Lisboa, 12 de Janeiro de 2008

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1 Prova escrita de: 2º Teste de iência de Materiais (orrecção) Lisboa, 12 de Janeiro de 2008 Nome: Número: urso: 1. onsidere a cementação da superície de uma roda dentada de um aço 1022 (0,22% ). (a) O coeiciente de diusão do no Fe a 1000º, em m 2 /s, é: 2, Dados: R = 8,314 J/(mol.K); D 0 ( no Fe-γ) = 2, m 2 /s Energia de activação para a diusão: Q = 142 kj/mol (b) Se o teor supericial em or 1,22%, o tempo necessário para se obter o valor 0,72% para a composição do aço a 1,5 mm abaixo da superície, no caso da cementação ser realizada a 1000º, será: 21,0 h Admita que é válida a seguinte solução da 2ª lei de Fick: Note que er(u) u quando u<0,75. S ' S ( z, t) ' 0 & = er$ % 2 z #! Dt " (c) Se o teor supericial em or na mesma 1,22%, o tempo necessário para se obter o valor 0,72% para a composição do aço a 1,5 mm abaixo da superície, no caso da cementação ser realizada à temperatura ambiente, será: Tão elevado que não tem signiicado ísico

2 2. onsidere a secção do diagrama de equilíbrio de ases Ferro (Fe) arbono () 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% é um aço do tipo: hipereutectóide (c) A solidiicação do aço com 1,3%, inicia-se com ormação dos primeiros núcleos sólidos de: Austenite a 1440 (d) À temperatura de 1000, o aço anterior é constituído por: 100 % Austenite (e) À temperatura de 800, as ases presentes no aço considerado e as respectivas composições químicas são: Austenite com 1% e ementite com 6,67% () À temperatura de 500, a microestrutura do aço com 1,3% é constituída por: 90,9% de Perlite e 9,1% de ementite pró-eutectóide (g) Se este aço (1,3% ) osse arreecido rapidamente desde o estado líquido até uma temperatura de cerca de 1260, de modo a não ocorrer qualquer diusão em ase sólida,

3 a sua temperatura de im de solidiicação e a respectiva microestrutura seriam, respectivamente: T < 1290 e grãos de Austenite zonados 3. No tratamento térmico de endurecimento por precipitação de uma liga de Alumínio-obre, as três etapas habituais são (por esta ordem): solubilização, têmpera, envelhecimento 4. onsidere o tratamento térmico de austêmpera, realizado a uma peça de um aço eutectóide. A microestrutura inal após o tratamento é constituída por: Bainite 5. Na igura junta encontram-se representadas as curvas TTT-TI de transormação da austenite de um aço hipereutectóide. A A+ A + F + F+ A+ M Peças desse aço oram aquecidas durante 1 hora a 900 e depois oram submetidas aos tratamentos térmicos abaixo indicados. Usando o diagrama TTT-TI da igura, à temperatura ambiente, a microestrutura das peças após cada um dos seguintes tratamentos seria:

4 (a) arreecimento em banho de sais até 700, manutenção durante 1 hora, seguida de arreecimento em água: ementite pro-eutectóide + Perlite grosseira + Martensite + Austenite (b) arreecimento em banho de sais até 520, manutenção durante 1 minuto, seguida de arreecimento em água: Perlite ina (c) arreecimento em banho de sais até 200, manutenção durante 1 dia, seguida de arreecimento em água: Bainite inerior EM RELAÇÃO ÀS PERGUNTAS TEÓRIAS INDIAM-SE APENAS OS TÓPIOS QUE DEERÃO SER ABORDADOS 6. onsidere 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 pág. 124, 125. (b) om 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.

5 7. Explique sucintamente quais as regras para a ormação de soluções sólidas de elevada solubilidade. Em que condições se tendem a ormar soluções sólidas intersticiais ou subsitucionais? Ilustre a resposta com exemplos que conheça. Regras de Hume-Rothery - A solubilidade num elemento noutro é tanto mais elevada quanto os elementos têm: dierença entre raios atómicos inerior a 15% mesma estrutura cristalina electronegatividade semelhante valência semelhante Para átomos de soluto com raio atómico muito pequeno (como o, H, N) tendem a ormar-se soluções sólidas instersticiais ( no Fe por exemplo) pois a distorção da rede é menor do que se ormasse uma ss substitucional. Para átomos de soluto de maiores dimensões tendem a ormar-se soluções sólidas substitucionais pois a distorção da rede é menor do que se ormasse uma ss intersticial (u no Al, por exemplo). 8. 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. aixilharias de Alumínio. Embutição ou estampagem: Processo de deormação plástica que transorma chapas em peças côncavas. Latas de bebidas, chapas automóveis. 9. 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. 10. onsidere uma amostra de silício dopada com átomos/m 3 de ósoro. (a) omo se designa este tipo de semicondutor? Justiique. Semicondutor extrínseco do tipo n. Uma vez que o sílicio 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.