Universidade Técnica de Lisboa

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1 Universidade Técnica de Lisboa Instituto Superior Técnico Ciência de Materiais - 2º Teste (20.Janeiro.2011) Pergunta Cotação 1. (a) 1,00 1. (b) 1,00 1. (c) 1,00 2. (a) 0,50 2. (b) 0,50 2. (c) 0,50 2. (d) 0,50 3. (a) 0,50 3. (b) 0,50 3. (c) 0,50 3. (d) 0,50 3. (e) 0,50 3. (f) 0,50 4. (a) 0,50 4. (b) 0,50 4. (c) 0,50 4. (d) 0,50 5. (a) 1,50 5. (b1) 1,50 5. (b2) 1,00 5. (c) 1, , ,00 8. (a) 0,50 8. (b) 1, ,00 20,00

2 Universidade Técnica de Lisboa Instituto Superior Técnico Ciência de Materiais - 2º Teste (20.Janeiro.2011) RESOLUÇÃO 1. Considere a solidificação de Níquel puro por nucleação homogénea em que a energia livre de Gibbs de um agregado de átomos é expressa por: sendo: ΔH S = -2, J/m 3 0,255 J/m C 1453 C 8,9 g/cm 3 M=58,69 g/mol (a) O raio crítico (r*) de um núcleo de Níquel considerado aproximadamente esférico será: 1,09 nm (b) A energia de activação para a nucleação (ΔG*) homogénea do Níquel será: 1, J (c) O número de átomos de Níquel existentes num núcleo com o tamanho/raio crítico será: O coeficiente de difusão do Mg em Al é 1, m 2 /s a 500 C e 1, m 2 /s a 600 C. R = 8,314 J/(mol.K) (a) O mecanismo de difusão do Mg em Al tenderá a ser: substitucional (b) O valor da energia de activação para a difusão do Mg no Al é: 124 KJ/mol (c) O valor da constante D 0 é: 4, m 2 /s (d) A 400ºC, o valor do coeficiente de difusão do Mg no Al será: 1, m 2 /s

3 3. Na figura junta encontra-se representado o diagrama TTT de transformação da Austenite de um aço hipereutectóide. (a) De modo a ficarem completamente austenitizadas, as peças deste aço deveriam ser aquecidas a uma temperatura de: 900 C (b) Se após a austenitização completa uma peça deste aço fosse arrefecida em banho de sais até 700 C, mantida durante 200 segundos a esta temperatura e seguidamente arrefecida em água, a microestrutura obtida à temperatura ambiente seria constituída por: Cementite pro-eutectóide + Martensite (c) Se após a austenitização completa uma peça deste aço fosse arrefecida em banho de sais até 650 C, mantida durante 2 horas a esta temperatura e seguidamente arrefecida em água, a microestrutura obtida à temperatura ambiente seria constituída por: Cementite pro-eutectóide + Perlite (d) Após austenitização completa, o tempo que seria necessário manter uma peça deste aço à temperatura de 450 C para obter uma microestrutura constituída por bainite seria: 1 h e 40 min (e) O tratamento térmico correspondente às condições da alínea (d) designa-se: Austêmpera

4 (f) Se a peça referida na alínea (d) voltasse a ser aquecida a uma temperatura de 400 C durante 1 hora e depois arrefecida em água até à temperatura ambiente, a microestrutura obtida seria constituída por: Bainite 4. (a) O calor específico dos materiais metálicos é: menor do que o dos materiais poliméricos. (b) De modo a que a condutividade eléctrica aumente, os materiais devem ser ordenados da seguinte forma: Polímeros Cerâmicos - Metais (c) A deformação de um material metálico faz com que a sua resistividade eléctrica: aumente (d) Num semicondutor extrínseco do tipo-p, o número de buracos é: maior do que o número de electrões. 5. Considere o diagrama de equilíbrio de fases Cobre (Cu) Magnésio (Mg) representado na figura.

5 (a) Enuncie 3 transformações isotérmicas de tipos diferentes de entre as que ocorrem neste diagrama, indicando a temperatura a que ocorrem, as fases envolvidas e respectivas composições químicas e a designação por que são conhecidas. Escolher uma de cada tipo: 1 - Ponto de fusão de componentes puros: do Cu puro: do Mg puro: L (0%Mg) <-> (Cu)(0%Mg) T = C L (100%Mg) <-> (Mg)(100%Mg) T = 650 C 2 - Pontos de fusão congruente: do Cu 2 Mg: do CuMg 2 : L (16%Mg) <-> Cu 2 Mg (16%Mg) T= 800 C L (43%Mg) <-> CuMg 2 (43%Mg) T= 568 C 3 - Reacções eutécticas T=726 C L (9%Mg) <-> (Cu) (3%Mg) + Cu 2 Mg (15%Mg) T=552 C L (36%Mg) <-> Cu 2 Mg (18%Mg) + CuMg 2 (43%Mg) T=487 C L (67%Mg) <-> CuMg 2 (43%Mg) + (Mg) (100%Mg) (b) Considere a liga Cu-40%Mg (em peso) e o seu arrefecimento em condições de equilíbrio. (b1) Indique quais as fases presentes nesta liga à temperatura de 200 C, a sua composição química e respectiva proporção, distinguindo entre as fases primárias e as secundárias, que eventualmente existam. Fases presentes: Cu 2 Mg e CuMg 2 Composição química das fases: Cu 2 Mg: 16%Mg CuMg 2 : 43%Mg Proporção das fases: % Cu 2 Mg = x 100 = 11% % CuMg 2 Total = x 100 = 89% % CuMg 2 Primário = x 100 = 57% % CuMg 2 eutéctico ou secundário = = 32% (b2) Faça um esboço legendado da microestrutura previsível para a liga referida, a 200 C. Cu 2 Mg + CuMg 2 secundário (eutéctico lamelar) CuMg 2 primário ou pro-eutéctico (c) Se a liga anterior fosse arrefecida rapidamente desde o estado líquido até à temperatura de 200 C de modo a não ocorrer difusão em fase sólida, indique qual seria a sua temperatura de fim de solidificação e a respectiva microestrutura. Justifique a sua resposta.

6 A temperatura de fim de solidificação seria 552 C e a microestrutura seria igual à de equilíbrio, apresentada em b2, uma vez que a fase sólida primária que se forma (Cu 2 Mg) corresponde a um composto intermetálico (estequiométrico) que não admite variações de composição química (apresenta domínio de estabilidade limitado a uma única composição). Assim, durante a solidificação não há lugar à ocorrência de qualquer fenómeno de zonamento nem variação da temperatura de fim de solidificação que continua a coincidir com a temperatura da reacção eutéctica. Este é um caso de uma liga insensível à velocidade de arrefecimento. EM RELAÇÂO ÀS PERGUNTAS TEÓRICAS INDICAM-SE APENAS OS TÓPICOS QUE DEVERÃO SER ABORDADOS 6. Explique como poderia efectuar o tratamento térmico de endurecimento por precipitação de uma liga Al-4%Cu (em peso). Faça um esboço do diagrama de equilíbrio de fases adequado, e explique as alterações microestruturais verificadas em cada etapa e o seu efeito nas propriedades mecânicas do material. Endurecimento por precipitação - Formação de uma dispersão de precipitados homogeneamente dispersos na matriz de Al que permitem constituir obstáculo ao movimento de deslocações, permitindo endurecer o material. Tratamento realiza-se em 3 etapas: solubilização, têmpera e envelhecimento (natural ou artificial). Solubilização: aquecimento a temperatura na região monofásica de (Al) (para a liga Al- 4%Cu no diagrama com solução sólida terminal cuja solubilidade diminui com a temperatura) de modo a formar solução sólida homogénea. Diagrama do tipo da fig do livro W.F. Smith) Têmpera: arrefecimento rápido da solução sólida anterior à temperatura ambiente originando solução sólida (Al) sobressaturada. Envelhecimento: reaquecimento a T<linha solvus durante o tempo suficiente para originar a formação de precipitados metaestáveis incoerentes com a matriz, em dispersão e dimensão tais que conduzam ao endurecimento máximo do material (curva do tipo da Fig do livro W.F. Smith). 7. Explique em que consiste o tratamento de revenido de um aço, indicando como se efectua, quais os fenómenos que ocorrem e os seus efeitos na propriedades do material. Reaquecimento do aço após têmpera a uma temperatura inferior a Teutectóide, manutenção durante algum tempo (1 ou 2 horas) seguido de arrefecimento em água. Este tratamento efectua-se após a têmpera martensítica do aço de modo a reduzir a fragilidade resultante do tratamento de têmpera. Durante o tratamento ocorre a libertação de tensões internas e é promovida a difusão de algum carbono da estrutura martensítica, tornando o material menos duro mas menos frágil (mais dúctil). A difusão de carbono resulta na formação de partículas de carboneto (de Fe ou de outros elementos de liga que eventualmente existam na composição química do aço) que, em alguns casos podem promover o endurecimento secundário do material.

7 8. Os materiais celulares podem ser classificados em: materiais celulares com células abertas e com células fechadas. (a) Defina material celular, distinga entre os dois tipos de materiais celulares atrás referidos e dê exemplos de materiais de cada um desses tipos. Material celular é um agregado de células (pequeno compartimento = cella) dispostas de modo a preencher o plano (material bidimensional) ou o espaço (material tridimensional). Material celular com células abertas o sólido encontra-se apenas nas arestas das células pelo que há comunicação entre elas: esponja; osso. Material celular com células fechadas o sólido encontra-se nas faces das células pelo que não há comunicação entre elas: cortiça; coral. (b) Indique as principais utilizações dos materiais celulares, relacionando-as com as propriedades genéricas deste tipo de materiais. Isolamento térmico condutividade térmica inferior à do sólido compacto que o originou. Filtros células abertas. Aeronáutica resistência mecânica por unidade de massa superior à dos sólidos compactos. Embalagens capacidade de absorver grandes quantidades de energia mantendo um baixo nível de tensões. 9. De entre as diversas técnicas que conhece para controlar a corrosão de materiais metálicos, descreva uma à sua escolha. Corrosão pode ser controlada: -- usando metais que formem uma camada protectora de óxido; -- diminuindo a T; -- adicionando inibidores; -- usando pinturas; -- usando protecção catódica. Descrição de um destes métodos.