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.

1. Comportamento mecânico
dos materiais cerâmicos

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

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)

9. Comparação entre a resistência a
tração e a compressão da alumina

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

17. Problema ilustrativo

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 )

20. Normas ASTM relacionadas às
medidas de dureza em materiais
cerâmicos

21. Indentação de microdureza Knoop
bem sucedida em nitreto de silício

22. Indentação de microdureza Vickers
apresentando microtrincas em nitreto
de silício

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

28. Influência da porosidade sobre a resistência a flexão de
um material cerâmico (Al2O3)

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)

30. Resistência mecânica de alguns cerâmicos

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)

39. Importância da tenacidade e da dureza no
processo de usinagem

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