Universidade Técnica de Lisboa

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1 Universidade Técnica de Lisboa Instituto Superior Técnico Ciência de Materiais 2º Teste (9.Junho.2011) Pergunta Cotação 1. (a) 0,50 1. (b) 0,50 1. (c) 0,50 1. (d) 0,50 1. (e) 0,50 1. (f) 1,00 1. (g) 0,50 1. (h) 0,50 1. (i) 0,50 2. (a) 0,50 2. (b) 0,50 2. (c) 0,50 3. (a) 0,50 3. (b) 0,50 3. (c) 0,50 4. (a) 0,50 4. (b) 0,50 4. (c) 0,50 5. (a) 2,00 5. (b) 1,50 6. (a) 2,00 6. (b) 1,50 7. (a) 0,40 7. (b) 1,50 7. (c) 0,60 7. (d) 0,20 7. (e) 0,60 7. (f) 0,20 20,00

2 Universidade Técnica de Lisboa Instituto Superior Técnico Ciência de Materiais 2º Teste (9.Junho.2011) 1. Considere o diagrama de equilíbrio de fases Magnésio-Estanho (Mg-Sn) representado na figura. (a) Este diagrama apresenta: 5 transformações isotérmicas (b) A transformação isotérmica que ocorre a 561,2 C é: L (Mg) + Mg 2 Sn Reacção eutéctica (c) A liga Mg-20% Sn (% peso) é: hipoeutéctica

3 (d) A solidificação da liga Mg-20%Sn (% em peso) inicia-se com formação dos primeiros núcleos sólidos de: (Mg) com composição química 7% Sn, a 610 C (e) À temperatura de 400 C, a liga referida na alínea (d) é constituída por: (Mg) com 5% Sn e Mg 2 Sn com 71% Sn (f) As proporções das fases existentes na liga anterior à temperatura de 400 C são: 75,5% de (Mg) primário e 24,5% de mistura eutéctica Mg 2 Sn + (Mg) (g) À temperatura de 400 C, a microestrutura da liga referida anteriormente é formada por: grãos de (Mg) pró-eutéctico e lamelas alternadas de (Mg) e Mg 2 Sn (h) Para que uma liga de Mg seja constituída por 35% de (Mg) pro-eutéctico à temperatura de 100 C a sua composição química deverá ser: 29% Sn (i) Se a liga da alínea (d) fosse arrefecida rapidamente desde o estado líquido até uma temperatura de 100 C, de modo a não ocorrer qualquer difusão em fase sólida, a sua microestrutura seria constituída por: grãos zonados de (Mg) e mistura eutéctica (Mg) + Mg 2 Sn 2. (a) Na polimerização em cadeia, o processo inicia-se habitualmente por acção de: um radical livre (b) O grau de polimerização é: o número de meros na cadeia polimérica (c) Os copolímeros podem ser: aleatórios, alternados, por blocos ou ramificados 3. Um material é submetido a um tratamento de recozimento após deformação, constituído pelas etapas de recuperação, recristalização e crescimento de grão. (a) O objectivo deste tratamento é: eliminar os efeitos do encruamento e restabelecer as propriedades mecânicas (b) Durante a etapa de recuperação há rearranjo e aniquilação de deslocações (c) Os efeitos da recristalização nas propriedades mecânicas do material são: a ductilidade aumenta e a tensão máxima diminui

4 4. (a) Atendendo à sua origem, os materiais celulares são classificados em: naturais e artificiais (b) O módulo de Young dos materiais celulares é: inferior ao dos sólidos compactos (c) Na designada região do patamar da curva de compressão o principal mecanismo de deformação é: varejamento das paredes alinhadas com a direcção de carregamento EM RELAÇÃO ÀS PERGUNTAS TEÓRICAS INDICAM-SE APENAS OS TÓPICOS QUE DEVERIAM SER ABORDADOS 5. 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 T = 4 3 πr3 ΔG υ + 4πr 2 γ em que ΔG υ = ΔH s ΔT (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*). T f d!g r* corresponde ao máximo de ΔG T => r=r* quando T dr = 0 d!g T dr = 4!r 2!G " + 8!r# = 0 resolvendo em ordem a r: r * =! 2! 2!T =! f "G "H " S "T Mais detalhes: ver W.F. Smith, pags ou W.D. Callister (7th edition) págs (b) 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

5 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 0,25%C (em peso), efectuado à temperatura de 920 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 a concentração de C à distância de 0,75 mm abaixo da superfície, após 20 h de tratamento. (Considere que erf(x) x quando x 0,5) T = 920 C = 1193 K " D = D 0 exp! Q % " $ ' = 2,3x10!5 exp! % $ ' = 7,61x10!12 m 2 / s # RT & # 8,314x1193 & c s =1%C c 0 =0,25%C c x =? t = 20 h = s c s! c x c s! c 0 = erf " x % $ ' # 2 Dt & 1! c # x 1! 0,25 = erf 0,75x10!3 & % $ 2 7,61x10!12 ( = erf ) erf 0.5 " ' como erf (0,5) 0,5 1! c x 1! 0,25 " 0,5 c x=0,62%c

6 7. Considere as curvas TTT-TI de um aço carbono, representadas na figura junta. Mf (a) Na figura encontram-se representadas as curvas TTT-TI de transformação da austenite de um aço de que tipo? Justifique a sua resposta. Hipereutectóide tem zona A+C (b) Explique as razões que levam a que as curvas tenham a forma de C. Sobrearrefecimento e difusão. Na zona superior da curva predomina o sobrearrefecimento e na zona inferior a difusão (desenvolver.) (c) Se uma peça deste aço, após austenitização completa, fosse colocada num forno a 600 C durante 10 4 s, e arrefecida posteriormente ao ar, qual a microestrutura que se obteria? Cementite pró-eutectóide ou primária e perlite (d) Como se designa o tratamento térmico descrito na alínea (c)? Normalização (e) Se uma peça deste aço, após austenitização completa, fosse arrefecida em banho de sais até 350ºC e depois mantida a essa temperatura durante 100s, seguindo-se arrefecimento em água até à temperatura ambiente, qual a microestrutura que se obteria? Martensite (f) Como se designa o tratamento térmico descrito na alínea (e)? Martêmpera