Lista - Materiais 2022-2

Lista de exercícios – Disciplina Materiais para Engenharia (Turma A) Profa Juliana Mara P. de Almeida Conteúdo das aula 06 e 08 1) Para uma liga de bronze, a tensão na qual a deformação plástica começa é 275 MPa, e o módulo de elasticidade é 115 GPa. (a) Qual é a carga máxima que pode ser aplicada a um corpo de prova com área de seção transversal reta de 325 mm2 (0,2 pol.2) sem que ocorra deformação plástica? (b) Se o comprimento original do corpo de prova for 115 mm, qual é o comprimento máximo para o qual ele pode ser esticado sem causar deformação plástica? 2) Um corpo de prova de alumínio que possui uma e reta retangular de 10 mm X 12,7 mm é puxado em tração com uma força de 35.500 N, produzindo apenas uma deformação elástica. Calcule a deformação resultante. 3) Um corpo de prova em ferro fundido dúctil, que possui uma seção reta retangular com dimensões de 4.8 mmx15,9 mm, é deformado em tração. Usando os dados de carga-alongamento tabulados abaixo, complete os problemas entre a e f. Carga (N) Comprimento (mm) 0 75,000 4,740 75,025 9,140 75,050 12,920 75,075 16,540 75,113 18,300 75,150 20,170 75,225 22,900 75,375 25,070 75,525 26,800 75,750 28,640 76,500 30,240 78,000 31,100 79,500 31,280 81,000 30,820 82,500 29,180 84,000 27,190 85,500 24,140 87,000 18,970 88,725 Fratura (a) Plote os dados na forma de tensão de engenharia em função da deformação de engenharia. (b) Compute o módulo de elasticidade. (c) Determine o limite de escoamento para uma pré-deformação de 0,002. (d) Determine o limite de resistência à tração desta liga. (e) Calcule o módulo de resiliência. (f) Qual é a ductilidade, em alongamento percentual? 4) (a) Um penetrador para ensaios de dureza Brinell com 10 mm de diâmetro produziu uma impressão com diâmetro de 1,62 mm em uma liga de aço, quando foi usada uma carga de 500 kg. Calcule a HB deste material. (b) Qual deverá ser o diâmetro de uma impressão para produzir uma dureza de 450 HB, quando uma carga de 500 kg é usada? 5) Descreva com suas próprias palavras os três mecanismos para aumento de resistência discutidos na primeira aula sobre propriedades mecânicas dos materiais (isto é, redução no tamanho do grão, aumento de resistência por solução sólida e encruamento). Certifique-se de explicar como as discordâncias estão envolvidas em cada uma das técnicas de aumento de resistência. 6) Qual é a magnitude da tensão máxima que existe na extremidade de uma trinca interna que possui um raio de curvatura de 2,5 X 10-4 mm e um comprimento de trinca de 2,5 X 10-2 mm quando uma tensão de tração de 170 MPa é aplicada? 7) Um corpo de prova de um material cerâmico que possui um módulo de elasticidade de 300 GPa é puxado em tração com uma tensão de 900 MPa. Informar se o corpo de prova irá fraturar numa situação em que o seu "defeito mais sério" é uma trinca interna com comprimento de 0,30 mm e raio de curvatura na extremidade de 5X 10-4 mm. Porquê? 8) Tabulados abaixo encontram-se dados que foram coletados a partir de uma série de ensaios de impacto Charpy com um ferro fundido dúctil Temperatura (oC) Energia de Impacto (J) - 25 124 - 50 123 - 75 115 - 85 100 - 100 73 - 110 52 - 125 26 - 150 9 - 175 6 (a) Plote os dados na forma da energia de impacto em função da temperatura. (b) Determine uma temperatura de transição dúctil-frágil como sendo aquela temperatura que corresponde à média entre as energias de impacto máxima e mínima. (c) Determine uma temperatura de transição dúctil-frágil como sendo aquela temperatura na qual a energia de impacto é de 80 J. 9) Às superfícies para algumas amostras de aço que falharam por fadiga possuem uma aparência cristalina brilhante ou granular. Leigos podem explicar a falha dizendo que o metal cristalizou durante o serviço. Apresente uma crítica a essa explicação. 10) Os dados de fadiga para um ferro fundido dúctil são dados a seguir: Amplitude da Tensão (MPa) Ciclos até a Fratura 248 1 x 105 236 3 x 105 224 1 x 106 213 3 x 106 201 1 x 107 193 3 x 107 193 1 x 108 193 3 x 108 (a) Faça um gráfico de Tensão X N (amplitude da tensão em função do logaritmo do número de ciclos até a fratura) usando os dados. (b) Qual é o limite de resistência à fadiga para esta liga? (c) Determine as vidas em fadiga para amplitudes de tensão de 230 MPa (33.500 psi) e 175 MPa (25.000 psi). (d) Estime as resistências à fadiga da liga em 2 X 105 e 6 × 106 ciclos. 11) Explique sucintamente (a) por que pode haver uma dispersão significativa na resistência à fratura para alguns dados materiais cerâmicos, e (b) por que a resistência à fratura aumenta em função de uma diminuição do tamanho da amostra. 12) Cite uma razão pela qual os materiais cerâmicos são, em geral, mais duros, porém mais frágeis, do que os metais. 13) (a) Explique por que são introduzidas tensões térmicas residuais em uma peça de vidro quando esta é resfriada. (b) São introduzidas tensões térmicas em um processo de aquecimento? Dizer por que sim ou por que não. (c) Como a espessura de uma peça de vidro afeta a magnitude das tensões térmicas? Por quê? 14) Os vidros de borossilicato e a sílica fundida são resistentes a choques térmicos. Explique. 15) Em suas próprias palavras, descreva sucintamente o que acontece quando uma peça de vidro é termicamente temperada. 16) Compare a maneira segundo a qual o agregado de partículas fica colado entre si em misturas à base de argila durante um processo de cozimento e em cimentos durante a pega. 17) Esboce o fluxograma geral do processamento cerâmico apresentando todas as etapas desde a preparação da material prima até a sinterização. 18) Explique os motivos pelos quais os materiais cerâmicos não são processados por fusão e moldagem. Existem alguma exceção? 19) Diferencie prensagem uniaxial e isostática. 20) Diferencie as etapas de secagem, calcinação e sinterização em relação ao intervalo de temperatura em que ocorrem, fenômenos envolvidos, o que sai e o que fica na estrutura e objetivos. 21) Explique o diagrama Volume específico x Temperatura para um material amorfo e um material cristalino. Qual é a distinção entre a temperatura de transição vítrea e a temperatura de fusão? Conteúdo da aula 07 1) Considere o diagrama de fases abaixo: a. Quais os componentes do sistema acima? b. Quais são as fases presentes? c. Qual é a temperatura e a composição eutética da liga Pb-Sn? d. Determine as fases presentes, a composição das fases e suas quantidades relativas em uma liga Pb-50%Sn (em peso) à 100 ºC, 200 ºC e 300ºC. 2 ) Qual é a solubilidade máxima (a) do cobre em prata e (b) da prata em cobre na temperatura de 700°C? Considere o diagrama de fase abaixo. 3) Para uma liga de chumbo contendo 15% em peso de magnésio, faça desenhos esquemáticos das microestruturas que seriam observadas após resfriamento lento até as seguintes temperaturas: 600°C, 500°C, 270°C e 200°C. Indique nos esquemas as fases presentes e indique sua composição aproximada. 4) Fazer exercícios do cap. Sobre diagrama Fe-C Conteúdo da aula 09 1. Defina (a) polímero, (b) unidade repetitiva e (c) monômero. Quais as vantagens do uso de materiais poliméricos em relação as outras classes de materiais? 2. Diferencie polímeros termoplásticos, termofixos e elastômeros. 3. Sabe-se que os polímeros em sua maioria são constituídos por átomos de C, H, O e N, onde muitos apresentam a mesma quantidade de átomos sendo diferenciados por sua disposição na estrutura. A partir disso, proponha até três diferentes estruturas, quando possível, para as fórmulas mínimas das unidades repetitivas abaixo indicadas e proponha o nome e abreviação comumente usada para cada um dos polímeros: a) C2H2 c) C4H6O b) C3H6 d) C4H6O2 4. Defina isomerismo. 5. Qual a importância da funcionalidade de um monômero para a formação de um polímero? 6. Diferencie um homopolímero de um copolímero. 7. Como é de conhecimento geral, as propriedades dos materiais são definidas dentre muitos fatores por sua microestrutura. No caso dos materiais poliméricos a estrutura está diretamente relacionada com a forma e composição das cadeias poliméricas. Considere que temos duas amostras de um mesmo polímero com massas molares distintas, sendo um com 10.000 g/mol e o outro com 7.500 g/mol. Qual dos dois é esperado que apresente maior resistência mecânica, e por quê? 8. Qual a definição de macromolécula e como podemos definir de forma clara macromoléculas e polímeros. 9. Na Figura 1, estão representados os valores médios principais da massa molar de um polímero hipotético. A partir desta, pode-se verificar que Mn<Mw. Explique as possíveis razões para que isso ocorra. Figura 1 - Curva de distribuição de massa molar mostrando os quatro valores médios principais. 10. Calcule a massa molecular dos meros(ou unidades repetitivas) dos seguintes polímeros: (a) politetrafluoroetileno; (b) náilon 6,6, (c) polietileno e (d) poli(tereftalato de etileno – PET). 11. Abaixo constam os valores para massa molar do politetrafluoroetileno. Calcule (a) a massa molar média numérica (Mn), (b) a massa molar média ponderal (Mw), (c) o grau de polimerização médio ponderal (base Mw), (d) o grau de polimerização médio numérico (base Mn) e (e) a polidispersividade do polímero em questão. Esquematize uma curva de distribuição para esse polímero, indicando a posição do peso molecular médio pelo número e pelo peso das moléculas. Obs. É muito comum o uso, em especial em referências mais antigas o termo Peso molecular (molecular weight), contudo o termo mas atual e aceito é massa molecular cuja unidade é dada em g.mol-1. 12. Calcule o grau de polimerização do policloreto de vinila, polimetil metacrilato e poliestireno, sabendo que todos apresentam massa molar média numérica de 1.500.000 g.mol-1. 13. A seguir são tabulados os dados de massa molar para um dado polímero. Calcule a massa molar numérica média e (b) a massa molar média ponderal. (c) Se é sabido que o grau de polimerização desse material é de 477, qual dentre os polímeros listados na tabela é esse polímero? Por que? Faixa de Massas Molares (g/mol) xi wi 8.000-20.000 0,05 0,02 20.000-32.000 0,15 0,08 32.000-44.000 0,21 0,17 44.000-56.000 0,28 0,29 56.000-68.000 0,18 0,23 68.000-80.000 0,10 0,16 80.000-92.000 0,03 0,05 14. Estime o grau de polimerização de uma amostra de politetrafluoroetileno (PTFE) com uma massa molar de 800.000. g/mol. 15. Esboce as estruturas para os seguintes copolímeros: a) poli(isobutileno-isopreno); b) poli(etileno-vinil acetato); c) poli(acrilonitrila butadieno); 16. Um copolímero aleatório poli(isobutileno-isopreno) possui massa molecular média ponderal (Mw) de 400.000 g/mol e grau de polimerização médio ponderal GPMw de 5000. Calcule a fração de meros de isobutileno e de isopreno nesse copolímero. 17. A respeito dos polímeros abaixo, indique e represente as possíveis configurações de taticidade e isomeria que estes podem adotar; a) Policloreto de vinila; c) Polimetil metacrilato; b) Politetrafluoroetileno; d) Polipropileno 18. Quais diferenças de propriedades podem ser observadas no que diz respeito ao polipropileno em sua forma isotática, sindiotático e atático? 19. Do ponto de vista das propriedades mecânicas de polímeros termoplásticos e termofixos, apresente as vantagens e desvantagens de cada categoria. Qual desses é mais facilmente reciclado, qual a razão? 20. Por que polímeros com ligações cruzadas apresentam propriedades mecânicas superiores as apresentadas pelos polímeros lineares? Lista de exercícios – Disciplina Materiais para Engenharia (Turma A) Profa Juliana Mara P. de Almeida Conteúdo das aula 06 e 08 1) Para uma liga de bronze, a tensão na qual a deformação plástica começa é 275 MPa, e o módulo de elasticidade é 115 GPa. (a) Qual é a carga máxima que pode ser aplicada a um corpo de prova com área de seção transversal reta de 325 mm2 (0,2 pol.2) sem que ocorra deformação plástica? 𝜎 = 𝐹 → 𝐹 = 𝜎 ⋅ 𝐴 → 𝐹 − 275000000 ⋅ 325𝑥10−6 → 𝐹 = 89.375 𝑁 𝐴 (b) Se o comprimento original do corpo de prova for 115 mm, qual é o comprimento máximo para o qual ele pode ser esticado sem causar deformação plástica? (𝐼 − 𝐼0) (𝐼 − 𝐼0) (𝐼 − 115) 𝜎 = 𝐸 ⋅ 𝜀 → 𝜀 = → 𝜎 = 𝐸 ⋅ → 275 = 115000 ⋅ → 𝐼 = 115,275𝑚𝑚 𝐼0 𝐼0 115 2) Um corpo de prova de alumínio que possui uma e reta retangular de 10 mm X 12,7 mm é puxado em tração com uma força de 35.500 N, produzindo apenas uma deformação elástica. Calcule a deformação resultante. 𝜀 = 𝜎 = 𝐹 → 𝜀→ 𝜀 = 4,05𝑥10−3𝑚𝑚 𝐸 𝑎⋅𝐸 3) Um corpo de prova em ferro fundido dúctil, que possui uma seção reta retangular com dimensões de 4.8 mmx15,9 mm, é deformado em tração. Usando os dados de carga-alongamento tabulados abaixo, complete os problemas entre a e f. Carga (N) Comprimento (mm) 0 75,000 4,740 75,025 9,140 75,050 12,920 75,075 16,540 75,113 18,300 75,150 20,170 75,225 22,900 75,375 25,070 75,525 26,800 75,750 28,640 76,500 30,240 78,000 31,100 79,500 31,280 81,000 30,820 82,500 29,180 84,000 27,190 85,500 24,140 87,000 18,970 88,725 Fratura (a) Plote os dados na forma de tensão de engenharia em função da deformação de engenharia. (b) Compute o módulo de elasticidade. 𝐸 = ∆ 𝜎 = 200 ⋅ 103𝑀𝑃𝑎 = 200 𝐺𝑃𝑎 ∆𝜀 (c) Determine o limite de escoamento para uma pré-deformação de 0,002. Ele cruza a curva em aproximadamente 280 MPa (d) Determine o limite de resistência à tração desta liga. Tensão maxima no grafico é aproximadamente 410 MPa (e) Calcule o módulo de resiliência. 𝜎𝑦2 𝐽 𝑈𝑟 = 2𝐸 = 1.96 ⋅ 105 𝑚 3 (f) Qual é a ductilidade, em alongamento percentual? Temos uma tensão de 18,4% 4) (a) Um penetrador para ensaios de dureza Brinell com 10 mm de diâmetro produziu uma impressão com diâmetro de 1,62 mm em uma liga de aço, quando foi usada uma carga de 500 kg. Calcule a HB deste material. 2𝑃 2⋅(500) 𝐻𝐵 = 2 2 = 2 2 → 𝐻𝐵 = 240,975 𝜋𝐷[𝐷−√𝐷 −𝑑 ] 𝜋⋅10[10−√(10) −(1,62) ] (b) Qual deverá ser o diâmetro de uma impressão para produzir uma dureza de 450 HB, quando uma carga de 500 kg é usada? 𝜋 100 − 𝑑2 = (9,9293)2 → 𝑑2 = 100 − 98,59 → 𝑑2 = 1,41 Portanto o diâmetro da identação será 𝑑 = 1,187 𝑚𝑚 5) Descreva com suas próprias palavras os três mecanismos para aumento de resistência discutidos na primeira aula sobre propriedades mecânicas dos materiais (isto é, redução no tamanho do grão, aumento de resistência por solução sólida e encruamento). Certifique-se de explicar como as discordâncias estão envolvidas em cada uma das técnicas de aumento de resistência. Redução do tamanho do grão: as direções de deslizamento das discordâncias são diferentes para os grãos individuais e isso serve como uma barreira ao movimento das discordâncias, aumentando assim a resistência. Solução sólida: a resistência ao deslizamento é maior quando os átomos de impureza estão presentes, porque a deformação total da rede deve aumentar se discordâncias forem destacadas deles. Encruamento: é explicado com base nas interações entre os campos de deformação das discordâncias. A densidade de discordâncias aumenta com deformação ou encruamento devido à multiplicação de deslocamentos ou a formação de novos deslocamentos. 6) Qual é a magnitude da tensão máxima que existe na extremidade de uma trinca interna que possui um raio de curvatura de 2,5 X 10-4 mm e um comprimento de trinca de 2,5 X 10-2 mm quando uma tensão de tração de 170 MPa é aplicada? 1 𝜎𝑚 = 2𝜎 𝜌𝑡 [ 2404 𝑀𝑃𝑎(354000 𝑝𝑠𝑖) 7) Um corpo de prova de um material cerâmico que possui um módulo de elasticidade de 300 GPa é puxado em tração com uma tensão de 900 MPa. Informar se o corpo de prova irá fraturar numa situação em que o seu "defeito mais sério" é uma trinca interna com comprimento de 0,30 mm e raio de curvatura na extremidade de 5X 10-4 mm. Porquê? 1 1 𝜎𝑚 = 2𝜎 8) Tabulados abaixo encontram-se dados que foram coletados a partir de uma série de ensaios de impacto Charpy com um ferro fundido dúctil Temperatur a (oC) Energia de Impacto (J) - 25 124 - 50 123 - 75 115 0 ⋅ ( 𝑎 ) 2 = ( 2 ) ⋅ ( 170 ) ⋅ 0 ⋅ ( 𝑎 𝜌 𝑡 ) 2 = ( 2 ) ⋅ ( 900 ) ⋅ [ 0 , 3 2 5 𝑥 10 − 4 ] 2 = 31 , 2 𝑃𝑎 ( 4 , 5 ⋅ 10 6 𝑝𝑠𝑖 ) - 85 100 - 100 73 - 110 52 - 125 26 - 150 9 - 175 6 (a) Plote os dados na forma da energia de impacto em função da temperatura. (b) Determine uma temperatura de transição dúctil-frágil como sendo aquela temperatura que corresponde à média entre as energias de impacto máxima e mínima. 𝑀 = 124 𝐽+6𝐽 = 65𝐽 cerca de -105ºC 2 (c) Determine uma temperatura de transição dúctil-frágil como sendo aquela temperatura na qual a energia de impacto é de 80 J. Observando o grafico é cerca de -95ºC 9) Às superfícies para algumas amostras de aço que falharam por fadiga possuem uma aparência cristalina brilhante ou granular. Leigos podem explicar a falha dizendo que o metal cristalizou durante o serviço. Apresente uma crítica a essa explicação. Cristalizar significa tornar-se cristalino. Desta forma, a afirmação "O metal quebrou porque cristalizou" é incorreta porque o metal já era cristalino antes de ser submetido a estresse. 10) Os dados de fadiga para um ferro fundido dúctil são dados a seguir: Amplitude da Tensão (MPa) Ciclos até a Fratura 248 1 x 105 236 3 x 105 224 1 x 106 213 3 x 106 201 1 x 107 193 3 x 107 193 1 x 108 193 3 x 108 (a) Faça um gráfico de Tensão X N (amplitude da tensão em função do logaritmo do número de ciclos até a fratura) usando os dados. (b) Qual é o limite de resistência à fadiga para esta liga? O limite será de 198 MPa, que é quando a curva fica constante. (c) Determine as vidas em fadiga para amplitudes de tensão de 230 MPa (33.500 psi) e 175 MPa (25.000 psi). log(𝑁230) = 3,5 → 𝑁230 = 103,5 → 𝑁230 = 3,162 ⋅ 105 Em 175 MPa não se aplica, pois, o valor é menor que o limite da fadiga (d) Estime as resistências à fadiga da liga em 2 X 105 e 6 × 106 ciclos. Para 2 ⋅ 105 = 5,32 = 198𝑀𝑃𝑎 e para6 ⋅ 106 = 6,79 = 198𝑀𝑃𝑎 2 ⋅ 105 = 5,32 = 199𝑀𝑃𝑎 11) Explique sucintamente (a) por que pode haver uma dispersão significativa na resistência à fratura para alguns dados materiais cerâmicos, e (b) por que a resistência à fratura aumenta em função de uma diminuição do tamanho da amostra. a) Uma variação significativa na tenacidade à fratura de materiais cerâmicos ocorre dependendo da probabilidade da existência de uma tensão mínima capaz de iniciar uma trinca. A existência deste processo pode variar de amostra para amostra do material original e depende das técnicas de produção, por exemplo na formação do vidro, onde a pressão aplicada na produção da peça pode provocar um certo stress. Tratamentos pós-fabricação, como recozimento e revenimento, podem aliviar as tensões de fabricação, mas resultam em choque térmico que pode levar ao desenvolvimento de rachaduras ao longo da superfície. b) Podemos utilizar, para uma seção circular: 𝜎 = 𝐹 𝑓⋅𝐿3 𝜋𝑅 Para uma seção retangular: 𝜎 𝐿 Se o tamanho for aumentado, independente da forma, comprimento ou volume aumentarão simultaneamente, por isso a força de flexão ou fratura irá diminuir 12) Cite uma razão pela qual os materiais cerâmicos são, em geral, mais duros, porém mais frágeis, do que os metais. Cerâmicas consistem em ligações covalentes, iônicas ou ambas. As ligações covalentes se formam em direções específicas, portanto, quando uma força é aplicada, as ligações tentam muito resistir à deformação. Além disso, é frágil devido às ligações iônicas presentes entre os componentes do material. As ligações iônicas são muito fortes e requerem uma grande quantidade de energia para quebrá-las. No entanto, uma vez que essa energia é aplicada, as ligações são completamente quebradas, tornando o material quebradiço. 13) (a) Explique por que são introduzidas tensões térmicas residuais em uma peça de vidro quando esta é resfriada. As tensões térmicas residuais são introduzidas em uma peça de vidro à medida que ela esfria porque as regiões da superfície e do interior esfriam em taxas diferentes e, portanto, encolhem de maneira diferente; como o material sofre muito pouca, se alguma, deformação, tensões são criadas. (b) São introduzidas tensões térmicas em um processo de aquecimento? Dizer por que sim ou por que não. Sim, haverá estresse térmico devido à expansão térmica no aquecimento pelo mesmo motivo que a contração térmica no resfriamento. (c) Como a espessura de uma peça de vidro afeta a magnitude das tensões térmicas? Por quê? Porque a superfície e as regiões interiores arrefecem a taxas diferentes e, portanto, contraem quantidades diferentes; = 3 ⋅ 𝐹 𝑓 ⋅ 2 𝑏 𝑑 2 14) Os vidros de borossilicato e a sílica fundida são resistentes a choques térmicos. Explique. Os vidros de borosilicato e a sílica fundida são resistentes ao choque térmico porque têm coeficientes de expansão térmica relativamente baixos; portanto, durante o aquecimento ou resfriamento, a diferença no grau de expansão ou contração através da seção transversal de um material construído com esses materiais será relativamente pequena. 15) Em suas próprias palavras, descreva sucintamente o que acontece quando uma peça de vidro é termicamente temperada. Ele é aquecido a uma temperatura logo acima de sua temperatura de transição vítrea. Logo após jatos de ar frio em alta pressão são lançados sobre a superfície do vidro a partir de bicos posicionados em posições que promovem uma taxa de resfriamento muito maior na superfície do que em seu interior. 16) Compare a maneira segundo a qual o agregado de partículas fica colado entre si em misturas à base de argila durante um processo de cozimento e em cimentos durante a pega. Em agregados à base de argila, uma fase líquida é formada durante a queima que se infiltra nos poros entre as partículas não fundidas; ao esfriar, esse líquido se transforma em vidro, que serve como fase de ligação. Nos cimentos, o processo de ligação é uma reação química de hidratação entre a água adicionada e os vários componentes do cimento. As partículas de cimento são conectadas umas às outras por reações que ocorrem na superfície das partículas. 17) Esboce o fluxograma geral do processamento cerâmico apresentando todas as etapas desde a preparação da material prima até a sinterização. 18) Explique os motivos pelos quais os materiais cerâmicos não são processados por fusão e moldagem. Existem alguma exceção? Os materiais cerâmicos são materiais que resistem a elevadas temperaturas: apresentam alto ponto de fusão, são materiais isolantes térmicos e refratários, são geralmente isolantes elétricos, embora possam existir materiais cerâmicos semicondutores, condutores e até mesmo supercondutores, são quimicamente estáveis sob condições ambientais severas, inércia química. Os materiais cerâmicos são geralmente duros e frágeis e apresentam normalmente elevado módulo de elasticidade. 19) Diferencie prensagem uniaxial e isostática. Prensagem uniaxial: O pó é compactado em um molde de metal usando pressão aplicada em uma direção. A forma da peça é criada diretamente pela aplicação de pressão e conformação ao invólucro do molde. Prensagem isostática: o material pulverizado é armazenado em um invólucro de borracha e a pressão é aplicada por meio de fluido em todas as direções. 20) Diferencie as etapas de secagem, calcinação e sinterização em relação ao intervalo de temperatura em que ocorrem, fenômenos envolvidos, o que sai e o que fica na estrutura e objetivos. Pela secagem a retirada de água, minérios e outras matérias-primas que serão utilizadas em processos que seriam prejudicados pela presença de umidade. Condição termodinâmica para a transformação da água do estado líquido para o vapor: pressão de vapor de água maior que a pressão de vapor de água na atmosfera. secagem industrial: o minério e a água de molhagem devem ser aquecidos a uma temperatura em que a secagem seja rápida e o calor deve ser cedido para conversão; a secagem gasta energia. Processos industriais: gases quentes gerados em outros processos da usina ou queima de combustíveis; Equipamentos principais: fornos rotativos, cubas ou fornos de fluidização; energia de microondas a água é uma substância com um calor específico excepcionalmente alto (1 cal/(g°C) ou 4,18 kJ/(kg K), que é muito maior do que a maioria dos materiais industriais. Decomposição térmica por calcinação de hidratos e carbonatos; eliminação de água quimicamente ligada e CO2. A temperatura de calcinação depende da pressão parcial de CO2 na atmosfera; A temperatura de calcinação é a temperatura na qual a reação ocorre quando a pressão parcial de CO2 na atmosfera é de 1 atm. A calcinação do calcário é muito endotérmica: DH° 298 = 177,65 kJ/mol. A cinética e o mecanismo de calcinação do calcário definem as condições operacionais e da matéria-prima (queima excessiva; núcleo não calcinado, reatividade, etc.) A sinterização pode ser definida como um processo físico, ativado termicamente, que faz com que um conjunto de partículas de um determinado material, inicialmente em contato umas com as outras, adquiram resistência mecânica. A sua força motriz é uma diminuição da energia de superfície livre de um conjunto de partículas, conseguida através da redução da área superficial total do sistema. Em muitos casos isso leva à eliminação do espaço vazio existente entre as partículas, resultando em um corpo rígido e total ou parcialmente denso. A sinterização é utilizada para a produção de peças compósitas metálicas, cerâmicas e metalocerâmicas, que é parte integrante e principal das técnicas denominadas metalurgia do pó e cerâmica, que são responsáveis pela produção de produtos metálicos e cerâmicos a partir de pós componentes. 21) Explique o diagrama Volume específico x Temperatura para um material amorfo e um material cristalino. Qual é a distinção entre a temperatura de transição vítrea e a temperatura de fusão? A transição de vitrine é a temperatura na qual há uma mudança na inclinação para um volume específico em relação à curva de temperatura. O ponto de fusão é para um material cristalino e, ao resfriar, a temperatura na qual ocorre uma queda repentina e descontínua na curva de volume específico versus temperatura. Conteúdo da aula 07 1) Considere o diagrama de fases abaixo: a. Quais os componentes do sistema acima? Região 𝛼 composição de 10% de Sn e 90% de Pb e a região 𝛽 composição de 98% de Sn e 2% de Pb b. Quais são as fases presentes? Fases 𝛼 + 𝛽 c. Qual é a temperatura e a composição eutética da liga Pb-Sn? Na temperatura de 180º composição de 61,9% d. Determine as fases presentes, a composição das fases e suas quantidades relativas em uma liga Pb-50%Sn (em peso) à 100 ºC, 200 ºC e 300ºC. Em 100º temos a faz ainda solida, em 200º temos uma concentração limitada de prata que irá se dissolver no cobre e em 300 já temos a fase liquida. 2) ) Qual é a solubilidade máxima (a) do cobre em prata e (b) da prata em cobre na temperatura de 700°C? Considere o diagrama de fase abaixo. a) 𝐶𝑝𝐶𝑢 ≅ 8% b) 𝐶𝑝𝐴𝑔 ≅ 5% 𝐶𝑎 𝐶𝑎 , onde temos 𝐶𝑢 = 73% 𝑒 𝐴𝑔 = 26% 3) Para uma liga de chumbo contendo 15% em peso de magnésio, faça desenhos esquemáticos das microestruturas que seriam observadas após resfriamento lento até as seguintes temperaturas: 600°C, 500°C, 270°C e 200°C. Indique nos esquemas as fases presentes e indique sua composição aproximada. Conteúdo da aula 09 1. Defina (a) polímero, (b) unidade repetitiva e (c) monômero. Quais as vantagens do uso de materiais poliméricos em relação as outras classes de materiais? Monômero: uma molécula que consiste em um mero. Polímero: uma macromolécula composta por vários meros. As unidades repetitivas de um polímero são chamadas de mero. O número de unidades estruturais repetidas, ou seja, o número de meros que podem ser encontrados na estrutura de uma macromolécula, é chamado de grau de polimerização. As matérias-primas utilizadas são mais baratas em comparação com outros materiais, como metais. Baixa temperatura de processamento: requerem menos energia e, consequentemente, levam a um menor gasto de energia no processo produtivo, o que também está associado à redução de custos. 2. Diferencie polímeros termoplásticos, termofixos e elastômeros. A principal diferença entre termofixos e termoplásticos é o fato de que os termofixos não podem ser reprocessados através da reciclagem tradicional. Já os termoplásticos podem ser aquecidos e transformados em novos materiais. 3. Sabe-se que os polímeros em sua maioria são constituídos por átomos de C, H, O e N, onde muitos apresentam a mesma quantidade de átomos sendo diferenciados por sua disposição na estrutura. A partir disso, proponha até três diferentes estruturas, quando possível, para as fórmulas mínimas das unidades repetitivas abaixo indicadas e proponha o nome e abreviação comumente usada para cada um dos polímeros: a) C2H2 c) C4H6O b) C3H6 d) C4H6O2 4. Defina isomerismo. É um fenômeno no qual dois ou mais compostos químicos diferentes chamados isômeros possuem a mesma fórmula molecular e diferentes fórmulas estruturais. 5. Qual a importância da funcionalidade de um monômero para a formação de um polímero? É muito importante garantir a complementaridade da funcionalidade da molécula molde com a funcionalidade do monômero funcional, a fim de maximizar a complexação e, portanto, o processo de formação molecular do polímero. 6. Diferencie um homopolímero de um copolímero. Homopolímero: um polímero derivado de apenas um tipo de monômero. Copolímero: Um polímero derivado de dois ou mais tipos de monômeros. 7. Como é de conhecimento geral, as propriedades dos materiais são definidas dentre muitos fatores por sua microestrutura. No caso dos materiais poliméricos a estrutura está diretamente relacionada com a forma e composição das cadeias poliméricas. Considere que temos duas amostras de um mesmo polímero com massas molares distintas, sendo um com 10.000 g/mol e o outro com 7.500 g/mol. Qual dos dois é esperado que apresente maior resistência mecânica, e por quê? 𝑚 8. Qual a definição de macromolécula e como podemos definir de forma clara macromoléculas e polímeros. As macromoléculas, também conhecidas como sólidos covalentes ou sólidos em rede covalente, são estruturas com massa molar muito alta e imprecisa, além disso, são constituídas por um grande e indefinido número de átomos que se ligam covalentemente para formar reticulações tridimensionais. As macromoléculas formam cristais covalentes ou cristais atômicos. Uma macromolécula é uma molécula orgânica de dimensões gigantescas e um alto peso molecular relativo. Quando uma macromolécula é composta de unidades repetidas menores, chamadas de unidades, ela forma um polímero. 9. Na Figura 1, estão representados os valores médios principais da massa molar de um polímero hipotético. A partir desta, pode-se verificar que Mn<Mw. Explique as possíveis razões para que isso ocorra. Figura 1 - Curva de distribuição de massa molar mostrando os quatro valores médios principais. Segundo a classificação de cada tipo de media molar, tem-se 𝑀𝑛 < 𝑀𝑣 < 𝑀𝑤 < 𝑀𝑧, onde 𝑀𝑛 < 𝑀𝑤 pois 𝑀𝑛 leva em conta o número de cadeias com a mesma massa ∑ 𝑛𝑖⋅𝑀𝑖 molar, onde 𝑀𝑛 = ∑ 𝑛𝑖 , já em a conta de cada fração contribui de maneira ponderada, onde 𝑀𝑤 ∑ 𝑛𝑖⋅𝑀𝑖 . 10. Calcule a massa molecular dos meros (ou unidades repetitivas) dos seguintes polímeros: (a) politetrafluoroetileno; (𝐶2𝐹4)𝑛 → (12,01 + 2) + (18,9 ⋅ 4) = 99,6 (b) náilon 6,6, (𝐶12𝐻22𝑁2𝑂2)𝑛 → (12,01 ⋅ 12) + (1 ⋅ 22) + (14,0 ⋅ 2) + (15,99 ⋅ 2) = 226,1 (c) polietileno (𝐶2𝐻4)𝑛 → (12,01 ⋅ 2) + (1 ⋅ 4) = 28,02 (d) poli(tereftalato de etileno – PET). (𝐶10𝐻8𝑂4)𝑛 → (12,01 ⋅ 10) + (1 ⋅ 8) + (15,99 ⋅ 4) = 192,06 11. Abaixo constam os valores para massa molar do politetrafluoroetileno. Calcule (a) a massa molar média numérica (Mn), (b) a massa molar média ponderal (Mw), (c) o grau de polimerização médio ponderal (base Mw), (d) o grau de polimerização médio numérico (base Mn) e (e) a polidispersividade do polímero em questão. Esquematize uma curva de distribuição para esse polímero, indicando a posição do peso molecular médio pelo número e pelo peso das moléculas. Obs. É muito comum o uso, em especial em referências mais antigas o termo Peso molecular (molecular weight), contudo o termo mas atual e aceito é massa molecular cuja unidade é dada em g.mol-1. 𝑀𝑛 = 450 + 2250 + 5250 + 11250 + 12100 + 9100 + 6000 + 7650 = 54.050 𝑀𝑤 = 150 + 1000 + 3850 + 10350 + 13200 + 11700 + 9000 + 5950 = 160.500 𝑀𝑤 = = 23,20 𝑔 = = 688,84 𝑒 𝑀𝑛 𝑚𝑜𝑙 12. Calcule o grau de polimerização do policloreto de vinila, polimetil metacrilato e poliestireno, sabendo que todos apresentam massa molar média numérica de 1.500.000 g.mol-1. * 𝐶2𝐻3𝐶𝑙 → 32 𝑚𝑜𝑙𝑔 → 𝑚 = = 46,87 𝑚𝑜𝑙𝑔 *𝐶2𝑂2𝐻8 → 54 𝑚𝑜𝑙𝑔 → 𝑚 = = 27,77 𝑚𝑜𝑙𝑔 *𝐶8𝐻8 → 56 𝑚𝑜𝑙 𝑔→ 𝑚 = = 26,78 𝑚𝑜𝑙 𝑔 13. A seguir são tabulados os dados de massa molar para um dado polímero. Calcule a massa molar numérica média e (b) a massa molar média ponderal. (c) Se é sabido que o grau de polimerização desse material é de 477, qual dentre os polímeros listados na tabela é esse polímero? Por que? Faixa de Massas Molares (g/mol) xi wi 8.000-20.000 0,0 5 0,0 2 20.000-32.000 0,1 5 0,0 8 32.000-44.000 0,2 1 0,1 7 44.000-56.000 0,2 8 0,2 9 56.000-68.000 0,1 8 0,2 3 68.000-80.000 0,1 0 0,1 6 80.000-92.000 0,0 3 0,0 5 𝑔 𝑀𝑛 = 280 + 2800 + 6460 + 14500 + 14260 + 11840 + 4300 = 54440 𝑚𝑜𝑙 𝑔 𝑀𝑝 = 700 + 7980 + 3900 + 14000 + 11160 + 7400 + 2580 = 47800 𝑚𝑜𝑙 𝑀𝑛 47800 𝑔 𝑚 = == 100,2 𝐷𝑝 477 𝑚𝑜𝑙 14. Estime o grau de polimerização de uma amostra de politetrafluoroetileno (PTFE) com uma massa molar de 800.000. G/mol. 𝑀𝑝 98𝑔 𝑁 = = (2 ⋅ 12,01) + (4 ⋅ 18,99) = 99, 𝑀𝑀 𝑚𝑜𝑙 𝑀𝑝 800.000 𝑁 = = = 8.001,6 𝑚𝑒𝑟𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎 𝑀𝑛 99,98 15. Esboce as estruturas para os seguintes copolímeros: a) poli(isobutileno-isopreno); b) poli(etileno-vinil acetato); c) poli(acrilonitrila butadieno); 16. Um copolímero aleatório poli(isobutileno-isopreno) possui massa molecular média ponderal (Mw) de 400.000 g/mol e grau de polimerização médio ponderal GPMw de 5000. Calcule a fração de meros de isobutileno e de isopreno nesse copolímero. 𝑀 400.000 𝑔 𝑚 = = = 80 𝐺𝑝 5.000 𝑚𝑜𝑙 𝑚 = ∑ 𝑓𝑖 ⋅ 𝑚𝑖 = 80 = 𝑓 ⋅ 56 + (1 − 𝑓) ⋅ 68 = 12𝑓 = 12 = 1 17. A respeito dos polímeros abaixo, indique e represente as possíveis configurações de taticidade e isomeria que estes podem adotar; a) Policloreto de vinila; c) Polimetil metacrilato; b) Politetrafluoroetileno; d) Polipropileno 18. Quais diferenças de propriedades podem ser observadas no que diz respeito ao polipropileno em sua forma isotática, sindiotático e atático? Polipropileno sindiotático, caracterizado por grupos metil regularmente dispostos em lados alternados. O polipropileno atático possui grupos laterais dispostos aleatoriamente. O polipropileno isotático possui grupos laterais dispostos no mesmo lado da cadeia. 19. Do ponto de vista das propriedades mecânicas de polímeros termoplásticos e termofixos, apresente as vantagens e desvantagens de cada categoria. Qual desses é mais facilmente reciclado, qual a razão? A diferença mais facilmente observada entre termoplásticos e termofixos é seu comportamento térmico. Como as correntes não estão interligadas nos termoplásticos, quando aquecidas, essas correntes podem deslizar umas sobre as outras e fazer com que o material se transforme em um líquido viscoso. Desta forma, os termoplásticos podem ser moldados e remodelados inúmeras vezes, conferindo-lhes alta reciclabilidade. Os termofixos, por outro lado, possuem ligações primárias entre as cadeias que limitam seu movimento. Portanto, quando aquecidos, os termofixos não se tornam líquidos viscosos, o que impossibilita a remodelação. Uma vez reticulados, os termofixos não podem ser remodelados e, portanto, não podem ser reprocessados. Devido à força dessas ligações, os termofixos se degradam antes de derreter quando aquecidos. Isso torna esses materiais mais resistentes à temperatura do que os termoplásticos. De acordo com as definições e diferenças entre termoplásticos e termofixos, podemos concluir que apenas os polímeros termoplásticos podem passar pelo processo de reciclagem tradicional. Os polímeros termofixos, por outro lado, não podem ser reciclados pelos processos tradicionais, pois o reaquecimento apenas degradaria o material e não permitiria a remodelação. 20. Por que polímeros com ligações cruzadas apresentam propriedades mecânicas superiores as apresentadas pelos polímeros lineares? Nesse tipo de polímero, cadeias lineares adjacentes são ligadas entre si em diferentes posições por meio de ligações covalentes. Essas ligações também são obtidas no processo de síntese, mas são reações químicas primárias. Muitos