Metalurgia Física e Metalografia

Caracterização geral

Pré-requisitos

Conhecimentos básicos de química (transformações de fase e reacções químicas), termodinâmica química (funções e variáveis termodinâmicas) e cristalografia (sistemas cristalinos, redes de Bravais e defeitos cristalinos).

Bibliografia

• "Notas para apoio à disciplina de Metalurgia Física e Metalografia"; Rui Silva, FCT-UNL.
• "Phase Transformations in Metals and Alloys", David A. Porter e K. E. Easterling, Van Nostrand Reihold (UK).
• "Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais", Willian F. Smith, Mc-Graw-Hill de Portugal.
• "Introdução à Metalurgia", Alan H. Cotrell, Ed. Gulbenkian.

       Documentos da disciplina disponíveis no sistema Moodle.

Método de ensino

• Semanalmente, a disciplina tem aulas teóricas, aulas teórico-práticas ou aulas laboratoriais.
• Nas aulas teóricas a matéria é exposta em sala de aula, com a ajuda de transparências ou por PowerPoint quando necessário.
• Nas aulas de teórico-práticas são resolvidos exercícios em sala de aula sobre a matéria leccionada nas aulas teóricas. Nas aulas de laboratório são realizados de laboratório relacionados com a matéria teórico-práctica.

Método de avaliação

• O módulo de avaliação de conhecimentos é do tipo B (de acordo com o artigo 1º do Regulamento de avaliação da FCT-UNL): 3 mini-testes e 2 trabalhos de grupo com apresentação final de relatórios.
• A frequência é obtida por avaliação positiva nos relatórios dos trabalhos práticos realizados. A nota da frequência (NR) é dada pela nota média dos 2 relatórios (R₁ e R₂):

 NR=(R₁+R₂)/2 > 9,5

• Dispensam de exame os alunos cuja com nota média nos testes (NT) seja maior ou igual a 9,5, não podendo ter nota inferior a 6,0 valores no 1º teste:

NT=(T₁+T₂+T₃)/3 > 9,5  com T₁,T₂,T₃> 6 em 20

• A nota final (NF) da disciplina contabiliza 25% da nota nos relatórios (NR) dos trabalhos práticos + 75% da nota de exame ou da nota média dos mini-testes. Para serem contabilizadas, a nota em exame final ou a média nos testes deverá ser igual ou superior a 9,5 valores em 20.

 NF=0,75 (NF ou NE) + 0,25 NR > 9,5    (NT ou NE)>9,5 e NR>9,5

Conteúdo

Introdução aos materiais metálicos:

• Metais puros e ligas. exemplos de ligas comerciais.
• Materiais vítreos e cristalinos (monocristalinos e policristalinos.
• Principais estruturas cristalinas em metais e ligas metálicas (revisão).
• Microestrutura (noção de grão, limite de grão e fases).
• Soluções sólidas: intersticiais e substitucionais, desordenadas e ordenadas.
• Introdução às super-redes.
• Principais casos exemplificados: as fases beta e beta-linha nos latões.

Diagramas de equilíbrio de fases:

• Sistemas termodinâmicos abertos e fechados (revisão).
• Equilíbrio químico; Dimensão termodinâmica de um sistema: a regra das fases de Gibbs.
• Diagramas monários (diagramas P-T).
• Diagrama Binários e ternários.
• Previsão de microestruturas de equilíbrio.
• Principais casos estudados: classificação e previsão de microestruturas em ligas de ouro (Au-Cu), cuproníqueis (Cu-Ni), ligas de prata (Ag-Cu), ligas de estanho (Sn-Pb), ligas de Alunínio (Al-Si) e ligas ferrosas (aços e ferros-fundidos).
• Desvios composicionais e estruturais ao equilíbrio. Zonamento. Formação de fases metaestáveis.
• Principais casos estudados: desvios composicionais e microestruturais na solidificação de ligas de latão (Cu-Zn) e os diagramas de fases para os bronzes (Cu-Sn).
• Introdução aos diagramas de energia livre para sistemas binários.
• Casos exemplificados: explicação de diferenças composicionais nas ligas Fe-C para a condição estável e metaestável.
• Diagramas ternários. Reacções invariantes: reacções de classe I, II e II. Secções isotérmicos em diagramas ternários: Previsão da constituição de fases. Projecção da superfície liquidus.

Difusão atómica

• Introdução à difusão atómica: 1ª e 2ª lei de Fick.
• Difusão intersticial e substitucional.
• Casos de soluções analíticas da 2ª lei de Fick importantes em engenharia.
• Principais casos estudados: homogeneização de ligas, cementação ou descarburação em aços e a dopagem de silício puro com boro.

Solidificação e Transformações de fase

• Noção de nucleação e crescimento. A Teoria da nucleação.
• Nucleação homogénea e heterogénea.
• Efeitos do sobre-arrefecimento na evolução da microestrutural.
• Crescimento: formação de estrturas celulares e dendríticas. O sobre-arrefecimento constitucional. Implicações estruturais.
• Solidificação em metais puros e ligas: estruturas e defeitos de vazamento.
• Principais casos estudados: estruturas e defeitos de solidificação em ligas ferrosas.
• Transformações de fase no estado sólido: transformações com e sem difusão
• Principal caso estudado: a transformação martensítica nos aços.
• Introdução aos diagramas de tempo-temperatura-transformação (TTT)
• Casos exemplificados: diagramas TTT típicos dos aços ao carbono ou de baixa liga.

Conteúdos das aulas práticas – aulas de exercícios:

• Resolução de problemas sobre diagramas de fase binários. Constituição de fases e microestruturas de equilíbrio.
• Resolução de problemas sobre diagramas de fase ternários. Constituição de fases e microestruturas de equilíbrio.
• Resolução de problemas sobre Difusão atómica. 1ª lei e 2ª lei de Fick. Aplicação aos tratamentos termoquímicos.

Conteúdos das aulas práticas – aulas laboratoriais:

• Preparação metalográfica de amostras metálicas: execução das etapas de corte, montagem metalográfica, desbaste grosseiro, polimento e observação da microestrutura de amostras metálicas (aços macios) como meio de identificação do material.
• Observação metalográfica de amostras metálicas: identificação, mediante a observação, por microscopia óptica, da correspondente microestrutura, de ligas do sistema Fe-C com composições químicas distintas e submetidas a tratamentos térmicos diferenciados. Observação complementar de algumas ligas de cobre.
• Demonstração do crescimento de dendrites de prata: observação, com o auxílio de uma lupa estereoscópica, do desenvolvimento de uma estrutura dendrítica constituída pelo desenvolvimento de cristais de prata metálica, precipitados sobre um substrato de cobre a partir de uma solução de nitrato de prata (opcional).
• Demonstração da obtenção de curvas de arrefecimento de ligas binárias: determinação das curvas de arrefecimento (temperatura vs. tempo) de ligas binárias do sistema Pb-Sn. Determinação das temperaturas liquidus e solidus em arrefecimento e identificação da composição da liga experimental (opcional).

(Existe uma página da UC no sistema Moodle da FCT-UNL em http://moodle.fct.unl.pt/) 

Cursos

Cursos onde a unidade curricular é leccionada: