Engenharia de Ciências dos Materiais

Universidade Federal do Piauí UFPI Centro de Tecnologia CT Curso de Engenharia de Materiais Disciplina Engenharia e Ciência dos Materiais Professor Cristiano Farias Entrega 10042025 DATA DA PROVA ALUNOA ATIVIDADE UNIDADE I Capítulo 1 Dica Plexiglas acrílico Capítulo 2 Capítulo 3 31 Calcule o fator de empacotamento atômico para a estrutura cristalina cúbica simples CS 32 Calcule o fator de empacotamento atômico para a estrutura cristalina cúbica de corpo centrado CCC 33 Calcule o fator de empacotamento atômico para a estrutura cristalina cúbica de face centrada CFC 34 Qual é a diferença entre estrutura cristalina e sistema cristalino 35 Quais são os sete 07 sistemas cristalino existente Listar as características dos parâmetros de rede de cada sistema 36 O que é fenômeno de alotropia Cite pelo menos três 03 exemplos 37 O que um material isotrópico e anisotrópico Capítulo 4 41 Quais são as quatro regras de HumeRothery para substituição sólida 42 Classifique os diferentes tipos de defeitos e exemplifiqueos SUPORTE Resumo das Equações Número da Equação Equação Resolvendo para 33 FEA volume de átomos em uma célula unitária volume total da célula unitária VE VC Fator de empacotamento atômico 38 ρ nA VC NA Densidade teórica de um metal Resumo das Equações Número da Equação Equação Resolvendo para 41 NI Nexp Qi kT Número de lacunas por unidade de volume 42 N NΑρ A Número de sítios atômicos por unidade de volume 43a C1 m1 m1 m2 100 Composição em porcentagem em peso 45a C1 nm1 nm1 nm2 100 Composição em porcentagem atômica 46a C1 C1A2 C1A2 C2A1 100 Conversão de porcentagem em peso para porcentagem atômica 47a C1 C1A1 C1A1 C2A2 100 Conversão de porcentagem atômica para porcentagem em peso 49a C1 C1 C1 ρ1 C2 ρ2 10³ Conversão de porcentagem em peso para massa por unidade de volume 410a ρméd 100 C1 C2 ρ1 ρ2 Massa específica média de uma liga com dois componentes 411a A méd 100 C1 C2 A1 A2 Peso atômico médio de uma liga com dois componentes Disciplina Engenharia e Ciência dos Materiais Professor Cristiano Farias ALUNOA Matrícula ATIVIDADE UNIDADE I Capítulo 1 12 Liste três itens feitos a partir de metais ou suas ligas Para cada item anote o metal ou liga específico que é usado e pelo menos uma característica que torna esse o material escolhido Lata de Refrigerante Metal Liga Alumínio Características Leveza flexibilidade e resistência à corrosão Material ideal para carregar líquidos possuindo alta condutividade térmica para refrigeramento Anel de Casamento MetalLiga Ouro Características Maleabilidade resistência à oxidação moldagem fácil e beleza Material com grande valor econômico representando alta estética e marcando uma união Fio Elétrico MetalLiga Cobre Características Ductilidade alta condutividade elétrica e maleabilidade Material ideal para condução de corrente elétrica elaborando circuitos e dispositivos 13 Liste três itens feitos a partir de materiais cerâmicos Para cada item anote a cerâmica específica que é usada e pelo menos uma característica que torna esse o material escolhido Porcelanato Cerâmica Porcelana mistura de argila quartzo e feldspato Características Alta dureza resistência ao desgaste e baixa porosidade Ideal para transporte de pessoas facilita a limpeza e representa uma estética moderna e bonita Prótese odontológica Cerâmica Porcelana dental baseada em feldspato ou zircônia CaracterísticasBiocompatibilidade e estética imita a cor e a translucidez dos dentes naturais e não causa rejeição Capacitor Eletrônico de cerâmica Cerâmica Dielétricos cerâmicos como titanato de bário BaTiO₃ Características Alta constante dielétrica armazenamento de energia baixo custo de produção e tempo de resposta rápido 14 Liste três itens feitos a partir de materiais poliméricos Para cada item anote o polímero específico que é usado e pelo menos uma característica que torna esse o material escolhido Garrafa Pet Polímero Polietileno Tereftalato Características transparência resistência mecânica reciclável e leveza DVD Polímero Policarbonato Características Rigidez boa durabilidade elevada qualidade óptica leveza e reciclável Embalagem de Biscoito Polímero Polipropileno Características Isolante externo barreira contra gordura e umidade leveza resistência à deformação e é um material barato 15 Classifique cada um dos seguintes materiais em metal cerâmica ou polímero Justifique cada escolha a latão b óxido de magnésio MgO c Plexiglas d policloropreno e carbeto de boro B₁C e f ferro fundido Dica Plexiglas acrílico a Latão Metal Composto de Cobre e Zinco apresenta alta condutividade térmica e elétrica flexibilidade brilho e maleabilidade sendo características de metais b MgO Cerâmica Material cristalino iônico com alto grau de dureza quebradiço resistente ao calor e isolante térmico sendo essas características de cerâmicas c Plexiglas Polímero Polímero sintético que apresenta leveza transparência resistência a compressão e alta transmissibilidade d Policloropreno Polímero Alta flexibilidade é hidrofóbico e possui alta resistência térmica e B4C Cerâmica Grau de dureza extremamente elevado baixo peso alta resistência térmica e baixa condutividade elétrica sendo características de cerâmicas f Ferro fundido Metal Alta dureza resistência a compressão alta condutividade elétrica e térmica e ductilidade quando fundido sendo estas características de metais Capítulo 2 22 O silício tem três isótopos de ocorrência natural 9223 de 28Si com um peso atômico de 279769 uma 468 de 29Si com um peso atômico de 289765 uma e 309 de 30Si com um peso atômico de 299738 uma Com base nesses dados confirme que o peso atômico médio do Si é de 280854 uma Pz i n fraçãox massadoisótopo Pz 092232797690046828976500309299738 Pz 2580331356709254 Pz 280854 uma 29 Dê as configurações eletrônicas para os seguintes íons P 5 P 3 Sn 4Se 2 Ie2 I P 5 Átomo Neutro Z 15 Configuração 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³ 5 Z10 Configuração 1s² 2s² 2p⁶ II P 3 Átomo Neutro Z 15 Configuração 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³ 3 Z18 Configuração 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ III Sn 4 Átomo Neutro Z 50 Configuração 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p² 4 Z 46 Configuração 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 4d¹⁰ IV Átomo Neutro Z 34 Configuração 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ 2 Z 36 Configuração 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ V I Átomo Neutro Z 53 Configuração 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁵ 1 Z 54 Configuração 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ VI Ni² Átomo Neutro Z 28 Configuração 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁸ 2 Z 26 Configuração 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁸ 222 a Cite sucintamente as principais diferenças entre as ligações iônicas covalentes e metálicas Iônica Ocorre em materiais com eletronegatividade opostas extremos da tabela periódica O elétron sai do metal e vai para o ametal onde a troca formam íons cátions e ânions normalmente apresentam alto ponto de fusão e é uma ligação não direcional Covalente Ocorre entre ametais Os elétrons são compartilhados por ambos os átomos para alcançar a estabilidade formando moléculas neutras Apresentam baixo ponto de fusão e geralmente não são bons condutores elétricos Metálica Ocorre entre os metais Os elétrons de valência ficam livres formando mar de elétrons dos quais se deslocam em torno dos núcleos Ligação direcional onde os materiais normalmente são excelentes condutores de eletricidade 225 Calcule os percentuais de caráter iônico CI para as ligações interatômicas em cada um dos seguintes compostos MgO GaP CsF CdS e FeO CI1e 0 25 x²100 I MgO Eletronegatividade do Mg 131 Eletronegatividade do O 344 Δχ 344 131 213 CI1e 0 252 13²100 Cl67 83 II GaP Ga 181 P 219 χ 219 181 038 CI1e 0 25038²100 CI 355 III Cs 079 F 398 Δχ 398 079 319 CI1e 0 25319²100 CI 9215 IV CdS Cd 169 S 258 Δχ 258 169 089 CI1e 0 25089²100 CI 1797 V FeO Fe 183 O 344 Δχ 344 183 161 CI1e 0 251 61²100 CI 4769 226a Calcule o percentual de caráter iônico CI para as ligações interatômicas no composto intermetálico Al Mn b Com base nesse resultado qual tipo de ligação interatômica você esperaria encontrar no AlMn a Al 161 Mn 155 Δχ 161 155 006 CI1e 0 25006²100 CI 009 b Devido ao percentual de caráter iônico ser extremamente baixo e os dois apresentarem eletronegatividade muito próxima e ambos serem metais esperase que a ligação seja metálica 227 Qual ou quais tipos de ligação você esperaria para cada um dos seguintes materiais xenônio sólido fluoreto de cálcio CaF₂ bronze telureto de cádmio CdTe borracha e tungstênio I Xenônio sólido Forças de Van der Waals uma vez que possui a camada de valência preenchida II Fluoreto de Cálcio Iônica pois o Cálcio é um metal alcalino terroso com tendência a doar elétrons já o fluor é altamente eletronegativo com tendência a ganhar elétrons sendo assim tem uma diferença eletronegativa muito alta entre eles caracterizando o caráter iônico III Bronze Metálica pois é formada por duas ligas metálicas IV Telureto de Cádmio Covalente uma vez que possui eletronegatividade próxima V Borracha Covalente uma vez que os elementos são nãometais ela é isolante diferente da iônica que normalmente é boa condutora elétrica e são formado por polímeros orgânicos VI Tungstênio Metálica Ele é um metal de transição sendo um ótimo condutor elétrico e térmico Capítulo 3 31 Calcule o fator de empacotamento atômico para a estrutura cristalina cúbica simples CS Fea Ve Vc Número de átomos por célula unitária n 1 Raio atômico R Comprimento da aresta do cubo a 2R Se considerar o átomo como uma esfera temos que o volume é V 4 3 π R³ Volume da célula unitária a³ 2R³ 8R³ Assim Fea 1 4 3 π R³ 8R ³ π 6 05235230 32 Calcule o fator de empacotamento atômico para a estrutura cristalina cúbica de corpo centrado CCC Número de átomos por célula unitária n 2 No CCC os átomos se tocam ao longo da diagonal do corpo a Da mesma forma o volume de um átomo considerando uma esfera perfeita é de V 4 3 π R³ O Volume da célula unitária a³ 4 R ³ 64 R³ 3 Assim Fea 2 4 3 π R³ 64 R ³ 3 π 33 Calcule o fator de empacotamento atômico para a estrutura cristalina cúbica de face centrada CFC n 4 átomoscélula unitária a Assim o volume do átomo considerando ser uma esfera é V 4 3 π R³ O Volume da célula unitária a³ 16R³ Fea 4 3 4 π R³ 16 R³ π 3 34 Qual é a diferença entre estrutura cristalina e sistema cristalino O sistema cristalino é classificado pela geometria e dimensões das células unitárias Os sistemas se dividem em Cúbico Tetragonal Ortorrômbico Monoclínico Triclínico Trigonal e Hexagonal Já a estrutura cristalina é a disposição dos átomos dentro de cela unitária Ou seja enquanto o sistema analisa a geometria e dimensões a estrutura observa a quantidade de átomos e a disposição na célula 35 Quais são os sete 07 sistemas cristalino existente Listar as características dos parâmetros de rede de cada sistema Sistema Cristalino Lados a b c Ângulos α β γ Cúbico a b c α β γ 90 Tetragonal a b c α β γ 90 Ortorrômbico a b c α β γ 90 Monoclínico a b c α γ 90 β 90 Triclínico a β γ 90 Rômbico Trigonal a b c α β γ 90 Hexagonal a b c α β 90 γ 120 36 O que é fenômeno de alotropia Cite pelo menos três 03 exemplos Fenômeno que ocorre quando um elemento químico pode formar duas ou mais substâncias simples diferentes e propriedades distintas tudo devido a diferença na estrutura molecular ou o arranjo cristalino Exemplos Carbono Temos o grafite diamante e Fulereno Oxigênio O2 e O3 Enxofre Diferentes estruturas cristalinas Rômbico e monoclínico 37 O que um material isotrópico e anisotrópico Isotrópico Suas propriedades físicas são constantes em todas as direções mantendo padrões repetitivos Um exemplo prático é o vidro onde suas propriedades são iguais em todas as direções Anisotrópicos Propriedades variam conforme a direção do material Um exemplo é Perovskitas ou quartzo onde dependendo da direção algumas propriedades mudam 38 O estrôncio Sr tem estrutura cristalina CFC um raio atômico de 0215 nm e um peso atômico de 8762 gmol Calcule a massa específica teórica para o Sr ρ nA V c Na CFC n 4 R 0215 nm A 8762 gmol a2 R 2021510 9 a60810 8 Vc a³ 60810 8³ 22510 22cm ³ ρ 48762 22510 22602210 23259gcm3 310 Calcule o raio de um átomo de tantalo Ta dado que o Ta possui uma estrutura cristalina CCC uma massa específica de 166 gcm³ e um peso atómico de 1809 gmol ρ nA V c Na Dados n 2 A 1809 gmol ρ 166 gcm³ Vc a³ logo a ³ nA ρ Na 21809 16 6602210 23 a33210 8cm Se a 4 R então R a 33210 8 0144 nm Capítulo 4 41 Quais são as quatro regras de HumeRothery para substituição sólida I Raio atômico semelhante A diferença entre o Raio Atômico de 2 elementos devem ser 15 senão causa distorções na rede cristalina II Mesma estrutura cristalina Os dois metais devem ter a mesma estrutura cristalina IIIMesma Valência Materiais com mesma valência possuem solubilidade mútua IVSemelhante eletronegativa Quanto maior a eletronegatividade maior a probabilidade de fazerem uma ligação metálica pura 42 Classifique os diferentes tipos de defeitos e exemplifiqueos Dimens ão Tipo de Defeito Dimensã o Descrição Exemplo 0D Lacuna Vacância Pontual 0D Ausência de um átomo no seu sítio normal da rede Um átomo ausente na rede de cobre Cu Átomo Intersticial Pontual 0D Átomo ocupa espaço entre os átomos da rede C em Fe aço carbono Átomo Substitucion al Pontual 0D Átomo diferente substitui um átomo da rede Zn no lugar de Cu no latão 1D Discordância de Borda Linear 1D Meia camada de átomos inserida gerando distorção local Alumínio deformado plasticamente Discordância Helicoidal Linear 1D Rede atômica torcida por forças de cisalhamento Presente em metais submetidos a esforço 2D Fronteira de Grão Planar 2D Limite entre cristais com orientações diferentes Presente em todos os metais policristalinos Fronteira de Macla Planar 2D Região onde a estrutura espelha se ao longo de um plano Em materiais como Ti ou Zn Superfície Externa Planar 2D Onde termina a rede cristalina Qualquer superfície de material cristalino 3D Porosidade Volumétri co 3D Regiões ocas dentro do material Cerâmicas sinterizadas Inclusões Volumétri co 3D Partículas estranhas presas na matriz Escória em peças fundidas Precipitados Volumétri co 3D Fase diferente dispersa na matriz CuAl em ligas de alumínio ₂ endurecido 41 A fração em equilíbrio dos sítios da rede cristalina que estão vazios na prata Ag a 700C é de 2 106 Calcule o número de lacunas por metro cúbico a 700C Considere uma massa específica de 1035 gcm³ para a Ag n ρNa M M prata 10787 gmol 010787 Kgmol n10350602210 23 010787 57810 28átomosm³ NvFvn210 657810 2811610 23lacunasm ³ 413 Qual é a composição em porcentagem atômica de uma liga composta de 925p Ag e 75p Cu Massa molar Ag 10787 gmol Massa molar Cu 6355 gmol Suponha 100g da liga Ag 925 g Cu 75 g N Ag 925 1078708577 mol NCu 7 5 63 5501180 mol N total085770118009757mol Ag 08557 09757 879 Cu 01180 09757 121 415 Qual é a composição em porcentagem em peso de uma liga composta de 5a Cu e 95a Pt Massa molar Cu 6355 gmol Massa molar Pt 19508 gmol Suponha 100 átomos Cu 5 átomos Pt 95 átomos Massa total Cu 5 6355 gmol 31775 g Massa total Pt 95 19508 185326 g Massa total da Liga 1885035 g peso Cu 31775 1885035169 peso Pt 185326 18850359831 417 Qual é a composição em porcentagem atômica de uma liga que contém 33 g de Cu e 47 g de Zn Massa de Cu 33 g Massa de Zn 47 g Massa molar Cu 6355 gmol Massa molar Zn 6538 gmol NCu 33 63 550519mol NZn 47 6538 0719mol N total 1238 mol Cu 0519 1238419 Zn 0719 1238581 424 Determine a massa específica aproximada de uma liga de titânio Ti Ti6Al4V que possui uma composição de 90p Ti 6p Ale 4p V Composição da liga em peso 90 Ti Titânio 6 Al Alumínio 4 V Vanádio ρTi 451 gcm³ ρAl 270 gcm³ ρV 611 gcm³ 1 ρliga wTi ρTi wAl ρAl wV ρv 1 ρliga 090 451 006 270 004 6 11 ρliga4 38 gcm³ 46 Na tabela a seguir estão tabulados o raio atômico a estrutura cristalina a eletronegatividade e a valência mais comum para vários elementos para os ametais apenas os raios atômicos estão indicados Com quais desses elementos seria esperada a formação do seguinte tipo de composto com o níquel a Uma solução sólida substitucional com solubilidade total b Uma solução sólida substitucional com solubilidade parcial c Uma solução sólida intersticial a Cobalto uma vez que possui pouca diferença entre o raio atômico mesma eletronegatividade e valência Embora a estrutura mude elas também são bem próximas HC e CFC b Ag Al Cr Fe Pt Zn Todos esses apresentam o critério da diferença do raio 15 alguns sendo diferentes pela eletronegatividade e valência porém isso torna eles com uma solubilidade parcial e não total c CH e O Esses elementos atendem ao critério uma vez que seus raios são muito menores que o do níquel