Lista de Exercícios de Ciência dos Materiais

AARE Pós-Graduação Engenharia de materiais

Ciências dos Materiais:

Lista de Exercícios 1

1. Disserte com suas próprias palavras sobre a importância da disciplina ciências dos materiais.

2. Disserte sobre a relação estrutura vs propriedades, citando 3 exemplos de materias de mesma composição química (alótropos), mas com estruturas diferentes e consequentemente diferentes propriedades.

As propriedades do material dependem da sua estrutura em diferentes níveis: subatômico, consiste no átomo individual e como se comporta seu núcleo e elétrons; atômico, interação entre átomos e a formação de ligações e moléculas; microscópico, arranjos atômicos e moleculares, formação de estruturas cristalinas, moleculares e amorfa; macroscópico, comportamento do material em serviço. Diferentes estruturas irão apresentar diferentes propriedades e características.

As diferentes formas alotrópicas de um elemento apresentam propriedades físicas e químicas bastante distintas. No caso do estanho, existem três formas alotrópicas: estanho cinzento (Sn-α), estanho branco (Sn-β) e estanho rômbico (Sn-γ). Cada alótropo apresenta uma estrutura cristalina específica. Entre 13,2°C e 161°C, o estanho é estável na configuração tetragonal de corpo centrado conhecida como estanho branco ou Sn-β, sólido brilhante branco prateado, maleável, moderadamente dúctil e bom condutor. Acima de 161°C, o Sn-β converte-se em Sn-γ quebradiço com configuração cristalina rômbica que se funde a 231,8°C. O Sn-β pode sofrer uma transição alotrópica para uma estrutura cúbica do tipo diamante, conhecido como estanho cinzento (Sn-α), que é sólido cinza escuro não metálico na forma de pó, semicondutor, não dúctil e sem aplicabilidade. A taxa na qual essa mudança ocorre é extremamente lenta; entretanto, quanto menor a temperatura (abaixo de 13,2°C), mais rápida é a taxa de transformação. Acompanhando essa transformação do estanho branco em estanho cinza, ocorre um aumento no volume (27%); de maneira correspondente, ocorre também uma diminuição na massa específica (de 7,30 g/cm 3 para 5,77 g/cm 3 ). Consequentemente, essa expansão no volume resulta na desintegração do estanho branco metálico em um pó grosseiro do alótropo cinza. Em temperaturas subambientes normais, não há necessidade de preocupação com esse processode desintegraçãoem produtos de estanho,uma vez que a transformação ocorre a uma taxa muitíssimo lenta.

3. De acordo com os SEUS conhecimentos adquiridos, dê sua PRÓPRIA definição para o termo materiais.

O termo materiais está relacionado a matéria, a origem. Diferentes materiais podem ser encontrados nos estados sólido, líquido ou gasoso. São grupos de elementos que podem ser agrupados ou classificados de acordo com suas características, propriedades e estruturas em comum. Quando pensamos em determinado material já vem a nossa mente uma ideia básica do comportamento que esse material irá apresentar, o tipo de ligação encontrada, propriedades que são esperadas, estrutura, entre outras características. Não podemos confiar totalmente nas generalizações pois sempre pode haver uma exceção mas já serve como base do que deve ser esperado.

4. Os materiais atualmente são classificados em três grandes grupos: metais, cerâmicos e polímeros (podendo haver uma classificação mais abrangente: compósitos, semi- condutores e biomateriais). Em relação aos três grandes grupos, defina características e diferenças em relação ao comportamento mecânico;

Metais são uma combinação de um ou mais elementos metálicos e com frequência também por elementos não metálico. Possuem disponível um grande número de elétrons móveis que permeiam os metais e assim facilitam o transporte de carga e energia térmica. Os átomos nos metais e nas suas ligas estão arranjados de uma maneira muito ordenada com longo alcance, em comparação às cerâmicas e aos polímeros, são relativamente densos. Podemos associar algumas características a esse grupo de materiais como: alta refletividade, relativamente rígidos e resistentes, dúcteis, tendem a deformar de uma maneira plástica antes de quebrar, resistentes à fratura, possuem alta tenacidade, bons condutores de eletricidade e de calor, não são transparentes à luz visível e alguns metais têm propriedades magnéticas.

Cerâmicas são compostos formados entre elementos metálicos e não metálicos. São relativamente rígidos e resistentes — os valores de rigidez e de resistência são comparáveis aos dos metais, são tipicamente muito duras, possuem extrema fragilidade (ausência de ductilidade) e são altamente suscetíveis à fratura, são tipicamente isolantes à passagem de calor e eletricidade, apresentam altos pontos de fusão. São fortes quando comprimidos, mas exibem muito pouco alongamento plástico quando são aplicadas forças de tração. Podem ser transparentes, translúcidas ou opacas e alguns dos óxidos cerâmicos exibem comportamento magnético.

Os polímeros apresentam estruturas moleculares muito grandes, em geral na forma de cadeias, que com frequência possuem uma estrutura composta por átomos de carbono. Tipicamente, esses materiais possuem baixas massas específicas, enquanto suas características mecânicas são, em geral, diferentes das características exibidas pelos materiais metálicos e cerâmicos — eles não são tão rígidos nem tão resistentes quanto esses outros tipos de materiais em função de sua densidade reduzida, muitas vezes sua rigidez e sua resistência mecânica em relação à sua massa são comparáveis às dos metais e das cerâmicas. Muitos dos polímeros são extremamente dúcteis e flexíveis (plásticos), o que significa que são facilmente conformados em formas complexas. Em geral, químicamente eles são relativamente inertes, não reagindo em um grande número de ambientes. Uma das maiores desvantagens dos polímeros é sua tendência em amolecer e/ou decompor em temperaturas baixas, o que, em algumas situações, limita seu uso. Apresentam baixa condutividade elétrica e não são magnéticos.

5. Descreva três propriedades mecânicas requeridas para uma raquete de tênis. Qual tipo de material (metal, cerâmico ou polímero) você recomenda para essa aplicação e por quê?

Resistência mecânica, tenacidade e ser leve. Recomendaria o uso de um metal, como uma liga de Titânio devido à sua alta resistência mecânica, associada ao baixo peso, boa resistência à corrosão e um baixo módulo de elasticidade, que faz