2º Teste de Ciência de Materiais 21 de Janeiro de Resolução

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1 2º Teste de Ciência de Materiais 21 de Janeiro de 2010 Resolução 1. Considere a difusão de Carbono (C) em Níquel (Ni) puro sólido. R=8,314 J/(mol.K) (a) O mecanismo de difusão do C em Ni tenderá a ser predominantemente: difusão intersticial (b) Sabendo que a difusividade do C no Ni é 5,58 x m 2 /s a 600 C e 3,90 x m 2 /s a 700 C, o valor da energia de activação para a difusão, Q, será: J/mol (c) O valor da constante D 0 será: 1,04 x 10-5 m 2 /s (d) O valor do coeficiente de difusão à temperatura de 850 C será: 3,82 x m 2 /s 2. Considere o diagrama de equilíbrio de fases Nióbio-Germânio (Nb-Ge) representado na figura junta.

2 (a) O diagrama apresenta: 2 pontos de fusão congruentes ou 4 equilíbrios trifásicos (b) O equilíbrio trifásico que ocorre a 1900 C é: L + (Nb) β Reacção peritéctica (c) A solidificação da liga Nb-12% Ge (% peso) inicia-se com formação dos primeiros núcleos sólidos de: (Nb) com composição química 3% Ge, a 2150 C (d) À temperatura de 1600 C as fases que constituem a liga anterior e as respectivas composições químicas são: (Nb) com 4% Ge e β com 15% Ge (e) As proporções das fases existentes nessa liga são: 73% de β e 27% de (Nb) (f) A microestrutura desta liga é formada por: grãos de (Nb) e β (g) Se esta liga fosse arrefecida rapidamente desde o estado líquido até uma temperatura de 1600 C, de modo a não ocorrer qualquer difusão em fase sólida, a sua microestrutura seria constituída por: grãos zonados de (Nb) encapsulados por β 3. Considere o seguinte diagrama TTT de um aço

3 (a) A figura corresponde a um diagrama TTT-TI de um aço: hipoeutectóide (b) Se uma peça deste aço após austenitização a 800 C fosse arrefecida em banho de sais até à temperatura de 680 C e mantida durante 2h, seguindo-se arrefecimento em água até à temperatura ambiente, a microestrutura que se obteria seria: ferrite e perlite (c) O tratamento térmico anterior designa-se: recozimento (d) Se uma peça deste aço após austenitização fosse arrefecida em banho de sais até 400 C e depois mantida a essa temperatura durante 10 s seguindo-se arrefecimento em água até à temperatura ambiente, a microestrutura obtida seria: bainite e martensite (e) Se uma peça deste aço após austenitização fosse arrefecida em banho de sais até 450 C e depois mantida a essa temperatura durante 1 minuto seguindo-se arrefecimento em água até à temperatura ambiente, a microestrutura obtida seria: bainite (f) Este tratamento designa-se: austêmpera EM RELAÇÃO ÀS PERGUNTAS TEÓRICAS INDICAM-SE APENAS OS TÓPICOS QUE DEVERÃO SER ABORDADOS 4. Em que medida a formação de ligações cruzadas afecta a resistência à tracção da borracha natural? Porque é que se usa apenas cerca de 3% (em peso) de enxofre neste processo? Ver páginas 395 a 398 do livro Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais - 3ª edição, W. F. Smith. Lisboa: Mc Graw-Hill Portugal (1998). Vulcanização é o processo químico pelo qual as moléculas poliméricas se ligam umas às outras através da formação de ligações cruzadas, originando moléculas maiores, o que restringe o movimento molecular..descobriu o processo de vulcanização da borracha, utilizando enxofre e carbonato básico de chumbo.. a reacção do enxofre com a borracha é complexa, o resultado final é que algumas das ligações duplas das moléculas de poliisopreno se abrem, formando-se ligações cruzadas com os átomos de enxofre, tal como se mostra na fig A fig mostra esquematicamente como as ligações cruzadas com os átomos de enxofre conferem rigidez às moléculas de borracha; a fig mostra como devido à vulcanização, aumenta a resistência à tracção da borracha natural.. Geralmente, as borrachas vulcanizadas macias contêm cerca de 3% pond. de enxofre.. Se se aumentar o teor de enxofre, a quantidade de ligações cruzadas também aumenta, produzindo-se um material mais duro e menos flexível. Uma estrutura de borracha totalmente rígida requer cerca de 45% de enxofre.

4 5. 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. 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. 6. Como sabe, algumas ligas podem ser submetidas a um tratamento de endurecimento por precipitação. Explique que tipo de ligas podem ser endurecidas por este método, como se processa o tratamento, quais as alterações microestruturais envolvidas bem como os efeitos nas propriedades mecânicas do material. Tratamento aplicável a ligas com diagrama de fases com solução sólida terminal cuja solubilidade diminua com a temperatura. Tipicamente ligas de Al, sendo o caso mais comuns as ligas Al-Cu (Fig do livro). Tratamento consiste na formação de uma dispersão de precipitados homogeneamente dispersos na matriz de Al que permitem constituir obstáculo ao movimento de deslocações, permitindo endurecer o material. Tratamento realizado em 3 etapas: solubilização, têmpera e envelhecimento (natural ou artificial). Solubilização: aquecimento a temperatura na região monofásica (diagrama fig do livro com solução sólida terminal cuja solubilidade diminua com a temperatura) de modo a formar solução sólida homogénea. Têmpera: arrefecimento rápido da solução sólida anterior à temperatura ambiente originando solução sólida sobressaturada. Envelhecimento: reaquecimento a T< linha solvus durante o tempo suficiente para originar a formação de precipitados metaestáveis incoerentes com a matriz (precipitados θ no caso das ligas Al-4%Cu), em dispersão e dimensão tais que conduzam ao endurecimento máximo do material (curva 9.42 do livro). Mais detalhes: ver págs do livro. 7. Em que consiste o processo de sinterização? O que é que acontece às partículas cerâmicas durante a sinterização? Ver páginas 609 a 611 do livro Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais - 3ª edição, W. F. Smith. Lisboa: Mc Graw-Hill Portugal (1998).

5 Designa-se por sinterização no estado sólido o processo através do qual as pequenas partículas de um material se ligam entre si por difusão no estado sólido.. A sinterização é geralmente usada no fabrico de peças cerâmicas feitas de, por exemplo, alumina, óxido de berílio, ferrites e titanatos. No processo de sinterização, as partículas coalescem devido à difusão no estado sólido que ocorre a temperaturas muito elevadas, mas abaixo do ponto de fusão do composto que está a ser sinterizado.. Na sinterização, ocorre difusão atómica entre as superfícies de contacto das partículas, de modo que elas ficam quimicamente ligadas entre si (fig. 10,29). À medida que o processo prossegue, formam-se partículas de maiores dimensões à custa das partículas mais pequenas, conforme se mostra nas figs a, b e c referentes à sinterização de compactados de MgO. À medida que as partículas se tornam maiores com o tempo de sinterização, a porosidade dos compactados diminui (fig ). No final do processo, atinge-se um tamanho de grão de equilíbrio (fig d).. 8. Tendo em consideração as propriedades do Titânio (Ti) e suas ligas: (a) explique sucintamente por que razão estes materiais são tão utilizados no fabrico de componentes médicos (próteses, implantes, etc). O Titânio e sua ligas são muito utilizados no fabrico de componentes médicos devido a apresentarem as seguintes propriedades: - biocompatibilidade (não induzem toxicidade e reacções alérgicas quando em contacto com tecidos humanos) - baixa densidade - elevado quociente resistência/densidade - baixo módulo de elasticidade (apesar de ainda muito superior ao do osso, o que resulta, muitas vezes, em problemas de resorpção óssea) - elevada resistência à corrosão 8. (b) Se pretendesse seleccionar um método para produzir uma prótese em Ti indique justificando qual o processo que acharia mais adequado. Descreva sucintamente esse processo. Poderia utilizar-se um processo de fundição de precisão (fundição injectada ou fundição a cera perdida, dependendo do tipo exacto de prótese). Em prótese dentárias que têm que ser fabricadas à medida do paciente usa-se, em geral, a fundição a cera perdida. Em próteses de maior dimensão e com menor detalhe pode usar-se a fundição injectada que permite produzir peças em série e com elevada precisão. Neste caso poderia também ser utilizado um processo de maquinagem ou de forjagem (pag. 258), realizados em fase sólida a partir de um bloco de Ti. Fundição a cera perdida - consiste na produção de um modelo da peça em cera, que depois é revestida por gesso e seca, constituindo assim o molde. Antes do vazamento do metal, o molde é aquecido, a cera fundida é vertida fora e o Ti liquido é vazado no molde de gesso que é removido após solidificação. Fundição injectada - consiste em introduzir sob pressão (injectar) o Ti liquido num molde (metálico). O molde é arrefecido a água o que permite a solidificação rápida e a abertura do molde para nova injecção. Dado que o Ti liquido e suas ligas apresenta uma reactividade extremamente elevada com o oxigénio, hidrogénio e azoto, há que evitar contaminação do líquido que conduzirá a uma modificação apreciável das propriedades do material. Para isso, em qualquer processo de fundição de Ti, há que ter o cuidado de efectuar o vazamento em vácuo ou em atmosfera inerte.