Comportamento mecânico

dos materiais cerâmicos

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

Na forma de fibras onde a possibilidade de defeitos é

reduzida pois se tem apenas uma dimensão os valores se

aproximam da resistência teórica

• 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

Influência da porosidade sobre o módulo de

elasticidade do óxido de alumínio a temperatura

ambiente

Cerâmicos apresentam maior resistência a compressão

(tendem a fechar os defeitos) que a tração (tendem a abrir

os defeitos)

Comparação entre a resistência a

tração e a compressão da alumina

Coeficiente de POISSON: Indica a variação das dimensões nas

direções perpendiculares à deformação imposta pela tensão externa

aplicada

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.

Valores de KIC para alguns materiais metálicos

cerâmicos e poliméricos

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)

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

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

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/m2 x 11.9J/m2/ 100x10-6 m)

• σf= 191774042 Pa(N/m2)

σf= 191,77 MPa

Problema ilustrativo

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 )

Normas ASTM relacionadas às

medidas de dureza em materiais

cerâmicos

Indentação de microdureza Knoop

bem sucedida em nitreto de silício

Indentação de microdureza Vickers

apresentando microtrincas em nitreto

de silício

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

Ensaios de flexão: Usado para caracterizar o

comportamento mecânico de cerâmicos. Tipos de

ensaios

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

Fórmulas para calcular o σMOR nos testes de

flexão:Seção retangular 3 e 4 pontos; Seção

circular 3pontos

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

Influência da porosidade sobre a resistência a flexão de

um material cerâmico (Al2O3)

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)

Resistência mecânica de alguns cerâmicos

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.

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.

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

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

• 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

Efeito da presença da zircônia no fator de

intensidade de tensões crítico KIc.

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)

Importância da tenacidade e da dureza no

processo de usinagem

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

• 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/rm0.5