI
2017
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o que permite a sua utilização em altas temperaturas (cerâmicas cristalinas).
Os vidros (cerâmicas amorfas) também são frágeis, apresentam temperatura de fusão menor, porém apresentam características ópticas interessantes para algumas aplicações.
Compósitos: Esse tipo de material surgiu com a finalidade de se obter sinergia entre propriedades de duas ou mais classes de materiais. Com eles é possível se obter propriedades diferentes daquelas obtidas separadamente por cada material constituinte, permitindo melhorar o desempenho.
3 Defina as características de cada partícula subatômica: prótons, elétrons e nêutrons.
R.: Prótons: O próton é uma unidade do átomo que apresenta massa de 1,67 x 10
-27kg e carga positiva, cuja magnitude é de 1,60 x 10
-19C. Eles se localizam no núcleo do átomo.
Nêutrons: Unidade do átomo que apresenta massa de 1,67 x 10
-27kg, porém não apresenta carga. Os nêutrons se localizam no núcleo do átomo.
Elétrons: Os elétrons apresentam carga da mesma magnitude da dos prótons, porém negativa. Sua massa é cerca de 10000 vezes menor que a do próton.
Eles circulam através do núcleo em órbitas determinadas.
TÓPICO 2
1 Descreva com suas palavras a origem da energia de ligação entre os átomos.
R.: Ao aproximarmos dois átomos, surgem duas forças concorrentes: atração e repulsão. Os átomos se atraem mutuamente ao serem aproximados a partir de uma longa distância comparado às suas dimensões, e essa atração depende das características de ligação de cada tipo de átomo. No entanto, a sobreposição das camadas eletrônicas acontece a uma determinada distância interatômica, o que faz com que, a partir desse ponto, haja uma crescente força de repulsão. O equilíbrio entre essas forças exprime a força de ligação.
Para separarmos os átomos ligados, precisamos impor uma energia externa, equivalente à energia de ligação.
2 Descreva quais são os tipos de ligação entre átomos.
R.: As ligações entre os átomos podem ser primárias ou secundárias. As
ligações primárias compreendem: as ligações iônicas, onde os elétrons são
doados e recebidos para ambos atingirem a configuração de gás inerte;
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as ligações covalentes, onde os átomos são compartilhados para se obter uma configuração estável de gás inerte; as ligações metálicas, onde alguns elétrons não pertencem a átomos específicos, formando uma nuvem de elétrons livres. As ligações secundárias são mais fracas que as primárias, e são resultantes de forças de atração entre partes positivas e negativas de átomos ou moléculas.
3 Quais os tipos de ligação predominantes em cada classe de materiais?
R.: As cerâmicas óxidas são normalmente compostas por ligações iônicas. Os metais apresentam predominantemente ligações metálicas. Já os polímeros apresentam ligações iônicas e covalentes, correspondentes às ligações dentro da cadeia polimérica ou ligações cruzadas, e ligações secundárias, que são forças que existem entre as cadeias poliméricas, que as mantêm unidas, além de serem responsáveis por uma grande parcela das propriedades dos polímeros.
4 Qual a relação entre o ponto de fusão e a magnitude da energia de ligação?
R.: Para que ocorra a fusão de um determinado material é necessário romper a energia de ligação entre os seus átomos. Portanto, materiais com maior energia de ligação tendem a apresentar maior temperatura de fusão.
TÓPICO 3
1 Defina célula unitária.
R.: Célula unitária é a menor unidade de repetição da estrutura cristalina de um material. Em outras palavras, são análogas aos tijolos utilizados na construção de uma parede.
2 Determine o parâmetro de rede a de uma célula unitária do tipo CCC em função do raio atômico.
R.: Localize na célula CCC um triângulo retângulo onde a hipotenusa é uma das diagonais internas do cubo. Ela apresenta comprimento igual a 4R.
Portanto, pode-se demonstrar que:
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TÓPICO 4
1 O que é um monocristal? Qual a utilidade de materiais monocristalinos?
R.: Um monocristal consiste em um material que apresenta apenas um grão.
Os monocristais apresentam aplicações bastante específicas. Estes materiais apresentam propriedades geométricas fortemente dependentes da geometria de sua célula unitária, ou seja: podemos ter propriedades bastante diferentes em função da orientação do monocristal. Essas propriedades distintas são usadas no campo da eletrônica, como no desenvolvimento de monocristais de silício.
2 Diferencie um material monocristalino de um material policristalino.
R.: Diferentemente dos materiais monocristalinos, os materiais policristalinos, que correspondem à grande maioria dos materiais cristalinos, são compostos por diversos grãos. Esses grãos são nucleados já no processo de solidificação, e crescem a partir da ordenação dos átomos nesses pequenos núcleos. Como o crescimento de cada grão se orienta de forma diferenciada, no encontro de dois grãos em crescimento forma-se uma interface imperfeita, a qual chamamos de contorno de grão.
3 Defina material amorfo.
R.: Os materiais amorfos não apresentam ordenação de seus átomos, ou apresentam ordenação, porém não é de longo alcance no material.
Assim, ao substituirmos d na primeira equação, temos:
A diagonal da face do cubo pode ser expressa em função da aresta do cubo da seguinte forma:
Onde a representa a aresta do cubo e d representa a diagonal de uma das
faces do cubo.
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TÓPICO 5
1 O que são lacunas? Qual a sua dependência com a temperatura?
R.: Lacunas são sítios vazios dentro de uma estrutura cristalina de determinado material. A quantidade de lacunas aumenta exponencialmente com o aumento da temperatura.
2 O que são discordâncias? Desenhe esquematicamente uma discordância linear.
R.: Discordâncias são defeitos lineares. Esses defeitos são gerados no próprio processo de solidificação dos materiais ou nos processos de fabricação, como na conformação mecânica dos aços. Uma discordância linear consiste em um semiplano extra na estrutura de arranjo dos átomos. O desenho da discordância linear deve ser equivalente à figura 27 do Caderno de Estudos.
3 Qual é a influência do contorno de grão na resistência mecânica?
R.: Os contornos de grão consistem em regiões onde as ligações químicas entre os átomos do material não são completas, consistindo em um ponto de maior fragilidade no material. Porém, no caso específico dos materiais metálicos, estes atuam também como barreira ao movimento de discordâncias.
Dessa forma, grãos menores implicam em maior quantidade de contornos de grão por unidade de volume, o que contribui para a inibição da deformação plástica, o que pode resultar em aumento da resistência do material.
TÓPICO 6
1 Defina isoterma.
R.: Uma isoterma consiste em uma linha traçada horizontalmente em um diagrama de fases, através da qual podemos verificar, por exemplo, em conjunto com as linhas que delimitam as fases no diagrama, a composição e percentual das fases para cada composição química da liga estudada, para a temperatura selecionada.
2 Qual é a diferença entre linha solvus e linha liquidus?
R.: A linha solvus delimita a solubilidade entre duas fases distintas (por
exemplo, α e β), enquanto a linha liquidus delimita a região do diagrama que
contém fase(s) sólida(s) da região que contém somente fase líquida.
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3 O que é um ponto invariante?
R.: O ponto invariante compreende a transformação, no aquecimento, de uma composição de duas fases sólidas em uma fase líquida, em uma mesma temperatura. Analogamente, no resfriamento, o líquido resfriado se solidifica em duas fases sólidas em uma mesma temperatura.
4 Que informação se pode obter através da aplicação da regra da alavanca em uma determinada liga?
R.: Através da regra da alavanca podemos determinar o percentual de cada fase presente no diagrama, para uma determinada temperatura. Dessa forma, através da análise de várias isotermas e utilizando a regra da alavanca, podemos determinar a evolução do percentual de cada fase conforme aquecemos ou resfriamos a liga no intervalo de temperaturas estudado.
5 Qual é a importância da utilização da linha de amarração em diagramas de fases?
R.: A linha de amarração permite o cálculo da composição química de cada fase no diagrama, em função da temperatura. Dessa forma, podemos, por exemplo, determinar o gradiente de composição química na microestrutura formada a partir de um processo de solidificação.
UNIDADE 2
TÓPICO 1
1 Descreva e defina os tipos de tensão que podem ser determinados no gráfico de tensão vs. deformação.
R.: No gráfico de tensão vs. deformação podemos identificar a tensão limite
de escoamento, tensão de resistência e tensão de ruptura. Em muitos casos,
a tensão de escoamento não é facilmente identificável. Nesses casos se
utiliza uma deformação padrão, traçando-se uma linha paralela à curva de
carregamento no campo elástico. A tensão de escoamento caracteriza a
transição do regime elástico para o regime plástico. A partir desse estágio,
verificamos a influência do movimento nas discordâncias (nos metais) gerando
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deformação permanente. A tensão de resistência compreende o maior valor de resistência apresentado no gráfico. A partir desse ponto, um “pescoço” ou estricção é formado, e a deformação plástica passa a se concentrar em uma região restrita. A tensão de ruptura compreende o valor de tensão registrado no momento da falha catastrófica do material (ruptura).
2 O que diferencia um material dúctil de um material frágil?
R.: Um material é chamado de dúctil quando apresenta a capacidade de se deformar plasticamente. Já um material frágil apresenta pouca ou nenhuma deformação plástica. Os materiais cerâmicos, de uma forma geral, são considerados frágeis.
3 Quais são as variáveis envolvidas no processo de falha por fluência?
R.: A falha por fluência depende da presença de uma tensão mecânica, aliada a uma temperatura de trabalho suficientemente elevada (tipicamente da ordem de 40% da temperatura de fusão do material). Tubulações contendo gases aquecidos e pressurizados podem ser suscetíveis a esse tipo de falha.
4 Quais características devem ser consideradas para aumentar a vida em fadiga de um componente?
R.: A vida em fadiga do componente depende das características do material e também das características de projeto do componente, bem como da presença de defeitos. Os esforços para melhorar o componente devem ser direcionados para evitar a nucleação de trincas e inibir a sua propagação. Um acabamento superficial ruim pode gerar concentração de tensão, assim como cantos vivos, consistindo em pontos preferenciais para o surgimento de defeitos.
Colocar a superfície em um estado de compressão, através de jateamento, por exemplo, e/ou utilizar materiais que apresentam a característica de arredondamento progressivo da ponta da trinca com a deformação plástica (de forma geral, materiais mais dúcteis) são alternativas interessantes para melhorar o desempenho.
TÓPICO 2
1 Em que consiste o índice de refração de um material?
R.: Ao atravessar um material, a luz, que consiste em uma onda
eletromagnética, sofre uma redução em sua velocidade, quando comparada
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à velocidade da luz no vácuo. Essa desaceleração se dá pela polarização dessa onda, pois ao atravessar um material transparente, ela interage com a nuvem de elétrons dos átomos do material. O índice de refração corresponde à razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz no material.
2 Descreva o fenômeno que observamos como cor.
R.: A cor de um material é um fenômeno gerado pela absorção seletiva de comprimentos de onda de luz incidente. O material absorve fótons com energia específica, gerando excitação de elétrons. O decaimento desses elétrons naturalmente gera um fóton, porém, não necessariamente com o mesmo comprimento de onda do fóton incidente. Dessa forma, a cor do material irá depender da frequência ou comprimento de onda da luz emitida para o material, e também da luz reemitida pelo material.
3 Descreva sucintamente o funcionamento de um laser de rubi.
R.: Um bastão de rubi apresenta uma de suas faces completamente reflexiva e outra parcialmente reflexiva. Uma lâmpada de xenônio emite fótons característicos que excitam os elétrons do Cr
+3, e o decaimento desses elétrons gera uma grande quantidade de fótons. Os fótons viajam para frente e para trás no bastão, sendo refletidos pela superfície reflexiva. O laser é resultado dos fótons colimados provenientes desse processo, mais especificamente daqueles fótons produzidos paralelamente ao eixo do bastão de rubi, que saem pela superfície parcialmente reflexiva.
4 Quais as vantagens da utilização das fibras óticas frente aos tradicionais cabos elétricos para transmissão de informações?
R.: As fibras óticas, por utilizarem os fótons como meio de transmissão dos dados, apresentam algumas vantagens em relação à transmissão por elétrons.
As fibras óticas são extremamente finas e apresentam poucos defeitos, além de o sinal dentro da fibra sofrer reflexão total, o que permite atingir longas distâncias de transmissão com pouca perda de informação. Além disso, a densidade de informação permitida é muito superior à apresentada pela transmissão eletrônica, além de a massa dos cabos ser bem menor.
TÓPICO 3
1 Por quais motivos os materiais metálicos são intrinsecamente
condutores?
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R.: Nos materiais metálicos, devido às características das ligações metálicas, uma parcela dos elétrons não pertence a átomos específicos, formando o que chamamos de nuvem de elétrons. Esses elétrons podem ser movimentados quando aplicamos uma diferença de potencial (d.d.p.), gerando uma corrente elétrica.
2 Quais são as diferenças entre os materiais isolantes e semicondutores?
R.: Tanto os materiais isolantes como os semicondutores apresentam uma estrutura de bandas eletrônicas de valência e de condução, separadas por regiões proibidas. Os elétrons da banda de valência podem ser movimentados para a banda de condução em um material isolante, porém, a energia necessária para que isso ocorra é bastante elevada, e precisaremos inferir uma grande diferença de potencial. Os materiais semicondutores apresentam níveis discretos na zona proibida, que são gerados pela presença de impurezas específicas. Dessa forma, o material passa a conduzir elétrons, diminuindo a sua resistividade.
3 Cite três fatores que afetam a resistividade dos materiais metálicos.
R.: Temperatura, presença de impurezas e deformação plástica.
4 O que é um material supercondutor?
R.: Quando diminuímos a temperatura de um material até próximo à temperatura absoluta (0K), os movimentos vibracionais dos átomos são de baixa amplitude e praticamente não interferem no espalhamento dos elétrons.
Dessa forma, a condutividade do material é substancialmente aumentada.
Alguns materiais, considerados supercondutores, apresentam resistividade praticamente nula a temperaturas muito baixas, porém tecnicamente aplicáveis, passando a apresentar um aumento substancial da condutividade quando o material se aproxima dessa temperatura crítica.
TÓPICO 4
1 Em que consiste um material diamagnético? Qual a diferença entre um material diamagnético e um material paramagnético?
R.: Quando aplicamos um campo magnético H a um material diamagnético,
um campo B é gerado no material, em direção oposta. Todos os materiais
apresentam essa característica, que é associada à alteração do movimento
orbital dos elétrons. Um material paramagnético apresenta momentos
magnéticos permanentes, orientados aleatoriamente. Quando aplicamos um
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campo magnético externo, esses momentos se alinham em direção oposta a esse campo magnético.
2 O que caracteriza um material magnético?
R.: Os materiais magnéticos apresentam cancelamento incompleto dos spins dos elétrons. A estrutura atômica desses materiais permite que determinados momentos magnéticos estejam alinhados, gerando uma magnetização sem a necessidade de aplicarmos um campo magnético externo.
3 O que diferencia um material antiferromagnético de um material ferrimagnético?
R.: Em um material antiferromagnético existem dipolos magnéticos que se encontram alinhados, porém, em direções opostas, o que resulta em magnetismo nulo. No material ferrimagnético também temos dipolos alinhados em direções opostas, no entanto, nem todos esses dipolos se cancelam mutuamente. Dessa forma, existe uma magnetização líquida nesse tipo de material.
4 Em que situações práticas os materiais magnéticos moles são aplicados? E os materiais magnéticos duros?
R.: Como os materiais magnéticos moles apresentam pouca histerese, são normalmente aplicados em situações onde ocorre oscilação de campo magnético (transformadores). Já os materiais magnéticos duros são mais propícios a serem utilizados em imãs permanentes, devido à sua capacidade de manutenção da magnetização.
TÓPICO 5
1 Descreva a condução de calor em um material através dos fônons.
R.: Os fônons são ondas elásticas, de pequeno comprimento de onda
e elevada frequência. A energia adicionada ao material é convertida em
vibrações dos átomos dos retículos cristalinos, ou seja, energia na forma
de calor é transmitida através da vibração dos átomos, o que compreende a
transmissão de calor através dos fônons. Importante observar que, além do
mecanismo de transporte por vibrações da rede, a energia térmica também
pode ser transportada por meio de elétrons.
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2 O que é capacidade calorífica?
R.: A capacidade calorífica exprime a quantidade de calor que necessitamos adicionar ao material para que este se eleve em uma unidade de temperatura (que pode ser ºC, K, ºF).
Quando consideramos a quantidade de calor para elevar uma unidade de temperatura de uma dada unidade de massa, tratamos de calor específico.
3 Qual é a relação entre a rigidez do material e coeficiente de expansão térmica linear?
R.: A expansão térmica dos materiais se relaciona diretamente com as características de sua curva de energia de ligação. Quando adicionamos progressivamente energia ao material na forma de calor, a amplitude de vibração dos átomos aumenta. Quando os átomos estão ligados mais fortemente entre si, a energia necessária para promover uma maior amplitude de vibração desses átomos tende a ser maior. Macroscopicamente, o que se observa no material é uma menor taxa de expansão por unidade de temperatura para materiais com ligações químicas mais rígidas.
4 Classifique em ordem crescente as classes de materiais em função do coeficiente de expansão térmica linear.
R.: De forma geral, podemos classificar os materiais em função do coeficiente de expansão térmica linear da seguinte forma: cerâmicas, metais e polímeros.
Essa classificação apresenta ligação direta com a magnitude da energia de ligação dos materiais.
5 Qual é a relação entre a condutividade térmica e a condutividade elétrica?
R.: A condução dos dois tipos diferentes de energia (térmica e elétrica) é
realizada através do movimento dos elétrons. A energia térmica pode ser
transportada também por fônons.
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TÓPICO 6
1 Cite uma vantagem e uma desvantagem da técnica de microscopia ótica, quando comparada à técnica de microscopia eletrônica de varredura.
R.: Vantagens: Baixo custo, praticidade. Desvantagens: Qualidade da análise depende da qualidade da preparação da amostra, limitação de aumento e profundidade de foco.
2 Um aço SAE 1020 apresenta dureza de 105HB. Calcule a sua resistência à tração (Mpa).
R.:
3 Cite quais características do corpo de prova ou componente devem ser mensuradas antes de iniciar o ensaio de tração.
R.: De acordo com o tipo de seção reta (circular, quadrada, ou outra), mensurar as dimensões para o cálculo da área da seção reta, e comprimento entre os dispositivos de fixação da amostra no equipamento de tração.
4 No espectrômetro de infravermelho, analisamos a energia absorvida ou transmitida pelo material pela incidência de uma luz monocromática com comprimento de onda na região do infravermelho. Qual característica a onda emitida deve ter para que esta seja absorvida pelo material?
R.: As moléculas do material irão absorver seletivamente os comprimentos de onda correspondentes à sua energia de vibração.
5 Qual resultado iríamos obter ao analisar um vidro comum em um difratômetro de raios-X? Explique.
R.: Um vidro, sendo um material amorfo (não apresenta ordenação dos
seus átomos de longo alcance), não apresenta planos de átomos definidos
que permitam a difração das ondas de raios-X emitidas para a amostra de
forma que ocorram interferências construtivas. Dessa forma, o gráfico não
apresentará picos característicos.
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6 Qual tipo de ensaio não destrutivo você utilizaria para verificar a presença de trincas em uma solda? Por quê?
R.: A presença de trincas superficiais em uma solda pode ser avaliada pelo ensaio de líquidos penetrantes. O que justifica a sua aplicação é a praticidade, baixo custo e facilidade de interpretação dos resultados, além da possibilidade de avaliar soldas em equipamentos sem afetar a sua integridade (sem necessidade de retirada de amostras).
UNIDADE 3
TÓPICO 1
1 Quais são as semelhanças, em termos de microestruturas e propriedades, entre um material compósito metal-cerâmica e um aço?
Faça uma análise comparando os dois materiais.
R.: Na microestrutura de um aço comum ao carbono, como, por exemplo, um aço SAE 1020, temos as fases ferrita e perlita. A ferrita é uma solução sólida de ferro e carbono, enquanto a perlita consiste em lamelas intercaladas de ferrita e cementita. A cementita é um carboneto de ferro (Fe
3C) e, portanto, consiste em um microconstituinte cerâmico. Um material compósito metal-cerâmica apresenta carbonetos (fase cerâmica) ligados a uma fase contínua metálica.
Em certos aspectos, a microestrutura de um compósito metal-cerâmica se assemelha à apresentada pelos aços, pois ambas contêm carbonetos, que apresentam estrutura cristalina com poucos sistemas de escorregamento. Os mecanismos de encruamento e restrição ao movimento das discordâncias são equivalentes: O movimento das discordâncias é restringido pela presença dos carbonetos, o que gera encruamento.
2 Quais processos descritos nessa unidade poderiam estar envolvidos no processo de fabricação de um parafuso?
R.: Dentre outros processos e etapas específicas, o processo de fabricação
de parafusos usualmente envolve a utilização de arames metálicos de seção
reta inicial maior, que são geralmente estirados até o diâmetro adequado ao
produto, gerando deformação plástica e aumentando a sua resistência por
encruamento. A conformação da cabeça do parafuso pode ser realizada por
forjamento.
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3 Descreva sucintamente o processo de secagem de um material cerâmico. Qual dos processos de fabricação apresentados tem menor consumo energético na etapa de secagem?
R.: Em um estado inicial, as partículas sólidas estão separadas por uma fase contínua de água. À medida que se segue o processo de secagem, ocorre a eliminação progressiva da água, resultando na aproximação das partículas, o que observamos macroscopicamente como a retração da peça. Em um segundo estágio, as partículas se tocam, tornando-se uma fase contínua, enquanto a água remanescente entre as partículas é eliminada. Os processos de fabricação que utilizam menores teores de umidade irão naturalmente representar um menor consumo energético para a eliminação dessa água na secagem. É o caso do processo de prensagem do pó.
4 Qual a principal diferença entre materiais termoplásticos e termofixos, em termos de processamento?
R.: Os termoplásticos apresentam ligações secundárias entre suas cadeias, que são ligações fracas. Ao serem aquecidos no processo de fabricação, as cadeias adquirem mobilidade, permitindo a conformação em diferentes formatos. Após resfriamento, o material volta a adquirir rigidez. Esse processo pode ser realizado repetidamente, o que permite a sua reciclagem. Os materiais termofixos formam ligações fortes entre as cadeias poliméricas no seu processamento, o que resulta, no posterior reaquecimento, na ruptura dessas ligações, resultando na degradação do material. Portanto, após processados, não conseguimos reprocessá-los da mesma forma. Isso naturalmente limita a sua reciclagem.
5 Quais são as vantagens de utilizarmos um componente fabricado com a utilização de um material compósito contendo fibras cerâmicas, quando comparado à utilização do mesmo componente fabricado com o mesmo material cerâmico da fibra? Considere que o componente estará em solicitação mecânica na aplicação.
R.: Os materiais cerâmicos apresentam elevada sensibilidade a defeitos.
Essa sensibilidade a defeitos limita sua confiabilidade, tendo em vista que
o seu comportamento mecânico fica vinculado a uma probabilidade de se
encontrar um defeito crítico no material, em muitos casos não detectáveis
por técnicas de caracterização não destrutivas. Em um material compósito
com fibras cerâmicas, reduzimos a probabilidade de que um defeito crítico
gere a ruptura do componente. As fibras apresentam menores dimensões,
o que naturalmente elimina os defeitos de maior tamanho, que podem ser
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encontrados em materiais cerâmicos de maiores dimensões. Além disso, a ruptura de fibras defeituosas pode não representar a perda da integridade do componente, enquanto uma trinca em um material cerâmico pode crescer com a aplicação de tensão mecânica e, se atingir o tamanho crítico, pode se propagar e gerar a falha do componente.
TÓPICO 2
1 Selecione o material mais adequado para o eixo da aeronave do problema exemplo apresentado no Tópico 2, considerando que este deve suportar um momento de torção de 550 MPa. Qual será o consumo de combustível da aeronave para o eixo selecionado?
Material Resistência ao
cisalhamento (MPa) Fibra de vidro em matriz
epóxi 75
Aço 4340 800
Ferro fundido nodular 320
Dado:
t = Resistência ao cisalhamento MT= Momento de torção D = Diâmetro
R.: Inicialmente, faz-se necessário obter uma equação do diâmetro em função
da massa, densidade do material e comprimento do eixo. O desenvolvimento
é apresentado no Caderno de Estudos, tendo como resultado:
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Agora podemos calcular o índice de desempenho (P) de cada eixo em função do material utilizado. Podemos adicionar os dados restritos do problema na equação anterior, o que resulta em:
Resolvendo a equação para a massa (m), temos:
Para o índice de desempenho, ignoramos as constantes e invertemos a equação, do que resulta:
Calculando o índice de desempenho para cada material, temos:
Material Densidade (Kg/m
3) Resistência ao
cisalhamento (MPa) P (x10
-3) Fibra de Vidro em
Matriz Epóxi 2100 75 8,46
Aço 4340 7850 800 10,97
Ferro fundido nodular 7100 320 6,58
Portanto, concluímos que o eixo deve ser fabricado em aço 4340, pois irá apresentar a melhor relação entre massa e resistência ao cisalhamento para a aplicação.
A massa do eixo pode ser calculada pela expressão:
Agora, precisamos substituir o diâmetro D na equação da resistência ao
cisalhamento, dada no problema:
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Conforme informações do problema no Caderno de Estudos, “cada quilo de material a mais no avião representa um custo de R$ 0,084 por hora de voo.”
Portanto, o eixo representa um consumo de R$ 377,41 por hora de voo, e nas 40 mil horas de voo estimadas para a aeronave, representará um consumo total de R$ 15.096 mil.
2 O setor de pesquisa e desenvolvimento da sua empresa está elaborando um projeto de uma prensa responsável pelo dobramento de chapas para a fabricação de cantoneiras de aço. Cite e descreva pelo menos três fatores a serem considerados no projeto da matriz metálica a ser utilizada na prensa.
R.: 1 – A matriz precisa atender aos requisitos mecânicos de projeto. Para isso, será necessária a identificação das tensões mecânicas envolvidas durante o seu uso pretendido, bem como a aplicação no cálculo de fatores de segurança adequados. A matriz não poderá sofrer deformação plástica, pois a deformação permanente poderá alterar as dimensões do produto e prejudicar o seu correto funcionamento.
2 – Precisaremos determinar uma lista de materiais que atendem aos requisitos do projeto. Após determinação dos materiais que se adequariam ao processo de fabricação da matriz, precisaremos verificar a disponibilidade do material no mercado, bem como a disponibilidade de equipamentos ou de empresas prestadoras de serviços para a realização de tratamentos térmicos e superficiais, quando necessários.
3 – Precisaremos também avaliar o custo do material relacionado à sua vida útil na aplicação. Esta informação dependerá de uma avaliação do número de ciclos de dobramento correspondentes à vida útil calculada da matriz, e sua relação com outros parâmetros de custo de fabricação.
TÓPICO 3
1 Cite três características dos polímeros que contribuem de forma negativa para o processo de reciclagem.
R.: Degradam naturalmente com a luz ultravioleta; dificuldade de separação por tipo por meio visual; utilização de muitos tipos de polímero em um mesmo produto, sendo necessário separá-los antes de reciclá-los.
2 Determine um fluxograma, incluindo as etapas do processo, de uma
empresa que produz artefatos de alumínio a partir de latas de alumínio
descartadas.
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