1. Propriedades mecânicas de materiais sob tensão estática uniaxial
1. Definição:
Mania: Craze é um tipo de defeito que ocorre no processo de deformação de materiais poliméricos. Aparece como uma cor prateada devido à sua baixa densidade e alta refletividade à luz. A mania ocorre nas partes fracas ou defeituosas dos materiais poliméricos.
Superplasticidade: Sob certas condições, o material apresenta um alongamento muito grande (em torno de 1000%) sem estrangulamento ou ruptura, o que é chamado de superplasticidade. A proporção de deformação gerada pelo deslizamento do limite de grão, εg, na deformação total, εt, é normalmente entre 50% e 70%, indicando que o deslizamento do limite de grão desempenha um papel importante na deformação superplástica.
Fratura frágil: Antes da fratura do material, não há deformação plástica macroscópica óbvia nem sinais de alerta. Este processo é muitas vezes repentino e rápido, o que o torna muito perigoso.
Fratura Dúctil: O processo de fratura que mostra deformação plástica macroscópica óbvia antes e durante a fratura. Na fratura dúctil, o processo de propagação da trinca é geralmente lento e consome uma grande quantidade de energia de deformação plástica.
Fratura de Clivagem: A fratura frágil ao longo de um plano cristalino específico, causada pela destruição das ligações entre os átomos sob tensão normal, é chamada de fratura por clivagem. A etapa de clivagem, o padrão do rio e o padrão da língua são as características microscópicas básicas da fratura por clivagem.
Fratura por cisalhamento: Fratura por cisalhamento é a fratura causada pelo deslizamento e separação do material ao longo do plano de deslizamento sob tensão de cisalhamento. A fratura por agregação de microporos é um modo comum de fratura dúctil em materiais. A superfície da fratura é geralmente cinza escura e fibrosa na macro, enquanto a superfície da microfratura apresenta um padrão característico de muitas “ondulações” distribuídas na superfície.
2. Tente descrever a diferença entre fratura dúctil e fratura frágil. Por que a fratura frágil é a mais perigosa?
Tipo de tensão, grau de deformação plástica, presença ou ausência de presságio e velocidade de propagação da fissura.
3. Qual é a diferença entre resistência à ruptura σc e resistência à tração σb?
Se o material não sofrer nenhuma deformação plástica ou muito pouca deformação plástica antes da fratura, e a fratura frágil ocorrer sem estricção, então a tensão crítica, σc, é igual à tensão de ruptura, σb.
No entanto, se o estrangulamento ocorrer antes da fratura, σc e σb não são iguais.
4. A que âmbito se aplica a fórmula de Griffith e em que circunstâncias deverá ser revista?
A fórmula de Griffith é apropriada apenas para sólidos frágeis contendo microfissuras, como vidro, materiais cristalinos inorgânicos e aço de ultra-alta resistência.
Para muitos materiais estruturais de engenharia, como aço estrutural e materiais poliméricos, a ponta da trinca sofre deformação plástica significativa, o que consome uma grande quantidade de energia de deformação plástica.
Portanto, a fórmula de Griffith deve ser modificada para refletir com precisão este fenómeno.
2. Propriedades mecânicas de materiais sob tensão estática uniaxial
1. Coeficiente suave de estado de tensão
A razão entre a tensão de cisalhamento máxima, τmax, e a tensão normal máxima, σmax, é chamada de coeficiente de suavidade do estado de tensão, denotado por α.
Quanto maior for α, maior se tornará o componente de tensão de cisalhamento máximo, indicando um estado de tensão mais suave e maior facilidade de deformação plástica no material.
Por outro lado, quanto menor for α, mais difícil se torna o estado de tensão, levando a uma fratura mais frágil.
2. Como entender o fenômeno do “reforço do entalhe” dos materiais plásticos?
Quando uma amostra tem um entalhe, sua tensão de escoamento é maior do que a de uma amostra sob tensão uniaxial devido à presença de tensão triaxial, que é chamada de fenômeno de “reforço do entalhe”.
No entanto, este “reforço de entalhe” não pode ser considerado um método de reforço de material, pois é apenas resultado da deformação plástica do material restringido por tensões tridimensionais.
Neste caso, o valor de σs do próprio material permanece inalterado.
3. As características e o escopo de aplicação dos testes uniaxiais de tensão, compressão, flexão e torção são comparados de forma abrangente.
Revisado:
Na tensão unidirecional, o componente de tensão normal é grande, enquanto o componente de tensão de cisalhamento é pequeno, resultando em um estado de tensão forte.
Este teste é normalmente aplicado a materiais com baixa resistência à deformação plástica e resistência ao corte, conhecidos como materiais plásticos.
A compressão unidirecional tem um coeficiente de suavidade de estado de tensão de a = 2 e é usada principalmente para testar materiais frágeis.
Os testes de flexão não sofrem com a deflexão da amostra que ocorre durante os testes de tração.
Na flexão, a distribuição de tensões na seção transversal atinge seu máximo na superfície, tornando-a uma forma eficaz de refletir defeitos superficiais em materiais.
Teste de torção: O coeficiente de suavidade do estado de tensão na torção é maior do que na tensão, tornando-o um método eficaz para avaliar a resistência e a plasticidade de materiais que são frágeis sob tensão.
No teste de torção, a distribuição de tensão na seção da amostra é mais alta na superfície, tornando-a altamente sensível ao endurecimento superficial do material e aos defeitos superficiais.
O teste de torção resulta em tensão normal e tensão de cisalhamento aproximadamente iguais.
A superfície de fratura no teste de torção é perpendicular ao eixo da amostra e é frequentemente usada para avaliar materiais plásticos.
Na fratura normal, o ângulo entre a superfície da fratura e o eixo da amostra é de aproximadamente 45 graus, devido à tensão normal. Materiais frágeis frequentemente apresentam esse tipo de superfície de fratura.
4. Tente comparar as semelhanças e diferenças entre o teste de dureza Brinell e os princípios do teste de dureza Vickers, e compare as vantagens e desvantagens do teste de dureza Brinell, do teste de dureza Rockwell e do teste de dureza Vickers e seu escopo de aplicação.
O princípio do teste de dureza Vickers é semelhante ao teste de dureza Brinell, pois ambos os métodos calculam valores de dureza com base na carga por unidade de área da indentação.
A principal diferença entre os dois testes é o tipo de penetrador utilizado. No teste de dureza Vickers, é empregado um penetrador de pirâmide de diamante com ângulo de 136 graus entre lados opostos. Em contraste, o teste de dureza Brinell utiliza uma esfera de aço endurecido ou uma esfera de liga dura como penetrador.
Vantagens do teste de dureza Brinell:
A grande área de indentação do teste de dureza Brinell o torna capaz de refletir o desempenho médio de cada fase constituinte em uma grande área, e os resultados do teste são estáveis e altamente repetíveis.
Como resultado, o teste de dureza Brinell é particularmente adequado para medir a dureza de materiais como ferro fundido cinzento e ligas de rolamentos.
Desvantagens do teste de dureza Brinell:
O grande diâmetro de indentação do teste de dureza Brinell torna-o geralmente inadequado para inspeção direta de produtos acabados.
Além disso, a necessidade de substituir o diâmetro e a carga do penetrador para materiais com dureza variável, bem como a inconveniência de medir o diâmetro do penetrador, são desvantagens adicionais do teste.
Vantagens do teste de dureza Rockwell:
Operação fácil e rápida;
O recuo é pequeno e a peça pode ser inspecionada diretamente;
Desvantagens:
Má representação devido ao pequeno recuo;
Os valores de dureza medidos com diferentes escalas não podem ser diretamente comparados nem trocados.
O teste de dureza Vickers tem muitas vantagens:
Medição precisa e confiável;
Você pode selecionar qualquer carga.
Além disso, a dureza Vickers não apresenta o problema de que a dureza de diferentes escalas de dureza Rockwell não pode ser unificada e a espessura da peça de teste é mais fina do que a da dureza Rockwell.
Desvantagens do teste de dureza Vickers:
Seu método de medição é problemático, sua eficiência de trabalho é baixa, a área de indentação é pequena e sua representatividade é baixa, por isso não é adequado para inspeção de rotina de produção em massa.
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3. Resistência ao impacto e fragilidade dos materiais a baixas temperaturas
1. Fragilidade em baixa temperatura, temperatura de transição dúctil e frágil.
Quando a temperatura durante o teste cai abaixo de uma certa temperatura, tk (a temperatura de transição dúctil-frágil), materiais como CCC ou metais e ligas de cristal hexagonal compactados, particularmente aços estruturais de média e baixa resistência comumente usados em engenharia, passam por uma transição de um estado dúctil para um estado frágil, resultando em uma diminuição significativa na energia de absorção de impacto.
Esta transição é caracterizada por uma mudança no modo de fratura de agregação de microporos para clivagem transgranular e uma mudança na aparência da fratura de fibrosa para cristalina, um fenômeno conhecido como fragilidade a baixa temperatura.
2. A essência física da fragilidade em baixa temperatura e seus fatores que influenciam são explicados.
Em temperaturas abaixo da temperatura de transição dúctil-frágil, a resistência à fratura é inferior à resistência ao escoamento, resultando em comportamento frágil em baixas temperaturas.
A. Influência da estrutura cristalina: Metais cúbicos de corpo centrado e suas ligas apresentam fragilidade em baixas temperaturas, enquanto metais cúbicos de face centrada e suas ligas geralmente não apresentam fragilidade em baixas temperaturas.
A fragilidade a baixa temperatura dos metais CCC pode estar intimamente relacionada ao fenômeno de rendimento tardio.
B. A influência da composição química: o conteúdo de elementos de soluto intersticial aumenta, a maior energia diminui e a temperatura de transição dúctil e frágil aumenta.
C. Influência da microestrutura: refinar o grão e a estrutura pode aumentar a tenacidade dos materiais.
D. Influência da temperatura: É relativamente complexo e quebradiço (frágil azul) ocorre dentro de uma determinada faixa de temperatura.
E. Efeito da taxa de carregamento: Aumentar a taxa de carregamento é como diminuir a temperatura, o que aumenta a fragilidade do material e aumenta a temperatura de transição dúctil e frágil.
F. Influência do formato e tamanho da amostra: quanto menor o raio de curvatura do entalhe, maior será o tk.
3. A razão para melhorar a tenacidade através do refinamento dos grãos?
Os limites de grão servem como resistência à propagação de trincas.
A redução no número de discordâncias no empacotamento do limite pré-grão ajuda a reduzir a concentração de tensões.
Um aumento na área total dos limites dos grãos reduz a concentração de impurezas ao longo dos limites dos grãos, reduzindo assim a probabilidade de fratura frágil intergranular.
4. Resistência à fratura dos materiais
1. Fratura frágil de baixa tensão
Quando a tensão de trabalho de peças grandes não é alta, mesmo muito abaixo do limite de escoamento, ocorre frequentemente fratura frágil, que é chamada de fratura frágil de baixa tensão.
2. Explique os nomes e significados dos seguintes símbolos: KIc; JIc; GIc; δc.
KIC (o fator de intensidade do campo tensão-deformação na ponta da trinca no corpo da trinca) é uma medida da tenacidade à fratura por deformação plana e representa a capacidade de um material de resistir à propagação instável de trinca sob condições de deformação plana.
JIc (a energia de deformação na ponta da trinca) também é conhecida como tenacidade à fratura e representa a capacidade de um material de resistir ao início e à propagação da trinca.
GIc representa a energia consumida por unidade de área para evitar a propagação instável de trincas em um material.
δC (deslocamento de abertura de fissura), também conhecido como tenacidade à fratura do material, indica a capacidade do material de impedir o início da expansão da fissura.
3. Explique as semelhanças e diferenças entre KI e KIc.
KI e KIC são dois conceitos distintos.
KI é um parâmetro mecânico que representa a resistência do campo tensão-deformação na ponta da trinca no corpo da trinca e depende da tensão aplicada, do tamanho da amostra e do tipo de trinca, mas é independente do material.
Por outro lado, KIC é um índice de propriedade mecânica do material que depende de fatores internos como composição e estrutura, mas não é afetado por fatores externos como tensão aplicada e tamanho da amostra.
A relação entre KI e KIC é semelhante àquela entre σ e σs, onde KI e σ são parâmetros mecânicos, e KIC e σs são índices de propriedades mecânicas dos materiais.
5. Propriedade de fadiga dos materiais
1. Quais são as características da falha por fadiga?
(1) Este tipo de falha é uma falha repentina e inesperada que ocorre sem deformação plástica perceptível antes da falha por fadiga e é caracterizada por fratura frágil.
(2) A falha por fadiga é um tipo de fratura retardada por ciclo de baixa tensão.
(3) A fadiga é altamente sensível a defeitos como entalhes, rachaduras e defeitos estruturais.
(4) As formas de fadiga podem ser classificadas de diversas maneiras.
De acordo com o estado de tensão, as formas de fadiga incluem fadiga por flexão, fadiga por torção, fadiga por tensão e compressão, fadiga por contato e fadiga composta.
Com base no nível de tensão e na vida útil da fratura, a fadiga pode ser classificada em fadiga de alto ciclo e fadiga de baixo ciclo.
2. Quantas áreas características da superfície de fratura por fadiga?
Fonte de fadiga, zona de crescimento de trinca por fadiga e zona de fratura transitória.
3. Tente descrever as semelhanças e diferenças entre σ-1e ΔKº.
σ-1 (resistência à fadiga) representa a resistência à fadiga de vida infinita de amostras lisas, que é adequada para projeto e verificação tradicionais de resistência à fadiga;
ΔKth (valor limite de crescimento de trinca por fadiga) representa o desempenho de fadiga de vida infinita da amostra de trinca, que é adequado para o projeto e verificação de resistência à fadiga das peças trincadas.
6. Resistência ao desgaste dos materiais
1. Quantos tipos de desgaste existem? Mostra a morfologia do dano superficial.
Desgaste por adesão, desgaste abrasivo, desgaste por corrosão e desgaste por fadiga por pite (fadiga de contato).
Desgaste de adesão: A superfície de desgaste é caracterizada por crostas de diferentes tamanhos na superfície das peças.
Desgaste abrasivo: sulco formado por arranhão ou sulco óbvio na superfície de fricção.
Fadiga de contato: há muitos buracos (marcas) na superfície de contato, alguns dos quais são profundos, e há vestígios de linhas de crescimento de trincas por fadiga na parte inferior.
2. A afirmação “quanto mais duro o material, maior a resistência ao desgaste” está correta? Por que?
Correto. Porque o desgaste é inversamente proporcional à dureza.
3. Do ponto de vista da melhoria da resistência à fadiga do material, da resistência à fadiga de contato e da resistência ao desgaste, são analisadas as questões que necessitam de atenção no tratamento térmico químico.
A tensão de compressão residual da camada superficial aumenta enquanto a resistência e a dureza da superfície aumentam.
7. Desempenho de materiais em alta temperatura
1. Explique os seguintes termos:
Temperatura específica aproximada: T/Teu
Fluência: Refere-se à deformação plástica gradual de um material sob a influência de temperatura e carga constantes durante um longo período de tempo.
Resistência: Este termo refere-se à tensão máxima que um material pode suportar sem sofrer fratura por fluência, sob uma temperatura específica e dentro de um período de tempo designado.
Limite de fluência: representa a resistência de um material à deformação por fluência em alta temperatura.
Estabilidade de Relaxamento: O termo usado para descrever a capacidade de um material de resistir ao relaxamento de tensão é chamado de estabilidade de relaxamento.
2. O mecanismo de deformação por fluência e fratura dos materiais é resumido.
Os principais mecanismos de deformação por fluência em materiais incluem deslizamento de discordância, difusão atômica e deslizamento de limite de grão.
Para materiais poliméricos, o alongamento da cadeia molecular sob força externa também é um fator que contribui para a fluência.
A fratura intercristalina é uma forma comum de fratura por fluência, particularmente em altas temperaturas e baixos níveis de tensão. Isso ocorre porque a resistência dos grãos policristalinos e dos limites dos grãos diminui com a temperatura, mas esta última diminui mais rapidamente, levando a uma menor resistência dos limites dos grãos em relação à resistência dos grãos em altas temperaturas.
Existem dois modelos para explicar a fratura dos limites de grão: o modelo de deslizamento e concentração de tensão dos limites de grão e o modelo de agregação de vacâncias.
3. São discutidas as diferenças entre os mecanismos de deformação por fluência e deformação plástica de metais em altas temperaturas.
O mecanismo de deformação plástica dos metais é baseado no deslizamento e na geminação.
O mecanismo de deformação por fluência dos metais é impulsionado principalmente pelo deslizamento de discordância, fluência por difusão e deslizamento de limite de grão.
Em altas temperaturas, a temperatura elevada fornece ativação térmica para átomos e vagas, permitindo que as discordâncias se movam e continuem a causar deformação por fluência.
Sob a influência de forças externas, um campo de tensão desigual é gerado dentro do cristal, levando a diferenças na energia potencial entre átomos e lacunas. Isso resulta em difusão direcional de alta energia potencial para baixa energia potencial.
8. Propriedades térmicas dos materiais
1. Tente analisar os fatores que afetam a capacidade térmica dos materiais?
Para materiais sólidos, a capacidade térmica não é significativamente afetada pela estrutura do material.
Numa transição de fase de primeira ordem, a curva de capacidade térmica muda abruptamente e tem um valor infinito.
Numa transformação de fase de segunda ordem, a mudança ocorre gradualmente ao longo de uma faixa específica de temperatura e resulta em uma capacidade térmica máxima finita.
2. Tente explicar por que a condutividade térmica do vidro é muitas vezes várias ordens de grandeza inferior à do sólido cristalino.
Os materiais amorfos têm baixa condutividade térmica porque sua estrutura ordenada de curto alcance pode ser considerada como um cristal com grãos extremamente pequenos.
Devido ao pequeno tamanho de grão e aos numerosos limites de grão, os fônons são facilmente dispersos, levando a uma condutividade térmica significativamente reduzida.
9. Propriedades magnéticas dos materiais
1. Por que o diamagnetismo é produzido nos materiais?
Sob a ação do campo magnético, o movimento orbital dos elétrons na matéria produz diamagnetismo.
2. Quais são as principais aplicações da suscetibilidade diamagnética e paramagnética na pesquisa de metais?
Determinando a curva de solubilidade máxima no diagrama de fases da liga:
Utilizando a regra de que soluções sólidas monofásicas exibem maior paramagnetismo do que estruturas mistas bifásicas e a relação linear entre o paramagnetismo da mistura e a composição da liga, a solubilidade máxima de uma liga a uma temperatura específica e a curva de solubilidade da liga podem ser determinadas.
Investigando a decomposição de ligas de alumínio:
A transição ordem-desordem, transição de isomeria e temperatura de recristalização foram estudadas para melhor compreender a decomposição de ligas de alumínio.
3. Explique as condições em que ocorre o ferromagnetismo.
Para que um metal apresente ferromagnetismo, não é apenas necessário que seus átomos tenham momentos magnéticos de spin diferente de zero, mas também que esses momentos se alinhem espontaneamente e gerem magnetização espontânea.
4. Tente explicar as principais marcas de desempenho de materiais magnéticos macios e materiais magnéticos duros.
Os materiais magnéticos macios possuem um circuito de histerese estreito e são caracterizados por alta condutividade magnética e baixo Hc. Em contraste, os materiais magnéticos duros têm um loop de histerese espesso, altos Hc, Br e (BH)m.
10. Propriedades elétricas dos materiais
1. Explique as semelhanças e diferenças entre a teoria quântica da condução de elétrons livres e a teoria clássica da condução.
Num metal, o campo elétrico criado pelos íons positivos é uniforme e não há interação entre os elétrons de valência e os íons. Este campo é considerado uma propriedade de todo o metal e permite a livre movimentação dos elétrons por todo o metal.
De acordo com a teoria quântica do elétron livre, os elétrons internos de cada átomo do metal retêm o estado de energia de um único átomo, enquanto os elétrons de valência possuem diferentes estados de energia devido à quantização e possuem níveis de energia distintos.
A teoria da banda de energia também reconhece que os electrões de valência nos metais são partilhados e quantizados em energia, mas sugere que o campo potencial criado pelos iões nos metais não é uniforme, mas muda periodicamente.
2. Por que a resistência do metal aumenta com a temperatura, enquanto a do semicondutor diminui com a temperatura?
O aumento da temperatura intensifica a vibração iônica e aumenta a amplitude da vibração térmica, levando ao aumento da desordem atômica, redução do movimento dos elétrons e aumento da probabilidade de dispersão. Esses fatores resultam em um aumento na resistividade.
Nos semicondutores, a condução é impulsionada principalmente por elétrons e buracos. Um aumento na temperatura aumenta a energia cinética dos elétrons, levando a um aumento no número de elétrons livres e lacunas no cristal e, portanto, a um aumento na condutividade e a uma diminuição na resistência.
3. Quais são os três principais indicadores de desempenho dos supercondutores?
(1) Temperatura crítica de transição Tc
(2) Campo magnético crítico Hc
(3) Densidade de corrente crítica Jc
4. A aplicação da medição de resistência na pesquisa de metais é brevemente discutida.
A mudança na microestrutura de metais e ligas é estudada medindo a mudança na resistividade.
(1) Medir a curva de solubilidade da solução sólida
(2) Medir a temperatura de transformação na liga com memória de forma.
5. Quais são os efeitos sensíveis condutivos dos semicondutores?
Efeito térmico, efeito fotossensível, efeito sensível à pressão (sensível à tensão e sensível à pressão), efeito sensível magnético (efeito Hall e efeito de magnetorresistência), etc.
6. Quais as principais formas de danos aos materiais isolantes?
Ruptura elétrica, ruptura térmica e ruptura química.
11. Propriedades ópticas dos materiais
1. O conceito de desempenho óptico linear e seus parâmetros básicos são brevemente descritos.
Propriedades ópticas lineares: Quando a luz de uma única frequência incide sobre um meio transparente que não absorve luz, sua frequência não muda. Quando luz de diferentes frequências incide no meio ao mesmo tempo, não há interação entre as ondas de luz e nenhuma nova frequência é produzida.
Quando dois feixes de luz se cruzam, se forem luz coerente, ocorrerá interferência. Se forem luz incoerente, apenas a intensidade da luz se combinará, seguindo o princípio da superposição linear.
Outras propriedades ópticas incluem refração, dispersão, reflexão, absorção e dispersão.
2. Tenta analisar a viabilidade de preparação de produtos metálicos transparentes?
Não é prático usar metais para óptica de luz visível porque eles absorvem fortemente a luz visível. Isso ocorre porque os elétrons de valência nos metais ocupam uma banda incompleta e, após absorverem os fótons, ficam em estado excitado. Eles podem transferir energia através de colisões e produzir calor, mas não fazem a transição para a banda de condução.
3. As condições para produzir propriedades ópticas não lineares são descritas resumidamente.
A luz incidente é forte;
Requisitos de simetria dos cristais;
Correspondência de fase.
