Exame Final de Ciência de Materiais. Lisboa, 12 de Julho de Resolução COTAÇÕES

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1 Exame Final de Ciência de Materiais Lisboa, 12 de Julho de 2010 Resolução Pergunta Cotação 1. (a) 0,50 1. (b) 0,50 1. (c) 0,50 1. (d) 0,50 1. (e) 0,50 2. (a) 0,50 2. (b) 0,50 2. (c) 0,50 2. (d) 0,50 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 3. (i) 0,50 4. (a) 0,50 4. (b) 0,50 5. (a) 1,00 5. (b) 0,50 6. (a) 1,00 6. (b) 0, , ,00 9. (a) 1,00 9. (b) 0,50 9. (c) 0,50 9. (d) 1,00 20,00 COTAÇÕES

2 1. Um CMP é constituído por uma matriz de resina epoxídica e por 40% (em volume) de fibras de Kevlar, todas alinhados numa única direcção. A densidade do compósito é 1,33 g/cm 3 e a das fibras de Kevlar é 1,48 g/cm 3. Os módulos de Young e as resistências à tracção da matriz e das fibras são, respectivamente, 3,8 GPa e 175 GPa, e 66 MPa e 3617 MPa. (a) A percentagem ponderal de fibras de Kevlar no compósito é: 44,5% (b) A densidade da resina epoxídica é: 1230 kg/m 3 (c) Quando traccionado em condições de isodeformação, o módulo de Young do compósito será: 72,28 GPa (d) Nas condições referidas na alínea (c), a resistência à tracção do compósito será: 1486,4 MPa (e) Caso fosse traccionado em condições de isotensão, o módulo de Young do compósito seria, em relação às condições definidas na alínea (c): menor 2. (a) O defeito de Frenkel surge nos sólidos: iónicos e corresponde a um par lacuna intersticial catiónicos (b) As deslocações são defeitos: lineares (c) Na estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) de parâmetro de rede a, os vectores de Burgers mais prováveis para as deslocações são: a (d) Na estrutura cúbica de faces centradas (CFC), os planos de escorregamento mais prováveis para as deslocações são: { 111}

3 3. Considere a secção do diagrama de equilíbrio de fases Ferro (Fe) Cementite (Fe 3 C) representado na figura junta. (a) O número de fases no diagrama é: 5 (b) O número de reacções isotérmicas no diagrama é: 7 (c) Para que uma liga Fe C sofra a reacção eutéctica, terá de ter um teor em C: superior a 2,14% (d) Um aço com 1,5% de Carbono (C) é do tipo: hipereutectóide (e) Em condições de equilíbrio, um aço com 1,5% de Carbono (C) inicia a solidificação: à temperatura de 1425ºC e os 1 ºs núcleos sólidos são de austenite (f) Em condições de equilíbrio, à temperatura de 1147ºC o aço referido na alínea (e) é: monofásico, constituído apenas por austenite (g) Em condições de equilíbrio e em relação ao aço referido na alínea (e), à temperatura de 950ºC inicia-se a: precipitação de cementite primária nos limites de grão da austenite

4 (h) Em condições de equilíbrio, à temperatura de 400ºC o aço referido na alínea (e) é constituído por: 77,6% de ferrite-α e 22,4% de Fe 3 C (i) Nas condições referidas na alínea (h) a microestrutura do aço seria constituído por: grãos de perlite com cementite primária nos limites de grão 4. (a) Nos semicondutores a energia do hiato entre as bandas de valência e de condução é: inferior a 2 ev (b) Uma solução sólida muito diluída de átomos de Fósforo em Silício é um exemplo de um semicondutor: extrínseco do tipo-n EM RELAÇÂO ÀS PERGUNTAS TEÓRICAS INDICAM-SE APENAS OS TÓPICOS QUE DEVERIAM SER ABORDADOS 5. (a) Descreva o modo como se realiza um ensaio de fadiga e indique sob que forma se apresentam normalmente os resultados do ensaio. Fadiga deformação/fractura de um material por efeito de cargas repetitivas muito mais baixas do que as que a peça poderia suportar quando submetida a uma tensão estática simples. Ensaios mais habituais ensaios de flexão rotativa Os resultados são representados sob a forma de curvas S-N em que a tensão S necessária para provocar a fractura é representada em função do número de ciclos N para o qual ocorreu a fractura. (b) O que significa dizer-se que um material apresenta tensão limite de fadiga? Em muitos materiais, como por exemplo aço-carbono, verifica-se que inicialmente a resistência à fadiga diminui à medida que o número de ciclos aumenta e que, em seguida, existe um patamar na curva S-N, no qual a resistência à fadiga não diminui à medida que o número de ciclos aumenta. Esta tensão abaixo da qual o material não fractura por fadiga é designada por tensão limite de fadiga. A tensão limite de fadiga situa-se entre ciclos. e 6. (a) Qual é o tipo de ligação existente nas cadeias moleculares dos polímeros termoendurecíveis? E entre as cadeias moleculares? Nas cadeias: ligações Carbono Carbono --- Covalente Entre cadeias: ligação Covalente (ligações cruzadas)

5 (b) Defina peso molecular médio de um termoplástico. Os termoplásticos são constituídos por cadeias poliméricas com diferentes comprimentos, cada uma com o seu próprio peso molecular e grau de polimerização. Assim, devemos falar em peso molecular médio, quando nos referimos à massa molecular de um material termoplástico. O peso molecular médio de um termoplástico pode ser determinado usando técnicas físico-químicas especiais. Um método usado frequentemente nesta análise consiste em determinar as fracções em peso correspondentes a vários intervalos de peso molecular. O peso molecular médio do termoplástico é então igual à soma das fracções em peso vezes o peso molecular médio correspondente a cada um dos intervalos, a dividir pela soma das fracções em peso. 7. Quais os mecanismos de difusão atómica em sólidos que conhece? Explique sucintamente em que consiste cada um deles e dê exemplos que conheça. Qual desses mecanismos de difusão é, em geral, mais rápido e por que razões isso acontece? Difusão intersticial: movimento de átomos da espécie em difusão através dos interstícios da estrutura da matriz. Ocorre na difusão de átomos pequenos (C, H, O, N) cujo movimento não causa distorção significativa da estrutura da matriz. Ex: C em Fe Difusão substitucional: movimento de átomos da espécie em difusão através de lacunas existentes na estrutura da matriz. É o mecanismo de difusão que ocorre tipicamente para átomos de maiores dimensões do que os mencionados anteriormente, causando distorção significativa da estrutura da matriz. Ex: Cu em Al. Em geral, a difusão intersticial é mais rápida do que a difusão substitucional pois os átomos pequenos apresentam maior mobilidade que os grandes. Por outro lado, existe um número maior de interstícios desocupados na vizinhança do átomo a difundir, do que de lacunas o que torna maior a probabilidade de difusão através dos interstícios do que de difusão por lacunas. Pág: do livro. 8. Na solidificação de um metal puro, quais são as duas energias envolvidas na transformação? Escreva e represente graficamente a expressão da energia total envolvida na formação de um núcleo sólido aproximadamente esférico, de raio R, por nucleação homogénea a partir do líquido. Explique por que razão a solidificação só ocorrerá se o líquido estiver a uma temperatura inferior à temperatura teórica de solidificação. Na solidificação de um metal puro por nucleação homogénea existem duas variações de energia a considerar: a energia livre de volume, que é a energia libertada pelo sistema na transformação líquido-sólido e a energia de superfície, que é a energia que é necessário fornecer para formar a superfície da partícula sólida. Sendo Δg v a variação de energia livre entre o líquido e o sólido por unidade de volume, na 4 formação de uma partícula esférica de volume 3 πr3 a energia livre de volume será 4 3 πr3 Δg v. Sendo γ a energia livre específica (por unidade de área) da superfície da partícula, a energia necessária para criar uma partícula esférica de área 4πr 2 será 4πr 2 γ. A energia livre de Gibbs total para a formação de uma partícula esférica de raio r será a soma destes

6 dois termos: ΔG T = 4 3 πr3 Δg v + 4 πr 2 γ. O termo de volume é negativo (energia motora) enquanto o de superfície é positivo (energia retardadora). Representação gráfica e mais detalhes nas páginas 124 e 125 do livro. Na expressão do raio crítico vê-se claramente que o sobrearrefecimento tem de ser positivo, ou seja, ΔT > 0, i.e., T - T f < 0, ou seja T < T f ou seja o líquido tem que estar a uma temperatura T inferior à temperatura teórica de solidificação T f. Se o sobrearrefecimento fosse nulo ΔT=0, então o raio crítico tenderia para infinito, o que inviabilizaria o início da solidificação a essa temperatura. 9. Considere o aço-carbono com 1,5% de Carbono referido na pergunta 3. (a) Trace, justificando, as curvas TTT (TI) de transformação da austenite desse aço, indicando as temperaturas importantes. Para isso recorra ao diagrama de equilíbrio de fases apresentado na pergunta 3. Inicio da precipitação de cementite primária a partir da austenite a temperaturas acima da da reacção eutectóide. Curvas em C que tendem assimptoticamente para a temperatura eutectóide (727 C), definem região de formação de perlite e de bainite. A forma em C resulta da competição entre os fenómenos de nucleação e de difusão vigentes durante a transformação. A temperaturas mais elevadas (região da perlite) a transformação ocorre tanto mais cedo quanto maior o sobrearrefecimento (DT) pois a taxa de nucleação é maior, sendo a velocidade de difusão elevada. A temperaturas mais baixas (região da bainite), apesar de o sobrearrefecimento ser elevado, a velocidade de difusão é baixa e a transformação é controlada por difusão. Região de formação de martensite com Ms abaixo de 200 C por se tratar de um aço hipereutectóide. Estas curvas TTT estão também deslocadas para a direita (t mais elevados) por se tratar de um aço hipereutectóide.

7 (b) Caso pretendesse tratar termicamente uma peça desse aço, qual a temperatura a que a peça deveria ser aquecida. Justifique a sua resposta. A peça deveria ser aquecida a uma temperatura que garantisse a sua total transformação em austenite, o que para este aço será uma temperatura de cerca de 1000 C (acima de 950 C), pois só a partir da austenite é possível formar as diversas fases presentes no diagrama TTT por tratamento térmico. (c) No caso de uma peça desse aço ser submetida a uma austempera, faça um esboço da microestrutura que obteria. A austêmpera é um tratamento térmico que consiste em arrefecer uma peça do aço austenitizado rapidamente até uma temperatura superior a Ms, mantê-la a essa temperatura durante o tempo suficiente para cruzar as curvas TTT na região da bainite, seguida de arrefecimento até à temperatura ambiente. A microestrutura resultante seria constituída por grãos contendo bainite (ferrite e cementite não lamelar). Ver fig do livro. Mais detalhes nas págs (d) Sem recorrer à negação, reescreva correctamente a frase seguinte: "A perlite superior é uma fase constituída por lamelas alternadas de austenite e martensite, que se forma a uma temperatura próxima da temperatura da transformação peritectóide" A perlite grosseira é uma mistura de fases constituída por lamelas alternadas de ferrite-α e cementite, que se forma a uma temperatura próxima da temperatura da transformação eutectóide.