Universidade Técnica de Lisboa

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1 Universidade Técnica de Lisboa Instituto Superior Técnico Ciência de Materiais 2º Teste (11.Junho.2013) COTAÇÕES Pergunta Cotação 1. (a) 0,50 1. (b) 0,50 1. (c) 0,50 1. (d) 0,50 2. (a) 0,50 2. (b) 0,50 2. (c) 0,50 2. (d) 0,50 2. (e) 1,00 2. (f) 0,50 2. (g) 1,00 2. (h) 0,50 2. (i) 0,50 3. (a) 0,50 3. (b) 0,50 3. (c) 0,50 3. (d) 0,50 3. (e) 0,50 4. (a) 1,50 4. (b) 1,50 5. (a) 1,50 5. (b) 1,50 6. (a) 1,00 6. (b) 1, ,00 20,00

2 Universidade Técnica de Lisboa Instituto Superior Técnico CORRECÇÃO 1. (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 (d) Em tracção, os mecanismo de deformação dos materiais celulares são: flexão, tracção e alinhamento das paredes celulares 2. Considere o diagrama de equilíbrio de fases alumínio-itérbio (Al-Yb) representado na figura junta.

3 (a) Este diagrama apresenta: 3 equilíbrios trifásicos (b) A transformação isotérmica que ocorre a 980 C é: L + Al 2 Yb Al 3 Yb Reacção peritéctica (c) A liga Al-72% Yb (% peso) é: hiperperitéctica (d) A solidificação da liga Al-32%Yb (% em peso) inicia-se com formação dos primeiros núcleos sólidos de: Al 3 Yb com composição química 68% Yb, a 765 C (e) À temperatura de 700 C, a liga referida na alínea (d) é constituída por: 87,8% de L e 12,2% de Al 3 Yb (f) À temperatura de 400 C a liga anterior é constituída por: (Al) com 0% Yb e Al 3 Yb com 68% Yb (g) As proporções das fases existentes na liga anterior à temperatura de 400ºC são: 23,4% de Al 3 Yb primário, 52,94% de (Al) e 23,66% de Al 3 Yb eutéctico (h) À temperatura de 400 C, a microestrutura da liga referida anteriormente é formada por: grãos de Al 3 Yb pró-eutéctico e lamelas alternadas de (Al) e Al 3 Yb (i) Se a liga anterior fosse arrefecida rapidamente desde o estado líquido até uma temperatura de 400 C, de modo a não ocorrer qualquer difusão em fase sólida, a sua microestrutura seria constituída por: grãos homogéneos de Al 3 Yb e lamelas alternadas de (Al) e Al 3 Yb

4 3. Considere o diagrama TTT de transformação de um aço eutectóide representado na figura junta. (a) Este diagrama permite estudar as transformações: da austenite em condições isotérmicas (b) Se uma peça deste aço, após autenitização, fosse arrefecida em água até à temperatura ambiente seguindo-se reaquecimento a 350 C durante 1 h, a microestrutura que se obteria seria constituída por: martensite revenida (c) O tratamento térmico referido na alínea anterior tem o nome de: têmpera e revenido (d) Se uma peça deste aço, após autenitização, fosse arrefecida até 350ºC e depois mantida a essa temperatura durante 120 s, seguindo-se arrefecimento em água até à temperatura ambiente, a microestrutura que se obteria seria constituída por: bainite (e) O tratamento anterior designa-se: austêmpera

5 4. Considere a solidificação de níquel puro por nucleação homogénea. Sabendo que a energia livre de Gibbs de um agregado de átomos considerado aproximadamente esférico é expressa por:!g T = 4 3! r 3!g V +4! r 2 " com!g V =!H!T S T f ΔH S = -2,53 x 10 9 J/m 3 γ = 0,255 J/m 2 ΔT = 319 C T f = 1455 C ρ = 8,9 g/cm 3 M = 58,69 g/mol (a) Deduza a expressão do raio crítico (r*) de nucleação homogénea e determine o seu valor para um núcleo de níquel considerado esférico. A expressão de ΔG T tem um máximo, ou seja, há um valor do raio do agregado a partir do qual a energia do mesmo diminui com a adição de átomos, logo existem condições favoráveis, do ponto de vista termodinâmico, para o crescimento desse agregado. Esse raio é o chamado raio crítico (r*). Fazendo, 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*). d!g r* corresponde ao máximo de ΔG T => r = r* quando T = 0 dr d!g T = 4!r 2!g + 8!r" = 0 resolvendo em ordem a r: r * =! 2! 2!T =! f dr! "g " "H S "T Substituindo, obtém-se: 2x0.255x ( ) r* = - = 1.092x10!9 m = nm!2.53x10 9 x 319 (b) Calcule o número de átomos de níquel existentes num núcleo com o tamanho crítico. Volume de núcleo esférico com r* = 4 3! ( r * ) 3 = 4 3! ( ) x10!7 = 5.455x10!21 cm 3 nº átomos do núcleo = substituindo massa do núcleo massa de 1 átomo =!V M N av =!VN av M!VN av M = 8.9x5.455x10!21 X 6.023x = 498 átomos

6 5. Considere o processo de cementação em fase gasosa de uma peça do aço AISI 1024 (0,24%C, em peso) à temperatura de 925 C. R=8,314 J/(mol.K) D 0 (C no Fe-γ)=2,3x10-5 m 2 /s Q=148 kj/mol erf(u) u para u 0,5 (a) Explique, justificando, como se realiza este tratamento, qual a sua finalidade e quais 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 em 1,16% (em peso), determine qual o tempo necessário para obter um teor em C de 0,7% à distância de 0,8 mm abaixo da superfície da peça. T = 925 C = 1198 K " D = D 0 exp! Q % " $ ' = 2,3x10!5 exp! % $ ' = 8.909x10!12 m 2 /s # RT & # 8.314x1198& c s =1.16%C c 0 =0,42%C c x =0,7%C t =? c s! c x c s! c 0 = erf " x % $ ' # 2 Dt & 1.16! ! 0.24 = 0.5 = erf " x % $ ' # 2 Dt & Como erf 0.5! 0.5 x 2 D " t ( ) 2 2 x! 0.5 x= Dt t= D = 0.8x10 #3 = s = h # x10 EM RELAÇÃO ÀS PERGUNTAS TEÓRICAS INDICAM-SE APENAS OS TÓPICOS QUE DEVERIAM SER ABORDADOS 6. (a) Os materiais poliméricos são obtidos através de reacções de polimerização. Quais os tipos de reacções de polimerização? Descreva um desses tipos à sua escolha, exemplificando. Polimerização em cadeia Polimerização por passos sucessivos

7 Ver páginas e do livro Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais - 3ª edição, W. F. Smith. Lisboa: Mc Graw-Hill Portugal (1998) ou Pags W. D. Callister, Materials Science and Engineering - an Introduction, 7th edition, 2007). (b) Defina copolímero. Indique, esquematizando, os tipos de copolímeros que existem. Um copolímero é formado por cadeias poliméricas constituídas por duas ou mais unidades de repetição quimicamente diferentes, que podem estar em sequências diferentes Os copolímeros podem ser: - aleatórios os diferentes meros estão distribuídos aleatoriamente ao longo das cadeias poliméricas; - alternados os diferentes meros estão dispostos alternadamente; - por blocos os diferentes meros da cadeia estão dispostos em blocos relativamente longos de cada um dos meros; - ramificados apêndices de um tipo de mero estão enxertados na cadeia longa do outro tipo de mero. Ver páginas do livro Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais - 3ª edição, W. F. Smith. Lisboa: Mc Graw-Hill Portugal (1998), ou ou Pags W. D. Callister, Materials Science and Engineering - an Introduction, 7th edition, 2007). 7. Explique o que são materiais semicondutores intrínsecos e extrínsecos, distinguindo entre semicondutores extrínsecos do tipo p e do tipo n e ilustrando a sua resposta com exemplos adequados. Os semicondutores são materiais cuja condutividade eléctrica se situa entre a dos metais (bons condutores) e as dos isoladores (maus condutores). Nos semicondutores intrínsecos o nº de electrões (portadores de carga negativos, n) é igual ao nº de buracos (portadores de carga negativos, p): n = p Exemplos são o Silício e o Germânio (elementos do grupo IV - 4 electrões de valência). Os semicondutores extrínsecos são aqueles em que: n p nº de portadores de carga negativos (electrões) nº de portadores de carga positivos (buracos) Semicondutores extrínsecos são soluções sólidas substitucionais, nas quais os átomos de impurezas dissolvidos têm valências diferentes dos átomos da estrutura cristalina do solvente. São obtidos por dopagem com elementos do grupo V (como o P, As e Sb) ou do grupo III (como o Boro). A substituição de átomos do grupo IV (Si, por exemplo) por átomos de P (por exemplo) gera excesso de cargas negativas, resultando num semicondutor extrinseco do tipo n (onde n>>p). A substituição de átomos do grupo IV (Si, por exemplo) por átomos de B (por exemplo) gera excesso de buracos, resultando num semicondutor extrinseco do tipo p (onde p>>n). Ver Páginas do livro Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais - 3ª edição, W. F. Smith. Lisboa: Mc Graw-Hill Portugal (1998) ou Pags W. D. Callister, Materials Science and Engineering - an Introduction, 7th edition, 2007).