Resolução do 2º Exame Final de Ciência de Materiais. Lisboa, 6 de Fevereiro de Resolução COTAÇÕES

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1 Resolução do 2º Exame Final de Ciência de Materiais Lisboa, 6 de Fevereiro de 2010 Resolução COTAÇÕES Pergunta Cotação 1. (a) 0,50 1. (b) 0,50 1. (c) 0,50 2. (a) 1,00 2. (b) 1,00 2. (c) 1,00 2. (d) 0,50 2. (e) 1,00 3. (a) 0,50 3. (b) 0,50 3. (c) 1,00 3. (d) 1,00 3. (e) 1,00 4. (a) 1,50 4. (b) 0, , , , ,00 20,00

2 2º Exame Final de Ciência de Materiais Lisboa, 6 de Fevereiro de 2010 Resolução 1. Um determinado latão, cujo módulo de Young é 1,03x10 5 MPa, apresenta uma tensão de cedência de 345MPa. (a) Considerando um provete desse latão, cuja área da secção recta é 130mm 2, a carga máxima que lhe pode ser aplicada sem que ocorra deformação plástica é: N (b) De modo a que não ocorra deformação plástica, o alongamento máximo de um provete desse latão cujo comprimento inicial é 76mm, é: 0,255 mm (c) A extensão real do provete referido na alínea (b) é: 0,33496 % 2. O Ouro apresenta estrutura cúbica de faces centradas (CFC), sendo o parâmetro da rede 0,408nm e o peso atómico 196,97g/mol. (a) O factor de compacidade atómica do Ouro é: 74% (b) A densidade do Ouro é: kg/m 3 (c) A densidade atómica planar do plano em átomos/mm 2 é: 8,5 x ( ) contém a direcção de máxima compacidade: [ 1 1 0] (d) O plano (e) Utilizando raios-x cujo comprimento de onda é 1,5418 Å, a difracção de 1ª ordem pelos planos ,0714 ( ) ocorre para um ângulo de Bragg θ tal que sen 2 θ é:

3 3. Considere a secção do diagrama de equilíbrio de fases Ferro (Fe) Carbono (C) representada na figura junta. (a) A partir deste diagrama é possível afirmar que os aços sofrem durante o arrefecimento, no máximo: reacção peritéctica e reacção eutectóide (b) A solidificação do aço com 1,3% C, inicia-se com formação dos primeiros núcleos sólidos de: Austenite (γ) a 1440 C (c) À temperatura de 800 C, as fases presentes no aço considerado e as respectivas composições químicas são: Austenite com 1% C e Cementite com 6,67% C (d) À temperatura de 500 C, a microestrutura do aço com 1,3% C é constituída por: 90,9% de Perlite e 9,1% de Cementite pró-eutectóide (e) Se este aço (1,3% C) fosse arrefecido rapidamente desde o estado líquido até uma temperatura de cerca de 1260 C, de modo a não ocorrer qualquer difusão em fase sólida, a sua temperatura de fim de solidificação e a microestrutura seriam, respectivamente: T < 1290 C e grãos de Austenite zonados

4 EM RELAÇÃO ÀS PERGUNTAS TEÓRICAS INDICAM-SE APENAS OS TÓPICOS QUE DEVERÃO SER ABORDADOS 4. Considere a ocorrência de nucleação homogénea na solidificação de um metal puro. (a) Escreva a expressão para a energia livre de Gibbs de um cacho de átomos, como soma de um termo de superfície e um termo de volume, e deduza em seguida a expressão do raio crítico para a nucleação homogénea (considere que os núcleos são aproximadamente esféricos) Nota: ΔG V = ΔH V ΔT T f A energia livre de Gibbs total, para cachos de átomos considerados esféricos, é: ΔG T = 4 3 πr3 ΔG V + 4πr 2 γ, sendo r o raio do cacho, em que a primeira parcela é o termo de volume e a segunda o termo de superfície. Essa expressão tem um máximo, ou seja, há um valor do raio do cacho a partir do qual a energia do mesmo diminui com a adição de átomos ao agregado, logo existem condições favoráveis, do ponto de vista termodinâmico, para o crescimento desse cacho. Fazendo, então, a derivada da expressão anterior e igualando a zero, obtemos uma equação que nos dá a abcissa desse máximo, i.e., o raio crítico. dδg r* corresponde ao máximo de DG T => r=r* quando T = 0 dr dδg T = 8πr γ + 4πr 2 ΔG = 0 resolvendo em ordem a r: dr v r * = 2 γ ΔG v = 2 γ T f ΔH v ΔT Mais detalhes: ver Smith, pags (b) Com base na equação acima, indique porque é que na prática um metal puro iniciará a sua solidificação a uma temperatura inferior à temperatura teórica de solidificação, T f. Pretendia-se com esta questão avaliar se os alunos apreenderam a noção de sobrearrefecimento. Na expressão do raio crítico r * = 2 γ T f vê-se claramente ΔH V ΔT que o sobrearrefecimento tem de ser positivo, ou seja, ΔT > 0, i.e., T - T f < 0, ou seja T < T f ou seja a temperatura T a que se está a dar a solidificação tem de ser inferior à temperatura teórica de solidificação T f. Se o sobrearrefecimento fosse nulo, então o raio crítico tenderia para infinito, o que inviabilizaria o início da solidificação a essa temperatura.

5 5. Descreva qual o tratamento que poderia realizar para aumentar a resistência ao desgaste de uma roda dentada em aço. Indique quais os parâmetros que poderia utilizar para controlar o tratamento. Escreva a expressão da lei de Fick que lhe permite determinar a velocidade de variação da composição. Cementação: colocação da peça num forno a T adequada, em atmosfera rica em C (normalmente gasosa de metano) durante o tempo necessário para se obter uma camada superficial mais dura. O tratamento obtém-se através da difusão intersticial de átomos de C através da superfície da peça, formando uma camada rica em C. O processo (a espessura da camada endurecida) seria controlado através da temperatura (que controla o coeficiente de difusão) e do tempo de tratamento. A expressão que permite calcular a velocidade de variação da concentração é a 2ª lei de Fick: dc dt = D d 2 C dx 2 Mais detalhes: ver Smith, págs Após a deformação plástica a frio dos materiais metálicos, qual é o tratamento que é habitualmente realizado para eliminar o encruamento? Descreva esse tratamento indicando as alterações estruturais que ocorrem e o seu efeito nas propriedades do material. Recozimento (reaquecimento do material a uma temperatura elevada durante um determinado tempo), que promove alterações estruturais e de propriedades mecânicas e envolve 3 etapas: 1-Recuperação (alívio de tensões internas, rearranjo das deslocações em configurações de menor energia) 2-Recristalização (nucleação de novos grãos não deformados) 3-Crescimento de grão (crescimento dos grãos formando uma estrutura totalmente recristalizada) Este tratamento provoca uma diminuição da dureza e tensão de ruptura do material e um aumento da ductilidade (gráfico pag. 297 Smith). Mais detalhes: ver Smith, págs Atendendo às características dos vários tipos de materiais poliméricos discuta a possibilidade de reciclagem dos mesmos. Tipos de materiais poliméricos; possibilidade de reciclagem atendendo ao tipo de ligação química existente em cada caso. Mais detalhes: ver Smith, capítulo A extrusão e a embutição são duas formas de processamento de metais muito usadas na indústria. Diga em que consistem e indique exemplos de materiais produzidos por aqueles processos. Extrusão: Processo de deformação plástica em que o material é obrigado a passar por uma matriz, provocando uma redução de secção. Extrusão directa e inversa. Permite a produção de produtos longos. Ex: caixilharias de Alumínio. Embutição ou estampagem: Processo de deformação plástica que transforma chapas em peças côncavas. Ex: latas de embalagens, componentes automóveis. Mais detalhes: ver Smith, capítulo 6, pags

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