Ciências Materiais-Exercicios

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ENG. MECÂNICA

ENG. MECÂNICA AUTOMÓVEL

CIÊNCIA DOS MATERIAIS

COLECTÂNEA DE EXERCÍCIOS

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ÍNDICE

1.

Sistemas de unidades ...3Sistemas de unidades ...3

2.

Estruturas cristalinas de metais ...7Estruturas cristalinas de metais ...7

3.

Solidificação, defeitos cristalinos e difusão em sólidos ...11Solidificação, defeitos cristalinos e difusão em sólidos ...11

4.

Diagramas de fases ...16Diagramas de fases ...16

5.

Corrosão e protecção de materiais metálicos ...30Corrosão e protecção de materiais metálicos ...30

Agradecimentos: Aos docentes Arnaldo Pinto, Carmen Lobo e Luís Durão pelo seu

contributo na elaboração de exercícios

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1. SISTEMAS DE UNIDADES

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1. Converta para o SI:

a) 30.0 Aº (comprimento) b) 25.0 (Aº)3 (volume) c) 1.0 u (massa)

d) 3.0 u (Aº)-3 (massa volúmica)

(R: 30.0x10-10m; 25.0x10-30 m3; 1.661x10-27kg; 4983 kg/m3)

2. Calcule a massa volúmica, em unidades SI, de um cubo com uma aresta de 25 nm, que pesa 15.8 u.

(R: 1,68 x10-6g/cm3)

3. Considere uma porcelana para aplicações eléctricas com a seguinte composição: 50% argila (Al2O3.SiO2.2H2O)

25% feldspato (K2O.Al2O3.6SiO2)

25% silica (SiO2)

a) Calcule a quantidade de cada um dos compostos a utilizar para produzir uma peça de 4kg. b) Determine a % ponderal de cada um dos óxidos presentes no produto final.

(R: b) 56.4% SiO2; 30.2% Al2O3; 4.2% K2O; 9.1% H2O)

4. O nº de Reynolds (Re) é um número adimensional que caracteriza o fluxo de um fluido em tubagens, sendo dado por:

Re = (D x ρx V) / µ em que: D – comprimento do tubo

ρ - densidade do fluido

V – velocidade de passagem do fluido

µ- viscosidade do fluido Calcule o nº de Reynolds para:

D = 2,24 cm V = 3 m/s

ρ = 1 kg/dm3

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(R: 67.2x103)

5. A cidade de New York possui 7.8 milhões de habitantes e consome diariamente 140 galões (1 galão – 3,785 litros) de água por pessoa. Quantas toneladas de fluoreto de sódio (45% de flúor, em massa) são gastos anualmente para que essa água contenha a dose recomendada para o fortalecimento dos dentes, que é de uma parte (massa) de flúor por milhão de partes de água?

(R: 3.35x103toneladas)

6. A massa volúmica (densidade absoluta) do ferro é de 7.8 g/cm3. Exprima esta grandeza em unidades do SI. (R: 7800 kg/m3)

7. Suponha que ao ler num manómetro a pressão de um pneu obteve um valor de 1.3 kgf/cm2, apresente esse valor em:

a) unidades de pressão do SI; b) atmosfera;

c) psi (pounds per square inch).

(R: 0,1274 MPa; 1,274 atm; 18,5 psi)

UNIDADES DE BASE DO SISTEMA INTERNACIONAL (SI)

GRANDEZA UNIDADE SIMBOLO

Comprimento metro m

Tempo segundo s

Massa quilograma kg

Temperatura Kelvin K

Intensidade corrente eléctrica Ampere A Intensidade luminosa candela cd Quantidade de matéria mole mol

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UNIDADES DERIVADAS MAIS UTILIZADAS

GRANDEZA UNIDADE SIMBOLO

Superfície (metro)2 m2

Volume (metro)3 m3

Frequência Hertz Hz (s-1)

Coeficiente de dilatação (Kelvin)-1 K-1 Velocidade metro . (segundo)-1 m . s-1 Caudal (metro)3. (segundo)-1 m3. s-1 Aceleração metro . (segundo)-2 m . s-1

Força Newton N (kg.m.s-2)

Energia Joule J (kg.m2.s-2) Potencia Watt W (kg.m2.s-3) Pressão Pascal Pa (kg.m-1.s-2)

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1. Determine a relação entre o raio atómico e o parâmetro de rede nas estruturas CS, CFC, e CCC.

2. O árgon (Ar) cristaliza na estrutura CFC. Calcule a eficiência de empilhamento do Ar sólido.

3. Calcule o factor de empilhamento da estrutura CCC.

4. Determine o factor de empilhamento da célula unitária da estrutura HC.

5. Calcule o número de células unitárias presentes em 1 cm de sódio (Na), sabendo que este metal tem uma estrutura CCC, e que o seu parâmetro de malha é 0,429 nm. (Considere as células unitárias alinhadas e perfeitamente ajustadas, lado a lado.)

(R: 2,3x107células unitárias)

6. O tungsténio (W) , a 20 ºC, encontra-se com uma estrutura CCC, e os seus átomos têm um diâmetro médio de 0,274 nm. Calcule o parâmetro de malha do W, nestas condições.

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7. A 20 ºC, o bário apresenta uma estrutura cristalina CCC e um parâmetro de rede 0,502 nm. Calcule o valor do raio atómico de um átomo de bário, em micrómetros.

(R: 2,17x10-4µm)

8. A 20 ºC, o ferro (Fe) apresenta uma estrutura CCC, sendo o raio atómico 0,124 nm. Calcule o parâmetro de malha da célula unitária do Fe. A partir de 912ºC e até 1394ºC cristaliza na rede CFC. Calcule o novo parâmetro de malha formado.

(R: 0,286 nm (CCC), 0,351 nm (CFC))

9. A 20 ºC, o cádmio é HC. Tomando o valor 0,148 nm para o raio atómico do cádmio, calcule o volume da célula unitária. Considere um factor de compacidade de 0,74.

(R: 0,110 nm3)

10. Sabendo que o irídio (Ir) cristaliza no sistema CFC e que o seu raio atómico é 0,124 nm, determine o volume da célula unitária do Ir à temperatura ambiente.

(R: 0,043 nm3)

11. Calcule a variação de volume teórico que acompanha a transformação de um metal puro do sistema CFC para CCC. Assuma o modelo das esferas rígidas e que não existe variação do volume atómico antes e após a transformação.

(R: 8,8%)

12. A 20 ºC, o ferro (Fe) apresenta uma estrutura CCC, sendo o raio atómico 0,124 nm. A partir de 912ºC e até 1394ºC cristaliza a rede CFC.

a) Calcule o parâmetro de malha da célula unitária do Fe a 100ºC. b) Determine o volume da célula unitária do Fe a 1000ºC.

(R: 0,286 nm; 0,043 nm3)

13. A 20 ºC o alumínio (Al) apresenta uma estrutura CFC.

a) Faça um esquema representativo da célula unitária do alumínio, indicando os respectivos parâmetros de malha ou rede. Determine o número de átomos por célula unitária.

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c) Recorrendo ao conceito de factor de empilhamento atómico (FEA), calcule o volume da célula unitária do alumínio, sabendo que o diâmetro atómico do alumínio é de 0,286 nm. Considere um FEA de 0,74.

(R: 0,066 nm3)

14. A 20 ºC, o tungsténio (W) apresenta uma estrutura CCC. Nestas condições o raio atómico do tungsténio é 0,137 nm e que o FEA é de 0,68.

a) Calcule o volume da célula unitária do tungsténio.

b) Faça um esquema representativo da célula unitária do tungsténio, indicando os respectivos parâmetros de malha ou rede.

(R: 3,17 x 10-2 nm3)

15. Muitos elementos e compostos apresentam diferentes estruturas cristalinas, em função da temperatura e pressão. Diga como se chama este fenómeno. Dê dois exemplos de materiais que sofrem este tipo de fenómeno.

16. Calcule a densidade do cobre (estrutura CFC), sabendo que este tem um raio atómico de 1,28 ºA e um peso atómico de 63,5 g/mol. Compare o valor calculado com o tabelado para a densidade do cobre (8,94 g/cm3).

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3. SOLIDIFICAÇÃO, DEFEITOS CRISTALINOS E

DIFUSÃO EM SÓLIDOS

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1. Calcule o raio crítico, em cm e nm, de um núcleo que se forma por nucleação homogénea, quando a prata (Ag) pura solidifica. Considere ∆T (sobrearrefecimento) = 0,24 Tm(temperatura de fusão).

γ= 1,26x10-5J/cm2 ∆Hs= -1097 J/cm3 TmAg = 962ºC

(R: 0,957x10-7cm; 0,957 nm)

2. Calcule o número de átomos de Ag num núcleo com o tamanho crítico, para o grau de sobrearrefecimento do exercício anterior.

Estrutura cristalina Ag – CFC Parâmetro de rede (a) = 0,382 nm

(R: 215 átomos)

3. Calcule o raio do maior interstício na rede do alumínio (Al), sabendo que este cristaliza no sistema CFC, o raio atómico do Al é de 0,143 nm, e os maiores interstícios surgem em posições do tipo (1/2,0,0), (0,1/2,0), (0,0,1/2), etc.

(R: 0,059 nm)

4. Pretende-se cementar uma roda dentada de aço (0,20%) a 927ºC. Calcule o teor de carbono a uma profundidade de 0,5 mm após 5 horas de tratamento. Considere que o teor de carbono à superfície da roda dentada é 0,90%.

D(C no Fe a 927ºC) = 1,28x10 -11

m2 /s (R: 0,52% C)

5. Considere a cementação de uma engrenagem de aço 1022, a 927ºC. Calcule o tempo, em minutos, necessário para aumentar o teor em carbono até 0,40% à distância de 1,1 mm abaixo da superfície. Considere que o teor em carbono à superfície é 1,1%, e que o teor nominal de carbono do aço é de 0,20%.

(R: 530 min)

6. Pretende-se dopar com gálio uma bolacha de silício. Este processo é realizado a 1100ºC durante 3,5 horas. Qual é a profundidade, abaixo da superfície, em que a concentração de gálio é de 1022 átomos/m3, se a concentração à superfície for de 1024átomos/m3?

D(Ga no Si a 1100ºC) = 7,051x10-17m2 /s

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7. Considere a difusão, a 1100ºC, de fósforo, numa pastilha de silício puro. Se a concentração de fósforo à superfície for 1x1018 átomos/cm3e a concentração à profundidade de 1µm for 1x1015 átomos/cm3, qual deverá ser o tempo de tratamento?

D(P no Si a 1100ºC) = 3,0x10-13cm2 /s

(R: 25 min)

8. Se, no problema anterior, o coeficiente de difusão fosse 1,5x10-13 cm2 /s, a que profundidade se obteria uma concentração de fósforo igual a 1x1015átomos/cm3?

(R: 0,708µm)

9. Considere a difusão, a 1100ºC, de arsénio (As) numa pastilha de silício (Si) puro. Se a concentração de As à superfície for 5,0x1018 átomos/cm3e a concentração à profundidade de 1,2 µm for 5,0x1016átomos/cm3, qual será o tempo de tratamento?

D(As no Si a 1100ºC) = 3,0x10-14cm2 /s

(R: 10 h)

10. Se se difundir, a 1100ºC, boro numa pastilha de silício puro, durante 6 horas e meia, qual a profundidade abaixo da superfície à qual a concentração será de 1016 átomos/cm3, se a concentração à superfície for de 1018 átomos/cm3? Considere o o coeficiente de difusão, D, do boro no silício a 1100ºC, 2,0x10-12cm2 /s.

D(B no Si a 1100ºC) = 2,0x10-12cm2 /s

(R: 7,89 µm)

11. Uma placa de aquecimento em aço (0,16% C), à temperatura de 1000ºC, foi exposta a uma atmosfera oxidante muito forte devido a uma falha técnica ocorrida num permutador de calor. Estime a profundidade a que a placa perderia metade da concentração de carbono original se estivesse submetida a esta atmosfera oxidante durante um dia. O coeficiente de difusão do C no Fe a 1000ºC é 3,11x10-11 m2 /s. Apresente todos os cálculos realizados.

(R: 1,56 mm)

12. Uma peça produzida no aço 34CrAlNi7, cuja composição química é apresentada na tabela 1, foi sujeita a um tratamento de nitruração gasosa, numa atmosfera contendo 12% em azoto. Sabendo que a nitruração se realizou à temperatura de 550 ºC, diga qual o tempo de tratamento, em minutos, necessário para se obter um teor de azoto de 3,5% à distância de 150 µm da superfície da peça.

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Tabela 1 – Composição química do aço 34CrAlNi7.

Carbono % Si % Mn % Ni % Cr % Mo % Al % 0,34 0,25 0,50 1,00 1,70 0,20 0,90

(R: 121 minutos)

13. Um pino de aço deve ser cementado num forno cujo potencial de carbono na sua atmosfera é de 0,80%. A composição química deste aço está indicada na tabela 2. Para a temperatura de 940ºC e um tempo de 5 horas, calcule o valor da profundidade, em mm, para a qual a concentração de carbono é de 0,50%.

D (C no Fe a 940ºC) = 1,885x10-11m2 /s

Tabela 2 – Composição química do aço

Carbono % Mn % Si % Ni % Cr % Mo % Cu % V % 0,20 0,55 0,30 1,38 0,82 0,09 0,11 0

(R: 5,56x10-1mm)

14. Um pino de aço deve ser cementado a 940ºC durante 5 horas e num forno cujo potencial de carbono na sua atmosfera é de 0,80%. A composição química deste aço está indicada na tabela 3. Determine o coeficiente de difusão do carbono no aço, sabendo que a 0,556mm da superfície o aço apresenta um teor em carbono de 0,50%.

Tabela 3 – Composição química do aço

Carbono % Mn % Si % Ni % Cr % Mo % Cu % V % 0,20 0,55 0,30 1,38 0,82 0,09 0,11 0

(R: 1,885x10-11m2 /s)

15. O aço 34CrAlNi7, cuja composição química é apresentada na tabela 4, foi sujeito a um tratamento de nitruração gasosa durante 2 horas a uma temperatura de 550ºC numa atmosfera contendo 12% em azoto. Determine o coeficiente de difusão do azoto no aço, sabendo que a 150µm da superfície o aço apresenta um teor em azoto de 3,5%.

Tabela 4 – Composição química do aço 34CrAlNi7

Carbono % Si % Mn % Ni % Cr % Mo % Al % 0,34 0,25 0,50 1,00 1,70 0,20 0,90

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16. Pretende-se fazer um tratamento de cementação a uma roda de coroa de um diferencial de um veículo todo-terreno (TT). Este componente será fabricado em aço 12NC15, cujo teor nominal em carbono é apresentado na tabela 5. Exige-se que a uma profundidade de 400µm a concentração em carbono seja de 0,45%. O forno onde se fará o tratamento proporciona, ao redor da peça, uma concentração de 0,9% em carbono a uma temperatura estabilizada de 927ºC. Qual o tempo de tratamento necessário para cumprir as especificações?

D(C no Fe a 927ºC) = 1,28x10-11 m2 /s

Tabela 5 – Composição química do aço 12NC15

C % Si % Mn % Cr % Ni % 0,15 0,25 0,50 0,80 3,50

(R: 147 minutos)

16. Para algumas aplicações é necessário endurecer a superfície dos aços para conferir maior resistência ao desgaste. Uma forma de fazer isso é através do processo de cementação gasosa, na qual há um aumento da concentração de carbono na superfície através da introdução de átomos de carbono (provenientes de um gás, como o metano) por difusão a elevadas temperaturas. Considerando um aço, submetido a uma cementação realizada a 900ºC, com uma concentração inicial de carbono de 0,25% e uma concentração de carbono na atmosfera, em redor da peça, mantida a 1,2%, calcule o tempo, em horas, necessário para atingir uma concentração de 0,8% de carbono a 5mm abaixo da superfície.

D(C no Fe a 900ºC)= 1,6x10-11m2 /s

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1. Considere o diagrama de fases das ligas Cu-Ni apresentado na figura.

a) Diga de que diagrama se trata.

b) Identifique as linhas de liquidus e solidus .

c) Determine o Nº de fases; composição de cada uma das fases e quantidade de cada uma das fases para as seguintes ligas: i) 53% Ni e 47% de Cu a 1300ºC e ii) 65% de Ni e 35% de Cu a 1340ºC.

2. Considere que 2 kg de uma liga com 80% de Cu (do sistema Ag-Cu) é arrefecida lentamente de 1000ºC até uma temperatura ligeiramente inferior a 780ºC. Determine:

a) a massa de líquido e deαpró-eutético presentes a 850ºC b) a massa deαpro-eutético presente a 780ºC + ∆T

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e) esquematize a curva de arrefecimento para a liga em estudo.

3. Considere as curvas de arrefecimento do sistema binário Pb-Sn.

a) Esboce o diagrama de equilíbrio resultante. b) Diga qual a reacção invariante presente.

c) Analise o arrefecimento de ligas com 40% e 80% de Sn.

4. Considere um sistema formado por dois metais completamente solúveis no estado líquido. Prepararam-se 7 amostras de igual massa, de acordo com a Tabela 6.

Tabela 6 – Massa das amostras

Amostra

% de Pb

% de Sb

1

100 0

2

95 5

3

90 10

4

80 20

5

60 40

6

20 80

7

0 100

Aqueceram-se as amostras a uma temperatura levemente superior à temperatura de fusão. Arrefeceram-se lentamente e uniformemente, a intervalos de tempo iguais, e registaram-se as temperaturas de início e fim de solidificação apresentadas na Tabela 7.

Tabela 7 – Temperaturas de início e fim de transformação

Amostra

1

2

3

4

5

6

7 Início Solid. (ºC)

327 296 260 280 400 570 631

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a) Construa as curvas de arrefecimento.

b) Construa o correspondente diagrama de fases.

5. Esboce o diagrama de fases possível, sabendo que: - o metal A funde a 1200ºC

- o metal B funde a 600ºC

- a 1300ºC funde uma fase com 40% de B - a solubilidade a 0ºC de A em B é de 20% - a solubilidade a 0ºC de B em A é de 1% - ocorrem as seguintes reacções:

i) 900 ºC  L (20% B) ↔ α(5% B) +β (30% B) ii) 800 ºC  L (80% B) +β (50% B) ↔ γ(60% B) iii) 600 ºC  β (40% B) ↔ α(3% B) + γ (55% B).

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7. Considere o diagrama de fases das ligas Ni-As apresentado na figura seguinte:

a) Preencha os campos de fases.

b) Identifique as linhas de liquidus ,solidus e solvus .

c) Identifique as reacções invariantes presentes no diagrama, referindo a temperatura a que ocorrem e a composição química das fases envolvidas.

d) Para uma liga com 80% de Ni, determine o nº de fases, composição de cada uma das fases e quantidade de cada uma das fases às seguintes temperaturas: 950ºC, 897ºC+∆T, 897ºC-∆T.

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8. Considere o diagrama de fases das ligas Al-Mg apresentado na figura seguinte.

b) Identifique as linhas de liquidus , solidus e solvus .

d) Faça a análise do arrefecimento de uma liga com 30% de Mg, determinando o nº de fases, composição de cada uma das fases e quantidade de cada uma das fases às temperaturas que seleccionou.

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9. Considere o diagrama de fases das ligas Pt-Zr apresentado na figura seguinte.

b) Identifique as linhas deliquidus ,solidus e solvus .

d) Para uma liga com 48% de Zr, determine o nº de fases, composição de cada uma das fases e quantidade de cada uma das fases às seguintes temperaturas: 2000ºC, 1727ºC+∆T, 1727ºC-∆T, 1200ºC+∆T, 1200ºC-∆T, 827ºC+∆T e 827ºC-∆T.

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10. Considere o diagrama de fases das ligas Mg-Sr apresentado na figura seguinte.

a) Preencha os campos de fases

b) Trace a linhasolidus no diagrama de fases.

c) Identifique e escreva as reacções invariantes presentes no diagrama, referindo a temperatura a que ocorrem e a composição química das fases envolvidas.

d) Que tipo de reacção ocorre a 680ºC?

e) Faça a análise do arrefecimento de uma liga com 55 % de Sr. Determine o nº de fases, composição de cada uma das fases e quantidade de cada uma das fases às seguintes temperaturas: 700ºC, 620ºC, 603ºC+∆T,

603ºC-∆T.

f) Para a liga anterior trace a curva de arrefecimento (no sistema de eixos traçado junto do diagrama de fases), identificando as fases presentes em cada uma das zonas da curva.

% em peso de Sr T e m p e r a t u r a , º C tempo T e m p . , º C % em peso de Sr T e m p e r a t u r a , º C tempo T e m p . , º C

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11. Considere o diagrama de fases das ligas Nb-Ge apresentado na figura seguinte.

a) Preencha os campos de fases do diagrama. b) Trace a linhasolidus no diagrama de fases.

d) Que tipo de reacções ocorrem a 2180ºC e 1680ºC?

e) Faça a análise do arrefecimento de uma liga com 55% de Nb. Determine o nº de fases, composição de cada uma das fases e quantidade de cada uma das fases às seguintes temperaturas: 2100ºC, 1800ºC, 1580ºC+∆T, 1580ºC-∆T.

f) Para a liga anterior trace a curva de arrefecimento (no sistema de eixos traçado junto do diagrama de fases), identificando as fases presentes em cada uma das zonas da curva.

% em peso Ge 1 5 4 3 2 6 8 7 9 10 tempo T e m p e r a t r u a , º C % em peso Ge 1 5 4 3 2 6 8 7 9 10 % em peso Ge 1 5 4 3 2 6 8 7 9 10 tempo T e m p e r a t r u a , º C

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12. Considere o diagrama de fases das ligas Ag-As apresentado na figura seguinte.

d) Para uma liga com 12% de As, determine o nº de fases, a composição e a quantidade de cada uma das fases às seguintes temperaturas: 582ºC+∆T, 582ºC-∆T, 540ºC+∆T e 540ºC-∆T.

e) Para a liga anterior esquematize a curva de arrefecimento (no sistema de eixos traçado junto do diagrama de fases), identificando as fases presentes em cada uma das zonas da curva.

13. Fazer a análise quantitativa completa durante o arrefecimento de uma liga FeC com 1.5% de Carbono desde a temperatura de 1200ºC até à temperatura ambiente:

a) Temperaturas a analisar: 1200ºC, 980ºC, 800ºC, ∆T + 723ºC,∆T - 723ºC, temperatura ambiente; b) Fazer a verificação do teor de carbono da liga para: ∆T - 723º e à temperatura ambiente.

1 2 3 4 5 6 tempo T e m p e r a t u r a ( º C ) 1 2 3 4 5 6 tempo T e m p e r a t u r a ( º C )

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14. Considere o diagrama de fases do sistema Fe-C:

a) Identifique e escreva as reacções invariantes presentes referindo a temperatura a que ocorrem e a composição química das fases envolvidas.

b) Para uma liga com 0,5% de carbono identifique as fases presentes, determine a composição química de cada uma das fases e a quantidade de cada uma das fases às seguintes temperaturas: 800ºC, 723ºC+ ΔT e 723_ºC- ΔT.

c) “A perlite é uma fase.”

Comente esta afirmação.

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15. Considere o diagrama de fases do sistema Bi-Pb apresentado na figura.

d) Analise o arrefecimento de uma liga com 20% de Bi, determinando o nº de fases, a composição e a quantidade de cada uma das fases às seguintes temperaturas: 187ºC+∆T, 187ºC-∆T, -46ºC+∆T e -46ºC-∆T.

e) Para a liga anterior esquematize a curva de arrefecimento identificando as fases presentes em cada uma das zonas da curva.

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16. Considere o diagrama de fases do sistema Mo-Zr apresentado na figura.

c) Entre o Mo e o Zr forma-se um composto intermetálico, diga a que temperatura ocorre a sua formação e qual a sua composição química.

d) Identifique e escreva as reacções invariantes presentes no diagrama, referindo a temperatura a que ocorrem e a composição química das fases envolvidas.

e) Analise o arrefecimento de uma liga com 55% de Zr, determinando o nº de fases, a composição e a quantidade de cada uma das fases às temperaturas que achar relevantes para a análise da liga.

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17. Considere o diagrama de fases do sistema V-Zr apresentado na figura.

d) Analise o arrefecimento de uma liga com 45% de V, determinando o nº de fases, a composição e a quantidade de cada uma das fases às temperaturas que achar relevantes para a análise da liga.

e) Para a liga anterior esquematize a curva de arrefecimento identificando as fases presentes em cada uma das zonas da curva.

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5. CORROSÃO E PROTECÇÃO DE MATERIAIS

METÁLICOS

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1. Pretende-se construir uma pilha usando ferro e zinco para os eléctrodos.

a) qual dos dois materiais funcionará como cátodo da pilha? Justifique a resposta. b) escreva as reacções que ocorrem em cada um dos eléctrodos da pilha.

c) determine a f.e.m. da pilha formada.

(R: 0,323 V)

2. Calcule o potencial de uma peça de cobre em equilíbrio numa solução contendo uma concentração de iões de cobre 10-6M.

(R: 0,159 V)

3. Uma das extremidades de um fio de Zn está imerso num electrólito com 0,02 M em iões Zn2+, e a outra extremidade imersa num electrólito 0,005 M. Os dois electrólitos estão separados por uma parede porosa.

a) Qual das duas extremidades do arame vai sofrer corrosão?

b) Qual a diferença de potencial entre as duas extremidades do arame logo que ele é imerso nos electrólitos?

(R: 0,018 V)

4. Considere uma pilha de concentração formada por dois eléctrodos de níquel. Um dos eléctrodos está imerso num electrólito cuja concentração de iões Ni2+ é de 0,001 M e o outro numa solução cuja concentração de iões Ni2+é de 0,05 M.

g) Qual dos eléctrodos é o ânodo da pilha? Justifique. h) Determine a f.e.m. desta pilha galvânica.

(R: 0,050 V)

5. Construiu-se uma pilha usando cobre e zinco. Cada um destes metais está mergulhado numa solução cuja concentração dos seus respectivos iões é de 1 M:

a) escreva as reacções que ocorrem em cada um dos eléctrodos da pilha. b) determine o potencial da pilha galvânica.

c) tendo-se concluído que os electrólitos usados nesta pilha eram soluções muito concentradas, reduziu-se a concentração para os seguintes valores, [Cu2+] = 0,01 M e [Zn2+] = 0,0015 M. Determine a força electromotriz da nova pilha. Comente o resultado obtido.

(33)

6. Uma pilha galvânica a 25 ºC é constituída por um eléctrodo de platina mergulhado numa solução 0,004 M de PtSO4 e um eléctrodo de cobre numa solução 0,008 M de CuSO4. As duas soluções estão separadas por uma

parede porosa.

a) determine a f.e.m. da pilha formada pelo cobre e a platina.

b) se a pilha formada entre o cobre e a platina gerasse uma corrente de 0,15 A quanto tempo seria necessário para corroer 0,10 g do eléctrodo de cobre?

F = 96 500 C/mol

CuCu 2++ 2e- , EºCu= 0,337 V

Pt Pt2+ + 2e- , EºPt= 1,200 V

MCu= 63,5 g/mol

(R: 0,855 V; 33,8 minutos)

7. Uma pilha galvânica a 25 ºC é constituída por um eléctrodo de níquel mergulhado numa solução 0,080 M de NiSO4 e um eléctrodo de cádmio numa solução 0,002 M de CdSO4. As duas soluções estão separadas por uma

parede porosa.

a) qual os eléctrodos é o ânodo da pilha? Porquê? b) qual é o valor da f.e.m. desta pilha galvânica? CdCd 2++ 2e- , EºCd= - 0,403 V

NiNi2++ 2e- , EºNi= - 0,250 V

(R: Cd; 0,201 V)

8.

Calcule a espessura de Ni depositado sobre um cilindro com um diâmetro de 12 mm e uma altura de 20 mm, usando uma solução de sulfato de níquel (NiSO4) e uma corrente de 0,2 A durante 1 minuto.

F = 96500 C/mol

ρ = 8,90 g/cm3 MNi= 58,70 g/mol

(R: 5,4 x 10-5cm)

9. Calcule a espessura em µm de Cu depositado sobre uma placa de aço macio, com as seguintes dimensões: 50x20x1 mm. Foi usada uma solução de sulfato de cobre (CuSO4), tendo-se aplicado uma corrente de 500 mA

durante 2 minutos. F = 96500 C/mol

ρ = 8,96 g/cm3 MCu= 63,54 g/mol

(34)

10. Um tanque cilíndrico em aço macio, com 1,5 m de altura e 60 cm de diâmetro contém água até à altura de 60 cm e apresenta uma perda de peso, em consequência da corrosão, de 250 g em 5 semanas. Considerando que a corrosão é uniforme na superfície do tanque, calcule:

a) a intensidade de corrente de corrosão

b) a densidade de corrente envolvida na corrosão do tanque. F = 96500 C/mol

MFe= 55,85 g/mol

(R: 0,286 A; 2,0 x 10-5 A/cm2)

11. Uma chapa de zinco com 80x20 mm (espessura desprezável) corroeu activamente, durante uma semana, numa solução ácida. Sabe-se que a intensidade de corrente de corrosão média foi de 50 mA. Calcule a perda de massa ocorrida durante o período de imersão.

F = 96500 C/mol MZn= 65,38 g/mol

(R: 10,24 g)

12. Um tanque rectangular em aço macio, com 80 cm de altura e com uma base de 30 cm x 20 cm, contém água arejada até uma altura de 50 cm. Este recipiente sofreu uma perda de peso por corrosão de 300 g ao fim de um período de 3 semanas. Considere que a corrosão é uniforme em toda a superfície e que o aço macio é corroído da mesma maneira que o ferro puro. Calcule:

a) a intensidade de corrente de corrosão. b) a densidade de corrente de corrosão. F = 96 500 C/mol

MFe= 55,85 g/mol, Fe →Fe2++ 2e

-(R: 0,57 A; 1,02x10-4A/cm2)

13. Um processo de electrodeposição de níquel utiliza uma corrente de 15 A e consiste em dissolver quimicamente um ânodo de níquel e provocar a deposição sobre um cátodo também de níquel. Partindo do princípio que não existem reacções colaterais, quanto tempo, em minutos, será necessário para dissolver 8,5 g de níquel do ânodo?

NiNi2++ 2e- , EºNi= - 250 mV

MNi= 58,71 g/mol

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14. Uma chapa de aço de baixo teor de carbono com 450 x 250 x 3 mm (espessura desprezável) esteve imersa em água do mar durante dois anos. Sabendo que e perda de massa sofrida pela chapa foi de 40 g, determine a intensidade de corrente de corrosão.

MFe= 55,85 g/mol

(R: 2,19 x 10-3 A)

15. Uma chapa de aço galvanizado apresenta corrosão uniforme com uma densidade de corrente média de 1,32x10-7 A/cm2. Quantos anos serão necessários para que ocorra uma perda de espessura do revestimento de zinco de cerca de 0,03 mm?

ρZn= 7,19 g/cm3

MZn= 65,37 g/mol

(R: 15,3 anos)

16. Um depósito em aço macio, com 80 cm de altura e com uma base quadrada de 20 cm de lado, está praticamente cheio de água. Este depósito sofreu uma perda de massa por corrosão de cerca de 87,5 g durante uma semana. Diga qual a velocidade de corrosão deste depósito em mdd.

(R: 183,8 mdd)

17. Um tanque em aço macio contendo uma solução de nitrato de amónio é corroído a uma velocidade de 6000 mdd. Se a corrosão for uniforme em toda a superfície interior, quanto tempo será necessário para que a espessura da parede do tanque sofra uma diminuição de 1,05 mm?

ρFe= 7,87 g/cm 3

(R: 13,8 dias)

18. A parede de um tanque de aço, contendo água arejada, é corroído a uma velocidade de 54,7 mdd. Quanto tempo demorará para que haja uma diminuição de 0,50 mm na espessura da parede?

ρFe= 7,87 g/cm3

(R: 719 dias)

19. Considere uma pilha galvânica aquosa formada por um eléctrodo de zinco imerso num electrólito cuja concentração de iões Zn2+ é de 10-1M e um eléctrodo de Pt mergulhado numa solução cuja concentração de iões Pt2+é de 3x10-5M. Determine o valor da f.e.m. desta pilha galvânica?