DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA TECNOLOGIA - DCET Curso de Engenharia Química
Centro Universitário de Belo Be lo horizonte
LISTA DE CIENCIA DOS MATERIAIS ENTREGAR NO DIA DA PROVA AF 1- Defina: ductilidade, tenacidade, resistência à fadiga e resistência à fluê ncia. 2- Como ocorre o encruamento dos materiais metálicos quando deformados plasticamente. 3- Onde se dá a diferença entre a deformação elástica e a plástica 4 - Por que alguns materiais não apresentam definidos definidos os limites de elasticidade 5 - Por que se define a tenacidade (energia) x área. (lig. primária).Mostre Mostre o gráfico 6 -Cite quais propriedades são dependentes da estrutura e porque? 7 - Defina encruamento. 8 - Quais as causas do encruamento? 9 - Descreva três mecanismos de encruamento. 10 - Desenhe um gráfico de tensão-deformação indicando nele: a- região elástica b- região Plástica c- limite de escoamento d- limite de resistência a tração (LRT) e- ponto da fratura 11 - Defina: Limite de resistência a tração, tensão limite de escoamento e ductilidade 12 - - Baseado no resultado do ensaio de tração apresentado na figura a seguir, determinar: a) Módulo de elasticidade do material; b) Resistência do material ao escoamento; c) Resistência à tração; d) Alongamento.
13 . Preenchao quadro abaixo, conforme as características e propriedades de cada material estudado. Característica/ Propriedade Estrutura Ligação Tensão de Escoamento Trabalhabilidade Dureza Resistência Mecânica Resistência à Corrosão
Metais Tradicionais Cristalina
Vidros Tradicionais
Polímeros Tradicionais
Covalente Quase Ideal Pobre, Frágil
Boa, Dúctil
Baixa / Alta Alta / Muito Alta Muito Boa
14 ² Descreva em relação a tensão de escoamento, módulo de elasticidade o que você aprendeu na disciplina de ciência dos materiais.O que observa neste quadro?
15 - Qual a definição de falha por fadiga?
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... ou quando as solicitações inernas variáveis devido esforços externos variáveis (forças e momentos) que at uam em um componente qualquer u lt p uma ução m v l i tê i m t i l p ç (K1>K1 ) vi g adual da capacidade de car ga do componente, pela ruptura lenta do mater ial, consequência do avanço quase inf initesimal das f issuras que se formam no seu inter ior. Em muitos casos a tr inca, que leva à fal a, não passa pelo período de nucleação, pois a peça possui tr incas previamente existentes devido a defeitos de fabr icação.
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16 - Como ocorre a nucleação de trincas em materiais dúteis ?
No caso de materiais dúteis,
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regime de alto número de ciclos para a falha, a deformação elástica é predominante, sendo a nucleação de trincas um fenômento muito raro, ocorrendo em zonas bastante localizadas. 17 - Qual a importância da curva tensão - deformação? Quais variáveis interferem na vida de fadiga? Comente os efeitos da tensão cíclica (alternante) ?
Qual a importância da curva ? Quais var i veis interferem na vida de fadiga? omente os efeitos da tensão cíclica (alternante) e das tensões médias não nulas na vida de fadiga? 2
0
3
1
S ol uç ão: Curva de tensão alternante aplicada no corpo de prova contra vida (medida em número de ciclos). Permite fazer
estimativas de vida (em ciclos) para diferentes ní veis de tensão cíclica
Processo de nucleação é inf luencido por eterogenidades do mater ial o que causa uma dispersão dos resultados nos 4
calculos de vida, por isso vários (5 no mínimo) copos de provas são ensaiados em um uníco nível de carga podendo ser bastante trabalhoso.
Para níveis mais altos de car ga uma menor dispersão de resultados devido a uma plastif icação mais generali ada que omogeni a o mater ial. 5
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orientação do corpo de prova em relaçãoas direções de trefilação ou forja, grau e direção do acabamento superficial, dimensões do corpo de prova, forma da seção transversal, forma do carregamento, agressividade do meio ambiente, amplit ude das t ensões alt ernant es, i nt ensi dade das t ensões mé di as. V ar iáv ei s q ue i nt er fe rem sobre a resi stênc i a a f ad i ga:
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curva tem como característica o fato que q uant o menor a amplit ude das t ensões alt ernant es, mai or é a vi da à
f ad i ga. Q uando u ma t ens ão mé di a , não nu la , at ua sobre post a a u ma t ensão alt ernant e ,
a resistência à fadiga do material fica bastatne prejudicada, em especial no caso em que as tensões médias são de tração. E m geral este efeito é representado pro meio de diagramas onde a tensão média aplicada é um parâmetro, ou então uma variável. 18 - Quais parâmetros influenciam na resistência a fadiga d as peças ou quais as principais causas de falhas por fadiga?
aplicação dos dados obtidos com o corpo de prova não podem ser diretamente relacionados com a peça devido a diferenças como: acab. superficial, tamanho, confiabilidade, temperatura, geometria, etc...
A
1- I nfl uê nc ia do T amanho: A tensão limite de fadiga diminui com o aumento do diâmetro. K2= fator de tamanho. 2 - I nfluência
da Confiabilidade: È a probabilidade de que a peça não falhe por fadiga na vida considerada.
E feito
da Temperatura: Quando o material trabalha a temperaturas distintas da ambiente, as propriedades mecânicas alteram-se e portando a resistência a fadiga é influenciada. 3- E feito
Combinado: Com o efeito combinado dos diferentes fatores a tensão f´é determinada e com o os efeitos diminuem conforme a vida fica menor é usual se considerar que a curva de resistencia a fadiga converge para 10^3 ciclos. forma como um entalhe em um componente altera a vida à fadiga. Quanto maior for a concentração de tensão menor será a resistência a fadiga. 5 - I nfl uê nc ia da concent ração de T ensão: A
6 - I nfl uê nc ia da t ensão resi dual : A tensão residual não altera a tensão alt ernante que age no ponto mai s solicitado,
mudando apenas a tensão média, desde que não ocorra o escoamento sob compressão. 7 - I nfl uê nc ia do acabament o su per fi ci a l :
Na maioria das peças o dano ocorre na superficie, por isso a importância da mesma. K1= coeficiente de qualidade de acabamento=f ´/f. 19 - O q é uma fratura? Descreva as fraturas frágeis e dúcteis com suas vantagens e processos? 20 - O que e um concentrador de tensões?
21 - O que são polímeros? Como estes materiais se distinguem de outros (metais e cerâmicas) em termos de propriedades, ligações químicas, estrutura, processamento e comportamento?
Os materiais poliméricos são macromoléculas formadas pela reunião de unidades fundamentais (os meros) repetidamente que dão origem a longas cadeias. O tamanho d as cadeias formadas principalmente por átomos de carbono, ou seja a massa molar, é o aspecto principal que confere à este grupo de materiais uma série de características à eles associadas. Materiais poliméricos apresentam usualmente b aixa densidade, pequena resistência à temp eratura, baixas condutividades elétrica e térmica, etc. P olímeros são sintetizadas por reações de polimerização a partir de dos reagentes monômeros. Vários polímeros se torn am fluidos viscosos a temperaturas elevadas (100-300°C) e são ainda processados através de procedimentos termomecânicos que permitem a fabricação de peças em grande quantidade e diversidade. Materiais metálicos são aqueles que, em geral, apresentam altas condutividades térmica e elétrica, grande ductilidade, entre outras propriedades. Os metais são formados por átomos dotados de grande número elétrons suficientemente livres para se movimentarem a partir de baixos potenciais elétricos ou térmicos. Quando, em metais puros, são adicionados outros elementos, tem-se a formação das ligas. Assim, tem-se ligas de alumínio, de titânio, de magnésio, etc. O aço é formado pela introdução até 0,6% em peso de c arbono no ferro. Os metais são produzidos basicamente através de fundição (vazamento do material líquido em moldes) e através de processos termomecânicos (forjamento, laminação, trefilação, etc.). Já, materiais cerâmicos são geralmente carbonatos, óxidos, cloretos, fluoretos, carbetos, entre outros que apresentam propriedades como alta dureza, baixa ductilidade, baixas condutividades térmica e elétrica e elevada resistência à temperatura. Os materiais cerâmicos são usualmente f ormados pela associação de íons positivos (cátions) como íons negativos (ânions). Exemplos de cerâmicas incluem o cloreto de sódio, óxido de alumínio (ou alumina), óxido de silício
(ou sílica), etc. Como apresentam em ger al elevadas temperaturas de fusão, os materiais cerâmicos são usualmente produzidos via sinterização de pós.
22 - Quais são as diferenças entre polímeros termoplásticos e termorrígidos (termofixos) em termos do comportamento desses materiais frente à temperatura, tipos de ligações químicas intermoleculares, processamento e reciclagem? Como se comportam polímeros termoplásticos e termorrígidos frente a ação de um solvente ?
Polímeros denominados termoplásticos podem ser amolecidos, o que permite a deformação des ses a partir da aplicação de pressão. Quando resfriados, tais polímeros retomam a sua rigidez inicial. O comportamento desse tipo de p olímero viabiliza a produção em larga escala de artefatos através de meios como a extrusão e a moldagem por injeção. Outro importante aspectos desses polímeros é que eles podem ser reciclados a partir de rejeitos e refugos, já que s ão facilmente remodelados através da aplicação combinada de pressão e temperatura. Exemplos desse tipo de polímero são o polietileno, polipropileno, PMMA [poli(metacrilato de metila)], politetrafluoretileno (Teflon®), Nylon®, etc. Por outro lado, polímeros termorrígidos são aqueles que não amolecem com o aumento da temperatura e p or isso, uma vez produzidos, não podem ser re-deformados ou re-processados. Para esse tipo de p olímero, uma elevação contínua da temperatura leva à degradação do material (queima) antes de que qualquer alteração mais dramática nas propriedades mecânicas ocorra. Sendo assim, tais materiais são de difícil reciclagem e após terem adquirido sua forma final, apenas etapas de processamento via usinagem são possíveis. Exemplos desse tipo de material englobam as borrachas vulcanizadas, os hidrogéis, as resinas ep oxidícas e fenólicas, entre outras. Polímeros termoplástico são caracterizados por possuir ligações química fracas (van der Waals) entre as c adeias que assim podem ser facilmente rompidas com a introdução de energia. Dessa forma, quando t ais materiais são aquecidos, as ligações de van der Waals são quebr adas, permitindo que haja uma maior facilidade para a movimentação de cadeias poliméricas umas em relação às outras. A capacidade das c adeias de fluir com a aplicação de temperatura garante à esses materiais suas características fundamentais de fácil re-processabilidade. Por outro lado, polímeros termorrígidos apresentam cadeias conectadas entre si por r amificações ou braços compartilhados. Assim, ligações químicas primárias (covalentes) são responsáveis pel as ligações cruzadas entre cadeias, as quais só são rompidas com a intr odução de elevadas quantidades de energia que us ualmente levam também ao rompimento das ligações constituidoras das c adeias poliméricas (com a conseqüente degr adação- queima - do polímero). Assim sendo, percebe-se que o tipo de ligação entre cadeias, nesse caso, é responsável pelo comportamento característico dos termorrígidos de não serem facilmente conformados e reprocessados através apenas da ação conjunta de pressão e temperatura. O comportamento dos polímeros frente a ação de solventes também pode ser explicado pelo tipo de interação entre cadeias existente. Assim, para polímeros termoplásticos, a solubilização do p olímero por um determinado solvente é possível quando as interações entre as moléculas do solvente e as cadeias poliméricas apresentam uma magnitude superior à magnitude de interações entre as c adeias poliméricas. Nesse caso, as moléculas de solvente são capazes de romper as ligações fracas (van der Waals) que unem as cadeias poliméricas e substituí-las por ligações um pouco mais fortes (mas ainda do tipo van der Waals) solvente-polímero. Com a redução do grau de inter ação entre cadeias do polímero submetido à ação de um solvente efetivo, essas ganham maior liberdade de se moverem umas em relação às outras levando à desintegração e solubilização do material (Figura 1). Já no caso de polímeros termorrígidos, as ligações entre cadeias são primárias, de alta energia e que não são passíveis de rompimento pela ação de solventes. Assim, polímeros termorrígidos são normalmente insolúveis. A intr odução de fluidos quimicamente compatíveis com polímeros termorrígidos levam ao chamado inchamento desses, já que o fluido se insere entre as cadeias poliméricas sem, no entanto, romper qu alquer ligação cruzada. O grau de inchamento do polímero termorrígido é conseqüência do nível de afinidade química entre reticulado e fluido e também da densidade de ligações cruzadas no polímero. Polímeros com alta densidade de ligações cr uzadas apresentam inchamento em menor intensidade (Figura 1).
Figura 1. Interação de reticulados e cadeias lineares po liméricas com solventes.
23 - O que é a estrutura amorfa (ou vítrea) de polímeros? Como acontece o processo de transição vítrea de polímeros (diagrama temperatura vs. volume)? O que é a temperatura de transição vítrea (Tg)? Como Tg varia com a velocidade de resfriamento, massa molar e estrutura química ?
O arranjo de átomos em cristais é a forma de organização da matéria de mínima energia, sendo assim o estado mais estável e para qual todo processo de transformação tende. No entanto, a cristalização, apesar de reduzir a en ergia total do sistema, muitas vezes não é atingida em tempos reais. Processos de cristalização são muitas vezes restringidos por fenômenos governados pela cinética. Em polímeros, tal situação é muito freqüente, o que se contrapõe ao resto dos materiais que apresentam a cristalização como fenômeno mais c omum. Restrições à cristalização em polímeros s ão resultado da dificuldade das macromoléculas de se adaptarem a sítios regularmente distribuídos no espaço. Macromoléculas apresentam normalmente pequena mobilidade em comparação à átomos e pequenas moléculas, o que dificulta a sua acomodação rápida à posições energeticamente mais favoráveis. Como conseqüência dessas condições cinéticas n ão favoráveis à cristalização, esses materiais acabam por se consolidar em sólidos não-cristalinos, ou amorfos (ou vítreos), onde apenas as distâncias entre os primeiros vizinhos dos átomos ou moléculas são fixas, enquanto à longas distâncias não há repetitividade da estrutura espacial. A experiência típica usada na descrição do proce sso de vitrificação de materiais mostra a variação do volume em função da temperatura durante o re sfriamento de amostras fundidas (Figur a 4). Analisando-se a Figura 4, percebe-se que são dois os caminhos para a solidificação do material fundido (líquido). No primeiro, o líquido, durante o re sfriamento, apresenta uma grande mudança de volume na temperatura de fusão (temperatura constante), caracterizando a ocorrência da cristalização. No entanto, não acontecendo a cristalização na temperatura de fusão, o volume do lí quido superresfriado decresce com uma variação volumétrica semelhante ao do líquido acima da temperatura de fus ão. Tal variação volumétrica é profundamente alterada quando o líquido superresfriado atinge Tg (temperatura de tr ansição vítrea), quando então, a variação volumétrica passa a assumir valores similares à do material cristalino. Em Tg, a qual varia em função da velocidade de resfriamento, o líquido superresfriado se transforma em sólido (vidro). A dependência da temperatura de transição vítrea com a velocidade de resfriamento pode ser e xplicada através do conceito de tempo de relaxação molecular, o qual é c aracterizado como sendo o tempo necessário à adaptação da estrutura quando há uma variação de temperatura. Velocidades de resfriamento baixas significam maior oportunidade de ocorrência de relaxação estrutural, tornando a temp eratura na qual os átomos ficam congelados (Tg), mais baixa. Como já foi dito, o estado amorfo é energeticamente metaestável e o proces so de cristalização se processará caso as condições cinéticas sejam proporcionadas. Em temperaturas bem abaixo de Tg, a mobilidade das cadeias é muito pequena e o estado amorfo fica congelado praticamente indefinidamente. Em temperaturas acima de Tg, as cadeias poliméricas podem adquirir suficiente mobilidade para dar início ao pr ocesso de cristalização. Da mesma maneira, o resfriamento lento a partir de uma amostra fundida pode propiciar tempo suficiente para macromoléculas se acomodarem em sitios cristalinos.
Figura 4. Diagrama temperatura versus volume representando processos de solidificação e formação de vidros. A temperatura de transição vítrea é um dos m ais importantes parâmetros usados no planejamento de pr ocessos e produtos poliméricos. Ela permite prever o comportamento de um determinado material numa temperatura, assim como designa indiretamente certas propriedades do material como propriedades mecânicas, re sistência à temperatura, etc. Alguns dos fatores que influenciam a definição de Tg p ara um determinado polímero são listados a seguir. (1) Massa Molar (peso molecular). A massa molar dos polímeros, i.e. o tamanho das cadeias, afeta decisivamente a temperatura de transição vítrea, visto que c adeias menores apresentam maior mobilidade que cadeias maiores. (2) Volume livre presente nos polímeros. O volume livre em polímeros é o espaço não ocupado pelas moléculas. Quanto maior o volume livre presente em um polímero menor será a temperatura de transição vítrea, já que maior será a facilidade das cadeias de se deslocarem umas em relação às outras. (3) Tipo de força atrativa entre as cadeias poliméricas. As transições que ocorrem durante a temperatura de transição vítrea é resultado da habilidade das cadeias de se de slocarem com a quantidade de energia fornecida nessa específica faixa de temperatura. Quanto maior a magnitude das ligações entre cadeias, maior será a qu antidade de energia necessária a permitir que as cadeias se tornem livres para efetuar as transições. Dessa forma, polímeros que apresentam ligações mais fortes entre cadeias, possuem temperaturas de tr ansição vítrea maiores. (4) Mobilidade intrínseca das cadeias poliméricas. A arquitetura química das cadeias poliméricas contribui decisivamente para a definição do comportamento dessas frente a introduç ão de energia e as correspondentes transições. Grupos químicos, inseridos nas cadeias poliméricas principais, cujas ligações com o resto da cadeia apresentem reduzidas energias para movimentos de rotação, proporcionam temperaturas de tr ansição vítrea menores. Quanto menor a energia necess ária para rotação de ligações, maior facilidade as cadeias apresentarão de se desentrelaçar e mover umas em relação às outr as.
24 - liste 10 polímeros usados comercialmente: estrutura química e aplicações e a classificação mais típica do polímero (termoplástico ou termorrígido, amorfo ou semicristalino) Polímero
Polipropileno (PP) Polímero semicristalino, termoplástico, poliadição
Aplicações
Recipientes, filmes, peças para indústria automotiva, brinquedos, utensílios domésticos, etc.
Estrutura
Poliestireno (PS) Polímero amorfo, termoplástico, poliadição.
Recipientes (transparentes), copos, isopor, etc.
Poli(cloreto de vinila) Filmes (embalagens), tubos, etc. (PVC) Polímero amorfo, termoplástico, poliadição. Poli(metacrilato de metila) (PMMA)
Copos, recipientes, janelas, lentes, biomaterais, etc.
Polímero amorfo, termoplástico, poliadição. Poli(tetrafluoretileno) Recobrimentos, peças, fitas, etc. Teflon® Polímero semicristalino, termoplástico, poliadição. Poli(etileno tereftalato)
Garrafas, copos, fibras (tecidos)
PET Polímero semicristalino, termoplástico, policondesação. Poliamidas Nylon® Polímero semicristalino, termoplástico, policondensação. Resina epoxídica Polímero amorfo, termorrígido, policondensação. Resina de fenolformaldeído Polímero amorfo, termorrígido, policondensação.
Fibras, biomateriais, etc.
Matriz para compósitos, adesivos
Adesivos, peças automotivas, etc.
Poliuretanos
Biomateriais, elastômeros
Polímero amorfo, termorrígido, poliadição.
25 - Cite quais os 03 tipos de polímeros que existem quanto ao comportamento tensão x deformação . 26 - Qual a influencia da temperatura e da taxa de deformação sobre a curva tensão x deformação de um plástico? 27 - Cite algumas vantagens e desvantagens dos materiais poliméricos.
