Universidade Técnica de Lisboa

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1 Universidade Técnica de Lisboa Instituto Superior Técnico Ciência de Materiais Repescagem 2º Teste (28.Junho.2011) Resolução Pergunta Cotação 1. (a) 1,00 1. (b) 1,00 2. (a) 1,00 2. (b) 1,00 3. (a) 0,50 3. (b) 0,50 3. (c) 0,50 3. (d) 0,50 3. (e) 0,50 3. (f) 0,50 3. (g) 0,50 3. (h) 0,50 4. (a) 0,50 4. (b) 0,50 4. (c) 0,50 4. (d) 0,50 5. (a) 1,50 5. (bi) 0,50 5. (bii) 0,50 5. (biii) 1,00 5. (biv) 1,00 5. (c) 1, ,00 7. (a) 1,00 7. (b) 1,50 20,00

2 Universidade Técnica de Lisboa Instituto Superior Técnico Ciência de Materiais Repescagem 2º Teste (28.Junho.2011) Resolução 1. Considere a nucleação homogénea do gelo à temperatura de -40 C em que a energia livre de Gibbs de um agregado de moléculas é expressa por: ΔGT = πr ΔgV + 4πr γ em que: 3 Δ g V ΔHS ΔT = T ΔH S = -3,1 x 10 8 J/m 3 γ = 25 x 10-3 J/m 2 T = 0 C ρ = 1 g/cm 3 M=18 g/mol (a) O raio crítico (r*) de um núcleo de gelo considerado aproximadamente esférico será:!,!!"!! cm f f (b) O número de moléculas de gelo existentes num núcleo esférico com o tamanho crítico será: 187 moléculas 2. Considere a difusão de átomos de cobre (Cu) em prata (Ag) com uma energia de activação de 193 kj/mol e um coeficiente de difusão D=1,0 x10-14 m 2 /s à temperatura de 727 C. R = 8,314 J/(mol.K) (a) O factor pré-exponencial (D 0 ) para a difusão do Cu na Ag tem o valor:!,!"#!"!! m! /s (b) O valor do coeficiente de difusão do Cu na Ag a 927 C será:!,!"!"!!" m! /s

3 3. Considere o diagrama TTT-TI de um aço apresentado na figura seguinte onde estão representadas as curvas de arrefecimento a1 e a2. (a) Este diagrama corresponde a um aço com um teor em carbono de cerca de (% peso): 0,8 % (b) O aquecimento de uma peça deste aço à temperatura de 750 C durante 1 hora promoveria: a austenitização completa (c) Se após a austenitização completa uma peça deste aço fosse arrefecida segundo a curva a1 a microestrutura obtida à temperatura ambiente seria constituída por: bainite (d) O tratamento térmico da alínea anterior corresponde a: austêmpera (e) Se após a austenitização completa uma peça deste aço fosse arrefecida segundo a curva a2 a microestrutura obtida à temperatura ambiente seria constituída por: martensite revenida (f) O tratamento térmico da alínea anterior corresponde a: têmpera e revenido (g) Após austenitização completa o tempo que seria necessário manter uma peça deste aço à temperatura de 650 C para obter uma microestrutura constituída por perlite seria: 5 min

4 (h) Após o tratamento correspondente à alínea (g) e arrefecimento lento em forno, a peça considera-se: recozida 4. As ligas de alumínio são frequente submetidas a um tratamento de endurecimento por precipitação. (a) Para que uma liga possa ser endurecida por este mecanismo deverá: apresentar uma solução sólida terminal cuja solubilidade diminua com a diminuição de temperatura (b) As etapas que constituem este tratamento são: solubilização, têmpera e envelhecimento (c) O(s) efeito(s) deste tratamento nas propriedades mecânicas finais do material é (são): a resistência mecânica e a dureza aumentam (d) A estrutura que se pretende obter após o tratamento contém: precipitados com tamanho médio 5. Considere o diagrama de equilíbrio de fases Magnésio-Estanho (Mg-Sn) representado na figura.

5 (a) Enuncie todas as transformações isotérmicas que o diagrama apresenta indicando as fases envolvidas, as respectivas composições químicas, a temperatura a que ocorrem e a respectiva designação. Ponto de fusão do Mg puro: L (0%Sn) <-> (Mg)( 0%Sn) T = 650 C Ponto de fusão do Sn puro: L (100%Sn) <-> (βsn)( 100%Sn) T = 231,968 C Ponto de fusão congruente do Mg 2 Sn: L (71%Sn) <-> Mg 2 Sn (71%Sn) T= 770,5 C Reacções eutécticas L (36,9%Sn) <-> (Mg) (14,5%Sn) + Mg 2 Sn (71%Sn) L (97,8%Sn) <-> Mg 2 Sn (71%Sn) + (βsn) (100%Sn) T=561,2 C T=203,5 C (b) Para a liga Mg-50%Sn indique: i) qual a temperatura de inicio de solidificação e a composição química dos primeiros núcleos sólidos; T i = 650 ºC primeiros núcleos sólidos de Mg 2 Sn com composição química: 71% Sn ii) quais as fases por que a liga é constituída à temperatura de 562 C e as respectivas composições químicas; Fases: L e Mg 2 Sn Composição química das fases: L: 36,8%Sn Mg 2 Sn: 71%Sn iii) quais as fases que constituem a liga à temperatura de 100 C e respectivas proporções, distinguindo entre fases primárias e secundárias que eventualmente existam; Fases: (Mg) e Mg 2 Sn %!" =!"!!!"## =!",!"%!"! %!"!!"!"!#! =!"!!"## =!",!"%!"! %!"!!"!"#$á!"# =!"!",!!"## =!",!"%!"!",! %!"!!"!"#é!"#!$ =!",!"!",!" =!"%

6 iv) qual a microestrutura da liga à temperatura de 100 C, fazendo um esboço legendado ilustrativo. (Mg) + Mg 2 Sn secundário (eutéctico lamelar) Mg 2 Sn primário ou pro-eutéctico (c) Se a liga da alínea (b) fosse arrefecida desde o estado líquido até 100ºC de modo a não ocorrer difusão no estado sólido, explique qual seria a microestrutura apresentada pelo material a essa temperatura. Justifique adequadamente a sua resposta. A microestrutura seria igual à de equilíbrio, apresentada em b.iv), uma vez que a fase sólida primária que se forma (Mg 2 Sn) corresponde a um composto intermetálico (estequiométrico) que não admite variações de composição química (apresenta domínio de estabilidade limitado a uma única composição). Assim, durante a solidificação não há lugar à ocorrência de qualquer fenómeno de zonamento (pois não há variação de composição química). Após solidificação da fase primária ocorre a reacção eutéctica com a formação de estrutura lamelar, tal como em equilíbrio. Este é um caso de uma liga insensível à velocidade de arrefecimento. EM RELAÇÂO ÀS PERGUNTAS TEÓRICAS INDICAM-SE APENAS OS TÓPICOS QUE DEVERIAM SER ABORDADOS 6. Indique quais as vantagens e inconvenientes de utilizar ligas não ferrosas, em particular, as ligas de titânio, no fabrico de componentes metálicos relativamente às ligas ferrosas tradicionais. Compare as propriedades destes dois tipos de materiais e dê exemplos de aplicações. As ligas não ferrosas, em particular, as ligas de Ti, permitem ultrapassar algumas limitações das ligas ferrosas pois apresentam: menor densidade boa relação resistência/densidade maior resistência à corrosão e oxidação resistência à fluência a T intermédias elevada biocompatibilidade As ligas de Ti são utilizadas em aplicações onde a uma boa resistência mecânica, baixa densidade e elevada resistência à corrosão são requisitos essenciais. Exemplos são as ligas de Titânio usadas na indústria aeronáutica (ti e Ti6Al4V) e, mais recentemente, nas aplicações médicas (próteses e implantes), devido à sua elevada biocompatibilidade. No entanto, as ligas de Ti apresentam, em geral, um custo mais elevado que as ligas ferrosas, razão pela qual são utilizadas em aplicações de maior valor acrescentado.

7 7. Os materiais celulares podem ser classificados em: materiais celulares com células abertas e com células fechadas. (a) Defina material celular, distinga entre os dois tipos de materiais celulares atrás referidos e dê exemplos de materiais de cada um desses tipos. Material celular é um agregado de células (pequeno compartimento = cella) dispostas de modo a preencher o plano (material bidimensional) ou o espaço (material tridimensional). Material celular com células abertas o sólido encontra-se apenas nas arestas das células pelo que há comunicação entre elas: esponja; osso. Material celular com células fechadas o sólido encontra-se nas faces das células pelo que não há comunicação entre elas: cortiça; coral. (b) Indique as principais utilizações dos materiais celulares, relacionando-as com as propriedades genéricas deste tipo de materiais. Isolamento térmico condutividade térmica inferior à do sólido compacto que o originou. Filtros células abertas. Aeronáutica resistência mecânica por unidade de massa superior à dos sólidos compactos. Embalagens capacidade de absorver grandes quantidades de energia mantendo um baixo nível de tensões.