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ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E
AERONÁUTICA
Exercícios de Ciência dos
Materiais
Uma introdução dos materiais
aplicados
Prof. Dr. Fernando Cruz Barbieri
S.J. dos Campos - Dutra
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AERONÁUTICA
1. Lista de Exercícios
B1
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1. Lista de Exercícios
2) Explique com suas próprias palavras o que são digrama de fases de um composto, para que
serve e dê alguns exemplos?
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1. Lista de Exercícios
Ponto a = Fase solida α 100% α
a
b
c
d
e
Ponto b = Fase solida α 100% α
Ponto c = mistura α + L r. alavanca
Pα
=
CL – Co x 100% = 50 – 40 x 100
CL – Cα
50 - 30
Pα = 50% α
PL = 50 % L
Ponto d = Fase Liquida α 100% L
Ponto e = Fase Líquida α 100% L
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1. Lista de Exercícios
2) Explique com suas próprias palavras o que são digrama de fases de um composto,
para que serve e dê alguns exemplos?
Os diagramas de fases (também chamados de diagrama de equilíbrio) relacionam
temperatura, composição química e quantidade das fases em equilíbrio.
•
Um diagrama de fases é um “mapa” que mostra quais fases são as mais estáveis
nas diferentes composições, temperaturas e pressões.
• A microestrutura dos materiais pode ser relacionada diretamente com o diagrama
de fases.
• Existe uma relação direta entre as propriedades dos materiais e as suas
microestruturas.
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1. Lista de Exercícios
3)
Uma prata de lei, uma liga contendo aproximadamente 90% de prata e 10% de cobre
é aquecida nas temperaturas 600, 800 e 11000C. Determine as fases presentes e suas
proporções, como mostra a figura abaixo.
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1. Lista de Exercícios
600 = mistura α + β
Pα
=
Pα
=
alavanca
Cβ – Co x 100% =
C β – Cα
98 – 10 x 100% = 93,6%
98 – 4
Pβ = 6,4 % β
800 = mistura α + L
alavanca
Pα
=
CL – Co x 100% =
C L – Cα
Pα
=
25 – 10 x 100% = 88,3%
25 – 8
PL = 11,7 % L
110 = Fase Líquida α 100% L
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1. Lista de Exercícios
4 ) Para uma liga de solda com 40% de estanho e 60% de chumbo a 1500C ,
a) quais as fases presentes,
b) qual a proporção de cada fase.
mistura α + β
alavanca
C α = 10% Sn
C0
=
40%Sn
C β = 98 %Sn
Pα
=
Cβ – Co x 100% =
C β – Cα
Pα
=
98 – 40 x 100% = 65,9%
98 – 10
Pβ = 34,1 % β
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1. Lista de Exercícios
5) Uma liga típica para componentes de aeronaves contém 92kg de magnésio e 8 kg
de alumínio. Quais são fases presentes e as proporções dessas fases a: 6500C,
5300C, 4200C, 3100C e 2000C, conforme mostra figura abaixo?
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1. Lista de Exercícios
6500C (a)
5300C (b)
4200C (c)
3100C (d)
2000C (e)
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2. Lista de Exercícios
1) Faça uma analise das fases presentes na liga chumbo-estanho, solidificadas em condições de
equilíbrio, nos seguintes ponto do diagrama, como mostra a figura abaixo:
pede-se: a) composição eutética
b) temperatura eutética
c) reação eutética
d) as fases e as proporções dessas fases presentes no ponto c
e) as fases e as proporções dessas fases presentes no ponto e
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2. Lista de Exercícios
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2. Lista de Exercícios
2) Para a liga composta por Fe-C, como mostra a figura abaixo, determine:
a)a liga eutética e eutetóide
b) a temperatura eutética e eutetóide
c) a reação eutética e eutetóide
d) Mostre no gráfico as regiões: eutetóides/eutéticas
hipoeutetóides/hipoeutéticas
hipereutetóides/hipereutéticas
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2. Lista de Exercícios
a) Eutética = 4,3%C Eutetóide = ,76%C
b) Teutética = 11480C
TEutetóide = 7270C
c)
Reação eutética L (4.3% C) <=> γ (2.11% C) + Fe3C (6.7% C)
Reação eutetóide γ (0.77% C) <=> α (0.022% C) + Fe3C (6.7%)
d)
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2. Lista de Exercícios
3) Responda as questões abaixo
a.) Cite as principais formas alotrópicas do ferro e suas principais características.
b.) Qual a estrutura do ferro que é magnética? Até que temperatura o ferro é magnético?
c.) Aços são as principais ligas de Fe-C de ampla aplicação na engenharia. Como o carbono
encontra-se na estrutura cristalina do ferro?
d.) A solubilidade do carbono é maior na ferrita ou na austenita? Explique.
e.) Qual a composição dos aços quanto ao teor de carbono?
f.) Como variam as propriedades mecânicas dos aços, como resistência, dureza e ductilidade, nos
aços de acordo com o teor de carbono?
g.) Com base no diagrama Fe-C, qual a solubilidade máxima do carbono nos aços e a que
temperatura ocorre?
h.) Com base no diagrama Fe-C, especifique as temperaturas e composições das reações eutética
e eutetóide.
i.) Qual a diferença entre aços hipoeutetóides e hipereutetóides?
j.) Como são as microestruturas características dos aços eutetóides, hipo e hiper eutetóides?
k.) Quais são as principais fases que podem estar presentes nos aços a temperatura ambiente, se
resfriados lentamente? Cite as principais propriedades mecânicas dessas fases.
l.) Use a regra das alavancas para determinar a fração da ferrita ∝ e da cementita na perlita.
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2. Lista de Exercícios
a.) Ferro  (ferrita) - possui a estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) e é o estado em que
encontramos o ferro a temperatura ambiente (até 910oC). O ferro  pode ou não ser magnético
(magnético abaixo de 768 oC, que é o ponto Curie). Possui uma baixa dureza.
Ferro  (austenita) - possui a estrutura cúbica de face centrada (CFC) e é encontrada a uma
temperatura entre 910oC e 1390oC. Possui boa resistência mecânica e apreciável tenacidade além de não
ser magnética.
Ferro  - possui a estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) e é encontrada a uma temperatura entre
1390oC e 1534 oC.
b.) Ferrita ɑ estrutura CCC(cúbica de corpo centrado), magnética ate 768°C
c.) O carbono forma uma solução sólida intersticial com o ferro, isto é, os átomos de carbono se
colocam nos interstícios da estrutura cristalina do ferro.
d.) A máxima solubilidade no ferro  é 0,025%
A máxima solubilidade no ferro  é 2% (valor teórico)
Os interstícios variam de tamanho de acordo com a estrutura, isto é, os interstícios da estrutura CCC
são menores do que os da estrutura CFC.
Exemplo, no caso da liga ferro-carbono os raios máximos do interstícios no ferro corresponde a 0,36
ângstrons para a estrutura CCC, e 0,52 ângstrons para a estrutura CFC.
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2. Lista de Exercícios
e.) Aço= 0,008 até 2,06% de Carbono
f.) A presença de átomos de impureza causa deformações na rede cristalina do solvente restringindo o
movimento das discordâncias e assim alterando as propriedades dos aços.
De acordo com o teor de carbono no aço as propriedades do aço melhoram.
Existem aços de baixo , médio e alto teor de carbono
Baixo carbono: possui baixa resistência e dureza e alta tenacidade e ductilidade. É usinável e soldável,
além de apresentar baixo custo de produção. Geralmente, este tipo de aço não é tratado termicamente.
Médio carbono: possui maior resistência e dureza e menor tenacidade e ductilidade do que o baixo
carbono. Apresentam quantidade de carbono suficiente para receber tratamento térmico de têmpera e
revenimento, embora o tratamento, para ser efetivo, exija taxas de resfriamento elevadas e em seções
finas.
Alto carbono: é o de maior resistência e dureza. Porém, apresentam menor ductilidade entre os aços
carbono. Geralmente, são utilizados temperados ou revenidos, possuindo propriedades de manutenção de
um bom fio de corte.
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2. Lista de Exercícios
g.)
h.)
aproximadamente 2,1 %C da fase austenitica a 11480C
Reação eutética
A 1148°C ocorre a reação
L (4.3% C) <=> γ (2.11% C) + Fe3C (6.7% C)
Reação eutetóide
A 727°C ocorre a reação
γ (0.77% C) <=> α (0.022% C) + Fe3C (6.7% C)
i.) A diferença esta na percentagem de carbono presente no aço, de 0,008 a 0,76٪ de carbono o aço e
hipoeutetoide acima de 0,76 ate 2,14٪ de carbono o aço e hipereutetoide.
j.) Eutetoide –perlita
Hipo – ferrita(macia e dutil), cementita(dura e frágil)
Hiper –ferrita proeutetoide + perlita.
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2. Lista de Exercícios
k.)
Ferrita- ductil, baixa resistência mecânica,macia.
Cementita- dura e resistente.
Perlita- alta resistência mecânica,dureza,baixa ductilidade.
l.)
m.) Ferrita.
n.) Cementita
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2. Lista de Exercícios
4) Considere o diagrama Fe–C dado abaixo. Uma liga com 3,0 %C (% mássica) é fundida a 1400oC, sendo a
seguir resfriada lentamente, em condições que podem ser consideradas como sendo de equilíbrio. Pergunta-se:
a) Qual é a temperatura de início de solidificação dessa liga?
b) Qual é a primeira fase sólida que se solidifica à temperatura definida no item (a)?
c) Qual é a temperatura na qual termina a solidificação dessa liga?
d) A 1148oC, quais são as fases presentes, as suas composições e as suas proporções relativas?
e) A 723oC, quais são os constituintes dessa liga, as suas composições e as suas proporções relativas?
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2. Lista de Exercícios
a) 13000C
b) 
c) 11480C
d)
fases -> a austenita e fase líquida.
composições -> de cada fase, e as respectivas proporções relativas calculadas pela regra da alavanca são dadas abaixo.
Fase Composição (%C) Proporção relativa (%)
Austenita 2,1 (4,3-3,0)/(4,3-2,1) = 0,5909 → 59,1%
Líquida 4,3 (3,0-2,1)/(4,3-2,1) = 0,5909 → 40,9%
e) Fases -> cementita e a ferrita (ligeiramente inferior à temperatura da reação eutetóide)
Toda a ferrita está contida na perlita (microconstituinte eutetóide formado por uma mistura íntima de ferrita e
cementita, originária da austenita, através de uma reação eutetóide).
Apenas parte da cementita está contida no microconstituinte eutetóide.
As proporções relativas de cementita e de ferrita podem ser calculadas pela regra da alavanca, como apresentado a
seguir.
Fase Composição (%C) Proporção relativa (%) ferrita 0,022 (6,7-3,0)/(6,70-0,022) = 0,541 → 5,4% cementita
6,70 (3,0-0,022)/(6,70-0,022) = 0,459 → 4,6%
A proporção relativa da microestrutura perlítica, composta por ferrita e por cementita, pode se calculada pela regra
da alavanca. Consideramos a microestrutura perlítica como sendo um constituinte, e fazemos o cálculo da regra da
alavanca, como segue:
Composição (%C) Proporção relativa (%) perlita 0,7 (6,7-3,0)/(6,70-0,7) = 0,6239 → 62,4% cementita (fora da
perlita)
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2. Lista de Exercícios
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2. Lista de Exercícios
Ferrita ():
estrutura cúbica existente:____CCC_______
b) solubilidade máxima de carbono (teor %): _0,022% até temperatura de 727_0C
c) propriedades mecânicas:____MOLE_________
Austenita ():
a)estrutura cúbica existente:____CFC__________
b) solubilidade máxima de carbono (teor %): _2,1_% até temperatura de _1148__0C
c) forma estável do ferro puro a temperatura entre _9120C a _13940C
d) propriedades mecânicas:______BOAS_________
Ferrita ():
a)estrutura cúbica existente:____CCC___________
b) forma estável até a temperatura de _1534__0C
c)possui alguma aplicação tecnológica ::NAO
Cementita (Fe3C):
a)forma-se quando o limite de solubilidade de carbono é__6,7%c_
b) forma estável até a temperatura de _1148_0C
c) propriedades mecânicas:_____FRAGIL__________
Perlita
a)quais as microestruturas que formam a perlita:__FERRITA__CEMENTITA___
b) as lamelas claras se refere a:__FERRITA e as lamelas escuras a ___CEMENTITA_
c) propriedades mecânicas:_______BOAS________
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2. Lista de Exercícios
6) Calcular a proporção de ferrita e perlita no ponto f desta liga
hipoeutetóide. Admitir sendo C0 = 0,35 % C.
OBS: utilize as informações da folha anexa para se efetuar os cálculos.
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1. Lista de Exercícios
B2
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3. Lista de Exercícios
1) Usando o diagrama de transformação (TTT) por resfriamento contínuo para a liga
ferro-carbono, indique nas 4 curvas de resfriamento contínuo:
a) as seguintes microestruturas nas curvas A, B, C e D;
b) quais tratamentos térmicos referem-se as curvas A,B,C e D.
a)
Estrutura
a)
Martensita
b)
Martensita +
bainita
c)
Martensita +
bainita+perlita
+ferrita
d)
Perlita+
ferrita
b)
Tratamento
a)Tempera
b) Tempera
c)Tempera
d) normalização
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3. Lista de Exercícios
2) Usando o diagrama de transformação (TTT) por resfriamento contínuo para a liga
ferro-carbono, indique nas 3 curvas de resfriamento contínuo as microestruturas
formadas?
Martensita
Perlita +
Bainita+
Martensita
Perlita
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3. Lista de Exercícios
3) Usando o diagrama de transformação (TTT) por resfriamento contínuo para a liga
ferro-carbono, indique nas 3 curvas de resfriamento contínuo as microestruturas
formadas?
Martensita
Bainita
Ferrita + Perlita
+ Bainita
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3. Lista de Exercícios
4)
a)
b)
c)
Explique para cada tratamento térmico: recozimento, normalização, têmpera e revenido:
objetivo (finalidade)
metodologia (temperatura de tratamento, encharque e velocidade de resfriamento
Aplicações
Teoria, tirar a apostila
5) Explique porque estes fatores influenciam as curvas do diagrama TTT?
composição química ( teor de carbono e elemento de liga)
tamanho do grão austenítico
Teoria, tirar a apostila
6) Explique como a martensita da liga Fe-C é obtida através de um resfriamento rápido a
partir da temperatura de austenitização, relacionando com o processo de saída do
carbono de dentro da célula CFC (figura) para formar uma célula tetragonal de corpo
centrado.
Teoria, tirar a apostila
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3. Lista de Exercícios
7) Usando o diagrama de transformação tempo-temperatura para uma liga de ferrocarbono com composição eutetóide, especifique a natureza da microestrutura final (em
termos de microconstituintes presentes) para uma pequena amostra que foi submetida aos
seguintes tratamentos tempo-temperatura. Para cada caso, suponha que a amostra se
encontra inicialmente a uma temperatura de 8000C e que ela tenha sido mantida a essa
temperatura por tempo suficiente para que atingisse uma completa e homogênea
temperatura austenítica.
a) Resfriamento rápido até 3000C de 1s, manutenção dessa temperatura por 103s
(isotérmico), seguido por um resfriamento lento por 104s até temperatura ambiente.
b) Resfriamento rápido até 6800C, manutenção dessa temperatura por 104s (isotérmico),
seguido por um resfriamento lento por 105s até temperatura ambiente.
c) Resfriamento lento continuo até temperatura ambiente por 105s.
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3. Lista de Exercícios
a 50% bainita
b
c
a
b 100%
perlita grossa
c) 100%
perlita grossa
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3. Lista de Exercícios
8) Usando o diagrama de transformação tempo-temperatura para uma liga de ferrocarbono com composição eutetóide, especifique a natureza da microestrutura final (em
termos de microconstituintes presentes) para uma pequena amostra que foi submetida
aos seguintes tratamentos tempo-temperatura. Para cada caso, suponha que a amostra
se encontra inicialmente a uma temperatura de 8000C e que ela tenha sido mantida a
essa temperatura por tempo suficiente para que atingisse uma completa e homogênea
temperatura austenítica.
a)
Resfriamento rápido continuo por 8s até temperatura ambiente.
b) Resfriamento rápido até 5750C, manutenção dessa temperatura por 40s, resfriamento
lento até 2000C.
c) Resfriamento rápido até 4000C até 1s, manutenção dessa temperatura por 12s,
resfriamento rápido até 102s até temperatura ambiente.
d) Resfriamento rápido até 3000C, manutenção dessa temperatura por 104s, resfriamento
lento até 105 segundos.
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3. Lista de Exercícios
a 90% martensita
b 100% perlita fina
b
c 25% bainita superior+
90% martensita
a
c
d
d 100% bainita inferior
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3. Lista de Exercícios
9) Usando o diagrama de transformação tempo-temperatura para uma liga de ferro-carbono com
composição hipereutetóide de 1,13%C , especifique a natureza da microestrutura final (em
termos de microconstituintes presentes) para uma pequena amostra que foi submetida aos
seguintes tratamentos tempo-temperatura. Para cada caso, suponha que a amostra se
encontra inicialmente a uma temperatura de 8600C e que ela tenha sido mantida a essa
temperatura por tempo suficiente para que atingisse uma completa e homogênea temperatura
austenítica.
a) Cementita + perlita grossa
b) Martensita 90%
c) 50% Perlita fina + 100% bainita inferior
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3. Lista de Exercícios
a Resfriamento lento continuo até
temperatura ambiente por 106s.
b Resfriamento rápido continuo por
0,4s até temperatura ambiente.
a
b
c Resfriamento rápido até 5430C
por
0,1s,
manutenção
dessa
temperatura por 1s, resfriamento
rápido até 2900C, manutenção
dessa temperatura por 104s e
resfriamento
por
105s
até
temperatura ambiente.
c
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3. Lista de Exercícios
10) Coloque os aços abaixo por ordem decrescente de resistência:
-0.3wt%C
-0.3wt%C
-0.6wt%C
-0.6wt%C
-0.6wt%C
-0.9wt%C
-1.1wt%C
esferoidita
perlita grosseira
perlita fina
perlita grosseira
bainita
martensita
martensita........
Resposta
1.1wt%C martensita
0.9wt%Cmartensita
0.6wt%C bainita
0.6wt%C perlita fina
0.6wt%C perlita grosseira
0.3wt%C perlita grosseira
0.3wt%C esferoidita
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3. Lista de Exercícios
11) Peças de um aço com 0,77% C (eutectóide) são aquecidas durante 1 hora a 850 °C e depois
são submetidas aos tratamentos térmicos da lista abaixo indicada. Usando o diagrama TTT-TI da
figura determine a microestrutura das peças após cada tratamento.
a) Têmpera em água até à temperatura ambiente
b) Arrefecimento em banho de sais até 680 °C, manutenção durante 2 horas, seguida
arrefecimento em água.
c) Arrefecimento em banho de sais até 570 °C, manutenção durante 3 minutos, seguida
arrefecimento em água.
d) Arrefecimento em banho de sais até 400 °C, manutenção durante 1 hora, seguida
arrefecimento em água.
e) Arrefecimento em banho de sais até 300 °C, manutenção durante 1 minuto, seguida
arrefecimento em água.
f) Arrefecimento em banho de sais até 300 °C, manutenção durante 2 horas, seguida de
arrefecimento em água.
de
de
de
de
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3. Lista de Exercícios
a 90% martersita
b 100% perlita grossa
b
c 100% perlita fina
c
d 100% bainita superior
d
e 50% bainita inferior +
martensita
f
f 100% bainita inferior
e
a
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12.) Responda
a) - A formação da martensita depende do tempo?
b) - Por que a martensita não aparece no diagrama de equilíbrio Fe-C?
c) - A martensita é mais facilmente obtida num aço hipo ou hipereutetóide?
d) Quais são as principais fases que podem estar presentes nos aços a temperatura ambiente,
se resfriados lentamente? Cite as principais propriedades mecânicas dessas fases.
e) Diferencie as propriedades da martensita e da martensita revenida, dizendo como podem
ser obtidas.
f) Qual o microconstituinte mais mole dos aços?
g) Qual o microconstituinte mais duro dos aços?
h) Quais são os principais fatores que modificam a posição das curvas TTT?
i) Alto teor de carbono favorece ou dificulta a formação da martensita? E da perlita?
j) Tamanho de grão grande favorece ou dificulta a formação da martensita? E da perlita?
Justifique.
k) Quais o efeito dos elementos de liga na formação da martensita e da perlita?
l) É possível obter um aço com estrutura austenítica a temperatura ambiente?
m) É possível obter um aço com estrutura martensítica por resfriamento lento?
n) A transformação martensítica nos aços ocorre com aumento ou diminuição de volume? Qual o
efeito disso no material?
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12.) Responda
a)
Como a martensita não envolve difusão, a sua formação ocorre instantaneamente (independente
do tempo, por isso na curva TTT a mesma corresponde a uma reta)
b) Tem estrutura tetragonal cúbica. Assim, é uma fase metaestável, por isso não aparece no
diagrama.
c) Quanto o maior teor de carbono em um aço, maior a probabilidade de formar a martensita,
portanto aço hipereutetóide forma mais facilmente as matensita.
d) Ferrita- ductil, baixa resistência mecânica,macia.
Austenita- media resistência mecânica, media dureza, media ductilidade.
Cementita- dura e resistente.
Perlita- alta resistência mecânica,dureza,baixa ductilidade.
e) Martensita: É uma solução sólida supersaturada de carbono (não se forma por difusão);
microestrutura em forma de agulhas; é dura e frágil (dureza: 63-67 Rc); tem estrutura tetragonal
cúbica (é uma fase metaestável, por isso não aparece no diagrama). Na martensita todo o carbono
permanece intersticial, formando uma solução sólida de ferro supersaturada com carbono, que é
capaz transformar-se em outras estruturas, por difusão, quando aquecida. É obtida quando se
resfria aço austenítico rapidamente até a temperatura ambiente.
Martensita revenida: É obtida pelo reaquecimento da martensita (fase alfa + cementita). Neste
processo, a dureza cai; os carbonetos precipitam e formam de agulhas escuras
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12.) Responda
f) Ferrita
g) No equilibrio a cementita e fora do equilíbrio a martensita
h) Composição química; tamanho de grão da austenita; homogeneidade da austenita.
i) Quanto menor o teor de carbono (abaixo do eutetóide) mais difícil de obter estrutura
martensítica. A percentagem de perlita será tanto menor quanto menor for o teor de carbono,
anulando-se quanto este cair abaixo de 0.020%.
j) Quanto maior os tamanhos de grão mais para a direita deslocam-se as curvas TTT, e o tamanho de
grão grande dificulta a formação da perlita, já que a mesma inicia-se no contorno de grão. Então,
tamanho de grão grande favorece a formação da martensita
k) Quanto maior o teor e o número dos elementos de liga, mais numerosas e complexas são as
reações. Todos os elementos de liga (exceto o Cobalto) deslocam as curvas para a direita,
retardando as transformações. Facilitam a formação da martensita. Como conseqüência: em
determinados aços pode-se obter martensita mesmo com resfriamento lento
UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP
ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E
AERONÁUTICA
12.) Responda
l) No aço AISI 1321 cementado, as linhas Mi e Mf são abaixadas. Neste aço a formação da
martensita não se finaliza, levando a se ter austenita residual a temperatura ambiente.
m) Sim.
Use as curvas TTT para um aço eutetóide para especificar o microconstituinte através de um
resfriamento isotermico. Assuma que o resfriamento inicia-se a 7600C.
Resfriado rapidamente até 3000C, permanecendo por 20 segundos e então resfriado rapidamente em
água, forma-se a Martensita.
n) Ocorre aumento de volume por causa da transformação de ordem estrutural no retículo
cristalino do aço ( de austenita para martensita) e porque a martensita ocupa maior volume,
ocorre uma conseqüentemente variação nas dimensões da peça, conhecida genericamente por
distorção.