Lisboa, 12 de Janeiro de 2008

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1 Prova escrita de: 1º Exame Final de Ciência de Materiais (Correc) Lisboa, 12 de Janeiro de 2008 Nome: Número: Curso: 1. À pressão atmosérica, o Alumínio (Al) apresenta estrutura cúbica de aces centradas (CFC) sendo o parâmetro da rede a=0,40496nm. Quando submetido a pressões superiores a 20,5GPa, o Al sore uma transormação passando a apresentar estrutura hexagonal compacta cujos parâmetros são a=0,2693nm e c= 0,4398nm. O peso atómico do Al é 26,98g mol. (a) A partir das airmações anteriores é possível inerir que o Al é um material: Polimórico (b) À pressão atmosérica, o raio atómico do Al é: r = 0, m (c) À pressão atmosérica, a densidade teórica do Al é: 2698kg/m 3 (d) Um das amílias de planos de maior compacidade do Al à pressão de 21GPa e a respectiva densidade atómica planar são: (001) e 1, átomos/m 2 (e) Eectuou-se um ensaio de diracção de raios X à pressão atmosérica, tendo-se veriicado que ocorreu diracção de 1ª ordem pelos planos {220} para o ângulo 2θ=65,13. O comprimento de onda dos raios X utilizados era: 0,1541nm

2 2. Considere a secção do diagrama de equilíbrio de ases Ferro (Fe) Carbono (C) representada na igura junta. (a) A partir deste diagrama é possível airmar que os aços sorem durante o arreecimento, no máximo, as reacções triásicas: reacção peritéctica e reacção eutectóide (b) O aço com 1,3% C é um aço do tipo: hipereutectóide (c) A solidiicação do aço com 1,3% C, inicia-se com ormação dos primeiros núcleos sólidos de: Austenite a 1440 C (d) À temperatura de 1000 C, o aço anterior é constituído por: 100 % Austenite (e) À temperatura de 800 C, as ases presentes no aço considerado e as respectivas composições químicas são: Austenite com 1% C e Cementite com 6,67% C

3 () 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 (g) Se este aço (1,3% C) osse arreecido rapidamente desde o estado líquido até uma temperatura de cerca de 1260 C, de modo a não ocorrer qualquer diusão em ase sólida, a sua temperatura de im de solidiicação e a respectiva microestrutura seriam, respectivamente: T < 1290 C e grãos de Austenite zonados 3. No tratamento térmico de endurecimento por precipitação de uma liga de Alumínio-Cobre, as três etapas habituais são (por esta ordem): solubilização, têmpera, envelhecimento 4. Considere o tratamento térmico de austêmpera, realizado a uma peça de um aço eutectóide. A microestrutura inal após o tratamento é constituída por: Bainite EM RELAÇÃO ÀS PERGUNTAS TEÓRICAS INDICAM-SE APENAS OS TÓPICOS QUE DEERÃO SER ABORDADOS 5. Diga o que entende por luência de uma liga metálica. Faça o esboço de uma curva de luência típica de um material metálico e indique os vários mecanismos de deormação característicos das diversas regiões que se podem identiicar nesse tipo de curvas. Fluência deormação ao longo do tempo por eeito de tensão/carga constante normalmente a temperaturas homólogas elevadas. Esboço da curva de luência (deormação tempo). Mecanismos encruamento + recuperação/recristalização Fluência primária velocidade de luência diminui; encruamento domina. Fluência secundária ou estacionária velocidade de luência constante; mecanismos equilibram-se. Fluência terciária velocidade de luência aumenta; recuperação/recristalização domina. 6. Como sabe, não existem materiais pereitos. Será a presença de deeitos cristalinos indesejável nos materiais? Responda a esta questão tendo em consideração os vários tipos de deeitos cristalinos que conhece e que propriedades podem ser aectadas pela sua presença (ilustre com exemplos). A presença de deeitos é desejável nos materiais para muitas aplicações. Pense-se por, exemplo, no papel das lacunas na diusão e na ormação de soluções sólidas, no papel das deslocações e dos limites de grão na deormação plástica. Há também casos em que a presença de deeitos é indesejável como, por exemplo, na resistência à luência a alta temperatura (papel dos limites de grão: materiais monocristalinos são preeríveis). Outro caso é a condutividade eléctrica: a presença de impurezas (intersticiais ou substitucionais), por exemplo, é prejudicial.

4 7. Considere a ocorrência de nucleação homogénea na solidiicação 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 superície e um termo de volume, e deduza em seguida a expressão do raio crítico para a nucleação homogénea (considere que os núcleos são aproximadamente eséricos) 2 # T * r = "! H! T Nota:! G =! H T! T A energia livre de Gibbs total, para cachos de átomos considerados eséricos, é: # GT = " r # G + 4" r!, sendo r o raio do cacho, em que a primeira parcela é o termo 3 de volume e a segunda o termo de superície. 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 avoráveis, 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. Para mais detalhes, ver Smith páginas 124, 125. (b) Com base na equação acima, indique porque é que na prática um metal puro iniciará a sua solidiicação a uma temperatura inerior à temperatura teórica de solidiicação, T. Pretendia-se com esta questão avaliar se os alunos apreenderam a noção de 2 # T * sobrearreecimento. Na expressão do raio crítico r = " vê-se claramente que o! H! T sobrearreecimento tem de ser positivo, ou seja, ΔT > 0, i.e., T - T < 0, ou seja T < T ou seja a temperatura T a que se está a dar a solidiicação tem de ser inerior à temperatura teórica de solidiicação T. Se o sobrearreecimento osse nulo, então o raio crítico tenderia para ininito, o que inviabilizaria o início da solidiicação a essa temperatura. 8. 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. 9. A extrusão e a embutição são duas ormas de processamento de metais muito usadas na indústria. Diga em que consistem e indique exemplos de materiais obtidos por aqueles processos. Extrusão: Processo de deormação plástica em que o material é obrigado a passar por uma matriz, provocando uma redução de secção. Extrusão directa e inversa. Caixilharias de Alumínio. Embutição ou estampagem: Processo de deormação plástica que transorma chapas em peças côncavas. Latas de bebidas, chapas automóveis.

5 10. Considere uma amostra de silício dopada com átomos/m 3 de ósoro. (a) Como se designa este tipo de semicondutor? Justiique. Semicondutor extrínseco do tipo n. Uma vez que o silício oi dopado com ósoro, os principais transportadores de carga são os electrões. (b) Diga o que entende por um semicondutor. Um semicondutor é um material não condutor, mas que apresenta um hiato electrónico pequeno (inerior a 2 e), pelo que quando sujeito a uma corrente eléctrica passa a condutor. Semicondutor intrínseco e extrínseco.