1b) 1.5 val. Calcule a densidade (massa específica) teórica do Cr em kg/m 3, sabendo que a massa atómica é 51,996 g/mol. (N a = 6,023 x ).

Transcrição

1 1a) 0.5 val. A 20 ºC, o crómio (Cr) apresenta estrutura cúbica de corpo centrado (CCC.), sendo o seu raio atómico R = 0,125 nm. Faça um esboço da célula estrutural do Cr. Diga o nome da rede e qual a base (ou motivo). 1b) 1.5 val. Calcule a densidade (massa específica) teórica do Cr em kg/m 3, sabendo que a massa atómica é 51,996 g/mol. (N a = 6,023 x ). 1c) 0.5 val. Represente (se possível), na célula unitária fornecida, os planos e direcções cristalográficos de índices (justifique os casos de impossibilidade): ; i) ( ) ii) ( 2 2 3) ; iii) ( 2 1 1) 1 ; iv) [ 1 1 2] ; v) [ 2 1]. 1d) 0.3 val. Para cristais hexagonais, represente na figura (se possível, justificando os casos de impossibilidade) os seguintes planos cristalográficos: i) ii) iii)

2 1e) 0.3 val. Indique uma semelhança e duas diferenças entre as estruturas CFC e HC. 1f) 0.5 val. i) Qual a utilidade da técnica de difracção de raios-x em Ciência de Materiais? ii) Com base na lei de Bragg, n λ = 2 d hkl sen( θ ), indique porque se usam raios-x, normalmente num intervalo de comprimentos de onda λ = Å, em experiências de difracção realizadas nos materiais cristalinos de uso corrente em engenharia (metais, cerêmicos) e não radiação visível (λ = Å) nem, por outro lado, raios-gama (λ < 0.1 Å). (note a ordem de grandeza dos parâmetros de rede). 2. Um provete prismático de base quadrada, inicialmente com 20 cm de comprimento de prova (distância entre pontos de referência) e 1 cm de lado de base, foi submetido a um esforço uniaxial primeiro de compressão e depois de tracção. (Dado: E =200 GPa). a) 0.4 val. Supondo que o material ainda se encontra em regime elástico, calcule a tensão que provoca uma extensão de -0,09%. Calcule também o valor da respectiva força de compressão. b) 0.2 val. O provete da alínea anterior foi depois descarregado até ao valor de carga nula. Qual era o seu comprimento nesse instante? Justifique. c) 0.8 val. O provete da alínea anterior é depois submetido a um esforço de tracção. Após ter sido ultrapassada a tensão de cedência, atingiu-se a força de 20 kn, sendo que nesse instante a distância entre os pontos de referência era de 24 cm. Determine, para esse instante: a tensão nominal, a tensão real, a extensão nominal e a extensão real. d) 0.4 val. Comente a seguinte frase: Para o regime elástico em metais e cerâmicos, é praticamente indiferente falar de valores reais ou nominais para as tensões e para as extensões.

3 Ciência de Materiais. 2008/09. 2º sem. LEGI. 2º EXAME/ Repescagens dos TESTES. Jul Realizou-se o ensaio de tracção a uma amostra de um material cerâmico (nitreto de sílicio), tendose obtido os seguintes resultados (no final o provete fracturou): σ / MPa ε / % a) 1.0 val. Com base na tabela acima, trace o gráfico tensão / estensão e determine o módulo de Young, a tensão máxima e o módulo de resiliência. b) 0.3 val. Caracterize este material do ponto de vista do seu comportamento mecânico. Justifique esse comportamento, com base naquilo que sabe acerca da estrutura dos materiais cerâmicos. c) 0.6 val. i)realizou-se outro ensaio mecânico a uma nova peça de nitreto de silício, sendo que neste caso a amostra fracturou aos 600 MPa, devido à presença de uma fenda. Calcule o tamanho da fenda que provocou essa fractura. Sabe-se que a tenacidade à fractura é K IC = 6 MPa m 1/2. Considere Y = 1,0 na expressão: Y σ π a. ii) O que teria sucedido se a fenda fosse 4 vezes maior? 4. a) 0.15 val. i) Diga em que consistem os defeitos de Schottky e de Frenkel; ii) indique a razão de esses defeitos não serem encontrados em metais. b) 0.75 val. Classifique os defeitos cristalinos quanto à sua dimensão macroscópica. Dê um exemplo concreto de cada um desses defeitos e indique (justificando, de forma sucinta) qual será o respectivo efeito no comportamento mecânico dos materiais metálicos.

4 Ciência de Materiais. 2008/09. 2º sem. LEGI. 2º EXAME/ Repescagens dos TESTES. Jul c) 0.4 val. Diga o que entende por fluência e indique em que condições/situações práticas esse fenómeno é particularmente relevante. 4 d) 0.5 val. i) Trace, de forma qualitativa, uma curva de fluência de um material metálico. ii) Indique na curva quais os vários regimes de fluência. iii) indique qual a principal característica do regime de fluência estacionária val. Relativamente às 3 principais classes de materiais usados em engenharia, classifique de forma qualitativa* os respectivos comportamentos quanto às seguintes características/propriedades**: módulo de Young, resistência mecânica, ductilidade, energia de ligação, densidade (ou massa específica), ponto de fusão *pode usar termos tais como elevado, baixo, moderado, etc. **Sugestão: organise a sua resposta na forma de uma tabela 6X3.

5 6. Considere o diagrama de equilíbrio (metaestável) de fases Fe-Fe 3 C. a) 1.0 val. Enuncie quatro transformações isotérmicas de tipos diferentes, duas bifásicas e duas trifásicas, indicando as designações por que são conhecidas, as composições das fases envolvidas e as temperaturas a que ocorrem. b) Para um aço com 1.0 %C, estude o arrefecimento suficientemente lento para poder ser considerado o diagrama de fases dessa liga desde o estado líquido, indicando: i) 0.3 val. a temperatura de início de solidificação e a composição dos primeiros núcleos de sólido; ii) 0.3 val. a temperatura de fim de solidificação e a composição do último líquido a solidificar; iii) 0.6 val. a composição e proporção das fases presentes em cada uma das seguintes temperaturas: 1147ºC, 728 ºC, 727 ºC. iv) 0.75 val.. Faça um esboço da microstrutura a 25 ºC. Justifique. Legende a figura. Indique as proporções dessas fases, distinguindo entre fases primárias e secundárias, se fôr caso disso.

6 Ciência de Materiais. 2008/09. 2º sem. LEGI. 2º EXAME/ Repescagens dos TESTES. Jul c) 0.5 val. i) Considere uma amostra do aço da alínea anterior, que é arrefecida rapidamente, em condições de não-equilíbrio, desde os 1600 ºC até aos 1100 ºC. Faça um esboço da microstrutura que se obtém no instante em que se atinge os 1100 ºC. ii) Considere que a temperatura é mantida a 1100 ºC durante 2h (intervalo de tempo suficientemente longo, de forma a que a difusão possa ocorrer de forma plena). Faça o esboço da microstrutura que pode ser observada ao fim dessas 2h. iii) Que nome daria ao tratamento descrito na subalínea ii)? 7. a) 0.75 val. Faça um esboço do diagrama TTT-AC do aço da alínea 6b). (Nota: nos casos em que tenha informação disponível para isso, identifique valores concretos de temperatura). b) 0.9 val. Considere peças do aço da alínea anterior, mantidas a 1000 ºC. Num novo esboço, represente se possível*, curvas de arrefecimento dessas peças que conduzam às seguintes microestruturas: 1.perlite grosseira 2.perlite grosseira + cementite pró-eutectóide 3.martensite 4.cementite pró-eutectóide + perlite fina 5.bainite inferior 6.perlite grosseira + cementite próeutectóide + martensite (*justifique os casos de impossibilidade) c) 0.25 val. Qual dos arrefecimentos da alínea anterior corresponde à alínea 6b)? Justifique.

7 7d) 0.8 val. Considere o endurecimento por precipitação de uma liga Al-Cu com teor em cobre inferior a 5.5%. i) Diga, sucintamente, em que consistem e qual o objectivo dos 3 passos desse tratamento: solubilização, têmpera, envelhecimento. ii) Descreva genericamente a sequência geral de precipitação que pode ocorrer nestas ligas: indique que tipos de precipitados espera que ocorram em cada uma dessas etapas, e nomeie-os no caso desta liga; mencione também os aspectos energéticos associados a essa sequência de precipitação. iii) Indique qual a evolução temporal genérica da curva de envelhecimento; justifique o aparecimento de um máximo (de dureza) nessa curva. 8. Considere o seguinte corte isotérmico do diagrama ternário Cr-Fe-Ni: a) 0.25 val. Diga qual a composição química da liga representada pela letra X. b) 0.4 val. i)indique que fases constituem a liga a essa temperatura. ii) Calcule a proporção de cada uma das fases presentes na liga X a 650 ºC. Justifique. c) 0.25 val. Marque no diagrama, com a letra P, uma liga que tenha 10% Fe e que seja bifásica a 650 ºC. d) 0.25 val. Marque no diagrama, com a letra Q, uma liga de composição 20% Cr, 40% Ni val. Com base no modelo de bandas de energia em sólidos, explique por que os metais são condutores, por que os polímeros e cerâmicos são isolantes e por que os semicondutores têm uma condutividade eléctrica intermédia relativamente a condutores e isolantes.

8 10. Considere a cementação da superfície de uma roda dentada de um aço 1022 (0.22% C). a) 0.5 val. Calcule o coeficiente de difusão do C no Fe a 1000 ºC. Dados: R = J /(mol. K); D 0 (C no Fe-γ) = 2.0 * 10-5 m 2 /s; energia de activação para a difusão = 1.42 x 10 5 J/mol. b) Se o teor superficial em C fôr 1.22%C, e admitindo que é valida a seguinte solução da 2ª lei de Fick: CS C( z, t) z = erf CS CO 2 Dt calcule no caso em que a cementação é realizada a 1000ºC: i) 0.5 val. o tempo necessário para se obter o valor 0.32%C para a composição do aço a 1.0 mm abaixo da superfície; ii) 0.5 val. A profundidade a que se encontra a composição eutectóide, C(z, t= 20h) =0.76%C, ao fim de 20h de tratamento. c) 0.6 val. i) Defina nucleação homogénea e nucleação heterogénea. ii) Explique por que os sobrearrefecimentos em nucleação heterogénea são substancialmente menores do que em nucleação homogénea. iii) Dê uma explicação plausível para o facto das bolhas dos refrigerantes gaseificados, invisíveis antes da abertura, se formarem -após a mesma- preferencialmente na superfície dos respectivos recipientes.