Prova escrita de: 2º Exame Final de Ciência de Materiais (Correcção) Nome:

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1 Prova escrita de: 2º Exame Final de Ciência de Materiais (Correcção) Lisboa, 29 de Janeiro de 2008 Nome: Número: Curso: 1. Aplicou-se uma carga de tracção de 48900N a um varão de aço com 25cm de comprimento e 1,52cm de diâmetro, tendo a deformação sido puramente elástica. O módulo de Young do aço era 207GPa. (a) O alongamento do provete foi: 0,325mm (b) O diametro do provete: diminuiu e passou a ser 1,519cm 2. O Nióbio (Nb) apresenta estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC) sendo o seu raio atómico 0,143nm. O peso atómico do Nb é 92,91g/mol. (a) O parâmetro de rede do Nb é: a = 0,3302x10-9 m (b) O factor de compacidade atómica do Nb é: 68% (c) A densidade teórica do Nb é: 8,57g/cm 3 (d) O plano ( 1 1 0) do Nb: é um dos planos mais compactos e contém a direcção [ 1 1 1] (e) Efectuou-se um ensaio de difracção de raios-x numa amostra de Nb, utilizando raios-x de comprimento de onda 0,1541 nm. Verificou-se que ocorreu difracção de 1ª ordem pelos planos { 310 } para o ângulo 2θ: 95,10

2 3. Considere o diagrama de equilíbrio de fases Alumínio Lítio (Al Li) representado na figura junta. (a) Este diagrama apresenta: 7 transformações isotérmicas (b) A solidificação da liga Al-50% Li (% peso) inicia-se com formação dos primeiros núcleos sólidos de: Al 2 Li 3 com composição química 28% Li, a 490 C (c) À temperatura de 450 C, a liga anterior é constituída por: Al 2 Li 3 (28% Li) e L (55% Li) (d) À temperatura de 200 C, a liga anterior é constituída por: 76% de Al 4 Li 9 e 24% de L (e) À temperatura mais baixa do diagrama, a microestrutura desta liga é constituída por: Al 4 Li 9 pro-eutéctico e lamelas alternadas de Al 4 Li 9 e (Li)

3 (f) Se esta liga fosse arrefecida rapidamente desde o estado líquido até uma temperatura ligeiramente superior a 330 C, de modo a não ocorrer qualquer difusão em fase sólida, a sua microestrutura seria constituída por: grãos homogéneos de Al 2 Li 3 no seio do líquido 4. Considere o seguinte diagrama TTT de um aço. (a) Na figura acima encontram-se representadas as curvas TTT-AC de transformação da austenite de um aço: eutectóide (b) A curva de arrefecimento 1 corresponde a um arrefecimento: no forno (c) O tratamento térmico correspondente à curva de arrefecimento 1 designa-se por: recozimento completo (d) No final do tratamento 1, a microestrutura que o aço apresenta à temperatura ambiente é constituída por: perlite grosseira

4 (e) A curva de arrefecimento 2 corresponde a um arrefecimento: ao ar (f) O tratamento térmico correspondente à curva de arrefecimento 2 designa-se por: normalização (g) No final do tratamento 2, a microestrutura que o aço apresenta à temperatura ambiente é constituída por: perlite fina (h) A curva de arrefecimento 3 corresponde a um arrefecimento: em água (i) O tratamento térmico correspondente à curva de arrefecimento 3 designa-se por: têmpera (j) No final do tratamento 3, a microestrutura que o aço apresenta à temperatura ambiente é constituída por: martensite + austenite residual EM RELAÇÃO ÀS PERGUNTAS TEÓRICAS INDICAM-SE APENAS OS TÓPICOS QUE DEVERÃO SER ABORDADOS 5. Discuta o efeito da temperatura no comportamento mecânico de um polímero termoplástico submetido a um ensaio de tracção. Faça esboços de curvas tensão-extensão que permitam ilustrar esse efeito. - Polímero termoplástico; tipos de ligação - Efeito do aquecimento; temperatura de transição vítrea - Curvas tensão-extensão mostrando o efeito da temperatura. 6. Como sabe o módulo de Young de um material compósito com fibras unidireccionais é função da fracção volúmica dessas fibras. Para a mesma fracção volúmica de fibras, qual a relação entre os módulos de Young do compósito solicitado em condições de isotensão e em condições de isodeformação? Trace uma curva do módulo de Young do compósito em função da fracção volúmica de fibras onde este efeito seja visível. - Módulos de Young em função dos módulos de Young do reforço e da matriz e da fracção volúmica de reforço para as condições de isodeformação e de isotensão - Para a mesma fracção volúmica de reforço o módulo de Young do compósito em condições de isodeformação é superior ao módulo de Young do compósito em condições de isotensão - No mesmo gráfico curvas de variação do módulo de Young do compósito em função da fracção volúmica de reforço (valores entre 0 e 1); valores extremos; em condições de isodeformação a variação é linear; em condições de isotensão variação não linear e abaixo da curva para condições de isodeformação. 7. Descreva e ilustre os defeitos de Frenkel e de Schottky, que podem aparecer em redes cristalinas de materiais cerâmicos.

5 Os defeitos de Frenkel e de Schottky são defeitos pontuais que permitem manter a neutralidade eléctrica. O defeito de Frenkel consiste num conjunto de dois defeitos pontuais: interstício catiónico e lacuna catiónica, enquanto o defeito de Schottky consiste no conjunto lacuna aniónica e lacuna catiónica. Ilustração: Ver Smith, cap Considere o coeficiente de difusão, D, que surge na 1ª lei de Fick: J =! D dc dx (a) Fazendo uma análise dimensional, determine qual a unidade SI do coeficiente de difusão (Nota: pode considerar o fluxo medido em: kg m -2 s -1, ou em alternativa: mol m -2 s -1 ) Sendo a 1ª lei de Fick [ D ] = [ J], ou seja [ ] & dc # $! % dx " (Smith pg. 161) dc J =! D, pode-se escrever em termos de unidades: dx! 2! 1 D kg m s 2! 1 =! 3, dando finalmente[ D ] = m s kg m m (b) Escreva uma equação que mostre a dependência do coeficiente de difusão, D, em relação à temperatura, T, e indique outros factores (para além de T) que influenciam o valor de D. & Q D varia com T segundo uma lei de tipo lei de Arrhenius:! # D = D exp $ ' % RT " Outros factores que influenciam o coeficiente de difusão: Mecanismo de difusão Estrutura cristalina do solvente Tipo e concentração de defeitos cristalinos Concentração do soluto (Smith pg. 162, 163, 172) Após a deformação plástica a frio dos materiais metálicos, qual é o tratamento que é habitualmente realizado para eliminar o encruamento? Descreva esse tratamento. 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 pg. 297 Smith)

6 10. As ferrites presentes em altifalantes e receptores de telefones são materiais magnéticos duros. (a) Diga o que entende por materiais magnéticos duros e esboçe o anel de histerese respectivo. Materiais magnéticos duros são materiais difíceis de magnetizar e de desmagnetizar, pois apresentam elevada força coerciva (H c ) e elevada indução magnética remanescente (B r ), Assim, os anéis de histerese destes materiais são largos e altos. Figura: Ver Smith, cap. 11 (b) Qual o efeito da temperatura nas propriedades magnéticas de um material ferromagnético? O que entende por temperatura de Curie? A energia térmica faz com que os dipolos magnéticos deixem de estar alinhados, pelo que quanto maior a temperatura menor as propriedades magnéticas, até se atingir um ponto em que o material deixa de ser ferromagnético e passa a paramagnético: a temperatura de Curie. Temperatura de Curie: temperatura à qual o material ferromagnético perde, por aquecimento, o seu ferromagnetismo, tornando-se paramagnético.