princÍpios da ciÊncia e tecnologia dos materiais revisÃo das aulas 1 a 5 professor: iran aragão
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAISREVISÃO DAS AULAS 1 A 5
Professor: Iran AragãoProfessor: Iran Aragão
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
OBJETIVO DA AULA
Fazer uma breve revisão do conteúdo das aulas 1 a
5.
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
• Os materiais sólidos são freqüentemente
classificados em três grandes grupos principais:
• Materiais metálicos:
• Materiais cerâmicos:
• Materiais poliméricos ou plásticos:
CLASSIFICAÇÃO
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
» Possuem elétrons livres;
» Bons condutores de eletricidade e calor;
» Não transparentes;
» Muito resistentes;
» Facilmente deformáveis e pesados.
METAIS
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
» Composições de elementos metálicos e
não metálicos;
» Normalmente isolantes;
» Duros e frágeis (quebradiços);
» Resistente a altas temperaturas
(refratários);
CERÂMICAS
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
» Compostos orgânicos baseados em carbono,
hidrogênio e outros elementos não metálicos;
» Baixa condutividade elétrica;
» Tipicamente tem baixa densidade e podem ser
extremamente flexíveis
POLÍMEROS
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
LIGAÇÕES QUÍMICAS
• Representam a união entre os átomos de um
mesmo elemento ou de elementos diferentes.
• Dependendo dos átomos que se unem, as
ligações podem ser iônicas, covalentes,
metálicas.
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
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Ligação iônica
• Resulta da atração entre cátions e ânions.• Todas as substâncias iônicas são sólidas.• Apresentam-se na forma de cristais.
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Covalente
• Elétrons sendo compartilhados com átomos
adjacentes;
• Esse tipo de ligação é comum em compostos
orgânicos, por exemplo em materiais poliméricos e
diamante.
ASSOCIAÇÃO DE ÁTOMOS
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
AS 14 REDES DE BRAVAIS
•Dos 7 sistemas cristalinos podemos identificar 14 tipos diferentes de células unitárias, conhecidas com redes de Bravais.
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
• As redes cristalinas mais importantes:
Cúbica:
- Cúbica de corpo centrado (CCC);
- Cúbida de face centrada (CFC).
Hexagonal:
- Hexagonal compacta (HC).
REDES BRAVAIS
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
REDE CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC)
NC: Número de Coordenação, que corresponde ao número de átomos vizinhos mais próximos.
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
• Fator de empacotamento atômico (APF= atomic
packing factor)
REDE CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC)
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
REDE CÚBICA DE FACE CENTRADA (CFC)
a=4R
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
REDE CÚBICA DE FACE CENTRADA (CFC)
a=4R
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
REDE HEXAGONAL COMPACTA (HC)
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
REDE HEXAGONAL COMPACTA (HC)
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
A temperaturas abaixo de 912° o Fe apresenta-se na forma alotrópica (CCC); Acima de 912° até 1394° (CFC); Acima de 1394° até 1538° (CCC). A alotropia do Fe é importante porque a forma alotrópica pode dissolver o Carbono (C) até 2%, o que tem grande significado no tratamento térmico dos aços.
ALOTROPIA DO FERRO PURO
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
• Tipos de deformações:
Elásticas: os átomos se afastam das posições
originais sem ocuparem novas posições. O
material retorna às suas dimensões originais,
quando é cessada o motivo da deformação.
Plásticas: ao retirarmos o esforço, o material
não retorna às suas dimensões originais. Suas
dimensões originais ficam alteradas após cessar
o esforço externo.
DEFORMAÇÃO
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Tensão e deformação são suficientemente pequenas.
A constante de proporcionalidade entre tensão e deformação denomina-se LEI DE HOOKE.
S.I: Newton/metro (N/m)
)( Edeelásticidademódulodeformação
Tensão
ELASTICIDADE
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Curva Tensão () x Deformação ()
Região elástica
(MPa)
f
LR
LE
Região plástica
Deformação plástica uniforme
Deformação plástica não uniforme
Deformação plástica total
= E
LR = Tensão limite de resistência (TS - tensile strength)
LE = Tensão limite de escoamento (YS - yield strength)
E = Módulo de elasticidade
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Diagrama Tensão - Deformação: Materiais Dúcteis
Quando uma grande deformação plástica ocorre entre o limite de elasticidade e o ponto de fratura, dizemos que esse material é DUCTIL.
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Calcule a deformação elástica que acontece em um
tirante que está submetido a uma força de tração de
10 000 N. O tirante tem seção circular constante
cujo diâmetro vale 5 mm, seu comprimento é 0,4 m
e seu material tem módulo de elasticidade valendo
2,1 x 105 N / mm2.
EXERCÍCIO
Δl = F . l / E . A F = 10000 ; E = 2,1 x 105
N/mm2 ;
l = 400mm
A = d2/4 = 3,14 x 52/4 = 19,625
mm2
l= (10000 x 400) /(210000 x 19,625)
Resposta: l= 0,97 mm
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
EXERCÍCIO
= E . = E.L/L0 L = L0/E
E é obtido de uma tabela: ECu = 11.0 x 104
MPa
Assim: L = 220 . 400/11.0 x 104 = 0.80 mm
Uma peça de cobre de 400 mm é tracionada com uma tensão de 220 MPa. Se a deformação é considerada totalmente elástica, qual será o alongamento da peça?
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
DIAGRAMA FASES
Diagrama de fases da água (1 atm = 760 torr)
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
DIAGRAMA FASES
Diagrama de equilíbrio para
o cobre (puro), indicando as
condições – pressão e
temperatura, onde este
metal se encontra na fase
sólida, líquida ou vapor
(1 N/m2 = 9,868×10-6 atm;
Ponto de fusão aprox
1085°C)
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
DIAGRAMA FASES
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
O limite de solubilidade corresponde a
concentração máxima que se pode atingir de um
soluto dentro de um solvente.
O limite de solubilidade depende da temperatura.
Em geral, tendem a crescer juntos.
SOLUBILIDADE
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
SISTEMAS BINÁRIOS (características)
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Os dois componentes formam uma única solução sólida em qualquer composição.
Ou seja, há solubilidade total em qualquer proporção de soluto.
SISTEMAS BINÁRIOS (ISOMORFO)Diagrama Cobre-Níquel
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Reação Eutética transformação imediata de fase líquida em fase sólida.
Nos sistemas eutéticos ocorre a reação, onde , durante a fusão, um líquido se transforma em dois sólidos e vice versa.
• Reação eutética: L (sólido 1 + sólido 2)
SISTEMAS BINÁRIOS (EUTÉTICO)
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
SISTEMAS BINÁRIOS (EUTÉTICO)
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
SISTEMAS BINÁRIOS (EUTÉTICO)
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Reação Eutetóide: sólido 1 (sólido 2 + sólido 3)
SISTEMAS BINÁRIOS (EUTETÓIDE)
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Encruamento do grão:
Forjamento: Processo de transformação de
metais por prensagem ou martelamento.
Laminação: Processo de deformação plástica
no qual o metal tem sua forma alterada ao
passar entre rolos em rotação. É o de maior
uso em função de sua alta produtividade e
precisão dimensional.
CONCEITOS DE GRÃOS
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
ENCRUAMENTO DO GRÃO
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Aumento do grau de encruamento:
aumento limite de resistência;
diminuição da dutilidade do material, ficando
mais frágil e resistindo menos a esforços de
impacto
ENCRUAMENTO DO GRÃO
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO - FE – C
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Temperatura Formas do Ferro
Tamb – 912ºC Ferrita (α – Fe, CCC)
912ºC – 1394ºC Austenita ( – Fe, CFC)1294ºC – 1538ºC Delta Ferrita (δ – Fe,
CCC)
Diagrama de equilíbrio - Fe – C
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Solubilidade do C no Fe
Na fase α Máximo de 0.022%Na fase Máximo de 2.11 %
Diagrama de equilíbrio - Fe – C
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Cementita – Fe3C
Composto estável que se forma nas fases α e
quando a solubilidade máxima é excedida, até
6.7 wt%C.
É dura e quebradiça. A resistência de aços é
aumentada pela sua presença.
DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO - FE – C
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS
• 0-0.008wt% C – Ferro Puro
• 0.008-2.11wt% C – Aços (na prática <1.0 wt%)
• 2.11-6.7wt% C – Ferros fundidos (na prática
<4.5wt%)
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Concentração Eutetóide:
A uma temperatura imediatamente abaixo da
eutetóide, toda a fase se transforma em perlita
(ferrita + Fe3C) de acordo com a reação eutetóide.
Estas duas fases tem concentração de carbono
muito diferentes. Esta reação é rápida. Não há
tempo para haver grande difusão de carbono
(0,77wt% C).
CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Concentração Hipo-Eutetóide:
Inicialmente, temos apenas a fase . Em
seguida começa a surgir a fase α nas fronteiras de
grão da fase . A uma temperatura imediatamente
acima da eutética a fase α já cresceu, ocupando
completamente as fronteiras da fase . A
concentração da fase α é 0.22 wt%C. A
concentração da fase é 0.77 wt%C, eutetóide.
CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Concentração Hipo-Eutetóide:
A uma temperatura imediatamente abaixo da
eutetóide toda a fase se transforma em perlita
(ferrita eutetóide + Fe3C). A fase α, que não muda,
é denominada ferrita pro-eutetóide.
CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Concentração Hiper-Eutetóide:
Em seguida a fase começa a surgir a fase
Fe3C, nas fronteiras de grão da fase . A
Concentração da Fe3C é constante igual a 6.7 wt
%C. A concentração da austenita cai com a
temperatura seguindo a linha que separa o campo
+ Fe3C do campo . A uma temperatura
imediatamente acima da eutetóide a
concentração da fase é 0.77 wt%C, eutetóide.
CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Concentração Hiper-Eutetóide:
A uma temperatura imediatamente abaixo da
eutetóide toda a fase se transforma em perlita.
A fase Fe3C, que não muda, é denominada
cementita pro-eutetóide.
CLASSIFICAÇÃO DE LIGAS FERROSAS
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: a) Qual a temperatura de fusão do Pb e do Sn? b) Identifique as Linhas Sólidus e Líquidus: c) Identifique o ponto Eutético, sua temperatura e suas %. d) Use a Regra da Alavanca e estude a liga 30-70 (70%Pb e 30%Sn) na temperatura de 200º. e) Identifique as Linhas Solvus. f) Se você fosse especificar uma liga para ser utilizada em processos de soldagem, qual seria sua composição. Justifique.
EXERCÍCIO
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: a)Qual a temperatura de fusão do Pb e do Sn?
estanho puro 232o C e chumbo puro 320o Cb) Identifique as Linhas Sólidus e Líquidus: c) Identifique o ponto Eutético, sua temperatura e suas %. d) Use a Regra da Alavanca e estude a liga 30-70 (70%Pb e 30%Sn) na temperatura de 200º. e) Identifique as Linhas Solvus. f) Se você fosse especificar uma liga para ser utilizada em processos de soldagem, qual seria sua composição. Justifique.
EXERCÍCIO
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: b) Identifique as Linhas Sólidus e Líquidus:
EXERCÍCIO
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: b) Identifique as Linhas Sólidus e Líquidus: c) Identifique o ponto Eutético, sua temperatura e suas %.
liga eutética com 63% Sn e 37% de Pb
EXERCÍCIO
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: d) Use a Regra da Alavanca e estude a liga 30-70 (70%Pb e 30%Sn) na temperatura de 200º.
17% – 30 % – 50 %R = 30 – 17 = 13S = 50 – 30 = 20
L = 20/33 = 0,6061 = 0,3939
αα
EXERCÍCIO
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Leia o Diagrama Chumbo-Estanho apresentado a seguir e responda: e) Identifique as Linhas Solvus.
EXERCÍCIO
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
f) Se você fosse especificar uma liga para ser utilizada em processos de soldagem, qual seria sua composição. Justifique. Especificar a liga eutética com 63% Sn e 37% de Pb, que uma liga com essa composição se comporta como uma substância pura, com um ponto definido de fusão, no caso 183o C. Esta é uma temperatura inferior a temperatura de fusão dos metais que compõem esta liga (estanho puro 232o C e chumbo puro 320o C), o que justifica sua ampla utilização na soldagem de componentes eletrônicos, onde o excesso de aquecimento deve sempre ser evitado.
EXERCÍCIO
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
f) Se você fosse especificar uma liga para ser utilizada em processos de soldagem, qual seria sua composição. Justifique.
EXERCÍCIO
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PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
REVISÃO AULAS 1 A 5
Até a próxima aula!
Bom Estudo!