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Engenharia Civil ·
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1 i Oa a WN UNIVERSIDADE Spel MENDES Disciplina Introducao a Ciéncia e Tecnologia Curso Engenharias pina s g dos Materiais PROVA P1 Turma A Noturno ATENCAO Leia atentamente as instrucdes mandatérias abaixo relativas 4 realizacio desta prova 1 A prova estard disponivel para realizacdo e entrega do dia 160421 até o dia 230421 Em nenhuma hipotese sera aceita a entrega apos esse prazo 2 O valor de cada questdo esta contido no enunciado totalizando 100 pontos 3 Vocé deverd responder a prova individualmente de forma manuscrita Cada pdgina de resposta deverd conterseu nome completo unidade e seu niimero de matricula Apés a conclusdo vocé deverd escanearfotografar suas respostas e enviar um tnico arquivo em PDF no AVA Certifiquese de que o arquivo possui boa resolucdo antes de envidlo 4 A autoria das respostas sera considerada na correcdo da avaliacgado Questées contendo o mesmo texto em provas de alunos diferentes serdo anuladas assim como questées contendo texto copiado de qualquer material incluindo a Internet Lembrese de que o plagio é crime e pode comprometer a sua carreira 20 Questao 1 A maioria dos materiais utilizados pelos engenheiros é de natureza cristalina ou seja sua estrutura a nivel at6mico é regular e repetitiva Tal regularidade permite que a estrutura seja definida em termos de uma unidade estrutural fundamental conhecida como célula unitaria Com relacdo a geometria das células unitarias existem sete sistemas cristalograficos Para lidar com propriedades sensiveis a estrutura tornase util para os profissionais que lidam com materiais cristalinos o conhecimento da notacdo utilizada para identificar diregdes e planos na rede cristalina Tendo em vista tais consideragées utilize as células cubicas abaixo para representar as direcdes e planos indicados Em cada caso indique a origem adotada com o ponto O origem TT a 121 b 202 c 022 d 212 PoE Pv Pz Pv ze Pv fz Ee Po Dt Po ft re fo ae pap Introdugao a Ciéncia e Tecnologia dos Materiais P1 20211 2 Introdução à Ciência e Tecnologia dos Materiais P1 20211 15 Questão 2 Uma base para a classificação dos materiais de engenharia é a ligação atômica o que permite associar um tipo de ligação em particular ou uma combinação de tipos para cada categoria Embora a identidade química de cada átomo seja determinada pelo número de prótons e nêutrons dentro de seu núcleo a natureza da ligação atômica é determinada pelo comportamento dos elétrons que orbitam o núcleo Considere as ligações químicas primárias predominantes nos materiais metálicos e nos materiais cerâmicos a 08 Descreva resumidamente as principais características destas ligações químicas incluindo os elementos que participam da ligação magnitude da energia envolvida tipo de interação entre os átomos e direcionalidade da ligação b 07 Com base na sua resposta do item a compare de forma qualitativa a magnitude esperada para a temperatura de fusão e o coeficiente de expansão térmica do alumínio e do óxido de alumínio Justifique sua resposta com auxílio das informações apresentadas na Figura 1 Figura 1 15 Questão 3 Considere que a temperatura ambiente o ferro CCC possui peso atômico equivalente a 5585 gmol a Calcule a massa específica gcm3 do Fe a temperatura ambiente considerando que o átomo do Fe possui raio equivalente a 0124 nm b Sabendo que o número de lacunas presentes no ferro a 850ºC é de 121x1024 m3 calcule a energia necessária para a formação de uma lacuna no Fe c Indique o nome do fenômeno que ocorre com o ferro por este apresentar diferentes estruturas cristalinas Cite pelo menos outros dois exemplos de materiais que também podem apresentar este fenômeno Dados Massa específica VC NA n A ρ Número de sítiosvolume A N N A ρ Número de lacunasvolume kT Q N Nl exp Número de Avogadro NA 6023x1023 átomosmol Constante de Boltzmann k 862x105 eVátomoK 138x1023 JátomoK Ligação forte Ligação fraca Distância de separação interatômica Energia 3 a nA 2atomos5585gmol Pp a VON 9 oe oun 6023 1022a4tomosmol V3 p 789710 gm 79gcm b Numero de sitios v Nap 6023 10 atomos mol 79 gcm A 5585 gmol N 8516 107sitioscm 852 1078 sitios m Numero de lacunas Q Q NN exp exp ZF N m2 In lex 8 N Par kT I 1211024 m3 Q n S a5 SOOSDS ep 852 1028m3 862 105eV atomo K1123 K Q 108 eV atomo 15 Questao 4 Em um motor de aeronave algumas das palhetas de turbinas produzidas a base de superligas de niquel sdo revestidas com dxidos cerdmicos cuja funcdo é proteger a liga metdlica contra as temperaturas elevadas A difusdo do oxigénio através desses revestimentos de cerdmica e a subsequente oxidacdo da liga metalica tem um papel crucial na determinacdo da durabilidade das laminas das turbinas Outro exemplo pratico envolvendo a difusdo 6 o processo de cementacao utilizado para elevar a dureza superficial de engrenagens de aco Nesse processo uma fonte de carbono como po de grafite ou uma fase gasosa contendo carbono fornece atomos de C que se difunde no aco que compée a engrenagem Nesse contexto considere que uma liga ferrocarbono CFC contendo inicialmente 010C é carbonetada sob uma temperatura elevada e numa atmosfera onde a concentracgdo de carbono na superficie mantida em 11 Se apds 45 horas a concentracgdo de carbono em uma posicdo a 35 mm abaixo da superficie é de 030 determine a temperatura na qual o tratamento foi realizado A constante préexponencial e a energia de ativagdo do carbono no ferro nessa temperatura sdo 23x10 ms e 153 eVatomo respectivamente Introdugao a Ciéncia e Tecnologia dos Materiais P1 20211 4 Dados AC e 12 Lei de Fick J D Ax C C e Soluc3o para a 22 Lei de Fick 1erf a C Cy 2 Dt Coeficiente de difusdo D D exp 2 RT e Constante universal dos gases R 8314 JmolK Tabela 1 Tabulacdo de valores para a funcao erro Zz erfz z erfz z erfz 0 0 055 05633 13 09340 0025 00282 060 06039 14 09523 005 00564 065 06420 5 09661 010 01125 070 06778 16 09763 O15 01680 05 O72 7 09838 020 02227 080 07421 18 09891 025 02763 085 07707 19 09928 030 03286 090 07970 20 09953 035 03794 095 08209 22 09981 040 04284 10 08427 24 09993 OAS 04755 11 08802 26 09998 050 05205 1 09103 28 09999 Difusdo em regime nao estacionario Cy Co x CO opp Cs Co 2vVDt 03 010 1 r 35103m 11 010 2D162000s oe 1 erfz 1erfz 10 erfz 08 090 07970 Po eT 08209 Int land z 090 08 07970 nterpolando P 095090 08209 07970 z 09062 Considerand p2 2 onsiderando que z D 7 2Dt 2z tt Introdugdo a Ciéncia e Tecnologia dos Materiais PI 20211 5 35103m 1 D 209062 162000s D 2310711ms D D Dog exp Do exp In a In lexp Do RT RT 2310711m2s 153 eVatomo n 23105 na 862 10eVatomo KT T 12848k 10118C 20 Questao 5 Os defeitos at6micos sao responsaveis pelas redugdes nas emissdes de gases poluentes dos motores dos automoveis atuais Um conversor catalitico é o dispositivo de reducdo de poluentes localizado no sistema de exaustao dos automoveis As moléculas dos gases poluentes ficam presas a defeitos na superficie de materiais metdalicos cristalinos no conversor catalitico Enquanto estado presas nesses sitios as moléculas sofrem reacgdes quimicas que as convertem em outras substancias nao poluentes ou menos poluentes Conforme visto no exemplo exposto os defeitos exercem forte influéncia sobre o comportamento dos materiais e com frequéncia estes sdo introduzidos no material de forma intencional a fim de obter um conjunto de propriedades de interesse tecnoldgico Na realidade os cristais nunca sao perfeitos e contém varios tipos de imperfeicoes e defeitos Estes afetam muitas das suas propriedades fisicas e mecdnicas que por sua vez comprometem muitas importantes propriedades especificas do campo de engenharia tais como a conformabilidade a frio das ligas a condutividade eletrénica dos semicondutores a velocidade de migracdo dos atomos nas ligas e a corrosdo dos metais Nesse contexto avalie as afirmativas que se seguem como verdadeiras V ou falsas F Em cada caso justifique sua resposta adequadamente a F Os defeitos intersticiais ocorrem quando um atomo da rede cristalina ocupa uma posido que normalmente estaria vazia Dependendo das propriedades desejadas estes defeitos podem ser tanto prejudiciais quanto benéficos uma vez que sdo capazes de alterar o comportamento do material de forma significativa b F As discordancias sdo defeitos cristalinos superficiais cuja origem pode ser associada ao processo de solidificagdo a deformacdo plastica eou ao resfriamento rapido A presenca das discordancias nos materiais metalicos permite que estes consigam exibir uma razoavel deformacao antes da falha c V Nos materiais cristalinos a presenca de defeitos desloca os atomos nas posiées vizinhas o que resulta no aumento da energia interna no local dessa imperfeicdo d F Para que seja possivel revelar os detalhes microestruturais de um material 6 necessario que a sua superficie seja submetida a um processo cuidadoso de preparacao que inclui um tratamento com reagente quimico adequado processo conhecido como ataque quimico Como resultado ao observar a superficie preparada de um material monocristalino no microscopio Otico é possivel visualizar pequenos sulcos resultantes da maior reatividade quimica dos contornos de grao Introdugao a Ciéncia e Tecnologia dos Materiais P1 20211 6 Introdução à Ciência e Tecnologia dos Materiais P1 20211 15 Questão 6 Durante a produção e aplicação a composição química dos materiais de engenharia normalmente é alterada como resultado da difusão Em alguns casos os átomos são redistribuídos dentro da microestrutura do material enquanto em outros são adicionados a partir do ambiente do material ou os átomos do material podem ser descarregados para o ambiente Compreender a natureza da difusão pode ter importância crítica tanto na produção do material quanto na aplicação bem sucedida de um projeto de engenharia Acerca do processo difusivo no estado sólido avalie as afirmativas que se seguem como verdadeiras V ou falsas F Em cada caso justifique sua resposta adequadamente a F Para que a difusão no estado sólido possa ocorrer é preciso superar uma barreira energética conhecida como energia de ativação A difusão intersticial depende da existência de lacunas e tornase mais eficiente com o aumento da temperatura devido à consequente diminuição da energia de ativação para a difusão b F Comparada à difusão superficial a difusão através dos contornos de grão é facilitada porque esta região apresenta empacotamento desordenado dos átomos o que resulta em uma menor energia de ativação para a difusão c F Sob mesma temperatura o menor coeficiente de difusão do carbono no Feα CCC quando comparado ao Feγ CFC pode ser justificado com base no menor número de coordenação apresentado pela estrutura CCC Bom trabalho
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1 i Oa a WN UNIVERSIDADE Spel MENDES Disciplina Introducao a Ciéncia e Tecnologia Curso Engenharias pina s g dos Materiais PROVA P1 Turma A Noturno ATENCAO Leia atentamente as instrucdes mandatérias abaixo relativas 4 realizacio desta prova 1 A prova estard disponivel para realizacdo e entrega do dia 160421 até o dia 230421 Em nenhuma hipotese sera aceita a entrega apos esse prazo 2 O valor de cada questdo esta contido no enunciado totalizando 100 pontos 3 Vocé deverd responder a prova individualmente de forma manuscrita Cada pdgina de resposta deverd conterseu nome completo unidade e seu niimero de matricula Apés a conclusdo vocé deverd escanearfotografar suas respostas e enviar um tnico arquivo em PDF no AVA Certifiquese de que o arquivo possui boa resolucdo antes de envidlo 4 A autoria das respostas sera considerada na correcdo da avaliacgado Questées contendo o mesmo texto em provas de alunos diferentes serdo anuladas assim como questées contendo texto copiado de qualquer material incluindo a Internet Lembrese de que o plagio é crime e pode comprometer a sua carreira 20 Questao 1 A maioria dos materiais utilizados pelos engenheiros é de natureza cristalina ou seja sua estrutura a nivel at6mico é regular e repetitiva Tal regularidade permite que a estrutura seja definida em termos de uma unidade estrutural fundamental conhecida como célula unitaria Com relacdo a geometria das células unitarias existem sete sistemas cristalograficos Para lidar com propriedades sensiveis a estrutura tornase util para os profissionais que lidam com materiais cristalinos o conhecimento da notacdo utilizada para identificar diregdes e planos na rede cristalina Tendo em vista tais consideragées utilize as células cubicas abaixo para representar as direcdes e planos indicados Em cada caso indique a origem adotada com o ponto O origem TT a 121 b 202 c 022 d 212 PoE Pv Pz Pv ze Pv fz Ee Po Dt Po ft re fo ae pap Introdugao a Ciéncia e Tecnologia dos Materiais P1 20211 2 Introdução à Ciência e Tecnologia dos Materiais P1 20211 15 Questão 2 Uma base para a classificação dos materiais de engenharia é a ligação atômica o que permite associar um tipo de ligação em particular ou uma combinação de tipos para cada categoria Embora a identidade química de cada átomo seja determinada pelo número de prótons e nêutrons dentro de seu núcleo a natureza da ligação atômica é determinada pelo comportamento dos elétrons que orbitam o núcleo Considere as ligações químicas primárias predominantes nos materiais metálicos e nos materiais cerâmicos a 08 Descreva resumidamente as principais características destas ligações químicas incluindo os elementos que participam da ligação magnitude da energia envolvida tipo de interação entre os átomos e direcionalidade da ligação b 07 Com base na sua resposta do item a compare de forma qualitativa a magnitude esperada para a temperatura de fusão e o coeficiente de expansão térmica do alumínio e do óxido de alumínio Justifique sua resposta com auxílio das informações apresentadas na Figura 1 Figura 1 15 Questão 3 Considere que a temperatura ambiente o ferro CCC possui peso atômico equivalente a 5585 gmol a Calcule a massa específica gcm3 do Fe a temperatura ambiente considerando que o átomo do Fe possui raio equivalente a 0124 nm b Sabendo que o número de lacunas presentes no ferro a 850ºC é de 121x1024 m3 calcule a energia necessária para a formação de uma lacuna no Fe c Indique o nome do fenômeno que ocorre com o ferro por este apresentar diferentes estruturas cristalinas Cite pelo menos outros dois exemplos de materiais que também podem apresentar este fenômeno Dados Massa específica VC NA n A ρ Número de sítiosvolume A N N A ρ Número de lacunasvolume kT Q N Nl exp Número de Avogadro NA 6023x1023 átomosmol Constante de Boltzmann k 862x105 eVátomoK 138x1023 JátomoK Ligação forte Ligação fraca Distância de separação interatômica Energia 3 a nA 2atomos5585gmol Pp a VON 9 oe oun 6023 1022a4tomosmol V3 p 789710 gm 79gcm b Numero de sitios v Nap 6023 10 atomos mol 79 gcm A 5585 gmol N 8516 107sitioscm 852 1078 sitios m Numero de lacunas Q Q NN exp exp ZF N m2 In lex 8 N Par kT I 1211024 m3 Q n S a5 SOOSDS ep 852 1028m3 862 105eV atomo K1123 K Q 108 eV atomo 15 Questao 4 Em um motor de aeronave algumas das palhetas de turbinas produzidas a base de superligas de niquel sdo revestidas com dxidos cerdmicos cuja funcdo é proteger a liga metdlica contra as temperaturas elevadas A difusdo do oxigénio através desses revestimentos de cerdmica e a subsequente oxidacdo da liga metalica tem um papel crucial na determinacdo da durabilidade das laminas das turbinas Outro exemplo pratico envolvendo a difusdo 6 o processo de cementacao utilizado para elevar a dureza superficial de engrenagens de aco Nesse processo uma fonte de carbono como po de grafite ou uma fase gasosa contendo carbono fornece atomos de C que se difunde no aco que compée a engrenagem Nesse contexto considere que uma liga ferrocarbono CFC contendo inicialmente 010C é carbonetada sob uma temperatura elevada e numa atmosfera onde a concentracgdo de carbono na superficie mantida em 11 Se apds 45 horas a concentracgdo de carbono em uma posicdo a 35 mm abaixo da superficie é de 030 determine a temperatura na qual o tratamento foi realizado A constante préexponencial e a energia de ativagdo do carbono no ferro nessa temperatura sdo 23x10 ms e 153 eVatomo respectivamente Introdugao a Ciéncia e Tecnologia dos Materiais P1 20211 4 Dados AC e 12 Lei de Fick J D Ax C C e Soluc3o para a 22 Lei de Fick 1erf a C Cy 2 Dt Coeficiente de difusdo D D exp 2 RT e Constante universal dos gases R 8314 JmolK Tabela 1 Tabulacdo de valores para a funcao erro Zz erfz z erfz z erfz 0 0 055 05633 13 09340 0025 00282 060 06039 14 09523 005 00564 065 06420 5 09661 010 01125 070 06778 16 09763 O15 01680 05 O72 7 09838 020 02227 080 07421 18 09891 025 02763 085 07707 19 09928 030 03286 090 07970 20 09953 035 03794 095 08209 22 09981 040 04284 10 08427 24 09993 OAS 04755 11 08802 26 09998 050 05205 1 09103 28 09999 Difusdo em regime nao estacionario Cy Co x CO opp Cs Co 2vVDt 03 010 1 r 35103m 11 010 2D162000s oe 1 erfz 1erfz 10 erfz 08 090 07970 Po eT 08209 Int land z 090 08 07970 nterpolando P 095090 08209 07970 z 09062 Considerand p2 2 onsiderando que z D 7 2Dt 2z tt Introdugdo a Ciéncia e Tecnologia dos Materiais PI 20211 5 35103m 1 D 209062 162000s D 2310711ms D D Dog exp Do exp In a In lexp Do RT RT 2310711m2s 153 eVatomo n 23105 na 862 10eVatomo KT T 12848k 10118C 20 Questao 5 Os defeitos at6micos sao responsaveis pelas redugdes nas emissdes de gases poluentes dos motores dos automoveis atuais Um conversor catalitico é o dispositivo de reducdo de poluentes localizado no sistema de exaustao dos automoveis As moléculas dos gases poluentes ficam presas a defeitos na superficie de materiais metdalicos cristalinos no conversor catalitico Enquanto estado presas nesses sitios as moléculas sofrem reacgdes quimicas que as convertem em outras substancias nao poluentes ou menos poluentes Conforme visto no exemplo exposto os defeitos exercem forte influéncia sobre o comportamento dos materiais e com frequéncia estes sdo introduzidos no material de forma intencional a fim de obter um conjunto de propriedades de interesse tecnoldgico Na realidade os cristais nunca sao perfeitos e contém varios tipos de imperfeicoes e defeitos Estes afetam muitas das suas propriedades fisicas e mecdnicas que por sua vez comprometem muitas importantes propriedades especificas do campo de engenharia tais como a conformabilidade a frio das ligas a condutividade eletrénica dos semicondutores a velocidade de migracdo dos atomos nas ligas e a corrosdo dos metais Nesse contexto avalie as afirmativas que se seguem como verdadeiras V ou falsas F Em cada caso justifique sua resposta adequadamente a F Os defeitos intersticiais ocorrem quando um atomo da rede cristalina ocupa uma posido que normalmente estaria vazia Dependendo das propriedades desejadas estes defeitos podem ser tanto prejudiciais quanto benéficos uma vez que sdo capazes de alterar o comportamento do material de forma significativa b F As discordancias sdo defeitos cristalinos superficiais cuja origem pode ser associada ao processo de solidificagdo a deformacdo plastica eou ao resfriamento rapido A presenca das discordancias nos materiais metalicos permite que estes consigam exibir uma razoavel deformacao antes da falha c V Nos materiais cristalinos a presenca de defeitos desloca os atomos nas posiées vizinhas o que resulta no aumento da energia interna no local dessa imperfeicdo d F Para que seja possivel revelar os detalhes microestruturais de um material 6 necessario que a sua superficie seja submetida a um processo cuidadoso de preparacao que inclui um tratamento com reagente quimico adequado processo conhecido como ataque quimico Como resultado ao observar a superficie preparada de um material monocristalino no microscopio Otico é possivel visualizar pequenos sulcos resultantes da maior reatividade quimica dos contornos de grao Introdugao a Ciéncia e Tecnologia dos Materiais P1 20211 6 Introdução à Ciência e Tecnologia dos Materiais P1 20211 15 Questão 6 Durante a produção e aplicação a composição química dos materiais de engenharia normalmente é alterada como resultado da difusão Em alguns casos os átomos são redistribuídos dentro da microestrutura do material enquanto em outros são adicionados a partir do ambiente do material ou os átomos do material podem ser descarregados para o ambiente Compreender a natureza da difusão pode ter importância crítica tanto na produção do material quanto na aplicação bem sucedida de um projeto de engenharia Acerca do processo difusivo no estado sólido avalie as afirmativas que se seguem como verdadeiras V ou falsas F Em cada caso justifique sua resposta adequadamente a F Para que a difusão no estado sólido possa ocorrer é preciso superar uma barreira energética conhecida como energia de ativação A difusão intersticial depende da existência de lacunas e tornase mais eficiente com o aumento da temperatura devido à consequente diminuição da energia de ativação para a difusão b F Comparada à difusão superficial a difusão através dos contornos de grão é facilitada porque esta região apresenta empacotamento desordenado dos átomos o que resulta em uma menor energia de ativação para a difusão c F Sob mesma temperatura o menor coeficiente de difusão do carbono no Feα CCC quando comparado ao Feγ CFC pode ser justificado com base no menor número de coordenação apresentado pela estrutura CCC Bom trabalho