MATERIAIS CERAMICOS E PROPRIEDADES GERAIS E ESPECÍFICAS

[AULA 02]
Professora: Valdeci Bosco dos Santos
2016/2
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PIAUÍ
Curso de Bacharelado em Engenharia de Materiais

[ Introdução/Revisão/Propriedades Gerais]

Cerâmica
O termo cerâmica vem do grego Keramos (matéria prima queimada).
As propriedades são obtidas após tratamento térmico

Histórico
Cerâmica: antiguidade
• Keramos = “coisa queimada” (grego)
• 5000 A.C.: artefatos de argila (earthenware), louça de barro (pottery)
• 3500 A.C.: torno de oleiro (roda de madeira movida por um pedal), o qual
permite fazer vasos perfeitos, de superfície lisa e espessura uniforme, em
um tempo relativamente breve)

Histórico
• ~1000 A.C.: porcelana (China)
Porcelanas – surgiram na China durante a dinastia
Han (221 A.C. e 220 D.C)
Características: Brancura, translucidez e dureza

• Porcelana na China
Exército de terracota, Guerreiros de Xian ou ainda
Exército do imperador Qin
Coleção de esculturas de terracota representando os
exércitos de Qin Shi Huang, o primeiro imperador da
China.
210-209 a.C. esculturas
enterrada com o imperador,
cuja finalidade era
proteger o governante
chinês em sua vida após
a morte.
Encontradas em 1974 por
agricultores locais no

Cerâmica: idade contemporânea
• Séc. 18:
(Alemanha),
porcelana
colagem,
Histórico
extrusão, forno túnel
• Séc. 19: mecanização, microscopia ótica, cones pirométricos
• Séc. 20: raios X, microscopia eletrônica, materiais sintéticos,
automatização e cerâmica de alta tecnologia

Histórico
No Brasil:
• Ilha de Marajó - Pará
• 400 a 1400 D.C.: Os índios de Marajó
faziam peças utilitárias e decorativas.
• Confeccionavam vasilhas, potes,
urnas funerárias e etc

Cerâmica: definição usual
 Materiais cerâmicos: são compostos inorgânicos formados por
elementos metálicos e não metálicos.
Outra definição:
 São compostos sólidos, que são formados pela
aplicação de calor, e algumas vezes calor e
pressão, que podem ser constituídos por metais,
não metais ou elementos intermediários.

OS MATERIAS CERÂMICOS NATABELA PERIÓDICA
Usualmente:
Materiais cerâmicos: são compostos inorgânicos formados por elementos metálicos e não
metálicos.
Exemplos de combinações
 M + NM: MgO, Al2O3,
 M + NM:TiC
 I + NM: SiC, B4C
 I + NM: SiO2, Si3N4
I (intermediário) = semi- metal

Materiais cerâmicos: são compostos inorgânicos formados por elementos
metálicos e não metálicos. Podem ser simples ou complexos.
(talco), MgO (óxido de
Exemplos:
 SiO2(sílica), Al2O3 (alumina), Mg3Si4O10(OH)2
Magnésia), vidro, cimento e materiais argilosos.
 Carbonatos, fosfatos, halogenetos alcalinos (NaCl) ...
BaLiF3,
 Carbetos (TiC, Si3C4...), nitretos (Si3N4, BN...), boretos (TiB, ZrB ...)
 Óxidos, fluoretos, carbetos complexos: BaTiO3, YBa2Cu3O7,
LiCaAlF6, Ti3SiC2, ...
Cerâmica

Estrutura Cristalina
O processo de fabricação dessas duas classes é bastante distinto (queima e fusão).
Material Cristalino: apresenta um
arranjo periódico ou repetido ao longo de
grandes distâncias atômicas (existe ordem
de longo alcance).
Material não-Cristalino (Amorfo):
não apresentam arranjo atômico regular e
periódico de longo alcance.
Vidro ( SiO2:Sílica vítrea)
Quartzo (SiO2: sílica cristalizada)

Material Cristalino: apresenta um
arranjo periódico ou repetido ao longo de
grandes distâncias atômicas (existe ordem
de longo alcance).
Material não-Cristalino (Amorfo):
não apresentam arranjo atômico regular e
periódico de longo alcance.
Vidro ( SiO2:Sílica vítrea)
Quartzo (SiO2: sílica cristalizada)

Disposição dos átomos em uma Estrutura Cristalina
Material Cristalino
Material não - Cristalino
(amorfo)

Material Z: estrutura cristalina
Ts = temperatura de síntese
Ts = 900 o C
Ts = 300 o C

CERÂMICOS
CRISTALINOS AMORFOS (VIDROS) VIDRO-CERÂMICOS
Incluem os cerâmicos à
base de Silicatos,
Óxidos, Carbonetos e
Nitretos
Em geral com a mesma
composição dos
cristalinos, diferindo no
processamento
Formados inicialmente
como amorfos e
tratados termicamente

Ligações Químicas
 Os tipos primários de ligação em sólidos são: Iônicas, Covalentes e
Metálicas.
Ligações Químicas em Materiais Cerâmicos
 Iônicas: óxidos e silicatos (alumina, silicatos hidratados de alumínio e de magnésio –
talco)
 Covalentes: nitretos, carbetos e boretos
Observação: nenhuma cerâmica apresenta ligação química puramente iônica ou 100%
covalente.
A ligação atômica em cerâmicas é do tipo mista: covalente + iônica

 A ligação atômica é do tipo mista: covalente + iônica;
 Maior dureza e rigidez quando comparadas aos aços;
 São frágeis
que metais e
 Maior resistência ao calor e à corrosão
polímeros;
 Temperatura de fusão elevada;
 Alta capacidade calorífica;
 Baixo coeficiente de expansão térmica;
 Baixa condutividade térmica e elétrica.
Propriedades Gerais

Propriedades Mecânicas
Descreve a maneira como um material responde a aplicação de
força, carga e impacto.

Materiais metálicos
X
Materiais cerâmicos

Relembrando......METAIS
Comportamento tensão-deformação para o latão.

 CERÂMICAS
Propriedades Mecânicas em Materiais Cerâmicos
 f
 f
Aplicação LIMITADA:
 Propriedades mecânicas,
que em muitos aspectos
àquelas
pelos
são inferiores
apresentadas
metais.
 A principal desvantagem:
fratura frágil

 f
 f
 À temperatura ambiente, tanto
cerâmicas cristalinas como as
não-cristalinas sempre
fraturam antes
quase
que
deformação plástica
qualquer
possa
ocorrer em resposta à aplicação
de uma carga de tração.
Propriedades Mecânicas em Materiais Cerâmicos

os quais são
virtualmente
impossíveis de serem
eliminados
controlados.
ou
 Fratura frágil - Porque ocorre?
 Presença de defeitos muito pequenos e onipresentes no material:
 diminutas trincas de superfície ou
internas (microtrincas)
 poros internos e arestas de grãos

Tensão máxima na extremidade da trinca σm
Magnitude da tensão de tração nominal aplicada σ0
Raio de curvatura da extremidade da trinca ρt
Comprimento de uma trinca superficial, ou C/2 de uma
trinca interna a
Fratura Frágil
 Sendo maior no caso de defeitos longos e pontiagudos.
 Fratura Frágil  formação e propagação de trincas através da seção reta
do material em uma direção perpendicular à carga aplicada.
 O grau de amplificação da tensão depende do
comprimento da trinca e do raio de curvatura da
extremidade da trinca, de acordo com a equação:

 A medida de habilidade de um material cerâmico em resistir à
fratura quando uma trinca está presente é especificada em termos
da tenacidade à fratura.
 A tenacidade à fratura em deformação plana: KIc
 Os valores da tenacidade à fratura em deformação plana para os
materiais cerâmicos são menores do aqueles apresentados pelos
metais; tipicamente eles são menores do que 10 MPa/m².
Fratura Frágil

Relembrando......METAIS Ensaio deTração
Comportamento
tensão-deformação
para o latão.
Comportamento tensão-deformação

Comportamento tensão-deformação para materiais cerâmicos
 Resistência à Flexão
 Resistência à Compressão
Os Ensaios de Flexão e Compressão  são os mais apropriados para os
materiais cerâmicos do que o de Tração.
PORQUE ? ? ?

.
 É difícil preparar e testar amostras que possuam a geometria exigida;
 É difícil prender e segurar materiais frágeis sem fratura-los;
 As cerâmicas falham após uma deformação de apenas 0,1%, o que exige
que os corpos de prova estejam perfeitamente alinhados para evitar
tensões de dobramento ou flexão, que não são facilmente calculadas.
PORQUE ? ? ?
Em cerâmicas frágeis  comportamento tensão-deformação NÃO é em
geral é avaliado por ensaio de tração.
Porque Não é avaliado por ensaio de TRAÇÃO??

 Ensaio de flexão transversal
Corpo de prova na forma de uma barra (com seção reta circular ou
retangular) é flexionado até sua fratura, utilizando uma técnica de
carregamento em três ou quatro pontos (ASTM C1161).
Resistência à Flexão
o seção circular
o seção retangular
Corpo de prova
Flexão em 3 pontos

 Ensaio de Flexão em 3 pontos
 No ponto de carregamento, a superfície superior do corpo de prova é
colocada em um estado de compressão, enquanto a superfície inferior
encontra-se em tração.
= deflexão da viga ao se
aplicar uma força F

 A tensão no momento da fratura ( ) no ensaio de flexão é conhecida por:
resistência à flexão, módulo de ruptura, resistência à fratura ou resistência à
dobra  importante parâmetro mecânico para materiais frágeis.
 Para seção reta retangular e circular, à resistência à flexão (σ ) é igual a,
respectivamente:
 Seção transversal reta:
 Seção circular:
F: representa a carga no momento da Fratura
L: é a distância entre os pontos de suporte
d: espessura do corpo de prova
b: largura do corpo de prova
R: raio do corpo de prova
σ: dependerá do tamanho do corpo de prova. Com o aumento do volume do corpo de prova (sob
tensão) existe um aumento na severidade do defeito e, consequentemente, uma diminuição na
resistência á flexão
σ =
σ =

=li
Antes da
deformação
F= carga instantânea aplicada perpendicularmente à seção reta
da amostra
Ao = área da seção reta original antes da aplicação de qualquer
carga
.
 Ensaio de Compressão
 Avaliação da resistência ao esmagamento
 O corpo de prova é comprimido ao longo da direção da tensão.
Deformação de engenharia (ε):
Resistência à Compressão

 Geralmente utilizadas quando as condições de carregamento são
compressivas.
Quando usar o Ensaio de Compressão?

 Tensões de compressão  não existe qualquer amplificação de tensões
associada com qualquer defeito existente.
Resistência à Compressão
COMPORTAMENTO FRÁGIL
• Característica típica dos cerâmicos: melhor resistência em compressão que em tração
(ordem de um fator de 10).

 f
Ductilidade < a 0.1%
 Comportamento Elástico
 f
tensão-deformação até a fratura para o óxido de alumínio (alumina) e para o vidro.

 Embora à Tambiente a maioria dos cerâmicos sofra fratura antes do
surgimento de qualquer deformação plástica, é necessário ver
rapidamente os seus mecanismos.
 A deformação plástica difere para cerâmicas cristalinas e não-
cristalinas.
Mecanismo de Deformação Plástica

 Cerâmicas cristalinas deformações plásticas ocorrem através do
movimento de discordâncias.

 As deformações plásticas são diferentes em cerâmicas cristalinas e
não-cristalinas
 Cerâmicas cristalinas deformações plásticas ocorrem através do
movimento de discordâncias.
 O deslocamento de discordâncias é muito difícil: íons com mesma carga elétrica são
colocados próximos uns dos outros – REPULSÂO.
 Cerâmicas em que predomina a ligação iônica: poucos sistemas de
escorregamento – difícil movimentação das discordâncias.
 Cerâmicas em que predomina a ligação covalente: número limitado de sistemas de
escorregamento; escorregamento também é difícil – LIGAÇÃO FORTE.
 Pouca ou Nenhuma deformação Plástica.

as deformações plásticas NÃO
 Cerâmicas não- cristalinas
 As deformações plásticas são diferentes em cerâmicas cristalinas e
não-cristalinas
ocorrem através do movimento de
discordâncias!!!
 Não há uma estrutura cristalina regular – NÃO HÁ DISCORDÂNCIAS;
Como ocorre a deformação plástica ??
 Deformação por ESCOAMENTO VISCOSO (que é a maneira segundo a qual os líquidos
se deformam);

 A propriedade característica para um escoamento viscoso, a
viscosidade, representa uma medida de resistência à deformação de
um material não-cristalino.
 Para o escoamento viscoso de um líquido
que tem sua
cisalhamento
origem
impostas
nas tensões de
por duas chapas
planas e paralelas:
η: viscosidade
τ: tensão de cisalhamento aplicada, e
dv: alteração na velocidade em função da
dy: distância em uma direção perpendicular e se afastando das chapas  Taxa de
deformação.

 Líquidos  viscosidades relativamente baixas.
 Vidros  viscosidades extremamente elevadas à temperatura ambiente.
temperatura  magnitude da ligação  movimento de escorregamento
ou escoamento dos átomos ou
íons ficam facilitados.
 Viscosidade.

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