Comportamento mec%e2nico dos materiais cer%e2micos

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Comportamento mecânico dos materiais cerâmicos

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comportamento mecânico

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Comportamento mecânico

dos materiais cerâmicos

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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

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Na forma de fibras onde a possibilidade de defeitos é

reduzida pois se tem apenas uma dimensão os valores se

aproximam da resistência teórica

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• 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

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Influência da porosidade sobre o módulo de

elasticidade do óxido de alumínio a temperatura

ambiente

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Cerâmicos apresentam maior resistência a compressão

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

os defeitos)

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Comparação entre a resistência a

tração e a compressão da alumina

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Coeficiente de POISSON: Indica a variação das dimensões nas

direções perpendiculares à deformação imposta pela tensão externa

aplicada

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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.

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Valores de KIC para alguns materiais metálicos

cerâmicos e poliméricos

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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)

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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

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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

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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

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Problema ilustrativo

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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 )

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Normas ASTM relacionadas às

medidas de dureza em materiais

cerâmicos

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Indentação de microdureza Knoop

bem sucedida em nitreto de silício

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Indentação de microdureza Vickers

apresentando microtrincas em nitreto

de silício

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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

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Ensaios de flexão: Usado para caracterizar o

comportamento mecânico de cerâmicos. Tipos de

ensaios

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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

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Fórmulas para calcular o σMOR nos testes de

flexão:Seção retangular 3 e 4 pontos; Seção

circular 3pontos

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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

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Influência da porosidade sobre a resistência a flexão de

um material cerâmico (Al2O3)

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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)

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Resistência mecânica de alguns cerâmicos

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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.

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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.

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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

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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

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• 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

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Efeito da presença da zircônia no fator de

intensidade de tensões crítico KIc.

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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)

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Importância da tenacidade e da dureza no

processo de usinagem

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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

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• 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