RESOLUÇÃO. Universidade Técnica de Lisboa. Instituto Superior Técnico. Ciência de Materiais Repescagem 2º Teste (28.Junho.2012)

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1 Universidade Técnica de Lisboa Instituto Superior Técnico Ciência de Materiais Repescagem 2º Teste (28.Junho.2012) RESOLUÇÃO Pergunta Cotação 7. (a) 0,50 7. (b) 0,50 7. (c) 0,50 8. (a) 0,50 8. (b) 0,50 8. (c) 0,50 8. (d) 0,50 8. (e) 0,50 8. (f) 0,50 8. (g) 1,00 8. (h) 0,50 8. (i) 0,50 9. (a) 0,50 9. (b) 0,50 9. (c) 0,50 9. (d) 0,50 9. (e) 0,50 9. (f) 0,50 9. (g) 0, (a) 1, (b) 1, (c) 1, (a) 2, (b) 1, (c) 1, ,00 20,00

2 Universidade Técnica de Lisboa Instituto Superior Técnico Ciência de Materiais Repescagem 2º Teste (28.Junho.2012) 7. (a) Os materiais poliméricos caracterizam-se por apresentarem ligações intramoleculares: covalentes (b) Os materiais poliméricos são obtidos por polimerização de: hidrocarbonetos insaturados (c) Num copolímero existem: dois ou mais tipos de meros 8. Considere o diagrama de equilíbrio de fases magnésia-alumina (MgO-Al 2 O 3 ) representado na figura junta.

3 (a) Este diagrama apresenta 5 transformações isotérmicas (b) A transformação isotérmica que ocorre à temperatura de 2120ºC é: L MgAl 2 O 4 Fusão congruente do MgAl 2 O 4 (c) A fase (MgO) pode ser considerada: uma solução sólida terminal (d) A solidificação em condições de equilíbrio do cerâmico MgO-40%Al 2 O 3 (% peso) inicia-se com formação dos primeiros núcleos sólidos de: (MgO) com composição química 9% Al 2 O 3, a 2320 C (e) O cerâmico MgO-40%Al 2 O 3 (% peso) é: hipoeutéctico (f) À temperatura de 1600 C, o cerâmico anterior é constituído por: (MgO) ( 2% Al 2 O 3 ) e MgAl 2 O 4 ( 70% Al 2 O 3 ) (g) A proporção das fases existentes na microestrutura do cerâmico anterior a 1600 C é: 40,6% de (MgO) primário e 59,4 de eutéctico (MgO)+MgAl 2 O 4 (h) A microestrutura desta liga a 1600 C é constituída por: grãos de (MgO) primário e lamelas alternadas de (MgO) e MgAl 2 O 4 (i) Se a liga referida fosse arrefecida rapidamente desde o estado líquido até uma temperatura de 1000 C de modo a não ocorrer qualquer difusão em fase sólida, a sua microestrutura seria constituída por: grãos zonados de (MgO) e lamelas alternadas de (MgO) e MgAl 2 O 4

4 9. Considere o diagrama TTT-TI de um aço representado na figura junta. (a) Na figura acima encontram-se representadas as curvas TTT-TI de transformação da austenite de um aço com um teor em carbono (% em peso): inferior a 0,8% (b) Se uma peça deste aço, após austenitização completa, fosse arrefecida até 620 C e mantida a essa temperatura durante 1 minuto, seguida de arrefecimento em água até à temperatura ambiente, a microestrutura que se obteria seria: perlite e ferrite (c) Se após o tratamento térmico da alínea (b) a peça fosse reaquecida a 700 C e mantida a essa temperatura durante 32 horas, a microestrutura obtida seria: esferoidite (d) O tratamento térmico referido na alínea anterior designa-se: esferoidização (e) Se uma peça deste aço, após austenitização, fosse arrefecida até 400 C e mantida a essa temperatura durante 2 minutos, seguindo-se arrefecimento em água até à temperatura ambiente, a microestrutura obtida seria constituída por: bainite

5 (f) O tratamento térmico referido na alínea anterior designa-se: austêmpera (g) O tratamento térmico da alínea anterior permite obter: peças com maior tenacidade do que na têmpera martensítica EM RELAÇÂO ÀS PERGUNTAS TEÓRICAS INDICAM-SE APENAS OS TÓPICOS QUE DEVERIAM SER ABORDADOS 10. Considere a nucleação homogénea durante a solidificação de um metal puro. Sabendo que a energia livre de Gibbs de um agregado de átomos aproximadamente esférico pode ser expressa pela equação, ΔG = 4 T 3 πr3 ΔG + 4πr 2 γ em que ΔG = ΔH s ΔT υ υ T f (a) Deduza a expressão do raio crítico (r*) para a nucleação homogénea. A expressão de ΔG T 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 favoráveis, do ponto de vista termodinâmico, para o crescimento desse cacho. Esse raio é o chamado raio crítico (r*). Fazendo, então, a derivada da expressão anterior e igualando a zero, obtemos a equação que nos dá a abcissa desse máximo, i.e., o raio crítico (r*). r* corresponde ao máximo de ΔG T => r=r* quando d!g T dr d!g T dr = 4! r 2!G " + 8! r# = 0 resolvendo em ordem a r: = 0 r * =! 2! 2! T f =! "G "H " S "T Mais detalhes: ver W.F. Smith, pags ou W.D. Callister (7th edition) págs (b) Considerando ΔH S = -1826J.cm -3, γ = J.cm -2, T f = 1083 C, ΔT = 0,2T f, calcule o raio crítico (r*) de um núcleo de cobre considerado aproximadamente esférico Na alínea anterior deduziu-se a expressão para o raio crítico: r =!"T f H! T Os valores a considerar são então:! =!""!"!! J.cm!!! f =!"#$ =!"#$ +!"#,!" K=1356,15K! s =!"#$J.cm!!! =!,!! f =!,!!"#$ =!"#,! =!"#,!K Substituindo obtém-se:! =!!""!"!!!"#$,!"!"#$!"#,! =!,!"#!"!! cm = 1,214nm

6 (c) Explique por que razão um metal arrefecido a uma temperatura T 2 tal que T 2 <T 1 <T f terá após solidificação um tamanho de grão inferior ao metal solidificado a T 1. Um metal arrefecido a uma temperatura T 2 tal que T 2 <T 1 <T f terá um correspondente sobrearrefecimento (ΔT) maior do que se fosse arrefecido a T1, pois ΔT=T f -T 2. Consequentemente, o raio crítico será menor e a taxa de nucleação (nº de núcleos formados por unidade de tempo e volume) do metal arrefecido a T 2 será maior do que em T 1. Apesar de nem todos os aglomerados sobreviverem como núcleos estáveis, no líquido com maior sobrearrefecimento há sempre um maior número de núcleos formados que tenderão a crescer originando grãos. Assim, um líquido solidificado com elevado sobrearrefecimento terá após solidificação uma microestrutura formada por maior número de grãos do que se for solidificado com baixo sobrearrefecimento. Como cada núcleo cresce até encontrar outro vizinho, havendo maior número de núcleos haverá maior número de grãos e cada grão terá menor tamanho. Deste modo, um metal solidificado com maior sobrearrefecimento terá após solidificação uma estrutura de grãos menores do que se fosse solidificado com menor sobrearrefecimento. Mais detalhes: ver W.F. Smith págs ou W.D. Callister (7th edition) págs Considere o tratamento de cementação em fase gasosa de uma roda dentada de um aço com 0,2%C (em peso), efectuado a uma temperatura de 950 C. D 0 = 2.3x10-5 m 2 /s Q=148 kj/mol R=8,314J/(mol.K) (a) Explique como se efectua este tratamento, indicando qual a sua finalidade bem como os mecanismos de mobilidade atómica envolvidos. Cementação de um aço: tratamento termoquímico que visa promover a formação de uma camada superficial rica em Carbono, endurecida, que confere à peça uma elevada resistência ao desgaste. Efectua-se colocando a peça num forno a T adequada contendo uma atmosfera rica em C (normalmente gasosa de metano) durante o tempo necessário para se obter uma camada superficial endurecida. O tratamento obtém-se através da difusão intersticial de átomos de C através da superfície da peça, formando uma camada rica em C. O processo envolve a difusão em estado não estacionário sendo a espessura da camada endurecida controlada através da temperatura (que controla o coeficiente de difusão), do tempo de tratamento e da concentração de C. Mais detalhes: ver W.F. Smith, págs ou W.D. Callister (7th edition) págs (b) Se, durante o tratamento, a concentração de C à superfície da peça for mantida a 1% (em peso), determine qual o tempo necessário para obter um teor em C de 0,6% à distância de 0,75 mm abaixo da superfície da peça. (Considere que erf(u) u quando u 0,5) T = 950 C = 1223 K " D = D 0 exp! Q % " $ ' = 2,3x10!5 exp! % $ ' =1, 097x10!11 m 2 / s # RT & # 8, 314x1223& c s =1%C c 0 =0,2%C c x =0,6%C t =? c s! c x c s! c 0 = erf " x % $ ' # 2 Dt & 1! 0, 6 # 1! 0, 2 = 0, 5 = erf 0, 75x10!3 & % $ 2 1, 097x10!11 ( " t '

7 Como erf 0, 5! 0, 5 0, 75x10 "3! 0, 5 t=51276,21 s=14,24 h 2 1, 097x10 "11 # t (c) Se o tratamento fosse efectuado à temperatura de 1050 C, determine qual seria o tempo necessário para obter uma camada cementada com as mesmas características da alínea anterior. T = 1050 C = 1323 K " D = D 0 exp! Q % " % $ ' = 2, 3x10!5 exp $! ' = 3, 298x10!11 m 2 / s # RT & # 8, 314x1323 & Como erf 0, 5! 0, 5 0, 75x10 "3 2 3, 298x10 "11 # t! 0, 5 t=17055,79 s=4,74 h 12. Explique o que são as designadas ligas leves, referindo-se às suas propriedades mais relevantes. Dê exemplos de algumas dessas ligas que conheça e respectivas aplicações. Ligas leves são ligas metálicas, assim designadas por apresentarem densidade inferior às ligas ferrosas (aços e ferroso fundidos). Apresentam também densidade inferior a outras ligas metálicas relevantes industrialmente como as ligas de Ni, Cu e refractárias. As ligas leves caracterizam-se ainda por apresentarem, em geral, elevada resistência à corrosão e/ou oxidação. Outras características como a condutividade e a vasta gama de propriedades mecânicas que as ligas leves podem apresentar por tratamento térmico (endurecimento por precipitação, por exemplo) e/ou mecânico são também vantagens de enorme relevância industrial. No entanto, as ligas não ferrosas apresentam, em geral, um custo mais elevado que as ligas ferrosas, razão pela qual são utilizadas em aplicações de maior valor acrescentado. As ligas leves são utilizadas em aplicações onde a densidade e a resistência à corrosão são requisitos essenciais. Exemplos de ligas leves por ordem decrescente de densidade são: - ligas de Titânio usadas na indústria aeronáutica e, mais recentemente, em aplicações médicas (próteses, implantes, placas ortopédicas, etc), devido à sua elevada biocompatibilidade - ligas de Alumínio utilizadas nas industrias aeronáutica, automóvel, embalagens, etc. - ligas de Magnésio utilizadas nas industrias aeronáutica e automóvel. Principais limitações são a fácil ignição e a baixa resistência à corrosão. Estas ligas são bioabsorvíveis e estão a ser seriamente consideradas para a utilização como implantes biodegradáveis.