2º EXAME/ REPESCAGEM DOS TESTES.

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1 Notas importantes: a) os alunos têm 3 opções: ) repescagem do º teste ; 2) repescagem do 2º teste; 3) fazer exame final (3h). Ao fim de h3, os alunos que optarem pelas hipóteses ) ou 2) terão de entregar a prova.. b) Os enunciados terão de ser entregues, mesmo em caso de desistência, estando disponíveis apenas após o final do exame. c) Não é permitido o uso de telemóvel. d) Desistências: após 3 min de prova. e) OS ALUNOS DEVEM RESPONDER NA PRÓPRIA FOLHA DE PROVA. Isso significa que tudo o que se escrever nas folhas (inclusive no verso) será considerado para efeito da correcção... Considere a célula estrutural do silício, em que cada esfera representa um átomo de Si. Sabe-se que o Si tem a chamada estrutura do diamante. a) Indique qual a base ou motivo desta estrutura. Justifique. (Nota: Sabe-se que a respectiva rede cristalina é a rede CFC). Indique também a razão pela qual esta estrutura se denomina estrutura do diamante. b) Calcule a massa específica (densidade) do Si, sabendo que o parâmetro de rede é a=.543 nm e que a massa atómica M é g/mol. [Nº Avogadro = 6.23 x 23 ] c) Represente (se possível), na célula unitária fornecida, os planos e direcções cristalográficos de índices (justifique os casos de impossibilidade): i) ( 4 ) ; ii) ( 3 2 ) ; iii) ( 2 ) ; iv) [ 2 ] ; v) [ ].

2 Realizou-se o ensaio de tracção a uma amostra de um material cerâmico (nitreto de sílicio), tendo-se obtido os seguintes resultados (no final o provete fracturou): σ / MPa ε / % a) Com base na tabela acima, trace o gráfico tensão / estensão e determine algumas das propriedades mecânicas do material (determine o máximo número de propriedades possível). b) Caracterize este material do ponto de vista do seu comportamento mecânico. Justifique esse comportamento, com base naquilo que sabe acerca da estrutura dos materiais cerâmicos. c) Realizou-se outro ensaio mecânico a uma nova peça de nitreto de silício, sendo que neste caso a amostra fracturou aos 6 MPa. Visto que um exame visual prévio do seu estado de superfície não tinha revelado nenhum defeito, explique (de forma qualitativa e quantitativa) o motivo do material ter fracturado muito antes dos 9 MPa. Sabe-se que a tenacidade à fractura é K IC = 6 MPa m /2. Considere Y =, na expressão: Y σ π a.

3 2d) Deduza a expressão que dá o módulo de Young dum compósito laminado, ou com fibras unidireccionais, em condições de iso-deformação, em que os índices f e m indicam a fibra (ou reforço) e a matriz, respectivamente E C = E f v f + E m v m 2e) Imagine que se consegue obter o nitreto de silício na forma de fibras. Baseando-se na alínea anterior, sugira (de forma qualitativa e quantitativa) uma maneira de obter um material com módulo de Young 2 GPa, usando como matriz uma resina epoxídica com módulo de Young igual 4 GPa. 3. a) Indique dois mecanismos de endurecimento de um metal, i.e., processos que conduzam ao aumento da sua dureza e da sua resistência mecânica. Destaque o papel do defeito cristalino cujo movimento está de maneira comum relacionado com tais mecanismos. Indique o interesse prático da aplicação dessas metodologias.

4 3b) Fractura, Fluência, Fadiga: dentre estes três fenómenos, escolha dois deles. Relativamente aos fenómenos que escolheu: descreva-os sucintamente; faça gráficos e/ou esquemas representativos; diga qual a respectiva importância no contexto da integridade mecânica de peças que possam estar sujeitas a tensões elevadas e/ou a esforços mecânicos alternados e/ou a temperaturas elevadas. 4. Determine a tensão de tracção que deverá ser aplicada segundo a direcção [ ] monocristal de cobre, de modo a provocar escorregamento no sistema ( ) [ ] tangencial resolvida crítica do cristal é.7 MPa. de um. A tensão 5. i) Escreva sucintamente acerca da importância da Ciência e Engenharia de Materiais (importância científica, tecnológica, económica, histórica, etc). ii) Explique sucintamente a interrelação entre Estrutura, Processamento, Propriedades e Comportamento dos Materiais.

5 Notas importantes: a) os alunos têm 3 opções: ) repescagem do º teste ; 2) repescagem do 2º teste; 3) fazer exame final (3h). Ao fim de h3, os alunos que optarem pelas hipóteses ) ou 2) terão de entregar a prova.. b) Os enunciados terão de ser entregues, mesmo em caso de desistência, estando disponíveis apenas após o final do exame. c) Não é permitido o uso de telemóvel. d) Desistências: após 3 min de prova. e) OS ALUNOS DEVEM RESPONDER NA PRÓPRIA FOLHA DE PROVA. Isso significa que tudo o que se escrever nas folhas (inclusive no verso) será considerado para efeito da correcção.. 6. Considere o diagrama de equilíbrio (metaestável) de fases Fe-Fe 3 C. a) Para um aço com,3 %C, estude o arrefecimento suficientemente lento para poder ser considerado o diagrama de fases dessa liga desde o estado líquido, indicando: i) a temperatura de início de solidificação e a composição dos primeiros núcleos de sólido; ii) a temperatura de fim de solidificação e a composição do último líquido a solidificar; iii) a composição e proporção (percentagem) das fases presentes em cada uma das seguintes temperaturas: 47ºC, 727 ºC.

6 a iv) Faça um esboço da microstrutura a 25 ºC. Justifique, indicando microstruturas a várias temperaturas convenientes, ao longo do arrefecimento. Legende as figuras. Indique as proporções dessas fases, distinguindo entre fases primárias e secundárias, se fõr caso disso (extrapole o comportamento do diagrama até à temperatura ambiente) b) Determine as composições de dois aços que após arrefecimento suficientemente lento para poder ser considerado o diagrama de fases acima desde o domínio austenítico tenham na sua microestrutura 2.5% de fase primária (ou, proeutectóide). 7. a) Esboce, de forma qualitativa, as curvas TTT-TI para um aço eutectóide.

7 b) Considere os seguintes tratamentos térmicos realizados em peças de um aço eutectóide: ) têmpera martensítica, 2) têmpera e revenido; 3) martêmpera, 4) austêmpera. Sabe-se que as peças têm espessura não desprezável. Trace, em diagramas TTT-TI separados, curvas de arrefecimento para cada um desses tratamentos. Indique claramente, em cada um desses diagramas, qual a curva de arrefecimento que corresponde ao interior e qual a que corresponde à superfície da peça. c) Reescreva as seguintes frases, (sem recorrer à negação) usando os termos mais correctos/adequados. O revenido é um tratamento mecânico cujo objectivo é aumentar a rigidez do material. Do ponto de vista microscópico, dá-se um processo de difusão, pelo qual os átomos de carbono abandonam a cementite, agregando-se na forma de carburantes 8. Considere a ocorrência de nucleação homogénea na solidificação de um metal puro. T 2 γ 2 γ f a) Deduza a expressão do raio crítico para a nucleação homogénea: r = = GV HV T Considere que os núcleos são aproximadamente esféricos.. 8b) Calcule o tamanho (raio) crítico de um núcleo de ferro. Dados: T = 295 ºC;

8 calor de solidificação = -298 J/cm 3 ; energia de superfície: 2.4 x -5 J/cm 2. Nota: o diagrama de fases da questão 6 também deve ser consultado 9. Considere o seguinte corte isotérmico do diagrama ternário Cr-Fe-Ni: a) Diga qual a composição química da liga representada pela letra X. Indique também que fases constituem a liga a essa temperatura. b) Marque no diagrama, com a letra P, a liga de composição 6% Cr, % Fe. c) Pretende-se ter uma liga ternária Cr-Fe-Ni com 2% Ni cuja microstrutura à temperatura de 65 ºC seja monofásica. Marque no diagrama, com a letra Q, uma liga que satisfaça esse requisito e indique a sua composição química.. Considere a cementação da superfície de uma roda dentada de um aço 22 (.22% C). a) Calcule o coeficiente de difusão do C no Fe a ºC e a 25ºC. Q D = D exp RT b) Se o teor superficial em C fôr.22%, calcule o tempo necessário para se obter o valor.72% C para a composição do aço a.5 mm abaixo da superfície, no caso em que a cementação é realizada a ºC. E se a temperatura de cementação fôsse 25ºC? Critique e/ou comente o resultado. CS C( z, t) z Admita que é valida a seguinte solução da 2ª lei de Fick: = erf. CS CO 2 Dt (Note que erf(x) x quando x<.75). Dados: R = 8.34 J /(mol. K); D (C no Fe-γ) = 2. * -5 m 2 /s; energia de activação para a difusão: Q = 42 kj/mol.