Material Suplementar para Acompanhar OITAVA EDIÇÃO
Ciência e Engenharia de Materiais Uma Introdução
Perguntas e Respostas das Seções Verificação de Conceitos dos Capítulos 2 a 21 William D. Callister, Jr. Departamento de Engenharia Metalúrgica The University of Utah
David G. Rethwisch Departamento de Engenharia Química e Bioquímica The University of Iowa
Tradução Sergio Murilo Stamile Soares Revisão Técnica José Roberto Moraes d’Almeida, D.Sc. Professor da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro – PUC-Rio, Departamento de Engenharia de Materiais Professor da Universidade do Estado do Rio de Janeiro – UERJ, Departamento de Engenharia Mecânica
Capítulo 2 Estrutura Atômica e Ligação Interatômica 1 Capítulo 3 A Estrutura dos Sólidos Cristalinos 2 Capítulo 4 Imperfeições nos Sólidos 3 Capítulo 5 Difusão
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Capítulo 6 Propriedades Mecânicas dos Metais 6 Capítulo 7 Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência 8 Capítulo 8 Falha
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Capítulo 9 Diagramas de Fases
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Capítulo 10 Transformações de Fases: Desenvolvimento da Microestrutura e Alteração das Propriedades Mecânicas 16 Capítulo 11 Aplicações e Processamento de Ligas Metálicas Capítulo 12 Estruturas e Propriedades das Cerâmicas Capítulo 13 Aplicações e Processamento das Cerâmicas Capítulo 14 Estruturas dos Polímeros
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Capítulo 15 Características, Aplicações e Processamento dos Polímeros Capítulo 16 Compósitos
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Capítulo 17 Corrosão e Degradação dos Materiais Capítulo 18 Propriedades Elétricas
Ver if icação de Conceitos 2.1 Pergunta: Por que, em geral, os pesos atômicos dos elementos não são números inteiros? Cite duas razões. Resposta: Os pesos atômicos dos elementos não são, em geral, números inteiros porque: (1) as massas atômicas dos átomos normalmente não são números inteiros (à exceção do 12C) e (2) o peso atômico é calculado como sendo a média ponderada das massas atômicas dos isótopos naturais de um átomo.
Ver if icação de Conceitos 2.2 Pergunta: Dê as configurações eletrônicas para os íons Fe3+ e S2–. Resposta: O íon Fe3+ é um átomo de ferro que perdeu três elétrons. Uma vez que a configuração eletrônica do átomo de ferro é 1s22s22p63s23p63d64s2 (Tabela 2.2), a configuração para o íon Fe3+ é 1s22s22p63s23p63d5. O íon S2– é um átomo de enxofre que ganhou dois elétrons. Uma vez que a configuração eletrônica do átomo de S é 1s22s22p63s23p4 (Tabela 2.2), a configuração para o S2– é 1s22s22p63s23p6.
Ver if icação de Conceitos 2.3 Pergunta: Explique por que os materiais ligados covalentemente são, em geral, menos densos que os materiais ligados ionicamente ou por ligações metálicas. Resposta: Os materiais ligados por ligações covalentes são menos densos que os materiais com ligações metálicas e com ligações iônicas porque as ligações covalentes são de natureza direcional, enquanto as ligações metálicas e iônicas não o são; quando as ligações são direcionais, os átomos não se agrupam de maneira tão compacta, resultando em menor massa específica.
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Capítulo
3
A Estrutura dos Sólidos Cristalinos
Ver if icação de Conceitos 3.1 Pergunta: Qual é a diferença entre estrutura cristalina e sistema cristalino? Resposta: Uma estrutura cristalina é descrita tanto pela geometria da célula unitária quanto pelos arranjos dos átomos no interior da célula unitária, enquanto um sistema cristalino é descrito apenas em termos da geometria da célula unitária. Por exemplo, as estruturas cristalinas cúbica de faces centradas e cúbica de corpo centrado são estruturas cristalinas que pertencem ao sistema cristalino cúbico.
Ver if icação de Conceitos 3.2 Pergunta: Nos cristais cúbicos, à medida que os valores dos índices planares h, k e l aumentam, a distância entre planos adjacentes e paralelos (isto é, o espaçamento interplanar) aumenta ou diminui? Por quê? Resposta: O espaçamento interplanar entre planos adjacentes e paralelos diminui à medida que os valores de h, k e l aumentam. Conforme os valores dos índices dos planos aumentam, a grandeza do denominador na Equação 3.14 aumenta, com o resultado de que o espaçamento interplanar (dhkl) diminui.
Ver if icação de Conceitos 3.3 Pergunta: Os materiais não cristalinos exibem o fenômeno da alotropia (ou polimorfismo)? Por que sim, ou por que não? Resposta: Os materiais não cristalinos não exibem o fenômeno da alotropia; uma vez que um material não cristalino não possui uma estrutura cristalina definida, ele não pode ter mais que uma estrutura cristalina, que é a definição de alotropia.
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Capítulo
4
Imperfeições nos Sólidos
Ver if icação de Conceitos 4.1 Pergunta: A energia de superfície de um monocristal depende da orientação cristalográfica. Essa energia de superfície aumenta ou diminui com um aumento da densidade planar? Por quê? Resposta: A energia de superfície de um monocristal depende da densidade planar (isto é, do grau de empacotamento atômico) do plano exposto à superfície, devido ao número de ligações que não estão completas. À medida que a densidade planar aumenta, o número de átomos vizinhos mais próximos no plano aumenta, o que resulta no aumento do número de ligações atômicas que ocorrem no plano e na diminuição do número de ligações atômicas que não estão completas. Uma vez que o número de ligações atômicas que não estão completas diminui, a energia de superfície também diminui. (Ou seja, a energia de superfície diminui com o aumento da densidade planar.)
Ver if icação de Conceitos 4.2 Pergunta: O número do tamanho do grão (n na Equação 4.16) aumenta ou diminui com a diminuição do tamanho do grão? Por quê? Resposta: Tirando os logaritmos da Equação 4.16 e, então, rearranjando de maneira que o número do tamanho do grão n seja a variável dependente, tem-se a expressão n=1+
log N log 2
Dessa forma, n aumenta com o aumento de N. Entretanto, à medida que N (o número médio de grãos por polegada quadrada sob uma ampliação de 100) aumenta, o tamanho do grão diminui. Em outras palavras, o valor de n aumenta com a diminuição do tamanho do grão.
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Capítulo
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Difusão
Ver if icação de Conceitos 5.1 Pergunta: Classifique em ordem decrescente as magnitudes dos coeficientes de difusão para os seguintes sistemas: N no Fe a 700°C Cr no Fe a 700°C N no Fe a 900°C Cr no Fe a 900°C Justifique, então, essa ordenação. (Nota: Tanto o Fe quanto o Cr têm estrutura cristalina CCC, e os raios atômicos para o Fe, Cr e N são 0,124, 0,125 e 0,065 nm, respectivamente. Caso necessário, consulte também a Seção 4.3.) Resposta: A classificação das magnitudes dos coeficientes de difusão é a seguinte: N no Fe a 900°C; DN(900) N no Fe a 700°C; DN(700) Cr no Fe a 900°C; DCr(900) Cr no Fe a 700°C; DCr(700) O nitrogênio é uma impureza intersticial no Fe (com base em seu raio atômico), enquanto o Cr é uma impureza substitucional. Uma vez que a difusão intersticial ocorre mais rapidamente que a difusão de uma impureza substitucional, DN > DCr. Além disso, como a magnitude do coeficiente de difusão aumenta com o aumento da temperatura, D(900) > D(700).
Ver if icação de Conceitos 5.2 Pergunta: Considere a autodifusão de dois metais hipotéticos, A e B. Em um gráfico esquemático de ln D em função de 1/T, represente (e identifique) as linhas para ambos os metais, dado que D0(A) > D0(B), e também que Qd(A) > Qd(B). Resposta: O gráfico esquemático de ln D em função de 1/T com as linhas para os metais A e B é mostrado a seguir.
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Difusão • 5
Como foi explicado anteriormente, a interseção com o eixo vertical é igual a ln D0. Como mostrado nesse gráfico, a interseção para o metal A é maior do que a interseção para o metal B, uma vez que D0(A) > D0(B) [alternativamente, ln D0(A) > ln D0(B)]. Além disso, a inclinação da linha é igual a –Qd/R. As duas linhas no gráfico foram construídas tal que a inclinação negativa para o metal A é maior do que para o metal B, uma vez que Qd(A) > Qd(B).
Capítulo
6
Propriedades Mecânicas dos Metais
Ver if icação de Conceitos 6.1 Pergunta: Cite as principais diferenças entre os comportamentos das deformações elástica, anelástica e plástica. Resposta: A deformação elástica é independente do tempo e não permanente; a deformação anelástica é dependente do tempo e não permanente, enquanto a deformação plástica é permanente.
Ver if icação de Conceitos 6.2 Perguntas: Dentre aqueles metais listados na Tabela 6.3, (a) Qual terá a maior redução percentual em área? Por quê? (b) Qual é o mais resistente? Por quê? (c) Qual é o mais rígido? Por quê?
Tabela 6.3
Material
Dados de tensão-deformação em tração para vários metais hipotéticos, para serem usados com as Verificações de Conceitos 6.2 e 6.4 Limite de Escoamento (MPa)
Limite de Resistência à Tração (MPa)
Deformação na Fratura
Resistência na Fratura (MPa)
Módulo de Elasticidade (GPa)
A
310
340
0,23
265
210
B
100
120
0,40
105
150
C
415
550
0,15
500
310
D
700
850
0,14
720
210
650
350
E
Fratura antes do escoamento
Respostas: (a) O material B apresentará a maior redução percentual em área, uma vez que possui a maior deformação na fratura e, portanto, é o mais dúctil. (b) O material D é o mais resistente, pois tem os maiores limites de escoamento e de resistência à tração. (c) O material E é o mais rígido, pois apresenta o maior módulo de elasticidade.
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Propriedades Mecânicas dos Metais • 7
Ver if icação de Conceitos 6.3 Pergunta: Trace um gráfico esquemático mostrando o comportamento tensão-deformação de engenharia em tração para uma liga metálica típica até o ponto da fratura. Em seguida, superponha nesse gráfico uma curva esquemática da relação tensão-deformação de engenharia em compressão para a mesma liga. Explique quaisquer diferenças que existam entre as duas curvas. Resposta: O gráfico tensão-deformação esquemático no qual as duas curvas estão traçadas está mostrado a seguir.
As regiões lineares (elásticas) iniciais de ambas as curvas serão as mesmas. Afora isso, há três diferenças entre as duas curvas, que são as seguintes: (1) Fora da região elástica, a curva de tração está localizada abaixo da curva de compressão. A razão para isso é que, durante a compressão, a área da seção transversal do corpo de provas está aumentando – ou seja, para dois corpos de provas com a mesma área inicial da seção transversal (A0), em um dado valor de deformação, a área da seção transversal instantânea em compressão será maior do que aquela em tração. Consequentemente, a força aplicada necessária para dar continuidade à deformação será maior para a compressão que para a tração; e, uma vez que a tensão é definida pela Equação 6.1 como
=
F A0
a força aplicada é maior para a compressão; assim, a tensão também será maior (já que A0 é a mesma para ambos os casos). (2) A curva de compressão não exibirá um máximo, uma vez que o corpo de provas testado em compressão não apresentará empescoçamento – a área da seção transversal na qual a deformação ocorre crescerá continuamente durante a compressão. (3) A deformação na qual ocorrerá a falha será maior para a compressão. Novamente, esse comportamento é explicado pela ausência de empescoçamento no corpo de provas sob compressão.
Ver if icação de Conceitos 6.4 Pergunta: Dentre os metais listados na Tabela 6.3, qual tem a maior dureza? Por quê? Resposta: O material D é o mais duro, pois apresenta o maior limite de resistência à tração.
Capítulo
7
Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência
Ver if icação de Conceitos 7.1 Pergunta: Qual dos seguintes sistemas é o sistema de escorregamento para a estrutura cristalina cúbica simples? Por quê? {100} {110} {100} {110} (Nota: uma célula unitária para a estrutura cristalina cúbica simples está mostrada na Figura 3.24.) Resposta: O sistema de escorregamento para qualquer estrutura cristalina corresponde ao plano cristalográfico mais compacto e, naquele plano, a direção cristalográfica mais compacta. Para a estrutura cúbica simples, o plano atômico mais compacto é o plano do tipo {100}; a direção mais compacta nesse plano é a direção do tipo . Portanto, o sistema de escorregamento para a estrutura cúbica simples é o {100}.
Ver if icação de Conceitos 7.2 Pergunta: Explique a diferença entre tensão cisalhante rebatida e tensão cisalhante rebatida crítica. Resposta: A tensão cisalhante rebatida é o componente de cisalhamento de uma tensão de tração (ou de compressão) aplicada rebatida ao longo de um plano de escorregamento que não é perpendicular nem paralelo ao eixo da tensão. A tensão cisalhante rebatida crítica é o valor da tensão cisalhante rebatida no qual o escoamento começa; ela é uma propriedade do material.
Ver if icação de Conceitos 7.3 Pergunta: Ao se realizar medições da dureza, qual será o efeito de fazer uma impressão muito próxima a uma impressão preexistente? Por quê? Resposta: A dureza medida a partir de uma impressão que está posicionada muito próxima a uma impressão preexistente será alta. O material nessa vizinhança foi trabalhado a frio quando a primeira impressão foi feita.
Ver if icação de Conceitos 7.4 Pergunta: Você esperaria que um material cerâmico cristalino encruasse à temperatura ambiente? Por que sim, ou por que não? Resposta: Não, não seria esperado. Para que um material encrue, ele deve ser deformado plasticamente; uma vez que os materiais cerâmicos são frágeis à temperatura ambiente, eles sofrerão fratura antes que qualquer deformação plástica ocorra.
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Discordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência • 9
Ver if icação de Conceitos 7.5 Pergunta: Explique sucintamente por que alguns metais (por exemplo, o chumbo e o estanho) não encruam quando são deformados à temperatura ambiente. Resposta: Metais como o chumbo e o estanho não encruam à temperatura ambiente porque suas temperaturas de recristalização são inferiores à temperatura ambiente (Tabela 7.2).
Ver if icação de Conceitos 7.6 Pergunta: Você espera que seja possível que os materiais cerâmicos apresentem recristalização? Por que sim, ou por que não? Resposta: Não, a recristalização não é esperada nos materiais cerâmicos. Para que haja recristalização, um material deve ser, primeiro, deformado plasticamente, e os materiais cerâmicos são muito frágeis para sofrerem tal deformação.
Capítulo
8
Falha
Ver if icação de Conceitos 8.1 Pergunta: Cite duas situações nas quais a possibilidade de falha é parte integrante do projeto de um componente ou produto. Resposta: Algumas situações em que a possibilidade de uma falha é parte do projeto de um componente ou de um produto são as seguintes: (1) o anel de abertura na parte superior de latas de bebidas em alumínio; (2) postes de utilidades/iluminação em alumínio localizados nas margens de rodovias – danos mínimos ocorrem a um veículo quando há colisão com o poste; e (3) em alguns componentes de máquinas, um pino de cisalhamento é usado para conectar uma engrenagem ou uma polia a um eixo – o pino é projetado para ser cisalhado antes que algum dano seja causado ao eixo ou à engrenagem em uma situação de sobrecarga.
Ver if icação de Conceitos 8.2 Pergunta: Faça um gráfico esquemático da tensão em função do tempo para uma situação em que a razão de tensões R é de +1. Resposta: Para uma razão de tensões (R) de +1, então, a partir da Equação 8.17, máx mín Isto é o mesmo que dizer que a tensão permanece constante (ou que não oscila) ao longo do tempo, ou que o gráfico da tensão em função do tempo aparecerá como
Ver if icação de Conceitos 8.3 Pergunta: Considerando as Equações 8.16 e 8.17, demonstre que um aumento no valor da razão de tensões R produz uma diminuição na amplitude da tensão a . Resposta: A partir da Equação 8.17, mín Rmáx
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Falha • 11 Além disso, a Equação 8.16 é a
máx mín 2
A substituição de mín da primeira expressão nessa última fornece a
máx Rmáx máx (1 R) 2 2
Portanto, conforme a magnitude de R aumenta (ou torna-se mais positiva), a magnitude de a diminui.
Ver if icação de Conceitos 8.4 Pergunta: As superfícies para algumas amostras de aço que falharam por fadiga têm uma aparência granular ou cristalina, brilhante. Os leigos podem explicar a falha dizendo que o metal cristalizou enquanto estava em serviço. Apresente uma crítica a essa explicação. Resposta: Cristalizar significa tornar cristalino. Dessa forma, o enunciado “O metal fraturou porque cristalizou” está errado, uma vez que o metal já era cristalino antes de ser submetido à tensão (virtualmente, todos os metais são cristalinos).
Ver if icação de Conceitos 8.5 Pergunta: Sobreponha em um mesmo gráfico da deformação em função do tempo as curvas esquemáticas de fluência para uma tensão de tração constante e para uma carga de tração constante, e explique as diferenças no comportamento. Resposta: As curvas esquemáticas de fluência tanto para tensão constante quanto para carga constante estão mostradas a seguir.
Com o aumento do tempo, a curva para carga constante torna-se progressivamente mais alta que a curva para tensão constante. Uma vez que esses testes são de tração, a área da seção transversal diminui conforme a deformação prossegue. Dessa forma, para manter uma tensão constante, a carga aplicada deve ser diminuída de maneira correspondente, já que tensão = carga/área.
Capítulo
9
Diagramas de Fases
Ver if icação de Conceitos 9.1 Pergunta: Qual é a diferença entre os estados de equilíbrio de fases e de metaestabilidade? Resposta: Para a condição de equilíbrio de fases, a energia livre é mínima e o sistema está completamente estável, o que significa que as características das fases são constantes ao longo do tempo. Na metaestabilidade, o sistema não está em equilíbrio e ocorrem mudanças muito pequenas (e com frequência imperceptíveis) nas características das fases ao longo do tempo.
Ver if icação de Conceitos 9.2 Pergunta: Uma liga cobre-níquel com composição de 70%p Ni-30%p Cu é aquecida lentamente a partir de uma temperatura de 1300°C (2370°F). (a) (b) (c) (d)
Em qual temperatura se forma a primeira fração da fase líquida? Qual é a composição dessa fase líquida? Em qual temperatura ocorre a fusão completa da liga? Qual é a composição da última fração de sólido antes da fusão completa?
Resposta: Com o aquecimento de uma liga cobre-níquel com composição de 70%p Ni-30%p Cu a partir de 1300°C e utilizando a Figura 9.3a: (a) A primeira fração de líquido forma-se na temperatura na qual uma linha vertical nessa composição intercepta a fronteira entre fases ( L) – isto é, em aproximadamente 1350°C; (b) A composição dessa fase líquida corresponde à interseção da linha de amarração construída através da região das fases L a 1350°C com a fronteira entre as fases ( L)L – isto é, 59%p Ni; (c) A fusão completa da liga ocorre na interseção dessa mesma linha vertical na composição de 70%p Ni com a fronteira entre fases ( L)L – isto é, em aproximadamente 1380°C; (d) A composição da última fração de sólido remanescente antes da fusão completa corresponde à interseção da linha de amarração construída através da região das fases L a 1380°C com a fronteira entre fases ( L) – isto é, aproximadamente 78%p Ni.
Ver if icação de Conceitos 9.3 Pergunta: É possível existir uma liga cobre-níquel que, no equilíbrio, consista de uma fase com composição de 37%p Ni-63%p Cu e também uma fase líquida com composição de 20%p Ni-80%p Cu? Se for possível, qual será a temperatura aproximada da liga? Se não for possível, explique por quê. Resposta: Não é possível haver uma liga Cu-Ni que, em equilíbrio, consista em uma fase líquida com composição de 20%p Ni-80%p Cu e uma fase com composição de 37%p Ni-63%p Cu. A partir da Figura 9.3a, não existe qualquer linha de amarração na região L que intercepte as fronteiras entre fases nas composições desejadas. Para a composição de 20%p Ni, a fronteira entre fases L( L) está em aproximadamente 1200°C, enquanto em 37%p Ni a fronteira entre fases (L ) encontra-se em aproximadamente 1225°C.
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Diagramas de Fases • 13
Ver if icação de Conceitos 9.4 Pergunta: A 700°C (1290°F), qual é a solubilidade máxima (a) do Cu na Ag? (b) Ag no Cu? Resposta: (a) A partir do diagrama de fases cobre-prata, Figura 9.7, a solubilidade máxima do Cu na Ag a 700°C corresponde à posição da fronteira entre fases ( ) nessa temperatura, ou aproximadamente 6%p Cu. (b) A partir dessa mesma figura, a solubilidade máxima da Ag no Cu corresponde à posição da fronteira entre fases ( ) nessa temperatura, ou aproximadamente 5%p Ag.
Ver if icação de Conceitos 9.5 Pergunta: A seguir está apresentada uma parte do diagrama de fases H2O-NaCl:
(a) Considerando esse diagrama, explique de maneira sucinta como o espalhamento de sal sobre gelo que se encontra a uma temperatura abaixo de 0°C (32°F) pode causar o derretimento do gelo. (b) Em que temperatura o sal não é mais útil para causar o derretimento do gelo? Resposta: (a) O espalhamento de sal sobre gelo abaixará a temperatura de fusão, uma vez que a curva liquidus diminui de 0°C (em 100% H2O) até a temperatura eutética de aproximadamente – 21°C (23%p NaCl). Dessa forma, o gelo a uma temperatura abaixo de 0°C (e acima de 21°C) pode formar uma fase líquida pela adição de sal. (b) Em 21°C e abaixo dessa temperatura, o sal não é mais útil para causar o derretimento do gelo, uma vez que essa é a temperatura mais baixa na qual se forma uma fase líquida (isto é, essa é a temperatura eutética para esse sistema).
14 • Diagramas de Fases
Ver if icação de Conceitos 9.6 Pergunta: A figura a seguir mostra o diagrama de fases háfnio-vanádio, para o qual apenas as regiões monofásicas estão identificadas. Especifique os pontos temperatura-composição onde ocorrem todos os eutéticos, eutetoides, peritéticos e transformações de fases congruentes. Além disso, para cada um desses pontos, escreva a reação que ocorre durante o resfriamento.
Resposta: Existem dois eutéticos nesse diagrama de fases. Um existe em 18%p V-82%p Hf a 1455°C. A reação durante o resfriamento é Hf HfV2
L
O outro eutético existe em 39%p V-61%p Hf a 1520°C. Essa reação durante o resfriamento é L
HfV2 V(solução sólida)
Existe um eutetoide em 6%p V-94%p Hf a 1190°C. A reação durante o resfriamento é Hf HfV2
Hf
Existe um ponto de fusão congruente em 36%p V-64%p Hf a 1550°C. A reação que ocorre durante o resfriamento é L
HfV2
Não existem peritéticos no sistema.
Ver if icação de Conceitos 9.7 Pergunta: Em um sistema ternário, três componentes estão presentes; a temperatura também é uma variável. Qual é o número máximo de fases que podem estar presentes em um sistema ternário, assumindo que a pressão seja mantida constante?
Diagramas de Fases • 15 Resposta: Para um sistema ternário (C = 3) sob pressão constante (N = 1), a regra das fases de Gibbs, Equação 9.16, torna-se PFCN314 Ou, P4F Dessa forma, quando F = 0, P terá o valor máximo de 4, o que significa que o número máximo de fases presentes nessa situação é 4.
Ver if icação de Conceitos 9.8 Pergunta: Explique sucintamente por que uma fase proeutetoide (ferrita ou cementita) se forma ao longo dos contornos dos grãos da austenita. Sugestão: Consulte a Seção 4.6. Resposta: Uma energia interfacial está associada aos contornos dos grãos (isto é, uma energia do contorno dos grãos – Seção 4.6). Quando uma fase proeutetoide se forma nos contornos dos grãos de austenita existentes, ocorre um aumento resultante menor na energia interfacial do que quando a fase proeutetoide se forma no interior dos grãos.
Capítulo
10
Transformações de Fases: Desenvolvimento da Microestrutura e Alteração das Propriedades Mecânicas
Ver if icação de Conceitos 10.1 Pergunta: Qual microestrutura é mais estável, a perlítica ou a da cementita globulizada? Por quê? Resposta: As microestruturas da cementita globulizada são mais estáveis que as microestruturas perlíticas. Uma vez que a perlita transforma-se em cementita globulizada, a última é mais estável.
Ver if icação de Conceitos 10.2 Pergunta: Cite duas diferenças principais entre as transformações martensítica e perlítica. Resposta: Duas diferenças principais são: 1) a difusão atômica é necessária para a transformação perlítica, enquanto a transformação martensítica é adifusional; e 2) em relação à taxa de transformação, a transformação martensítica é virtualmente instantânea, enquanto a transformação perlítica depende do tempo.
16 •
Transformações de Fases: Desenvolvimento da Microestrutura e Alteração das Propriedades Mecânicas • 17
Ver if icação de Conceitos 10.3 Pergunta: Faça uma cópia do diagrama de transformação isotérmica para uma liga ferro-carbono com composição eutetoide (Figura 10.22) e então esboce e identifique nesse diagrama um percurso tempo-temperatura que produzirá 100% de perlita fina. Resposta: A seguir está mostrado um diagrama de transformação isotérmica para uma liga ferrocarbono eutetoide no qual está incluído um percurso tempo-temperatura que produzirá 100% de perlita fina.
Ver if icação de Conceitos 10.4 Pergunta: Descreva sucintamente o procedimento mais simples de tratamento térmico por resfriamento contínuo que pode ser usado para converter um aço 4340 de (martensita + bainita) para (ferrita + perlita). Resposta: Para converter de (martensita + bainita) em (ferrita + perlita) é necessário aquecer o aço acima de aproximadamente 720°C, permitir a completa austenitização e então resfriar até a temperatura ambiente em uma taxa igual ou menor que 0,006°C/s (Figura 10.28).
Ver if icação de Conceitos 10.5 Pergunta: Classifique as seguintes ligas ferro-carbono e suas microestruturas associadas em ordem decrescente de limite de resistência à tração: 0,25%p C com cementita globulizada 0,25%p C com perlita grosseira 0,6%p C com perlita fina 0,6%p C com perlita grosseira. Justifique essa classificação.
18 • Transformações de Fases: Desenvolvimento da Microestrutura e Alteração das Propriedades Mecânicas Resposta: A classificação pedida é a seguinte: (1) (2) (3) (4)
0,6%p C com perlita fina 0,6%p C com perlita grosseira 0,25%p C com perlita grosseira 0,25%p C com cementita globulizada
A liga com 0,25%p C e perlita grosseira é mais resistente que a com 0,25%p C e cementita globulizada, uma vez que a perlita grosseira é mais resistente que a cementita globulizada; a composição de ambas as ligas é a mesma. A liga com 0,6%p C e perlita grosseira é mais resistente que a com 0,25%p C e perlita grosseira, uma vez que o aumento no teor de carbono aumenta a resistência (enquanto é mantida a mesma microestrutura de perlita grosseira). Finalmente, a perlita fina com 0,6%p C é mais resistente que a perlita grosseira com 0,6%p C, uma vez que a resistência da perlita fina é maior que a da perlita grosseira, pois há uma quantidade muito maior de fronteiras entre a ferrita e a cementita na perlita fina.
Ver if icação de Conceitos 10.6 Pergunta: Descreva um tratamento térmico isotérmico que seja capaz de produzir uma amostra com dureza de 93 HRB, para um aço eutetoide. Resposta: A partir da Figura 10.30(a), para que uma liga com 0,76%p C apresente uma dureza Rockwell de 93 HRB, sua microestrutura deve ser perlita grosseira. Dessa forma, utilizando o diagrama de transformação isotérmica para essa liga, Figura 10.22, após a austenitização em aproximadamente 760°C, deve-se resfriar a liga rapidamente até uma temperatura na qual há a formação de perlita grosseira (isto é, até aproximadamente 675°C), e deixar que a amostra se transforme isotérmica e completamente em perlita grosseira. Nessa temperatura, um tratamento térmico isotérmico durante pelo menos 200 s é necessário. Então, resfria-se até a temperatura ambiente (a taxa de resfriamento não é importante).
Ver if icação de Conceitos 10.7 Pergunta: Um aço é temperado em água a uma temperatura na região da fase austenita até a temperatura ambiente, de modo a formar martensita; a liga é, a seguir, revenida em uma temperatura elevada que é mantida constante. (a) Faça um gráfico esquemático que mostre como a ductilidade à temperatura ambiente varia em função do logaritmo do tempo de revenido na temperatura elevada. (Certifique-se de identificar os eixos.) (b) Superponha e identifique nesse mesmo gráfico o comportamento à temperatura ambiente que resulta do revenido em uma temperatura mais elevada e explique sucintamente a diferença entre os comportamentos nessas duas temperaturas. Resposta: (a) O gráfico pedido é mostrado a seguir.
Transformações de Fases: Desenvolvimento da Microestrutura e Alteração das Propriedades Mecânicas • 19 (b) A curva para a temperatura mais alta (identificada como TA) estará localizada acima daquela para a temperatura mais baixa (identificada como TB), pois as partículas de Fe3C na martensita revenida crescerão mais rapidamente na temperatura mais alta; dessa forma, após um dado tempo de revenido, elas serão maiores na temperatura mais alta. A liga revenida à temperatura mais alta será mais dúctil, pois haverá menos fronteiras entre fases -Fe3C (devido às maiores partículas de Fe3C) que possam impedir o movimento de discordâncias.
Capítulo
11
Aplicações e Processamento de Ligas Metálicas
Ver if icação de Conceitos 11.1 Pergunta: Explique sucintamente por que os aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos não são tratáveis termicamente. Sugestão: você pode querer consultar a primeira parte da Seção 11.3. Resposta: Os aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos não são tratáveis termicamente pois considera-se que “tratável termicamente” implica que martensita pode ser formada com relativa facilidade mediante têmpera da austenita a partir de uma temperatura elevada. Nos aços inoxidáveis ferríticos, a austenita não se forma quando o material é aquecido e, portanto, a transformação da austenita em martensita não é possível. Nos aços inoxidáveis austeníticos, o campo da fase austenita estende-se até temperaturas tão baixas que a transformação martensítica não ocorre.
Ver if icação de Conceitos 11.2 Pergunta: É possível produzir ferros fundidos que consistem em uma matriz de martensita na qual a grafita se encontra na forma de flocos, nódulos ou rosetas. Descreva sucintamente o tratamento necessário para produzir cada uma dessas três microestruturas. Resposta: Para haver flocos de grafita, o ferro fundido cinzento é formado (como descrito na Seção 11.2) e, então, é aquecido até uma temperatura na qual a ferrita transforma-se em austenita; a austenita é então temperada, o que a transforma em martensita. Para as grafitas em nódulos e em rosetas, os ferros fundidos nodular e maleável são formados em primeiro lugar (novamente, como descrito na Seção 11.2), e então são austenitizados e temperados.
Ver if icação de Conceitos 11.3 Pergunta: Qual é a diferença principal entre o latão e o bronze? Resposta: Tanto os latões quanto os bronzes são ligas à base de cobre. Nos latões, o principal elemento de liga é o zinco, enquanto os bronzes são ligados com outros elementos, tais como estanho, alumínio, silício ou níquel.
Ver if icação de Conceitos 11.4 Pergunta: Explique por que, sob certas circunstâncias, não é aconselhável soldar uma estrutura fabricada a partir de uma liga de alumínio 3003. Sugestão: você pode querer consultar a Seção 7.12. Resposta: O aumento da resistência de uma liga de alumínio 3003 é obtido por trabalho a frio. A soldagem de uma estrutura feita com a liga 3003 trabalhada a frio fará com que ela sofra recristalização e uma resultante perda de resistência.
20 •
Aplicações e Processamento de Ligas Metálicas • 21
Ver if icação de Conceitos 11.5 Pergunta: Com base na temperatura de fusão, resistência à oxidação, limite de escoamento e grau de fragilidade, discuta se seria ou não aconselhável trabalhar a quente ou trabalhar a frio (a) ligas de alumínio e (b) ligas de magnésio. Sugestão: você pode querer consultar as Seções 7.10 e 7.12. Resposta: A maioria das ligas de alumínio pode ser trabalhada a frio, uma vez que são dúcteis e têm limites de escoamento relativamente baixos. As ligas de magnésio são normalmente trabalhadas a quente, uma vez que são bastante frágeis em temperatura ambiente. Além disso, as ligas de magnésio apresentam temperaturas de recristalização relativamente baixas.
Ver if icação de Conceitos 11.6 Pergunta: (a) Cite duas vantagens da metalurgia do pó em relação à fundição. (b) Cite duas desvantagens. Resposta: (a) As vantagens da metalurgia do pó em relação à fundição são as seguintes: 1) Ela é usada para ligas com temperaturas de fusão elevadas. 2) Obtém-se melhores tolerâncias dimensionais. 3) Pode-se introduzir porosidades, em proporções que podem ser controladas (o que é desejável em algumas aplicações, tais como em mancais autolubrificantes). (b) As desvantagens da metalurgia do pó em relação à fundição são as seguintes: 1) A produção do pó é de alto custo. 2) É necessário um tratamento térmico após a compactação.
Ver if icação de Conceitos 11.7 Pergunta: Quais são as principais diferenças entre a soldagem, a brasagem e a solda branca? Você pode precisar consultar outra referência. Resposta: Na soldagem existe a fusão das peças a serem unidas na vizinhança da ligação; um material de enchimento pode ou não ser usado. Na solda brasagem (solda forte), um material de enchimento é empregado, o qual possui uma temperatura de fusão acima de aproximadamente 425°C (800°F); o material de enchimento é fundido, enquanto as peças a serem unidas não são fundidas. Na solda branca (solda fraca) é usado um material de enchimento com temperatura de fusão abaixo de aproximadamente 425°C (800°F); o material de enchimento é fundido, enquanto as peças a serem unidas não o são.
Ver if icação de Conceitos 11.8 Pergunta: Cite os três fatores que influenciam o grau no qual a martensita é formada ao longo da seção transversal de uma amostra de aço. Para cada um deles, diga como a quantidade da martensita pode ser aumentada. Resposta: Os três fatores que influenciam a fração de martensita formada são os seguintes: 1) Elementos de liga: a adição de elementos de liga aumenta a fração de martensita que se forma. 2) Tamanho e forma da amostra: a fração de martensita formada aumenta conforme a seção transversal da amostra diminui e na medida em que o grau de irregularidade da forma aumenta. 3) Meio de têmpera: quanto mais severa for a têmpera, mais martensita será formada. A água proporciona um meio de têmpera mais severo que o óleo, o qual é seguido pelo ar. A agitação do meio também melhora a severidade da têmpera.
Capítulo
12
Estruturas e Propriedades das Cerâmicas
Ver if icação de Conceitos 12.1 Pergunta: A Tabela 12.3 fornece os raios iônicos para os íons K e O2 como iguais a 0,138 e 0,140 nm, respectivamente. (a) Qual seria o número de coordenação para cada íon O2? (b) Descreva sucintamente a estrutura cristalina resultante para o K2O. (c) Explique por que essa estrutura é chamada de estrutura antifluorita. Resposta: (a) Em primeiro lugar, vamos determinar o número de coordenação para cada íon O2 no K2O. Calculando a razão entre os raios do cátion e do ânion, rK rO2
0,138 nm 0,140 nm
0,986
A partir da Tabela 12.2, o número de coordenação para o oxigênio é oito. (b) De acordo com a Tabela 12.4, para um número de coordenação de oito, tanto para os cátions quanto para os ânions, a estrutura cristalina deve ser a do cloreto de césio. Entretanto, há duas vezes mais íons K que íons O2. Portanto, os centros dos íons K estão posicionados nos vértices de células unitárias cúbicas, enquanto a metade dos centros dos cubos é ocupada por íons O2. (c) Essa estrutura é chamada de estrutura cristalina antifluorita porque os ânions e os cátions estão trocados uns com os outros em relação à estrutura da fluorita (Figura 12.5).
Ver if icação de Conceitos 12.2 Pergunta: É possível a existência de um defeito de Schottky no K2O? Se isso for possível, descreva sucintamente esse tipo de defeito. Se isso não for possível, então explique a razão. Resposta: Essa pergunta pode ser respondida de duas maneiras, quais sejam: (1) Sim, os defeitos de Schottky podem existir no K2O; cada defeito consistirá em uma lacuna de O2 e duas lacunas de K. (2) Não – no sentido mais estrito, o defeito de Schottky não pode existir no K2O se for considerado que esse tipo de defeito consiste em um par cátion-ânion; para cada lacuna de O2 criada deverão existir duas lacunas de K.
Ver if icação de Conceitos 12.3 Pergunta: Quais defeitos pontuais são possíveis para o MgO como uma impureza no Al2O3? Quantos íons Mg2 devem ser adicionados para formar cada um desses defeitos? Resposta: Para cada íon Mg2 que substitui um íon Al3 no Al2O3, uma única carga positiva é removida. Dessa forma, para manter a neutralidade de carga, ou uma carga positiva deve ser adicionada ou uma carga negativa deve ser removida.
22 •
Estruturas e Propriedades das Cerâmicas • 23 Cargas positivas são adicionadas pela formação de intersticiais de Al3, e um intersticial de Al seria formado para cada três íons Mg2 que fossem adicionados. Cargas negativas podem ser removidas pela formação de lacunas de O2, e uma lacuna de oxigênio seria formada para cada dois íons Mg2+ que fossem adicionados. 3
Ver if icação de Conceitos 12.4 Pergunta: (a) Para o sistema SiO2 –Al2O3, qual é a máxima temperatura possível sem a formação de uma fase líquida? (b) Em qual composição ou para qual faixa de composições essa temperatura máxima será atingida? Resposta: (a) De acordo com a Figura 12.27, essa temperatura máxima é de 1890 ± 10°C, (b) a qual é possível para composições entre aproximadamente 77%p Al2O3 e virtualmente 100%p Al2O3.
Capítulo
13
Aplicações e Processamento das Cerâmicas
Ver if icação de Conceitos 13.1 Pergunta: Explique sucintamente por que as vidrocerâmicas podem não ser transparentes. Sugestão: você pode querer consultar o Capítulo 21. Resposta: As vidrocerâmicas podem não ser transparentes porque são policristalinas. A luz será espalhada nos contornos dos grãos nos materiais policristalinos se o índice de refração for anisotrópico e quando aqueles grãos adjacentes ao contorno apresentarem orientações cristalográficas diferentes. Esse fenômeno está discutido na Seção 21.10. Além disso, como também foi observado na Seção 21.10, as vidrocerâmicas podem ser transparentes se os tamanhos dos cristais forem menores que os comprimentos de onda da luz visível.
Ver if icação de Conceitos 13.2 Pergunta: Considerando o diagrama de fases SiO2–Al2O3 (Figura 12.27) para o par de composições a seguir, qual composição você julga ser um refratário mais desejável? Justifique sua escolha. 20%p Al2O3–80%p SiO2 25%p Al2O3–75%p SiO2. Resposta: A composição de 25%p Al2O3–75%p SiO2 será mais adequada porque a temperatura liquidus será maior para essa composição (1740°C versus 1710°C); portanto, em qualquer temperatura dentro da região da mulita + líquido no diagrama de fases existirá uma menor fração de fase líquida presente que para a composição de 20%p Al2O3–80%p SiO2 e, dessa forma, a integridade mecânica será maior.
Ver if icação de Conceitos 13.3 Pergunta: Explique por que é importante moer o cimento na forma de um pó fino. Resposta: É importante moer o cimento na forma de um pó fino para aumentar a área superficial das partículas de cimento. As reações de hidratação entre a água e o cimento ocorrem na superfície das partículas do cimento. Portanto, o aumento da área superficial disponível permite maiores quantidades de ligações.
Ver if icação de Conceitos 13.4 Pergunta: Como a espessura de uma peça de vidro afeta a magnitude das tensões térmicas que podem ser introduzidas? Por quê? Resposta: Quanto mais fina for a espessura de uma peça de vidro, menores serão as tensões térmicas introduzidas quando a peça for aquecida ou resfriada. A razão para isso é que a diferença de temperatura ao longo da seção transversal da peça e, portanto, a diferença no grau de expansão ou de contração, diminuirá com a diminuição da espessura.
24 •
Aplicações e Processamento das Cerâmicas • 25
Ver if icação de Conceitos 13.5 Pergunta: Peças cerâmicas mais grossas são mais suscetíveis ao desenvolvimento de trincas durante a secagem que as peças finas. Por que isso ocorre? Resposta: As peças cerâmicas mais grossas têm maior probabilidade de trincar durante a secagem que as peças mais finas devido à diferença da contração entre a superfície e o interior ao longo da seção transversal, a qual será maior para a peça mais grossa. A razão para isso é que na peça mais grossa a água que está sendo eliminada durante a secagem tem que percorrer uma distância maior do interior até a superfície.
Ver if icação de Conceitos 13.6 Pergunta: Explique por que uma argila, uma vez que tenha sido cozida em temperatura elevada, perde sua hidroplasticidade. Resposta: O fenômeno da hidroplasticidade ocorre quando as moléculas de água formam uma fina película ao redor das pequenas partículas de argila. Durante o cozimento, essas partículas individuais se fundem umas com as outras devido ao líquido viscoso que preenche o volume dos poros entre as partículas – o volume dos poros que era ocupado pela água no estado hidroplástico. Esse líquido viscoso forma uma matriz vítrea no resfriamento subsequente.
Capítulo
14
Estruturas dos Polímeros
Ver if icação de Conceitos 14.1 Pergunta: Faça a distinção entre polimorfismo (veja o Capítulo 3) e isomerismo. Resposta: Polimorfismo ocorre quando duas ou mais estruturas cristalinas são possíveis para um material com uma dada composição. Isomerismo ocorre quando duas ou mais moléculas poliméricas ou unidades repetidas apresentam a mesma composição, porém arranjos atômicos diferentes.
Ver if icação de Conceitos 14.2 Pergunta: Com base nas estruturas apresentadas na seção anterior, esboce a estrutura da unidade repetida para o fluoreto de polivinila. Resposta: Uma vez que o cloreto de polivinila possui a estrutura da unidade repetida da Figura 14.2(b), a substituição do átomo de cloro ligado lateralmente por um átomo de flúor gera uma unidade repetida do fluoreto de polivinila, como mostrado abaixo.
Ver if icação de Conceitos 14.3 Pergunta: Qual é a diferença entre configuração e conformação no que se refere às cadeias poliméricas? Resposta: Em relação às cadeias poliméricas, a diferença entre configuração e conformação é que o termo conformação é empregado para referir-se ao perfil ou à forma cadeia molecular, enquanto o termo configuração refere-se ao arranjo das posições dos átomos ao longo da cadeia, as quais não podem ser alteradas, exceto pela quebra e pelo restabelecimento de ligações primárias.
Ver if icação de Conceitos 14.4 Pergunta: Alguns polímeros (tais como os poliésteres) podem ser tanto termoplásticos quanto termofixos. Sugira uma razão para isso. Resposta: Os poliésteres termofixos terão ligações cruzadas, enquanto os termoplásticos apresentarão estruturas lineares sem qualquer grau apreciável de ligações cruzadas.
26 •
Estruturas dos Polímeros • 27
Ver if icação de Conceitos 14.5 Pergunta: (a) Compare o estado cristalino nos metais e nos polímeros. (b) Compare o estado não cristalino naquilo em que este se aplica aos polímeros e aos vidros cerâmicos. Resposta: (a) Nos metais cristalinos, átomos individuais estão posicionados em um arranjo periódico ou ordenado ao longo de distâncias atômicas relativamente grandes. A ordem de larga escala nos cristais poliméricos resulta da compactação de cadeias poliméricas adjacentes. (b) Para os vidros cerâmicos não cristalinos, a aleatoriedade atômica existe fora da unidade de SiO4 4 . A desordem nos polímeros resulta da falta de alinhamento das cadeias.
Capítulo
15
Características, Aplicações e Processamento dos Polímeros
Ver if icação de Conceitos 15.1 Pergunta: Ao citar a ductilidade como uma porcentagem do alongamento para os polímeros semicristalinos, não é necessário especificar o comprimento útil do corpo de provas, como ocorre para os metais. Por quê? Resposta: A razão pela qual não é necessário especificar o comprimento útil do corpo de provas quando se cita o alongamento percentual para polímeros semicristalinos é porque, para os polímeros semicristalinos que apresentam empescoçamento, a redução de área propaga-se normalmente ao longo de todo o comprimento útil do corpo de provas antes que ocorra a fratura; dessa forma, não existe uma redução de área localizada como ocorre com os metais, e a magnitude do alongamento percentual é independente do comprimento útil do corpo de prova.
Ver if icação de Conceitos 15.2 Pergunta: Um poliestireno amorfo deformado a 120°C exibirá qual dos comportamentos mostrados na Figura 15.5? Resposta: O poliestireno amorfo a 120°C comporta-se como uma borracha (Figura 15.8, curva C); portanto, o comportamento da deformação em função do tempo seria semelhante ao da Figura 15.5(c).
Ver if icação de Conceitos 15.3 Pergunta: Para o seguinte par de polímeros, faça o seguinte: (1) estabeleça se é ou não possível decidir se um dos polímeros tem maior módulo de tração que o outro; (2) se isso for possível, indique qual polímero possui o maior módulo de tração e, então, cite a(s) razão(ões) para essa escolha; e (3) se essa decisão não for possível, então explique o porquê. Poliestireno sindiotático com massa molar numérica média de 400.000 g/mol. Poliestireno isotático com massa molar numérica média de 650.000 g/mol. Resposta: Não, isso não é possível. Tanto o poliestireno sindiotático quanto o isotático apresentam tendência de cristalizar e, portanto, assumimos que têm aproximadamente a mesma cristalinidade. Além disso, uma vez que o módulo em tração é virtualmente independente da massa molar, esperaríamos que ambos os materiais apresentassem aproximadamente o mesmo módulo.
Ver if icação de Conceitos 15.4 Pergunta: Para o seguinte par de polímeros, faça o seguinte: (1) estabeleça se é ou não possível decidir se um dos polímeros apresenta maior limite de resistência à tração que o outro; (2) se isso for possível, indique qual polímero possui o maior limite de resistência à tração e, então, cite a(s) razão(ões) para essa escolha; e (3) se essa decisão não for possível, então explique o porquê. Poliestireno sindiotático com massa molar numérica média de 600.000 g/mol. Poliestireno isotático com massa molar numérica média de 500.000 g/mol.
28 •
Características, Aplicações e Processamento dos Polímeros • 29 Resposta: Sim, isso é possível. O poliestireno sindiotático possui o maior limite de resistência à tração. Tanto o polímero sindiotático quanto o isotático tendem a cristalizar e, portanto, assumimos que ambos os materiais têm aproximadamente a mesma cristalinidade. Entretanto, o limite de resistência à tração aumenta com o aumento da massa molar, e o poliestireno sindiotático possui a maior massa molar (600.000 g/mol contra 500.000 g/mol para o material isotático).
Ver if icação de Conceitos 15.5 Pergunta: Para o seguinte par de polímeros, trace e identifique no mesmo gráfico as curvas tensãodeformação esquemáticas. Copolímero poliestireno-butadieno aleatório com massa molar numérica média de 100.000 g/mol e 10% dos sítios disponíveis com ligações cruzadas, ensaiado a 20°C. Copolímero poliestireno-butadieno aleatório com massa molar numérica média de 120.000 g/mol e 15% dos sítios disponíveis com ligações cruzadas, ensaiado a –85°C. Sugestão: Os copolímeros poliestireno-butadieno podem exibir comportamento elastomérico. Resposta: As curvas tensão-deformação para os dois copolímeros poliestireno-butadieno aleatórios estão mostradas a seguir.
O copolímero testado a 20°C exibirá comportamento elastomérico (curva C na Figura 15.1), visto que é um copolímero aleatório com poucas ligações cruzadas; além disso, a temperatura do teste está acima de sua temperatura de transição vítrea. Por outro lado, uma vez que –85°C está abaixo da temperatura de transição vítrea do outro copolímero poliestireno-butadieno, o comportamento tensão-deformação sob essas condições é semelhante à curva A na Figura 15.1.
Ver if icação de Conceitos 15.6 Pergunta: Em termos da estrutura molecular, explique por que o fenol-formaldeído (Baquelite) não será um elastômero. (A estrutura molecular para o fenol-formaldeído está apresentada na Tabela 14.3.) Resposta: As moléculas nos elastômeros devem ser cadeias bidimensionais com algumas ligações cruzadas e capazes de girar e dobrar quando não estiverem sob tensão. O fenol-formaldeído possui estrutura tridimensional rígida formada por unidades trifuncionais repetidas, o que não atende a esses critérios de conformação e de flexibilidade das cadeias.
30 • Características, Aplicações e Processamento dos Polímeros
Ver if icação de Conceitos 15.7 Pergunta: Para cada um dos dois polímeros a seguir, trace e legende uma curva esquemática do volume específico em função da temperatura (inclua ambas as curvas no mesmo gráfico): Polipropileno esferulítico com 25% de cristalinidade e massa molar ponderal média de 75.000 g/mol. Poliestireno esferulítico com 25% de cristalinidade e massa molar ponderal média de 100.000 g/mol. Resposta: As curvas para o volume específico em função da temperatura para o polipropileno e o poliestireno estão mostradas a seguir.
Uma vez que ambos os polímeros apresentam cristalinidade de 25%, eles exibirão um comportamento semelhante ao representado pela curva B na Figura 15.18. No entanto, o poliestireno terá temperaturas de fusão e de transição vítrea mais elevadas, em consequência do grupo lateral mais volumoso na estrutura de sua unidade repetida e porque ele possui uma massa molar ponderal média mais elevada.
Ver if icação de Conceitos 15.8 Pergunta: Para os dois polímeros a seguir: (1) diga se é ou não possível determinar se um polímero tem uma temperatura de fusão mais elevada que o outro; (2) se isso for possível, diga qual possui a maior temperatura de fusão e então cite a(s) razão(ões) para sua escolha; e (3) se essa decisão não for possível, diga por quê. Poliestireno isotático com massa específica de 1,12 g/cm3 e massa molar ponderal média de 150.000 g/mol. Poliestireno sindiotático com massa específica de 1,10 g/cm3 e massa molar ponderal média de 125.000 g/mol. Resposta: Sim, é possível determinar qual dos dois poliestirenos possui a maior Tf. O poliestireno isotático terá a temperatura de fusão mais elevada, pois tem uma massa específica maior (isto é, menor grau de ramificações) e também a maior massa molar ponderal média.
Ver if icação de Conceitos 15.9 Pergunta: Durante os meses de inverno, a temperatura em algumas partes do Alasca pode ser tão baixa quanto –55°C (–65°F). Dentre os elastômeros isopreno natural, estireno-butadieno, acrilonitrila-butadieno, cloropreno e polissiloxano, qual(is) seria(m) adequado(s) para os pneus de automóveis sob essas condições? Por quê? Resposta: A partir da Tabela 15.4, apenas o poli-isopreno natural, o poliestireno-butadieno e o polissiloxano possuem faixas de temperaturas úteis que se estendem abaixo de –55°C. Em tempe-
Características, Aplicações e Processamento dos Polímeros • 31 raturas abaixo do limite inferior da faixa de temperaturas útil, os outros elastômeros listados na tabela tornam-se frágeis e, portanto, não são adequados para os pneus de automóveis.
Ver if icação de Conceitos 15.10 Pergunta: Os polímeros à base de silicone podem ser preparados para existir como líquidos à temperatura ambiente. Cite diferenças na estrutura molecular entre eles e os elastômeros de silicone. Sugestão: você pode querer consultar as Seções 14.5 e 15.9. Resposta: Os silicones líquidos terão massas molares baixas e uma pequena quantidade de ligações cruzadas, enquanto as massas molares para os elastômeros serão muito maiores; os elastômeros também apresentarão algumas ligações cruzadas.
Ver if icação de Conceitos 15.11 Pergunta: Diga se a massa molar de um polímero sintetizado por meio de polimerização por adição será relativamente alta, média ou relativamente baixa, para as seguintes situações: (a) (b) (c) (d)
Iniciação rápida, propagação lenta e terminação rápida. Iniciação lenta, propagação rápida e terminação lenta. Iniciação rápida, propagação rápida e terminação lenta. Iniciação lenta, propagação lenta e terminação rápida.
Resposta: (a) Para iniciação rápida, propagação lenta e terminação rápida, a massa molar será relativamente baixa. (b) Para iniciação lenta, propagação rápida e terminação lenta, a massa molar será relativamente alta. (c) Para iniciação rápida, propagação rápida e terminação lenta, será obtida uma massa molar média. (d) Para iniciação lenta, propagação lenta e terminação rápida, a massa molar será baixa ou média.
Ver if icação de Conceitos 15.12 Pergunta: O náilon 6,6 pode ser formado por meio de uma reação de polimerização de condensação em que o hexametileno diamina [NH2–(CH2)6–NH2] e o ácido adípico reagem um com o outro, com a formação de água como um subproduto. Escreva essa reação da mesma maneira que a Equação 15.9. Nota: a estrutura do ácido adípico é a seguinte:
Resposta: A seguir está representada a reação entre o hexametileno diamina e o ácido adípico para produzir náilon 6,6 com água como um subproduto:
32 • Características, Aplicações e Processamento dos Polímeros
Ver if icação de Conceitos 15.13 Pergunta: (a) Por que a pressão de vapor de um plastificante deve ser relativamente baixa? (b) Como a cristalinidade de um polímero será afetada pela adição de um plastificante? Por quê? (c) Como a adição de um plastificante influencia o limite de resistência à tração de um polímero? Por quê? Respostas: (a) Se a pressão de vapor de um plastificante não for relativamente baixa, o plastificante poderá evaporar, o que resultará em uma fragilização do polímero. (b) A cristalinidade de um polímero ao qual tenha sido adicionado um plastificante será reduzida, uma vez que as moléculas do plastificante posicionam-se entre as moléculas do polímero, o que causará maior desalinhamento desse último. (c) O limite de resistência à tração de um polímero será reduzido quando um plastificante for adicionado. Uma vez que as moléculas do plastificante afastam as moléculas da cadeia do polímero, as magnitudes das ligações secundárias entre as cadeias são reduzidas, o que enfraquece o material, já que a resistência é uma função da magnitude dessas ligações.
Ver if icação de Conceitos 15.14 Pergunta: Para um componente de borracha que, na sua forma final, deve estar vulcanizado, a vulcanização deve ser realizada antes ou após a operação de conformação? Por quê? Sugestão: pode ser útil consultar a Seção 15.9. Resposta: A vulcanização de um componente de borracha deve ser conduzida após a operação de conformação, uma vez que, após a vulcanização, a deformação plástica (e, portanto, a conformação) não será mais possível, pois foram introduzidas ligações cruzadas entre as cadeias.
Capítulo
16
Compósitos
Ver if icação de Conceitos 16.1 Pergunta: Cite a diferença geral no mecanismo de aumento da resistência entre os compósitos reforçados com partículas grandes e os compósitos reforçados por dispersão. Resposta: A principal diferença nos mecanismos de aumento de resistência entre os compósitos reforçados com partículas grandes e os reforçados por dispersão está no fato de que, para os compósitos com partículas grandes, as interações entre as partículas e a matriz não são tratadas ao nível molecular, enquanto para o aumento da resistência por dispersão, essas interações são tratadas ao nível molecular.
Ver if icação de Conceitos 16.2 Pergunta: A tabela a seguir lista quatro compósitos hipotéticos reforçados com fibras alinhadas (identificados por A a D), juntamente com suas características. Com base nesses dados, classifique os quatro compósitos em ordem decrescente de resistência na direção longitudinal e, então, justifique sua classificação.
Comprimento Fração Volumétrica das Resistência das Médio das Fibras Fibras (MPa) (mm) Fibras
Comprimento Crítico (mm)
Compósito
Tipo de Fibra
A
vidro
0,20
3,5 103
8
0,70
B
vidro
0,35
3,5 103
12
0,75
C
carbono
0,40
5,5 103
8
0,40
D
carbono
0,30
5,5 10
8
0,50
3
Resposta: A classificação da maior para a menor resistência na direção longitudinal é a seguinte: C, D, B e A. O compósito C é o mais resistente, uma vez que as fibras de carbono são contínuas e mais resistentes que as fibras de vidro e, também, porque apresenta a maior fração volumétrica de fibras. O compósito D tem menor resistência que o compósito C, pois apresenta menor valor de Vf ; já que nele as fibras de carbono também são contínuas. O material B é o próximo, pois as fibras de vidro são menos resistentes que as de carbono; essas fibras também são contínuas. O compósito A é o menos resistente, pois é composto pelas fibras de vidro menos resistentes, as fibras são descontínuas e o valor de Vf é o menor dentre os quatro materiais.
• 33
34 • Compósitos
Ver if icação de Conceitos 16.3 Pergunta: Cite uma característica desejável e uma característica menos desejável para compósitos reforçados com fibras (1) descontínuas e orientadas e (2) descontínuas e com orientação aleatória. Resposta: Para os compósitos reforçados com fibras descontínuas e orientadas, uma característica desejável é o fato de o compósito ser relativamente resistente e rígido em uma direção; uma característica menos desejável são as propriedades mecânicas anisotrópicas. Para os compósitos reforçados com fibras descontínuas e aleatórias, uma característica desejável são as propriedades isotrópicas; uma característica menos desejável é o fato de não existir qualquer direção de alta resistência.
Capítulo
17
Corrosão e Degradação dos Materiais
Ver if icação de Conceitos 17.1 Pergunta: Você esperaria que o ferro sofresse corrosão em água de alta pureza? Por que sim, ou por que não? Resposta: O ferro não corroeria em água de alta pureza, pois todas as reações de redução, Equações 17.3 a 17.7, dependem da presença de alguma impureza, tal como íons H+ ou Mn+, ou oxigênio dissolvido.
Ver if icação de Conceitos 17.2 Pergunta: Modifique a Equação 17.19 para o caso em que os metais M1 e M2 sejam ligas. Resposta: Nesse caso, é necessário levar em consideração as composições dos metais M1 e M2. Se [M1] e [M2] representam as concentrações dos metais M1 e M2 nas suas respectivas ligas, a equação torna-se
V V2° V1°
n+ RT [M1 ][M 2 ] ln nF [M n+ ][M ] 2 1
Ver if icação de Conceitos 17.3 Pergunta: Explique sucintamente por que a polarização por concentração em geral não é responsável pelo controle da taxa em reações de oxidação. Resposta: A polarização por concentração não é geralmente controlada pela taxa de corrosão nas reações de oxidação porque sempre haverá um suprimento ilimitado de átomos do metal na interface do eletrodo que está sendo corroído.
Ver if icação de Conceitos 17.4 Pergunta: (a) A partir da série galvânica (Tabela 17.2), cite três metais ou ligas que podem ser usados para proteger galvanicamente o níquel em seu estado ativo. (b) Algumas vezes a corrosão galvânica é prevenida fazendo-se um contato elétrico entre ambos os metais no par e um terceiro metal que é anódico em relação a esses dois. Considerando a série galvânica, cite um metal que pode ser usado para proteger um par galvânico cobre-alumínio. Resposta: (a) Os seguintes metais e ligas podem ser empregados para proteger galvanicamente o níquel em seu estado ativo (isto é, estão localizados abaixo do Ni na série galvânica): estanho, chumbo, aços inoxidáveis 316 e 304, ferro fundido, ferro, aço, ligas de alumínio, cádmio, alumínio comercialmente puro, zinco, magnésio e ligas de magnésio.
• 35
36 • Corrosão e Degradação dos Materiais (b) Zinco, magnésio e ligas de magnésio podem ser usados para proteger um par galvânico cobre-alumínio.
Ver if icação de Conceitos 17.5 Pergunta: Cite dois exemplos de uso benéfico da corrosão galvânica. Sugestão: Um exemplo é citado posteriormente neste capítulo. Resposta: Dois usos benéficos da corrosão galvânica são a prevenção da corrosão por meio de proteção catódica e a bateria de pilha seca.
Ver if icação de Conceitos 17.6 Pergunta: A Equação 17.23 é igualmente válida para as corrosões uniforme e por pites? Por que sim, ou por que não? Resposta: A Equação 17.23 não é igualmente válida para as corrosões uniforme e por pites. A razão para isso é que, nos pites, o ataque da corrosão é muito localizado, e um pite pode penetrar toda a espessura de uma peça (levando à falha) com muito pouca perda de material e com taxa de penetração da corrosão muito pequena. Na corrosão uniforme, a taxa de penetração da corrosão representa de forma precisa a extensão do dano causado pela corrosão.
Ver if icação de Conceitos 17.7 Pergunta: As latas para conservas são feitas a partir de um aço cujo interior é revestido com uma fina camada de estanho. O estanho protege o aço contra a corrosão causada pelos produtos alimentícios, da mesma maneira que o zinco protege o aço contra a corrosão atmosférica. Explique sucintamente como é possível essa proteção catódica nas latas de conservas, uma vez que o estanho é eletroquimicamente menos ativo que o aço na série galvânica (Tabela 17.2). Resposta: O estanho oferece proteção galvânica ao aço nas latas de conservas apesar de ser eletroquimicamente menos ativo que o aço na série galvânica. A razão para isso é que a série galvânica representa as reatividades dos metais e ligas na água do mar; entretanto, para as soluções de alimentos que estão contidas em latas, o estanho é o metal mais ativo.
Ver if icação de Conceitos 17.8 Pergunta: A partir de uma perspectiva molecular, explique por que o aumento no número de ligações cruzadas e na cristalinidade de um material polimérico melhora sua resistência ao inchamento e à dissolução. Você espera que o número de ligações cruzadas ou a cristalinidade tenha a maior influência? Justifique sua escolha. Sugestão: pode ser útil consultar as Seções 14.7 e 14.11. Resposta: Durante o inchamento e a dissolução de materiais poliméricos, as moléculas de soluto difundem-se e ocupam posições entre as macromoléculas do polímero e, dessa forma, forçam sua separação. O aumento tanto do grau de ligações cruzadas quanto da cristalinidade aumentará a resistência do polímero a esses tipos de degradação, uma vez que haverá maior grau de ligações intermoleculares entre as cadeias adjacentes; isso restringe o número de moléculas de soluto que podem penetrar nesses locais. A formação de ligações cruzadas será mais efetiva. Para os polímeros lineares que são altamente cristalinos, as ligações intermoleculares são ligações secundárias (van der Waals e/ou de hidrogênio) e são relativamente fracas em comparação às fortes ligações covalentes associadas às ligações cruzadas.
Ver if icação de Conceitos 17.9 Pergunta: Liste três diferenças entre a corrosão nos metais e (a) a corrosão nas cerâmicas, e
Corrosão e Degradação dos Materiais • 37 (b) a degradação dos polímeros. Resposta: (a) Três diferenças entre a corrosão nos metais e a corrosão nas cerâmicas são: 1) Os materiais cerâmicos são mais resistentes à corrosão que os metais na maioria dos ambientes. 2) A corrosão nos materiais cerâmicos é normalmente apenas em um processo de dissolução química, enquanto nos metais ela é geralmente eletroquímica. 3) As cerâmicas são mais resistentes à corrosão em temperaturas elevadas. (b) Três diferenças entre a corrosão nos metais e a degradação dos polímeros são: 1) A degradação dos polímeros é normalmente físico-química, enquanto nos metais a corrosão é eletroquímica. 2) Os mecanismos de degradação para os polímeros são mais complexos que os mecanismos de corrosão dos metais. 3) São possíveis mais tipos de degradação para os polímeros – por exemplo, dissolução, inchamento e ruptura de ligações (por meio de radiação, calor e reações químicas).
Capítulo
18
Propriedades Elétricas
Ver if icação de Conceitos 18.1 Pergunta: Se um material metálico for resfriado, por meio de sua temperatura de fusão, a uma taxa extremamente rápida, ele formará um sólido não cristalino (isto é, um vidro metálico). A condutividade elétrica do metal não cristalino será maior ou menor que a do seu análogo cristalino? Por quê? Resposta: A condutividade elétrica de um vidro metálico será menor que a do seu análogo cristalino. O vidro não possuirá virtualmente qualquer estrutura atômica periódica e, como resultado disso, os elétrons que estão envolvidos no processo de condução sofrerão espalhamentos frequentes e repetidos. (Não existe espalhamento de elétrons em uma rede cristalina atômica perfeita.)
Ver if icação de Conceitos 18.2 Pergunta: As resistividades elétricas à temperatura ambiente para o chumbo puro e o estanho puro são de 2,06 107 e 1,11 107 -m, respectivamente. (a) Trace um gráfico esquemático da resistividade elétrica à temperatura ambiente em função da composição para todas as composições entre o chumbo puro e o estanho puro. (b) Nesse mesmo gráfico, trace esquematicamente a resistividade elétrica em função da composição a 150°C. (c) Explique as formas dessas duas curvas, assim como quaisquer diferenças entre elas. Sugestão: você pode querer consultar o diagrama de fases chumbo-estanho, Figura 9.8. Respostas: (a) e (b) A seguir está mostrada a resistividade elétrica em função da composição para ligas chumbo-estanho tanto à temperatura ambiente quanto a 150°C.
38 •
Propriedades Elétricas • 39 (c) Consultando o diagrama de fases Pb-Sn (Figura 9.8), observamos, pela extrapolação das duas curvas solvus até a temperatura ambiente (por exemplo, a 20°C), que a solução sólida monofásica da fase existe entre o chumbo puro e uma composição de aproximadamente 2%p Sn-98%p Pb. Além disso, a faixa de composições ao longo da qual a fase é estável encontra-se entre aproximadamente 99%p Sn-1%p Pb e o estanho puro. Dentro dessas duas regiões de composição, a resistividade aumenta de acordo com a Equação 18.11; além disso, no gráfico apresentado, a resistividade do Pb puro está representada (esquematicamente) como sendo maior que a resistividade do Sn puro, conforme o enunciado do problema. Além disso, para composições entre esses dois extremos, tanto a fase quanto a fase coexistem, e a resistividade da liga será uma função das resistividades das fases individuais e das suas frações volumétricas, como descrito pela Equação 18.12. As frações mássicas das fases e na região bifásica na Figura 9.8 variam linearmente com a mudança na composição (de acordo com a regra da alavanca). Existe uma disparidade razoável entre as massas específicas do Pb e do Sn (11,35 g/cm3 contra 7,3 g/cm3). Dessa forma, de acordo com a Equação 9.6, as frações volumétricas das fases não serão exatamente iguais às frações mássicas, o que significa que a resistividade não sofrerá variação de forma exatamente linear com a composição. No gráfico, por conveniência, a curva nessa região foi representada como linear. A 150°C, a curva possui a mesma forma geral, e está deslocada para resistividades significativamente maiores, uma vez que as resistividades aumentam com o aumento da temperatura (Equação 18.10 e Figura 18.8). Além disso, a partir da Figura 9.8, a 150°C, a solubilidade do Sn no Pb aumenta até aproximadamente 10%p Sn – isto é, o campo da fase é mais largo e o aumento da resistividade devido ao efeito da solução sólida estende-se ao longo de uma faixa maior de composições, o que também pode ser observado na figura. O comportamento da resistividade em função da temperatura é semelhante no lado rico em estanho, onde a 150°C o campo da fase estende-se até aproximadamente 2%p Pb (98%p Sn). E, como acontece à temperatura ambiente, para as composições na região bifásica + , o gráfico é aproximadamente linear, estendendo-se entre os valores de resistividade encontrados nas composições das solubilidades máximas das duas fases.
Ver if icação de Conceitos 18.3 Pergunta: Dentre o ZnS e o CdSe, qual apresentará a maior energia de espaçamento entre bandas Ee? Cite a(s) razão(ões) para essa escolha. Resposta: O sulfeto de zinco apresentará uma energia do espaçamento maior entre bandas que o seleneto de cádmio. Ambos são compostos do tipo II-VI, e o Zn e o S estão, ambos, verticalmente acima do Cd e do Sn na tabela periódica (Figura 2.6). Ao mover-se de baixo para cima na tabela periódica, o valor de Ee aumenta.
40 • Propriedades Elétricas
Ver if icação de Conceitos 18.4 Pergunta: Em temperaturas relativamente elevadas, tanto os materiais semicondutores dopados com doadores quanto com receptores exibirão comportamento intrínseco (Seção 18.12). Com base nas discussões da Seção 18.5 e da seção anterior, trace um gráfico esquemático da energia de Fermi em função da temperatura para um semicondutor do tipo n até uma temperatura na qual ele se torna intrínseco. Anote também nesse gráfico as posições de energia correspondentes ao topo da banda de valência e à parte inferior da banda de condução. Resposta: A seguir está mostrado o gráfico esquemático da energia de Fermi em função da temperatura.
Como foi observado na seção anterior, em temperaturas baixas o material é extrínseco e a energia de Fermi está localizada próxima ao topo do espaçamento entre bandas, na vizinhança do nível doador para um semicondutor do tipo n. Com o aumento da temperatura, o material irá eventualmente tornar-se intrínseco, e a energia de Fermi ficará localizada próxima ao centro do espaçamento entre bandas (Seção 18.5).
Ver if icação de Conceitos 18.5 Pergunta: O Zn atuará como um doador ou um receptor quando for adicionado ao composto semicondutor GaAs? Por quê? (Considere que o Zn é uma impureza substitucional.) Resposta: O Zn atuará como um receptor no GaAs. Uma vez que o Zn é um elemento do grupo IIB na tabela periódica, ele substituirá o Ga; além disso, um átomo de Zn possui um elétron de valência a menos que o átomo de Ga.
Ver if icação de Conceitos 18.6 Pergunta: Com base na Figura 18.17, conforme o nível de dopagem aumenta, você espera que a temperatura na qual um semicondutor torna-se intrínseco aumente, permaneça essencialmente a mesma ou diminua? Por quê? Resposta: De acordo com a Figura 18.17, conforme aumenta o nível de dopagem, a posição da linha horizontal para a “Região Extrínseca” se move para cima. Dessa forma, o ponto no qual a região intrínseca se torna dominante se move horizontalmente para temperaturas mais elevadas.
Propriedades Elétricas • 41
Ver if icação de Conceitos 18.7 Pergunta: Com base na curva para a concentração de elétrons em função da temperatura para o silício do tipo n mostrada na Figura 18.17 e na dependência do logaritmo da mobilidade dos elétrons em função da temperatura (Figura 18.19a), trace um gráfico esquemático do logaritmo da condutividade elétrica em função da temperatura para o silício que foi dopado com 1021 m3 de uma impureza doadora. Em seguida, explique sucintamente a forma dessa curva. Lembre que a Equação 18.16 expressa a dependência da condutividade em relação à concentração de elétrons e à mobilidade dos elétrons. Resposta: O gráfico esquemático para o logaritmo da condutividade elétrica em função da temperatura está mostrado a seguir.
De acordo com a Equação 18.16, a condutividade elétrica de um semicondutor do tipo n é proporcional ao produto da concentração de elétrons (n) e da mobilidade dos elétrons (e) – ou seja, ne A partir da Figura 18.19a, não existe qualquer curva para n = 1021 m3; entretanto, se fosse traçada, ela iria se encontrar entre as curvas para “< 1020 m3” e “1022 m3” e teria a mesma forma geral delas – ou seja, o logaritmo da mobilidade dos elétrons diminui com o aumento da temperatura. Vamos agora considerar individualmente as três regiões no gráfico do logaritmo da concentração de elétrons em função da temperatura da Figura 18.17. Para a região de “congelamento” da curva (isto é, para baixas temperaturas), o logaritmo da concentração de elétrons aumenta significativamente com o aumento da temperatura. O produto dessa parte da curva e da região da curva na Figura 18.19a ao longo da faixa de temperaturas comparável leva a um aumento resultante no logaritmo da condutividade com o aumento da temperatura (de acordo com o gráfico apresentado) – a diminuição de log e com a temperatura é mais gradual que o aumento de log n. Ao longo da “região extrínseca” da Figura 18.17, log n permanece constante com o aumento da temperatura, enquanto log e continua a diminuir (de acordo com a Figura 18.19a). O resultado final de se tomar o produto dessas duas curvas é que a condutividade diminuirá com o aumento da temperatura. Segue-se que a curva para o log em função da temperatura terá que passar necessariamente por um valor máximo em alguma temperatura imediatamente abaixo do início da região extrínseca. Finalmente, para a “região intrínseca” da Figura 18.17, log n aumenta drasticamente com a temperatura, enquanto log e continua a diminuir (embora de uma maneira não tão drástica, Figura 18.19a); o resultado final de se fazer o produto dessas duas curvas é um aumento da condutividade elétrica com o aumento da temperatura, conforme mostrado no gráfico. Além disso, a curva de log em função da temperatura também passa por um mínimo em alguma temperatura próxima ao início da região intrínseca da Figura 18.17.
42 • Propriedades Elétricas
Ver if icação de Conceitos 18.8 Pergunta: Você esperaria que um aumento na temperatura influenciasse a operação de transistores e retificadores de junção p–n? Explique. Resposta: Se a temperatura de um retificador de junção p–n ou de um transistor de junção for elevada o suficiente, os materiais semicondutores irão se tornar intrínsecos e o dispositivo irá se tornar inoperante. Além disso, poderá ocorrer a difusão do componente dopante de uma região p para uma região n e vice-versa, o que também levaria a problemas de desempenho.
Ver if icação de Conceitos 18.9 Pergunta: No titanato de chumbo sólido (PbTiO3), qual(is) tipo(s) de polarização é(são) possível(is)? Por quê? Observação: o titanato de chumbo tem a mesma estrutura cristalina que o titanato de bário (Figura 18.35). Resposta: As polarizações eletrônica, iônica e de orientação seriam observadas no titanato de chumbo. A polarização eletrônica ocorre em todos os materiais dielétricos. O chumbo, o titânio e o oxigênio seriam, sem dúvida, de natureza altamente iônica. Além disso, a polarização de orientação também é possível, uma vez que momentos de dipolo permanentes podem ser induzidos da mesma maneira que para o BaTiO3, como está mostrado na Figura 18.35.
Ver if icação de Conceitos 18.10 Pergunta: Você esperaria que as dimensões físicas de um material piezoelétrico, tal como o BaTiO3, mudassem quando ele fosse submetido a um campo elétrico? Por que sim, ou por que não? Resposta: Sim, as dimensões físicas de um material piezoelétrico como o BaTiO3 mudam quando ele é submetido a um campo elétrico. Como foi observado na Figura 18.36, uma voltagem (ou um campo elétrico) é gerada quando as dimensões de um material piezoelétrico são alteradas. Seria lógico esperar que o efeito inverso ocorresse – ou seja, que a colocação do material em um campo elétrico causasse mudanças em suas dimensões físicas.
Capítulo
19
Propriedades Térmicas
Ver if icação de Conceitos 19.1 Pergunta: (a) Explique por que um anel de latão na tampa de uma jarra de vidro afrouxará quando o conjunto for aquecido. (b) Suponha que o anel seja feito de tungstênio, em vez de latão. Qual será o efeito do aquecimento da tampa e da jarra? Por quê? Resposta: (a) Um anel de latão na tampa de uma jarra de vidro afrouxará quando aquecido, pois o latão tem um coeficiente de expansão térmica maior [20 106 (°C)1, contra aproximadamente 9 106 (°C)1 para o vidro, Tabela 19.1]. (b) Se o anel for feito de tungstênio, em vez de latão, o anel apertará a jarra quando aquecido, uma vez que o vidro expandirá mais que o tungstênio. Os valores de l para o vidro e o tungstênio são de 9 106 (°C)1 e 4,5 106 (°C)1, respectivamente.
Ver if icação de Conceitos 19.2 Pergunta: A condutividade térmica de um aço carbono comum é maior que a de um aço inoxidável. Por que isso ocorre? Sugestão: você pode querer consultar a Seção 11.2. Resposta: A condutividade térmica de um aço carbono comum é maior que a de um aço inoxidável porque este possui concentrações muito mais elevadas de elementos de liga. Os átomos desses elementos de liga servem como centros de espalhamento para os elétrons livres que estão envolvidos no processo de transporte térmico.
Ver if icação de Conceitos 19.3 Pergunta: A condutividade térmica de uma amostra de uma cerâmica monocristalina é ligeiramente maior que a de uma amostra policristalina do mesmo material. Por que isso ocorre? Resposta: A condutividade térmica de um monocristal é maior que a de uma amostra policristalina do mesmo material porque tanto os fônons quanto os elétrons livres são espalhados nos contornos dos grãos, diminuindo, dessa forma, a eficiência do transporte térmico.
Ver if icação de Conceitos 19.4 Pergunta: Dentre um polietileno linear (Mn 450.000 g/mol) e um polietileno levemente ramificado (Mn 650.000 g/mol), qual possui a maior condutividade térmica? Por quê? Sugestão: você pode querer consultar a Seção 14.11. Resposta: O polietileno linear possuirá maior condutividade que o polietileno levemente ramificado, pois o primeiro terá um grau maior de cristalinidade em virtude de sua estrutura molecular linear. Uma vez que a transferência de calor é realizada por vibrações da cadeia molecular e a coordenação dessas vibrações aumenta com a porcentagem de cristalinidade, quanto maior for a cristalinidade, maior será a condutividade térmica.
• 43
44 • Propriedades Térmicas
Ver if icação de Conceitos 19.5 Pergunta: Explique por que, em um dia frio, a maçaneta metálica da porta de um automóvel parece mais fria ao toque que um volante de plástico, apesar de ambos estarem à mesma temperatura. Resposta: Em um dia frio, a maçaneta metálica da porta parece mais fria que o volante de plástico porque o metal tem condutividade térmica maior e, portanto, conduz mais rapidamente o calor para fora da pele.
Capítulo
20
Propriedades Magnéticas
Ver if icação de Conceitos 20.1 Pergunta: Cite as principais semelhanças e diferenças entre os materiais ferromagnéticos e os ferrimagnéticos. Resposta: As semelhanças entre os materiais ferromagnéticos e os ferrimagnéticos são as seguintes: (1) Existe uma interação de acoplamento entre os momentos magnéticos de átomos/cátions adjacentes para ambos os tipos de materiais. (2) Tanto os materiais ferromagnéticos quanto os ferrimagnéticos formam domínios. (3) O comportamento B-H da histerese é exibido por ambos e, dessa forma, são possíveis magnetizações permanentes. As diferenças entre os materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos são as seguintes: (1) O acoplamento dos momentos magnéticos é paralelo para os materiais ferromagnéticos e antiparalelo para os ferrimagnéticos. (2) Os materiais ferromagnéticos, sendo materiais metálicos, são condutores elétricos relativamente bons; uma vez que os materiais ferrimagnéticos são cerâmicos, eles são isolantes elétricos. (3) As magnetizações de saturação são maiores para os materiais ferromagnéticos.
Ver if icação de Conceitos 20.2 Pergunta: Qual é a diferença entre as estruturas cristalinas do espinélio e inversa do espinélio? Sugestão: você pode querer consultar a Seção 12.2. Resposta: Tanto a estrutura cristalina do espinélio quanto a inversa do espinélio consistem em um empilhamento compacto dos ânions (íons O2) em um arranjo CFC. Há dois tipos de sítios, tetraédricos e octaédricos, entre os ânions, os quais podem ser ocupados pelos cátions. Os cátions divalentes (por exemplo, Fe2) ocupam posições tetraédricas em ambas as estruturas. A diferença está na ocupação dos cátions trivalentes (por exemplo, Fe3). No espinélio, todos os íons trivalentes estão localizados em sítios octaédricos; por outro lado, na estrutura inversa do espinélio, metade dos íons está posicionada em sítios tetraédricos, enquanto a outra metade está em sítios octaédricos.
Ver if icação de Conceitos 20.3 Pergunta: Explique por que repetidas quedas de um ímã permanente sobre o piso farão com que ele fique desmagnetizado. Resposta: A queda repetida de um ímã permanente sobre o chão fará com que ele fique desmagnetizado porque os choques fazem com que grande número dos dipolos magnéticos fiquem desalinhados devido à rotação dos mesmos.
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46 • Propriedades Magnéticas
Ver if icação de Conceitos 20.4 Pergunta: Esboce esquematicamente em um único gráfico o comportamento de B em função de H para um material ferromagnético(a) a 0 K, (b) em uma temperatura imediatamente abaixo da sua temperatura de Curie, e (c) em uma temperatura imediatamente acima da sua temperatura de Curie. Explique sucintamente por que essas curvas têm formas diferentes. Resposta: Esses comportamentos de B em função de H estão esboçados esquematicamente a seguir.
A 0 K, a magnetização de saturação será máxima e o ciclo de histerese possuirá a maior área. Em uma temperatura mais elevada (porém ainda abaixo da temperatura de Curie) a magnetização de saturação diminuirá e o tamanho do ciclo de histerese será reduzido. Finalmente, em temperaturas acima da de Curie, o comportamento ferromagnético deixa de existir e o material torna-se paramagnético, exibindo um comportamento linear de B em função de H; a inclinação desse segmento de linha é muito pequena.
Propriedades Magnéticas • 47
Ver if icação de Conceitos 20.5 Pergunta: Esboce esquematicamente o comportamento da histerese para um material ferromagnético que está sendo gradualmente desmagnetizado por sua reciclagem em um campo H que muda de direção e diminui de magnitude. Resposta: Um esboço esquemático mostrando o comportamento da histerese para um material ferromagnético que está sendo gradualmente desmagnetizado ao ser ciclado em um campo H que muda de direção e diminui de magnitude está mostrado a seguir.
Ver if icação de Conceitos 20.6 Pergunta: Para os materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos, é possível controlar de diversas maneiras (por exemplo, mudanças na microestrutura e adições de impurezas) a facilidade pela qual as paredes do domínio se movem conforme o campo magnético é variado. Esboce um ciclo de histerese esquemático de B em função de H para um material ferromagnético e superponha nesse gráfico as alterações que ocorreriam no ciclo se os movimentos dos contornos dos domínios fossem impedidos. Resposta: O impedimento do movimento das fronteiras dos domínios melhorará a coercividade do material magnético, sem produzir uma mudança significativa na densidade do fluxo de saturação. Dessa forma, os comportamentos esquemáticos de B em função de H com e sem a obstrução das fronteiras dos domínios estão mostrados na figura.
Capítulo
21
Propriedades Ópticas
Ver if icação de Conceitos 21.1 Pergunta: Discuta sucintamente as semelhanças e as diferenças entre os fótons e os fônons. Sugestão: pode ser útil consultar a Seção 19.2. Resposta: As semelhanças entre os fótons e os fônons são: 1) Ambos podem ser descritos como de natureza ondulatória. 2) A energia para ambos é quantizada. As diferenças entre os fótons e os fônons são: 1) Os fônons são ondas elásticas que existem no interior dos materiais sólidos. Os fótons são pacotes de energia eletromagnética que podem existir nos materiais sólidos, assim como em outros meios. 2) Existe uma diferença considerável entre as velocidades dos fótons e dos fônons. A velocidade de um fóton é a mesma que a velocidade da luz no meio em questão; para um fônon, sua velocidade é a do som.
Ver if icação de Conceitos 21.2 Pergunta: A radiação eletromagnética pode ser tratada a partir das perspectivas clássica ou da mecânica quântica. Compare sucintamente esses dois pontos de vista. Resposta: A partir da perspectiva clássica, a radiação eletromagnética é de natureza ondulatória e as possíveis energias da radiação são contínuas. A partir da perspectiva da mecânica quântica, a radiação eletromagnética é de natureza dupla (sendo tanto ondulatória quanto uma partícula) e nem todas as energias são possíveis (isto é, a energia é quantizada).
Ver if icação de Conceitos 21.3 Pergunta: Por que os metais são transparentes às radiações de alta frequência, os raios X e os raios ? Resposta: Os metais são transparentes às radiações de alta frequência, os raios X e os raios , pois as energias desses tipos de radiação são maiores que a da luz visível; as excitações eletrônicas que correspondem a essas energias (com a absorção de energia) não são possíveis porque as energias para tais transições seriam para dentro de um espaçamento entre bandas de energia acima da mais elevada banda de energia parcialmente preenchida.
Ver if icação de Conceitos 21.4 Pergunta: Quais dentre os seguintes óxidos, quando adicionados à sílica fundida (SiO2), aumentarão seu índice de refração: Al2O3, TiO2, NiO, MgO? Por quê? A Tabela 12.3 pode ser útil.
48 •
Propriedades Ópticas • 49 Resposta: Nos materiais iônicos, quanto maior for o tamanho dos íons componentes, maior será o grau de polarização eletrônica. Ao consultar a Tabela 12.3, observamos que os íons Al3+, Ti+4, Ni2+ e Mg2+ são todos de maior tamanho que o íon Si4+ (0,053 nm, 0,061 nm, 0,069 nm e 0,072 nm, respectivamente, contra 0,040 nm), e, portanto, todos esses íons aumentarão o índice de refração quando forem adicionados ao SiO2.
Ver if icação de Conceitos 21.5 Pergunta: Os elementos semicondutores silício e germânio são transparentes à luz visível? Por que sim, ou por que não? Sugestão: pode ser útil consultar a Tabela 18.3. Resposta: Queremos decidir se o Si e o Ge são transparentes à luz visível com base em suas energias do espaçamento entre bandas. A Tabela 18.3 cita 1,11 eV e 0,67 eV, respectivamente, para os valores de Ee para esses dois semicondutores. De acordo com a Equação 21.16b, os semicondutores com energias do espaçamento entre bandas menores que aproximadamente 1,8 eV são opacos à luz visível. Dessa forma, tanto o Si quanto o Ge enquadram-se nessa categoria, e toda a luz visível é absorvida por transições eletrônicas da banda de valência para a banda de condução através de seus razoavelmente estreitos espaçamentos entre bandas de energia.
Ver if icação de Conceitos 21.6 Pergunta: Compare os fatores que determinam as cores características dos metais e dos materiais não metálicos transparentes. Resposta: A cor característica de um metal é determinada pela distribuição de comprimentos de onda da radiação luminosa não absorvida que é refletida. A cor característica de um não metal transparente é determinada pela distribuição de comprimentos de onda da radiação luminosa não absorvida que é transmitida através do material.
Ver if icação de Conceitos 21.7 Pergunta: O material semicondutor seleneto de zinco (ZnSe), que possui um espaçamento entre bandas de energia de 2,58 eV, é fotocondutor quando exposto a uma radiação de luz visível? Por que sim, ou por que não? Resposta: O seleneto de zinco, com um espaçamento entre bandas de energia de 2,58 eV, é fotocondutor. Para ser fotocondutor, os elétrons devem ser excitados a partir da banda de valência para a banda de condução pela absorção de radiação luminosa. De acordo com a Equação 21.16a, a energia máxima para o espaçamento entre bandas de energia para a qual pode haver absorção de luz visível é de 3,1 eV; uma vez que a energia do espaçamento entre bandas para o ZnSe é menor que esse valor, haverá transições eletrônicas fotoinduzidas da banda de valência para a banda de condução.