O documento discute o comportamento mecânico dos materiais cerâmicos. Os cerâmicos cristalinos só apresentam deformação elástica em baixas temperaturas e possuem módulos de elasticidade altos. A resistência real é menor que a teórica devido a defeitos como poros que concentram tensões. A porosidade reduz propriedades como módulo de elasticidade e resistência.
2. Os materiais cerâmicos cristalinos não apresentam
deformação plástica em baixas temperaturas
• Desta forma, em baixas
temperaturas, o único tipo de
deformação é elástica.
• Assim essa deformação
assume uma importância maior
já que é a única que ocorre, e
permite cálculos simples
• E= σ/ε, como as ligações são
fortes os módulos de
elasticidade são altos.
• Resistência teórica = a 1/10 a
1/5 do valor de E.
• Desta forma o Al2O3 onde
E=380.000 MPa teria resist.
teórica de 39.000 a 76.000 MPa
3. Na forma de fibras onde a possibilidade de defeitos é
reduzida pois se tem apenas uma dimensão os valores se
aproximam da resistência teórica
4.
5.
6. • Fatores que
modificam o Módulo
de Elasticidade
• No entanto valor
encontrado é muito inferior
ao valor teórico.
• Motivo: Falhas e defeitos
internos como poros,
vazios, microtrincas que
atuam como
concentradores de tensão,
reduzindo a resistência
teórica.
• A porosidade altera o valor
de E, E= Eo(1-1.9P+0,9P2)
• Quando se tratar de
misturas cerâmicas ou de
compósitos (metal duro
pex.) E=E1V1+E2V2
• Onde E1,2 Modulo dos
componentes e V1,2 fração
volumétrica dos
componentes
7. Influência da porosidade sobre o módulo de
elasticidade do óxido de alumínio a temperatura
ambiente
8. Cerâmicos apresentam maior resistência a compressão
(tendem a fechar os defeitos) que a tração (tendem a abrir
os defeitos)
10. Coeficiente de POISSON: Indica a variação das dimensões nas
direções perpendiculares à deformação imposta pela tensão externa
aplicada
11. Influência dos defeitos
• Tenacidade a fratura: A
concentração de
tensões na ponta da
fissura pode ser
indicado em termos do
Fator de Intensidade de
tensões KI
• Para uma peça de
tamanho infinito KI=
σ√πc onde σ é a tensão
externa e c é o tamanho
da falha (div. Por 2 se
interna)
• Para uma peça finita:
KI= σY√ πc onde Y é o
fator de forma
• KIC= Fator de
intensidade de tensões
crítico. Fator que faz
determinada falha
propagar de forma
instável conduzindo à
fratura.
12. Valores de KIC para alguns materiais metálicos
cerâmicos e poliméricos
13. A resistência real de um cerâmico é bem inferior a
resistência teórica, que é a necessária para romper a
ligação química entre dois átomos
• Resistência teórica:
• σt= (Eγ/ao)1/2 onde E-
• Módulo de
Elasticidade, ao -
espaço interatômico, γ
- energia superficial
(energia necessária
para gerar as
superfícies da fissura
ou fratura)
14. Aumento da tensão externa por
defeitos internos
• Fator concentrador de
tensões:
• Kt =σm/ σo = 2(c/ρ)1/2 onde σm –
é a tensão máxima na falha,
σo – é a tensão externa
aplicada, c- comprimento da
maior dimensão da falha, ρ –
raio de curvatura da ponta do
defeito
• Desta forma se ρ=2Å (para
materiais frágeis -
espaçamento interatômico)
• E para um defeito de tamanho
de 170 μm ...
• Kt será de 1840 vezes.
• Ou seja a tensão externa será
multiplicada por 1840 vezes
na ponta desse defeito
15. Segundo Evans e Tappin
• σf=z/y(2Eγ/c)1/2
• Onde: c-comprimento da
maior dimensão da falha.
σf – tensão de fratura
• y- termo adimensional que
depende da geometria do
corpo de prova (em geral
entre 1,77-falha interna e
2,0-falha superficial)
• Z – Depende da
configuração da falha (valor
entre 1,0 e 2,0 – GRÁFICO)
• γ-energia gasta para criar as
faces da fratura(energia de
superfície)
• E módulo de elasticidade
16. Problema ilustrativo
• Foi detectado pelo MEV.
(Microscópio Eletrônico de
Varredura) o defeito causador
(provavelmente o maior
defeito, ver slide posterior) da
ruptura de um componente de
nitreto de silício Si3N4. Calcule
a tensão de fratura
aproximada, usando a fórmula
de Evans e Tappin , sabendo
que:
• E= 219 000 MPa ou 219x109
N/m2
• y= 2 e γ = 11,9 J/m2
• Do gráfico do slide anterior z=
1,68 (dimensões do poro l=150
μm e c=100 μm)
• σf=z/y(2Eγ/c)1/2
• σf=1,68/2(2x219x109N/m
2 x 11.9J/m2/ 100x10-6 m)
• σf= 191774042 Pa(N/m2)
σf= 191,77 MPa
18. Avaliação das propriedades mecânicas
dos materiais cerâmicos
• Dureza:
• A única escala que alcança os
valores de dureza dos
materiais cerâmicos é a
vickers.
• No entanto se a marca é muito
grande pode gerar fissuras a
partir dela.
• Logo em geral se usa os
processos de microdureza
Vickers ou Knoop (cargas de
10 gf a 1 Kgf)
• Para cerâmicos de menor
dureza pode-se empregar
também o método de dureza
Rockwell superficial (cargas
de15, 30 ou 45 Kgf )
23. Relação entre dureza e resistência à
compressão
• Resistência a compressão:
• Como já comentado os
materiais cerâmicos tem
melhor resistência a
compressão que a tração.
• Existe uma relação
semelhante a que existe
para os metais entre a
dureza Brinell e a
resistência a tração.
• No caso dos cerâmicos
essa relação é entre a
dureza Vickers e a
resistência a compressão
• σmax à compressão = 1/3 da
dureza Hv (Kgf/mm2)
TABELA AO LADO
24. Ensaios de flexão: Usado para caracterizar o
comportamento mecânico de cerâmicos. Tipos de
ensaios
25. Ensaios de flexão: Usado para caracterizar
o comportamento mecânico de cerâmicos
• Em geral não se empregam
ensaios de tração para
caracterizar materiais
cerâmicos, pois os materiais
são difíceis de confeccionar
(caros) e em geral escorregam
das garras da máquina já que
não sofrem deformação
plástica.
• São empregados os ensaios de
flexão apoiados em 3 ou 4
pontos onde se calcula o σMOR
= Mc/I onde:
• M- momento aplicado, c-
distância do eixo neutro I-
momento de inércia da seção
transversal
ENSAIO DE
FLEXÃO
26. Fórmulas para calcular o σMOR nos testes de
flexão:Seção retangular 3 e 4 pontos; Seção
circular 3pontos
27. Comparação entre os resultados dos testes
de flexão e dos testes de tração
• Nos testes de flexão atuam
simultaneamente esforços de
tração e de compressão (os
mat. Cer. São mais resistentes
à compressão)
• A distribuição dos esforços ao
longo dos corpos de prova é
diferente em cada ensaio.
Logo se o maior defeito do
C.P. não estiver alinhado com
a maior carga incidente o
valor encontrado será maior do
que o cerâmico pode
efetivamente resistir
29. Micrografias de MEV das superfícies das amostras sinterizadas a 1350 °C (a), e1500 °C (b), 1600 °C (c) e
1700 °C (d). Observa-se aumento do tamanho de grão e redução da porosidade a medida que a temperatura
de sinterização aumenta (caso d densidade teórica de 99,2)
31. Efeito do tamanho do corpo de
prova
• Quanto maior o corpo de prova utilizado nos
testes menor tende a ser os valores de
resistência encontrado seja no ensaio de flexão
seja nos de tração.
• Isso se deve ao fato de em corpos de prova
maiores a probabilidade de se encontrar
maiores defeitos aumenta reduzindo os valores
encontrados
• Deve-se sempre que possível realizar ensaios
com Corpos de Prova de tamanho semelhante à
aplicação prática.
32. Trabalho estatístico sobre os resultados
encontrados nos ensaios mecânicos dos
materiais cerâmicos
• Os materiais cerâmicos
apresentam uma reprodutibilidade
muito menor que os materiais
metálicos.
• Desta forma é feito um tratamento
estatístico nos resultados, sendo
portanto necessária a realização
de muitos ensaios para se obter
um valor estatisticamente
confiável.
• Logo, os ensaios, que já são
caros pela dificuldade de
confecção dos corpos de prova se
tornam mais caros ainda pelo
número de repetições
necessárias.
33. Técnicas avançadas para aumentar a
tenacidade dos cerâmicos
• Pela transformação de fases da
Zircônia (ZrO2).
• A transformação tetragonal -
monoclínica é acompanhada de
um aumento de volume de 5%.
• Adiciona-se o pó da zircônia
dopada com CaO ao cerâmico
onde deseja-se aumentar a
tenacidade.
• Fabrica-se essa mistura
cerâmica com uma velocidade
de resfriamento que não
permita a transformação de
tetragonal para monoclínica
permanecendo com a estrutura
tetragonal
34. Formas de atuação
• Formas de atuação:
• A expansão da partícula de zircônia
gera micro-trincas ao redor da
partícula que distribuem as tensões
em várias trincas menores, em
direções não favoráveis à tensão
externas, além de reduzir seu valor.
• A transformação tetragonal
monoclínica das partículas
causada pelo campo de tensões da
trinca principal gera um campo de
tensões de compressão que
tendem a fechar a trinca que
avança
35. • Através do esmerilhamento da
peça cerâmica contendo
zircônia adicionada pode-se
pelo campo de tensões gerado
causar a transformação
tetragonal-monoclínica
gerando um campo de tensões
compressivas na superfície
que tendem a fechar os
defeitos aumentando a
tenacidade
36. Efeito da presença da zircônia no fator de
intensidade de tensões crítico KIc.
37. Cerâmica reforçada com whiskers
• Whiskers são monocristais que
cresceram preferencialmente ao
longo de um eixo tornando-se
agulhas com diâmetro de 0.5 μm
a 10μm e com até centímetros de
comprimento. Normalmente são
de SiC (carbeto de silício) e são
adicionados para melhorar a
tenacidade. Tem sido testados em
Al2O3 (alumina),, Si3N4 (nitreto de
silício) e em MoSi2 (silicieto de
molibdênio)
40. Fractografia de cerâmicos:A fissura acelera até sua máxima velocidade
(o,5 a vel. do som) quando começa a ramificar. Quanto maior a energia
transmitida maior a ramificação
41. • Características microscópicas
normalmente encontradas em trincas
superficiais de peças cerâmicas rompidas
são mostradas na figura ao lado.(barra de
sílica fundida rompida no teste de flexão
apoiado em 4 pontos aum. 500X)
• No estágio inicial de propagação
(aceleração da fissura) a fissura é plana e
lisa com forma circular (região espelhada).
• VIDROS: Lisa e refletiva
• CERÂMICAS POLICRISTALINAS: Rugosa
com textura granular
• Após alcançar a velocidade crítica a
fissura ramifica formando 2 zonas na
superfície:
• Em névoa: é uma região opaca logo após o
espelho, em forma de anel, que, em geral,
não é visível em peças cerâmicas
cristalinas
• Estriada em forma de penas ou entalhada):
É composta por um grupo de estrias ou
linhas radiais que se interceptam próximo
do ponto de iniciação da fissura.
• Quanto menor o raio (rm) da região
espelhada, maior o nível de tensão
causadora da falha (mais rapidamente a
fissura atinge a velocidade crítica).
σf α 1/rm
0.5