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LISTA 9.3 CIÊNCIA DOS MATERIAIS
1. Quais são os critérios de análise da microestrutura de um material?
Fases presentes; composição das fases; proporção das fases; tamanho das fases;
distribuição das fases; forma das fases; orientação das fases.
2. O que são propriedades aditivas e interativas em um material
polifásico?
Aditivas: quando podem ser determinadas pela média das propriedades de cada
fase individual;
Interativas: quando o comportamento de cada fase depende da adjacente.
3. Defina fases em um material.
É a porção homogênea de um sistema que tem igual composição química,
estrutura cristalina e interfaces com o meio.
4. Como pode ocorrer a solução sólida entre materiais?
Por meio de processos de produção.
5. O que é limite de solubilidade?
É o volume exato do soluto capaz de saturar o solvente, ou seja, quando não há
mais material a ser absorvido.
6. Quais são as condições necessárias definidas pela regra de
Hume-Rothery para a miscibilidade total entre dois componentes.
Tamanho, estrutura cristalina, eletronegatividade e valências;
7. Determine se os seguintes sistemas formam solução sólida ilimitada:
Ag-Cu, K-Ba, Al-Si.
Ag-Cu é uma solução ilimitada.
8. Explique a regra das fases de Gibbs.
A regra das fases de Gibbs diz respeito ao número de fases que irão coexistir
dentro de um sistema que se encontra em condições de equilíbrio, e sua equação
é: F(número de graus de liberdade, número de variáveis externas controladas:
temperatura, pressão, composição) = C (número de componentes) -P(número de
fases presentes) + N (número de variáveis do processo que não estão relacionadas
com a composição: temperatura, pressão). Através das linhas de amarração se
consegue ver o percentual de cada fase num determinado ponto utilizando-se das
linhas liquidus, solidus e solvus, e uma regra de três.
F= C – P + 1
9. O que é e quais informações são possíveis pela leitura de um diagrama
de fases?
Diagrama de fases é um gráfico a partir do qual se pode determinar as fases
presentes, para qualquer temperatura e composição, desde que a liga esteja em
equilíbrio. Podemos através dele, determinar a composição das fases presentes,
as quantidades relativas, proporção de cada fase. Informa sobre a microestrutura
e consequentemente pode predizer propriedades mecânicas em função da
temperatura e composição. Permite visualizar a solidificação e fusão.
10. Defina a linha liquidus e a solidus em um diagrama de fases.
Linha liquidus: determina o lugar geométrico das temperaturas acima das quais se
tem somente líquido.
Linha solidus: determina o lugar geométrico das temperaturas abaixo das quais se
tem somente sólido.
11. Defina as seguintes reações: eutética; eutetoide; peritética;
peritetoide; monotética.
· Reação eutética: reação na qual a fase líquida se transforma em duas fases
sólidas distintas com o resfriamento da temperatura;
· Reação eutetóide: reação na qual uma fase sólida se transforma em duas outras
fases sólidas distintas com o resfriamento da temperatura.
· Reação peritética: reação na qual uma fase sólida na presença de uma solução
líquida se transforma em uma fase sólida distinta. É o ponto onde um líquido e um
sólido passam para um único sólido com o resfriamento da temperatura.
· Reação peritetóide: reação na qual duas fases sólidas distintas se transformam
em uma nova fase sólida. É o ponto onde com o resfriamento da temperatura dois
sólidos passam a ser um único sólido.
· Reação monotética: reação na qual uma solução líquida se transforma numa fase
sólida e numa fase sólida com o resfriamento da temperatura.
12. Identifique na Figura 1 abaixo os pontos das reações da questão
anterior e escreva as reações no estado sólido.
· Reação Eutética: L → α + βT = 1400 °C A = 50 % B
· Reação Eutética: L2 → β + γT = 400 °C A = 95 % B
· Reação Eutetóide: α→ δ + βT = 600 °C A = 15%
· Reação Peritética: η + L→ αT= 2000 °C A = 10%
· Reação Monotética: L1 → β + L2T = 1100 °C A = 80%
13. Desenhe a microestrutura esperada nos círculos da Figura 2, abaixo.
14. Desenhe a microestrutura esperada nos círculos da Figura 3, abaixo.
15. Determine as fases presentes, a composição e a quantidade de cada
fase em porcentagem de peso para a liga Ni-50% Cu a 1150°C, 1270°C e
1400°C.
16. Determine as fases presentes, a composição e a quantidade de cada
fase em porcentagem de mols para a mistura NiO-50% MgO a 2200°C,
2400°C e 2600°C.
17. Para uma liga Nb-70%W, determine: (a) a temperatura líquidus, (b) a
temperatura sólidus, (c) a composição de cada fase a 3000ºC, e a
quantidade de cada fase a 3000ºC.
a) Temperatura liquidus = 3000ºC
b) Temperatura solidus = 2800ºC
c) Para T = 3000ºC Temos uma solução líquida Nb30%-70%W
18. Suponha que se preparou uma liga NbW pela mistura de igual número
de átomos de cada elemento e aqueceu-a a 2800ºC. Calcule a composição
da liga em peso e determine as fases presentes.
Composição em peso: 66% W e 34% Nb.
Temos uma fase líquida e uma fase sólida % líquido = 21; com composição de
50Nb -50W, em peso % sólido= 79; com composição de 30Nb-70W, em peso.
19. Para uma liga 30%Pb-Sn, determine quais as fases presentes, sua
proporção e composição a 300, 200, 184 e 0oC.
20. (a) quantos compostos intermetálicos estão presentes no diagrama
Co-Mo? São compostos estequiométricos ou não-estequiométricos? (b)
identifique as soluções sólidas presentes no sistema. (c) identifique as
reações de três fases com as respectivas temperaturas e o nome das
reações.
Compostos intermetálicos: é uma solução sólida que ocorre em um diagrama de
fases, sem fazer fronteira com 100% dos elementos, será estequiométrico quando
a composição for constante. Existem 7 compostos intermetálicos
não-estequiométricos que são:
(Mo), cph(), (Co) e (Co).
Reação eutética: L=+(Co) a 1335ºC.
Reação peritetóide: +(Co)= a 1200ºC.
Reação peritetóide: +((Co)=(Co a 700(150ºC)).
21. Construa um diagrama de fases a partir das seguintes informações: o
elemento A fundi a 1200ºC e o elemento B a 1000ºC; o elemento B tem
máxima solubilidade de 10% no elemento A e o elemento A tem máxima
solubilidade de 20% em B; o número de graus de liberdade da regra de
fases de Gibbs é zero quando a temperatura é 800ºC e há 45% de B
presente. À temperatura ambiente, 3% de A é solúvel em B e 0% de B é
solúvel em A.
22. O que é ferrita proeutetoide?
Ferrita proeutetóide é a ferrita que se separa da austenita em aços
hipoeutetóides quando resfriada abaixo da temperatura eutetóide, acima de 727
°C.
23. Calcule a proporção e a composição de cada microconstituinte em
uma liga de Fe-0,25% C a 700oC.
Fases = α + Fe3C
Proporção das Fases: Cα = (6,67 – 0,25)/(6,67-0,02) *100 = 96,35%
CFe3C = (0,25 – 0,02)/(6,67-0,02) *100 = 3,45%
Proporção das Fases: Cα = 0,02% de C CFe3C = 6,67%
24. A microestrutura de cada fase contém 9% de Fe3C e 91% Fe-alfa a
500oC. Qual é o conteúdo de carbono do aço? É um aço hipoeutetoide ou
hipereutetoide?
Proporção das Fases: Cα = (6,67 – x)/(6,67-0,02) *100 = 91%
0,91 = (6,67-x)/6,65) = x = 0,6185 logo é aço hipoeutetóide.
25. A microestrutura de um aço contém 33% de ferrita proeutetoide e 67%
de perlita a 700oC. Qual é o conteúdo de carbono do aço?
Cαproto = (0,77 – x)/(0,77-0,02) *100
0,33 = (0,77 – x)/(0,77-0,02) *100 = x = 0,5225 de carbono
27. Defina ferrita, cementita, perlita e austenita.
Ferrita possui estrutura cristalina de corpo centrado (CCC). Está presente no
diagrama de fase entre a temperatura ambiente e até 912 °C. A variação de
solubilidade de carbono varia de 0 a 0,022% de carbono devido ao pequeno
espaço interatômico para acomoda-los. Cementita (Fe3C) possui uma célula
ortorrômbica com 12 átomos de Fe e 4 de C, 6,67% de carbono.Comparada a
austenita e a ferrita, ela é bastante dura e frágil: a resistência de alguns aços é
aumentada substancialmente pela sua presença. Ela é formada quando o limite de
solubilidade para o carbono na ferrita é excedido a temperaturas abaixo de 727
°C, formando esta segunda fase.
Austenita possui estrutura cristalina de face centrada (CFC). Forma estável do Fe
puro entre 910°C e 1394 °C. Possui espaços interatômicos maiores que a ferrita e
a solubilidade máxima da carbono é 2,14%. Perlita são camadas alternadas ou
lamelas compostas pelas fases ferrita e cementita (Fe3C).
28. Calcule o tamanho dos sítios intersticiais para átomos de carbono no
ferro alfa, gama e delta. Explique assim a diferença de máxima
solubilidade do carbono em cada fase.
Feccc – Maior sítio intersticial – posição ½,0,1/4
Rintersticial/RFe=?
(Rintersticial/RFe) 2 = (a0/4)2 +(a0/2)2 = (5/16)a0 2 = (5/16)(4RFe/31/2)
Rintersticial/RFe =51/2RFe/31/2
Rintersticial/RFe =0,291
FeCFC – Maior sítio intersticial – ½,0,0
Rintersticial/RFe =?
2Rintersticial+ 2RFe =a0 = 4RFe/21/2
Rintersticial+RFe =21/2RFe Rintersticial/RFe =0,414
29. O que são propriedades aditivas e interativas em um material
polifásico?
As propriedades aditivas, geralmente propriedades físicas, em um material
polifásico são aquelas que podem ser determinadas pela média das propriedades
de cada fase individual. As interativas, propriedades mecânicas, são aquelas que o
comportamento de cada fase depende da adjacente
30. Quais são os possíveis critérios de análise da microestrutura de um
material?
Os possíveis critérios de análise da microestrutura de um material são as fases
presentes, composição das fases, proporção das fases, tamanho (distribuição de
tamanho das fases), distribuição das fases, forma das fases, orientação das fases.
31. Descreva os mecanismos de difusão substitucional e intersticial em
metais sólidos.
Os átomos pequenos podem difundir-se intersticialmente na rede cristalina do
solvente de átomos maiores. Átomos se movem de um interstício para outro, sem
provocar deslocamentos permanentes na rede cristalina da matriz. Ocorre para
átomos muito pequenos em relação à rede. Ex.: C, H, O se difundem na rede de
metais. Os átomos ao saírem e entrarem nos interstícios têm que “abrir caminho”
entre os átomos de Fe da matriz.
Ex: C em FeCCC e FeCFC. Átomos de tamanhos similares entre soluto e solvente
difunde-se substitucionalmente. Átomos podem mover-se de uma posição de
rede para outra se: - a energia de ativação (pela vibração térmica dos átomos) for
suficiente; - existirem na rede lacunas ou outros defeitos cristalinos (mobilidade
átomos). Em metais e ligas, lacunas são defeitos intrínsecos. Ex: Cu na rede de Al.
32. Quais são os fatores que afetam a velocidade de difusão em metais
sólidos cristalinos?
1. Mecanismo de difusão
2. Temperatura
A T afeta grandemente D: - Conforme T aumenta, D também aumenta (Tabela
anterior valores de D500°C< D1000°C).
3. Estrutura cristalina do solvente
Ex: DC em Fe CCC-500°C = 10-2m 2 /s >> DC em Fe CFC-500°C = 5.10-15m 2 /s.
Explicação: FECCC= 0,68 < FECFC= 0,74, espaços interatômicos no FeCCC>
FeCFC, logo é mais fácil difundir carbono em FeCCC que em FeCFC.
4. Defeitos cristalinos presentes
Estruturas mais abertas permitem uma difusão mais rápida dos átomos. Ex:
- Em metais e cerâmicos a difusão ocorre mais rapidamente ao longo dos limites
do grão do que no interior destes.
- Em metais um excesso de lacunas provoca um aumento da velocidade de difusão.
5. Concentração de soluto
Concentrações elevadas de soluto afetam D, aspecto muito complexo da difusão
no estado sólido.
33. O coeficiente de difusão de prata na prata sólida é 1,0 x 10-17 m2/s a
500°C e é 7,0 x 10-13 m2/s a 1000°C. Calcule a energia de ativação (J/mol)
para a difusão da Ag na Ag, na gama de temperaturas de 500 a 1000°C.