Universidade Técnica de Lisboa Instituto Superior Técnico Ciência de Materiais Repescagem 2º Teste (04.Fevereiro.2011) Nome: Número: Curso: Cotações Pergunta Cotação 1. (a) 0,50 1. (b) 0,50 1. (c1) 0,50 1. (c2) 0,50 1. (c3) 1,00 1. (c4) 1,50 1. (c5) 1,50 1. (c6) 1,00 2. (a) 0,50 2. (b) 0,50 2. (c) 0,50 2. (d) 0,50 2. (e) 0,50 2. (f) 0,50 2. (g) 0,50 2. (h) 0,50 3.(a) 2,00 3.(b) 2,00 3.(c) 2,00 4. 2,00 5. 1,00 20,00
Universidade Técnica de Lisboa Instituto Superior Técnico Ciência de Materiais Repescagem 2º Teste (04.Fevereiro.2011) Resolução 1. Considere o diagrama de equilíbrio de fases MgO-Al 2 O 3 representado na figura. (a) Este diagrama apresenta 1 ponto de fusão congruente (b) As transformações isotérmicas que ocorrem à temperatura de 2000 C são: reacções eutécticas (c) Considere o cerâmico MgO-45%Al 2 O 3 (em peso) e o seu arrefecimento em condições de equilíbrio. (c1) Este cerâmico é um material de composição: hipoeutéctica
(c2) As fases presentes neste cerâmico, à temperatura de 2100 C, e a respectiva composição são: (MgO): 16% Al 2 O 3 e L: 50% Al 2 O 3 (c3) À temperatura de 2100 C, o cerâmico anterior é constituído por: 14,7% de (MgO) e 85,3% de L (c4) À temperatura de 1100 C, o cerâmico anterior contém: 62,5% de MgAl 2 O 4 e 12,5% de (MgO) lamelar (c5) A microestrutura previsível para este cerâmico, a 1100 C, é constituída por: 25% de grãos de (MgO) primários e 75% de lamelas alternadas de (MgO) e MgAl 2 O 4 (c6) Se o cerâmico anterior fosse arrefecido rapidamente desde o estado líquido até à temperatura de 1100 C de modo a não ocorrer difusão em fase sólida, a sua microestrutura seria: grãos zonados de (MgO) primário e lamelas alternadas de (MgO) e MgAl 2 O 4 2. Na figura junta encontra-se representado o diagrama TTT de transformação da Austenite de um aço.
(a) Este diagrama corresponde a um aço com um teor em Carbono de cerca de (% peso): 0,8 % (b) O aquecimento de uma peça deste aço à temperatura de 750 C, durante 1 hora, promoveria: a austenitização completa (c) Se após a austenitização completa, uma peça deste aço fosse arrefecida em banho de sais até 680 C, mantida durante 150 s, seguida de arrefecimento em água, a microestrutura obtida à temperatura ambiente seria constituída por: perlite + martensite (d) Se após a austenitização completa, uma peça deste aço fosse arrefecida em banho de sais até 600 C, mantida durante 20 segundos, seguida de arrefecimento em água, a microestrutura obtida à temperatura ambiente seria constituída por: perlite fina (e) Após austenitização completa, o tempo que seria necessário manter uma peça deste aço à temperatura de 350 C para obter uma microestrutura constituída por bainite seria: 15 min (f) Se após a austenitização completa, uma peça deste aço fosse arrefecida em banho de sais até 250 C, mantida durante 70 segundos, seguida de arrefecimento em água, a microestrutura obtida à temperatura ambiente seria constituída por: martensite (g) O tratamento térmico correspondente às condições da alínea (f) designa-se: martêmpera (h) Se a peça referida na alínea (f) 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: martensite revenida EM RELAÇÃO ÀS PERGUNTAS TEÓRICAS INDICAM-SE APENAS OS TÓPICOS QUE DEVERIAM SER ABORDADOS 3. (a) Explique em que consiste o tratamento de cementação de um aço, referindo qual a sua finalidade, como se efectua e quais os fenómenos que ocorrem à escala atómica e os mecanismos 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 mais dura. 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 livro W.F. Smith, págs. 163-168.
(b) Considere o tratamento de cementação de um aço com 0,2% C (em peso), durante o qual é mantido um teor em Carbono constante de 1% à superfície da peça. (b1) Se o tratamento for realizado à temperatura de 950 C, estime qual será o tempo necessário para obter um teor em Carbono de 0,6% a uma distância de 0,75 mm abaixo da superfície da peça. T = 950 C + 273 = 1223 K D = D 0 exp Q = 2,3x10 5 exp 148000 = 1,097x10 11 m 2 / s RT 8,314x1223 c s =1%C c 0 =0,2%C c x =0,6%C c x c 0 x = erf c s c 0 2 Dt 0,6 0,2 1 0,2 = erf x 2 Dt x 0,5 = erf 2 Dt como erf (0,5) 0,5 x 2 Dt = 0,5 0,75x10 3 2 1,097x10 11 t = 0,5 t = 51276,21 s 14,24 h (b2) Determine qual a temperatura a que teria de efectuar o tratamento se pretendesse obter o mesmo resultado da alínea anterior, num intervalo de tempo de 5,3 h. t = 5,3 h 19080 s x 2 Dt = 0,5 0,75x10 3 2 Dx19080 = 0,5 D=2,948x10-11 m 2 /s Como D = D 0 exp Q RT 2,3x10 5 exp 148000 = 2,948x10 11 m 2 /s T = 1312 K = 1039 C 8,314xT Dados: D = D 0 exp Q c x c 0 x = erf em que: erf (0,5) 0,5 RT c s c 0 2 Dt R = 8,314 J/(mol.K) D 0 = 2,3 10-5 m 2 /s Q= 148 kj/mol
4. Indique quais as vantagens e inconvenientes de utilizar ligas não ferrosas, em particular, as chamadas ligas leves, no fabrico de componentes metálicos relativamente às ligas ferrosas tradicionais. Compare as propriedades destes dois tipos de materiais e dê exemplos de aplicações. As ligas não ferrosas, em particular as ligas leves, têm relativamente às ligas ferrosas as vantagens de serem menos densas e apresentarem maior resistência à corrosão e oxidação. Exemplos destas ligas são as de Al, Mg e de Ti muito utilizadas nas industrias aeronáuticas e aeroespacial. As ligas de Al são ainda muito utilizadas em embalagem e na indústria automóvel ao passo que as ligas de Ti têm tido utilização crescente no fabrico de componentes médicos (próteses, implantes) devido também a outras propriedades como: - biocompatibilidade (não induzem toxicidade e reacções alérgicas quando em contacto com tecidos humanos) - elevado quociente resistência/densidade - baixo módulo de elasticidade (apesar de ainda muito superior ao do osso, o que resulta, muitas vezes, em problemas de stress shielding que resultam em resorpção óssea). 5. Defina semicondutores extrínsecos (de silício) do tipo n e do tipo p. Os semicondutores são materiais cujas condutividades eléctricas se situam entre as dos metais (bons condutores) e as dos isoladores (maus condutores). Ver Página 199 do livro Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais - 3ª edição, W. F. Smith. Lisboa, McGraw-Hill Portugal (1998). Os semicondutores extrínsecos são soluções sólidas substitucionais muito diluídas, nas quais os átomos de impurezas dissolvidos têm características de valência diferentes dos átomos da estrutura cristalina do solvente. Nestes semicondutores, as concentrações de átomos de impurezas adicionados situam-se habitualmente no intervalo entre 100 e 1000 partes por milhão (ppm)... A adição ao silício ou germânio de átomos de impurezas do grupo 15, como o P, As e Sb, origina electrões capazes de conduzir electricidade. Estes átomos de impurezas do grupo 15, quando presentes no silício ou germânio, doam electrões de condução, e, por isso, designam-se por átomos de impureza doadores. Os semicondutores silício e germânio, contendo átomos de impurezas do grupo 15 designam-se por semicondutores extrínsecos do tipo n (tipo negativo), já que os principais transportadores de carga são electrões.. Em termos do diagrama de bandas de energia, o átomo de boro fornece um nível de energia chamado nível aceitador, o qual se situa ligeiramente acima do nível mais alto da banda de valência completamente preenchida do silício. Quando um electrão de valência de um átomo de silício vizinho de um átomo de boro preenche um buraco electrónico disponível na ligação de valência boro-silício, esse electrão é promovido ao nível aceitador e origina-se um ião boro negativo. Neste processo, é criado um buraco electrónico na rede do silício, o qual se comporta como transportador de carga positiva. Os átomos dos elementos do grupo 13, como B, Al e Ga, fornecem níveis aceitadores nos semicondutores à base de silício e designam-se por átomos aceitadores. Nestes semicondutores extrínsecos, os transportadores maioritários são os buracos na estrutura de ligações de valência; por isso, designam-se por semicondutores extrínsecos do tipo p (tipo transportador positivo). Ver Páginas 207-210 do livro Princípios de Ciência e Engenharia de Materiais - 3ª edição, W. F. Smith. Lisboa: Mc Graw-Hill Portugal (1998).