Transcript
ICET – Curso: Engenharia de Produção (15304) e Engenharia Mecatrônica (15303) Disciplina: 664 N Ciência dos Materiais – NP1 – sem consulta. Campus: Alphaville
Data:
/
/ 2013
Nome: RA:
Turma:
Primeira Questão – 1.0 Ponto – Na bioengenharia, utilizam-se materiais metálicos para próteses humanas, substituindo-se o osso humano por peças metálicas ou com compósitos (i.e. fibra de carbono). O osso humano possui o Módulo de Elasticidade de entre 0,7 e 4 GPa, enquanto que o aço inoxidável o possui próximo a 200 GPa; as ligas de Titânio próximo a 110 GPa e as Ligas de Cobalto-Cromo em torno de 250 GPa. Tendo em vista aplicação como prótese, que características adicionais tais ligas devem possuir? Resposta: os materiais para próteses humanas precisam ser compatíveis com o corpo: leves, resistentes à corrosão em meio aquoso, estabilidade estrutural ao longo dos anos. Segunda Questão – 2.0 Pontos -- A figura 1 mostra a variação do Módulo de Young em relação à temperatura, para três o materiais metálicos. Qual fenômeno de falha relaciona os três casos? Para uma temperatura de 200 C, considerando uma deformação específica de 0,02, qual seria a tensão existente na peça feita de Tungstênio? Resposta: a) Vemos a diminuição do Módulo de Young com a temperatura, indicando que a rigidez diminui com o calor introduzido, o que é típico em mecanismo de falha por fluência; b) Nessa condição, E(W) = 400 GPa, ou 400E9 N/m2. A deformação é de 0,02, então a tensão será = 400E9 x 0,02 = 8GPa, o que é muito alto. Terceira Questão – 4.0 pontos -- O ensaio de resistência à tração para uma liga de aço carbono é mostrado na figura 2. Qual é o limite do escoamento do material? Qual é o alongamento, que é uma medida de ductilidade? Para uma peça com 200 mm2 de seção reta, qual é força atuante quando se detecta uma deformação específica de 0,03? Resposta: a) Em torno de 500 MPa, que é possível se ver na parte aumentada, situada no canto à direita da figura. b) Próximo a 0,14, abcissa limite da curva na parte da direita da figura, o máximo que se deformou axialmente. c) Com deformação de 0,03, temos a tensão aplicada de 550MPa. A força axial aplicada decorre do produto entre 550E6 x 200E-6 em Newtons, ou 110 kN, o que equivale a um peso da ordem de 11 tonf. Quarta Questão – 2.0 pontos -- Fadiga é um motivo de falha quando se tem carregamentos com tensões cíclicas (alternadas), como visto em aula, em eixos, motores e turbinas de avião. As figuras 3 e 4 mostram curvas para diferentes materiais metálicos. Para o aço 4340 (aço carbono com elementos de liga), qual é a força atuante para uma seção reta resistente de 250 mm2? Para uma amplitude de tensão de 150 MPa, quantas vezes o alumínio é mais resistente que o latão vermelho em termos de fadiga? Resposta: a) Não se especificou o número de ciclos em questão. Assumindo o limite de fadiga como 52 kgf/mm2, temos que a força será então de = 250 mm2 x 52 kgf/mm2, ou 13.000 kgf, ou a um peso de 13 tonf. b) Para a mesma amplitude de tensão, os limites de fadiga são respectivamente: 105 e 108 para os dois materiais. Assim, o Alumínio é 1000 vezes mais resistente nessas condições. Quinta Questão – 1.0 ponto -- A temperatura de transição dúctil-frágil é um fenômeno associado à redução de temperatura em materiais metálicos, o que é uma situação limite para vasos de pressão criogênicos (p.ex. com nitrogênio líquido) e cascos de navios que operam em regiões polares. A figura 5 mostra o comportamento tensão-deformação para três temperaturas para o ferro. Apesar de mais resistência em menores temperaturas, qual é a desvantagem principal em se operar nessa situação? Como podemos comparar o aço nessa situação com outros materiais, como o vidro, na temperatura ambiente? Resposta: a) Nessas condições, o material teve a sua ductilidade muito reduzida, tornando-se assim mais frágil. Com isso, em caso de cargas de impacto, ou choque, ou variações muito bruscas no carregamento, o material quebrar-se-á como material frágil, exibindo uma fratura mais lisa e sem alongamentos, o que não é bom para o aspecto de segurança industrial. b) Nessa condição de menor temperatura -200oC, o aço possui um comportamento em termos de fratura próximo do que se tem no vidro em temperatura ambiente.
1
FIGURA 1
FIGURA 2
FIGURA 3
FIGURA 4 – aço 4340
2
FIGURA 5
3
