Comportamento mecânico
dos materiais cerâmicos
Os materiais cerâmicos cristalinos não apresentam
deformação plástica em baixas temperaturas
• Desta forma, em baixas
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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 ...
• Fatores que
modificam o Módulo
de Elasticidade
• No entanto valor
encontrado é muito inferior
ao valor teórico.
• Motivo...
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 exte...
Influência dos defeitos
• Tenacidade a fratura: A
concentração de
tensões na ponta da
fissura pode ser
indicado em termos ...
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 e...
Aumento da tensão externa por
defeitos internos
• Fator concentrador de
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• Kt =σm/ σo = 2(c/ρ)1/2 onde σm –
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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
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Problema ilustrativo
• Foi detectado pelo MEV.
(Microscópio Eletrônico de
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Problema ilustrativo
Avaliação das propriedades mecânicas
dos materiais cerâmicos
• Dureza:
• A única escala que alcança os
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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...
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 tra...
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 es...
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). Obse...
Resistência mecânica de alguns cerâmicos
Efeito do tamanho do corpo de
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Trabalho estatístico sobre os resultados
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Técnicas avançadas para aumentar a
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• Pela transformação de fases da
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• A transfor...
Formas de atuação
• Formas de atuação:
• A expansão da partícula de zircônia
gera micro-trincas ao redor da
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• Através do esmerilhamento da
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Efeito da presença da zircônia no fator de
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Cerâmica reforçada com whiskers
• Whiskers são monocristais que
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Importância da tenacidade e da dureza no
processo de usinagem
Fractografia de cerâmicos:A fissura acelera até sua máxima velocidade
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• Características microscópicas
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Comportamento mec%e2nico dos materiais cer%e2micos

  1. 1. Comportamento mecânico dos materiais cerâmicos
  2. 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. 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. 4. • 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
  5. 5. Influência da porosidade sobre o módulo de elasticidade do óxido de alumínio a temperatura ambiente
  6. 6. Cerâmicos apresentam maior resistência a compressão (tendem a fechar os defeitos) que a tração (tendem a abrir os defeitos)
  7. 7. Comparação entre a resistência a tração e a compressão da alumina
  8. 8. Coeficiente de POISSON: Indica a variação das dimensões nas direções perpendiculares à deformação imposta pela tensão externa aplicada
  9. 9. 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.
  10. 10. Valores de KIC para alguns materiais metálicos cerâmicos e poliméricos
  11. 11. 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)
  12. 12. 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
  13. 13. 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
  14. 14. 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
  15. 15. Problema ilustrativo
  16. 16. 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 )
  17. 17. Normas ASTM relacionadas às medidas de dureza em materiais cerâmicos
  18. 18. Indentação de microdureza Knoop bem sucedida em nitreto de silício
  19. 19. Indentação de microdureza Vickers apresentando microtrincas em nitreto de silício
  20. 20. 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
  21. 21. Ensaios de flexão: Usado para caracterizar o comportamento mecânico de cerâmicos. Tipos de ensaios
  22. 22. 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
  23. 23. Fórmulas para calcular o σMOR nos testes de flexão:Seção retangular 3 e 4 pontos; Seção circular 3pontos
  24. 24. 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
  25. 25. Influência da porosidade sobre a resistência a flexão de um material cerâmico (Al2O3)
  26. 26. 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)
  27. 27. Resistência mecânica de alguns cerâmicos
  28. 28. 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.
  29. 29. 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.
  30. 30. 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
  31. 31. 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
  32. 32. • 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
  33. 33. Efeito da presença da zircônia no fator de intensidade de tensões crítico KIc.
  34. 34. 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)
  35. 35. Importância da tenacidade e da dureza no processo de usinagem
  36. 36. 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
  37. 37. • 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

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