Resolução do 2º Teste de Ciência de Materiais

Lisboa, 15 de Junho de 2010

COTAÇÕES

Pergunta Cotação 1. (a) 1,00 1. (b) 1,00 2. (a) 0,50 2. (b) 1,00 2. (c) 1,00 2. (d) 1,00 3. (a) 0,50 3. (b) 0,50 3. (c) 0,50 3. (d) 0,50 3. (e) 0,50 4. (a) 0,50 4. (b) 0,50 4. (c) 0,50 4. (d) 0,50 5. (a) 1,00

5. (b1) 2,00 5. (b2) 0,50 5. (c) 0,50

6. 1,50 7. 2,00 8. 1,00 9. 1,50 20,00

1. Considere a solidificação de Ouro puro por nucleação homogénea em que a energia livre de

Gibbs de um agregado de átomos é expressa por:

em que: J/m3 0,132 J/m2

230°C 1064°C 19,32 g/cm3 peso atómico=196,97 g/mol (a) O raio crítico de um núcleo de Ouro considerado aproximadamente esférico será:

1,32 nm (b) O número de átomos de Ouro existentes num núcleo com o tamanho crítico será:

569 átomos 2. Considere a tabela abaixo onde se apresenta o coeficiente de difusão do Carbono no Ferro-γ, a

diferentes temperaturas. R = 8,314 J/(mol.K)

Temperatura (°C) Coeficiente de difusão (m2/s)

1000 2,98 × 10-11

1100 7,93 × 10-11

1200 1,84 × 10-10 (a) O mecanismo de difusão do Carbono no Ferro-γ é:

intersticial

(b) O valor da energia de activação para a difusão do Carbono em Ferro-γ é:

142 KJ/mol (c) O valor da constante D0 é:

2,0 × 10-5 m2/s (d) O valor do coeficiente de difusão do Carbono em Ferro-γ, a 920°C é:

1,21 × 10-11 m2/s

3. Na figura junta encontra-se representado o diagrama TTT-TI de transformação da Austenite de um aço hipereutectóide.

(a) De modo a austenitizar completamente peças desse aço, elas 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 1 hora, seguida de arrefecimento em água a microestrutura obtida à temperatura ambiente seria constituída por:

Cementite pro-eutectóide + Perlite grosseira + Martensite

(c) Se após a austenitização completa uma peça deste aço fosse arrefecida em banho de sais até 400 °C, manutenção durante 15 minutos, seguida de arrefecimento em água, a microestrutura obtida seria constituída por:

Bainite

(d) Se após a austenitização completa uma peça deste aço fosse arrefecida em banho de sais até 200°C, manutenção durante 15 minutos, seguida de arrefecimento em água, a microestrutura obtida seria constituída por:

Martensite (e) O tratamento térmico correspondente ao arrefecimento nas condições da alínea (d)

designa-se:

Martêmpera

4. (a) Para proteger um metal contra a corrosão recorre-se muitas vezes à protecção catódica ou

sacrificial, em que se liga o metal a proteger a um metal:

mais anódico

(b) De um modo geral, pode dizer-se que o calor específico a pressão constante cresce na seguinte ordem:

Metais - Cerâmicos - Polímeros

(c) O Silício é um semicondutor:

intrínseco

(d) A deformação de um material metálico (por exemplo, Cobre) faz com que a sua

resistividade eléctrica:

aumente

5. Considere o diagrama de equilíbrio de fases Alumínio (Al) – Lítio (Li) representado na figura.

(a) Enuncie 3 transformações isotérmicas de tipos diferentes que ocorrem neste diagrama

indicando a temperatura a que ocorrem, as fases envolvidas e respectivas composições químicas e a designação respectiva:

Escolher 1 de cada tipo, no total de 3: Tipo 1 - Pontos de fusão de componentes puros:

Ponto de fusão do Al puro: L (0%Li) (Al) (0%Li) T=660,452°C Ponto de fusão do Li puro: L (100%Li) (Li) (100%Li) T=180,6°C

Tipo 2 - Pontos de fusão congruente Ponto de fusão congruente de β L(21%Li) β (21%Li) T=690°C

Tipo 3 - Reacções eutécticas

T=596°C L (7%Li) (Al) (4%Li) + β (18%Li) T=177 °C L (92,5%Li) Al4Li9 (36,5%Li) + (Li) (100%Li)

Tipo 4 - Reacções peritécticas

T=520°C L (46%Li) + β (23%Li) Al2Li3 (28%Li) T=330°C L (69,5%Li) + Al2Li3 (28%Li) Al4Li9 (36,5%Li)

(b) Considere a liga Al-14%Li (em peso) e o seu arrefecimento em condições de equilíbrio.

(b1) Indique quais as fases presentes nesta liga à temperatura de 100°C, a sua composição química e respectiva proporção, distinguindo entre fases primárias e secundárias, que eventualmente existam.

T=100°C Fases existentes: (Al) e β Composição química das fases: (Al): 0,1%Li β: 20%Li Proporção das fases:

€

%(Al) =20 −1420 − 0,1

x100 = 30,15%

€

%βtotal =14 − 0,120 − 0,1

x100 = 69,85%

€

%βprimário =14 − 7

17,5 − 7x100 = 66,67%

€

%βeutécticoousecundário

= %βtotal −%βprimário = 69,85 − 66,67 = 3,18%

(b2) Faça um esboço legendado da microestrutura previsível para esta liga, a 100°C.

(c) Se a liga anterior fosse arrefecida rapidamente desde o estado líquido até à temperatura

de 100°C de modo a não ocorrer difusão em fase sólida, indique qual seria a sua temperatura de fim de solidificação e a respectiva microestrutura (faça um esboço ilustrativo).

β primário ou pro-eutéctico

(Al) + β secundário eutéctico lamelar

Tf=596°C Microestrutura semelhante à anterior mas em que os grãos de β primário estão zonados.

EM RELAÇÃO ÀS PERGUNTAS TEÓRICAS INDICAM-SE APENAS OS TÓPICOS QUE DEVERIAM SER ABORDADOS 6. Baseando-se no diagrama de fases do problema anterior explique como poderia efectuar o

tratamento térmico de endurecimento por precipitação de uma liga Al-2%Li (em peso). Refira as alterações microestruturais verificadas 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-2%Li no diagrama com solução sólida terminal cuja solubilidade diminui com a temperatura, este aquecimento deveria se efectuado a uma temperatura > 400°C) de modo a formar solução sólida homogénea. Têmpera: arrefecimento rápido da solução sólida anterior à temperatura ambiente originando solução sólida (Al) sobressaturada. Envelhecimento: reaquecimento a T<linha solvus (T<400°C) 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. 9.42 do Smith).

7. Como procederia para restabelecer as propriedades mecânicas de um material submetido a

uma etapa de intensa deformação plástica? Descreva sucintamente o tratamento a efectuar, relacionando as alterações microestruturais que ocorrem com as propriedades do material.

Tratamento térmico de recozimento após deformação plástica para eliminar os efeitos do encruamento gerado por deformação plástica. Recozimento (reaquecimento do material a uma temperatura elevada durante um determinado tempo), que promove alterações estruturais e de propriedades mecânicas e envolve 3 etapas: 1-Recuperação (alívio de tensões internas, rearranjo das deslocações em configurações de menor energia) 2-Recristalização (nucleação de novos grãos não deformados) 3-Crescimento de grão (crescimento dos grãos formando uma estrutura totalmente recristalizada) Este tratamento provoca uma diminuição da dureza e tensão de ruptura do material e um aumento da ductilidade (gráfico pag. 297 Smith).

(Al) + β secundário eutéctico lamelar

β primário ou pro-eutéctico zonado

8. Explique por que razão são o Titânio e as ligas de Titânio tão utilizados em aplicações médicas.

Discuta as propriedades relevantes apresentadas por estes materiais e dê exemplos de aplicações médicas.

O Titânio e sua ligas são muito utilizados em aplicações médicas devido a apresentarem as seguintes propriedades:

- biocompatibilidade (não induzem toxicidade e reacções alérgicas quando em contacto com tecidos biológicos)

- baixa densidade - elevado quociente resistência/densidade - baixo módulo de elasticidade (apesar de ainda superior ao do osso, o que resulta,

muitas vezes, em problemas de resorpção óssea) - elevada resistência à corrosão

Aplicações médicas em diversos tipos de próteses e implantes ortopédicos e dentários.

9. 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) Trace a curva de compressão (tensão – extensão) típica de um material celular,

relacionando as várias regiões que é possível distinguir nessa curva com os diversos mecanismos de deformação que ocorrem durante a compressão.

Fazer o esboço de uma curva com três regiões: 1. no início uma região com grande declive, em que os mecanismos de deformação

são a compressão das paredes alinhadas com a direcção de carregamento e a flexão das paredes inclinadas em relação à direcção de carregamento;

2. região intermédia com pequeno declive (no caso das células terem dimensões diferentes) ou com declive igual a zero (no caso das células terem todas as mesmas dimensões), em que o mecanismo de deformação dominante é a encurvadura/varejamento das paredes celulares alinhadas com a direcção de carregamento;

3. região final com grande declive (que tende para o valor do módulo de Young do material das paredes celulares), em que ocorre a densificação (diminuição do volume e consequente aumento da densidade) do material celular.