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Aula 2  propriedades mecanicas
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Aula 2 propriedades mecanicas

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  • 1. Materiais Cerâmicos: Propriedades Mecanicas Prof. Me. Maria Nalu
  • 2. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 2 Defeitos Pontuais Atômicos      Os compostos cerâmicos podem apresentar defeitos atômicos envolvendo os átomos hospedeiros. Como ocorre com os metais, são possíveis tanto lacunas como intersticiais – Materiais cerâmicos contêm íons de pelo menos dois tipos diferentes, podem ocorrer defeitos para cada espécie de íon. Por exemplo, no NaCl podem existir lacunas e intersticiais para o Na, e lacunas e intersticiais para o Cl. Mais dificil de ocorrer intersticiais no anion pois é relativamente grande, de tal maneira que para ele se ajustar no interior de uma pequena posição intersticial é necessária a redução de deformações substanciais sobre os íons vizinhos.
  • 3. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 3 Defeito em cerâmica Representações esquemáticas de defeitos por lacuna do cátion e do ânion, e de um defeito intersticial do cátion.
  • 4. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 4 Estrutura de defeitos - Frenkel Designar os tipos e concentrações dos defeitos atômicos encontrados nos materiais cerâmicos.  Condições de eletroneutralidade devem ser mantidas.  Como conseqüência, os defeitos nas cerâmicas não ocorrem sozinhos.  Um desses tipos de defeito envolve um par composto por uma lacuna de cátion e um cátion intersticial Frenkel  Formado por um cátion que deixa a sua posição normal e se move para o interior de um sítio intersticial. Não existe uma alteração da carga, pois o cátion mantém a mesma carga positiva como um átomo intersticial. 
  • 5. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 5 Estrutura de defeitos - Schottky Um outro tipo de defeito encontrado em materiais do tipo AX consiste em um par que é composto por uma lacuna de cátion e uma lacuna de ânion  Este defeito é conhecido por defeito de Schottky.  Ele pode ser considerado como tendo sido criado pela remoção de um cátion e de um ânion do interior do cristal, seguido pela colocação de ambos os íons em uma superfície externa.  Uma vez que tanto os cátions como os ânions possuem a mesma carga, e que para cada lacuna de ânion existe uma lacuna de cátion, a neutralidade da carga do cristal é mantida. 
  • 6. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 6 Defeito tipo Frenkel e Schottky Diagrama esquemático mostrando defeitos de Frenkel e Schottky em sólidos iônicos.
  • 7. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 7 Estequiometria de defeito Defeito Frenkel ou Schottky não altera razão entre o número de cátions e o número de ânions  Se nenhum outro tipo de defeito estiver presente, o material é estequiométrico.  Estequiometria - estado para compostos iônicos onde existe a razão exata entre cátions e ânions prevista pela fórmula química.  Um composto cerâmico é dito não-estequiométrico se existe qualquer desvio dessa razão exata. 
  • 8. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 8 Não-estequiometria em MC Ocorre onde existem dois estados de valência (ou iônicos) para um dado tipo de íon.  No oxido de ferro (wustita, FeO) o ferro pode estar presente em ambos os estados de oxidação, Fe2+ e Fe3+ - Temperatura e da pressão parcial de oxigênio no ambiente.  Formação de um íon Fe3+ perturba a eletroneutralidade do cristal pela introdução de um excesso de carga +1, compensado por algum tipo de defeito.  Exemplo - formação de uma lacuna de Fe2+ (ou pela remoção de duas cargas positivas) para cada dois íons Fe3+ que são formados.  O cristal não é mais estequiométrico, pois existe um íon O a mais do que os íons Fe - permanece eletricamente neutro.  Fenômeno comum no oxido de ferro - A sua fórmula química é escrita freqüentemente como sendo Fe1-xO (onde x representa alguma fração pequena e variável, substancialmente menor do que a unidade) para indicar uma condição de não-estequiometria devido a uma deficiência de 
  • 9. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 9 Defeito não estequiométrico Representação esquemática de uma lacuna de Fe2+ no FeO, a qual resulta da formação de dois íons Fe3+.
  • 10. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 10 Impurezas nas cerâmicas  Podem formar soluções sólidas da mesma forma como eles fazem nos metais.  Tipos substitucional e intersticial.  Intersticial, o raio iônico da impureza deve ser relativamente pequeno em comparação ao ânion.  Impureza substitucional substitui um íon hospedeiro que seja mais semelhante a ela no aspecto elétrico ( Cátion por Cátion)
  • 11. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 11 Impurezas nas cerâmicas     Cloreto de sódio, íons de impurezas Ca2+ e O2iriam substituir, provavelmente, os íons Na+ e Cl-. Solubilidade sólida - tamanho e a carga iônica da impureza devem ser muito próximos daqueles dos íons hospedeiros Se íon de impureza possuir carga diferente do íon hospedeiro cristal deve compensar eletroneutralidade Formação de defeitos da rede cristalina, pela introdução de lacunas ou intersticiais de ambos os tipos de íons
  • 12. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR Cerâmica: Classificação Átomos de impureza intersticial, a partir de um substitucional do ânion, e de um substitucional do cátion em um composto iônico. 12
  • 13. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 13 Propriedades Mecânicas  Os materiais cerâmicos têm a sua aplicabilidade limitada em certos aspectos devido às suas propriedades mecânicas  Em muitos aspectos são inferiores àquelas apresentadas pelos metais.  Principal desvantagem- disposição à fratura catastrófica de uma maneira frágil, com muito pouca absorção de energia.
  • 14. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 14 Fratura Frágil    À temperatura ambiente, tanto as cerâmicas cristalinas como as cerâmicas não-cristalinas quase sempre fraturam antes de deformação plástica ocorrer em resposta à aplicação de uma carga de tração Consiste na formação e propagação de trincas através da seção reta do material em uma direção perpendicular à carga aplicada Crescimento da trinca em cerâmicas cristalinas através dos grãos (isto é, transgranular) e ao longo de planos cristalográficos (ou de clivagem) específicos, planos de elevada densidade atômica.
  • 15. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 15 Fratura Frágil  As resistências à fratura para os MC são substancialmente inferiores às estimadas pela teoria a partir das forças de ligação interatômicas  Existência de defeitos muito pequenos servindo como fatores de concentração de tensões – amplifica a tensão de tração  Grau de amplificação depende do comprimento da trinca e do raio de curvatura da extremidade da trinca  Maior no caso de defeitos longos e pontiagudos.
  • 16. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 16 Fratura Frágil Concentradores de tensões podem ser:  diminutas trincas de superfície ou internas (microtrincas)  poros internos e arestas de grãos, os quais são virtualmente impossíveis de serem eliminados ou controlados  Umidade e os contaminantes presentes na atmosfera podem introduzir trincas de superfície em fibras de vidro recentemente estiradas  Concentração de tensões na extremidade de um defeito pode causar a formação de uma trinca, a qual pode se propagar até uma fratura real.
  • 17. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 17 Tenacidade a fratura A medida da habilidade de um material cerâmico em resistir à fratura quando uma trinca está presente  Em deformação plana, KIC Y - parâmetro ou função adimensional - depende da amostra e das geometrias da trinca σ - tensão aplicada a - comprimento de uma trinca de superfície, ou a metade do comprimento de uma trinca interna.
  • 18. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 18 Tenacidade a fratura A propagação da trinca não irá ocorrer enquanto o lado direito da Eq. for inferior à tenacidade à fratura em deformação plana do material  Os valores da tenacidade à fratura em deformação plana para os materiais cerâmicos são menores do que aqueles apresentados pelos metais  Tipicamente, eles são menores do que 10 MPa√m (9 ksi√pol.).
  • 19. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 19 Fadiga Estática ou fratura retardada  pela propagação lenta de trincas  quando as tensões são de natureza estática  qundo o lado direito da Eq. é menor do que KIC  uso do termo "fadiga" pode causar certo engano, uma vez que uma fratura pode ocorrer na ausência de tensões cíclicas  Sensível às condições do ambiente - existe umidade presente na atmosfera
  • 20. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 20 Mecanismo da Fadiga Estática provavelmente um processo de corrosão sob tensão nas extremidades da trinca  Combinação da aplicação de uma tensão de tração e da dissolução do material  afilamento e aumento no comprimento das trincas  Trinca cresce até apresentar uma rápida propagação.  Duração da aplicação da tensão - diminui com o aumento da tensão. Tempo de aplicação da tensão deve ser estipulado.  Ocorre em vidros à base de silicato, porcelana, cimento portland, cerâmicas com alto teor de alumina, o titanato de bário e o nitreto de silício. 
  • 21. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR Fratura Frágil distribuição das resistências à fratura para o cimento portland 21
  • 22. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 22 Distribuição da resistência a fratura  Explicado pela dependência da resistência à fratura X relação à probabilidade da existência de um defeito. Probabilidade varia de uma amostra para outra de um mesmo material  Depende da técnica de fabricação e de qualquer tratamento subseqüente  Tamanho ou o volume da amostra também influencia - > a amostra > a probabilidade de existência de defeitos < resistência à fratura.
  • 23. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 23 Resistência a Fratura em Cerâmicas Frágil  Para tensões de compressão, não existe qualquer amplificação de tensões associada com qualquer defeito existente  As cerâmicas frágeis exibem resistências muito maiores em compressão do que em tração (da ordem de um fator de 10)  quando as condições de carregamento são compressivas.
  • 24. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 24 Resistência a Fratura em Cerâmicas Frágil  Pode ser melhorada substancialmente pela imposição de tensões residuais de compressão na sua superfície  Através de revenimento térmico.  Teorias estatísticas que em conjunção com dados experimentais são usadas para determinar o risco de fratura
  • 25. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR Comportamento Tensão-Deformação Comportamento tensão-deformação não é em geral avaliado através de um ensaio de tração. Três razões:  difícil preparar e testar amostras que possuam a geometria exigida  difícil prender e segurar materiais frágeis sem fraturálos  cerâmicas falham após deformação de apenas aprox. 0,1% - corpos de prova de tração estejam perfeitamente alinhados 25
  • 26. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 26 Resistência a Flexão  Empregado ensaio de flexão transversal  Corpo de prova na forma de uma barra, com seção reta circular ou retangular é flexionado até a sua fratura  Técnica de carregamento em três ou em quatro pontos
  • 27. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 27 Resistência a Flexão – 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  A tensão é calculada a partir da espessura do corpo de prova, do momento fletor e do momento de inércia da seção reta  Para uma seção reta retangular e uma seção reta circular apresentada a equaçao
  • 28. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 28 Resistência a Flexão – 3 pontos M = momento fletor máximo c = distância do centro do corpo de prova até as fibras mais externas I = momento de inércia da seção reta F = carga aplicada
  • 29. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 29 Resistência a Flexão – Módulo de ruptura A tensão de tração máxima existe na superfície inferior do corpo de prova, diretamente abaixo do ponto de aplicação da carga  Tensão no momento da fratura em ensaio de flexão é conhecida por resistência à flexão, módulo de ruptura, resistência à fratura ou resistência à dobra  Importante parâmetro mecânico para os materiais cerâmicos frágeis
  • 30. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR Resistência a Flexão – Módulo de ruptura Para uma seção reta do CP retangular Ff a carga no momento da fratura L é a distância entre os pontos de suporte Para uma seção reta do CP circular R representa o raio do corpo de prova. 30
  • 31. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 31 Resistência a Flexão – Módulo de ruptura
  • 32. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 32 Comportamento Elástico  Comportamento elástico tensão-deformação para MC em testes de flexão é semelhante aos resultados apresentados pelos ensaios de tração realiza-dos com metais  Existe uma relação linear entre a tensão e a deformação
  • 33. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR Comportamento Elástico Comportamento típico tensão-deformação até a fratura para o óxido de alumínio e o vidro. 33
  • 34. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 34 Comportamento Elástico  Inclinação (coeficiente angular) da curva na região elástica é o módulo de elasticidade  Faixa para os módulos de elasticidade para os materiais cerâmicos encontra-se entre aproximadamente 70 e 500 GPa (10 X 106 e 70 X 106 psi)  Ligeiramente maior do que para os metais
  • 35. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 35 Mecanismo da deformação plástica A temperatura ambiente a maioria dos MCs sofrem fratura antes do surgimento de qualquer deformação plástica  A deformação plástica é diferente no caso das cerâmicas cristalinas e das cerâmicas não-cristalinas
  • 36. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR Mecanismo Cerâmicas Cristalinas A deformação plástica ocorre através do movimento de discordâncias  Uma razão para a dureza e a fragilidade desses materiais é a dificuldade de escorregamento-movimento da discordância  Ligação predominantemente iônica- poucos sistemas de escorregamento (planos e direções cristalográficos dentro daqueles planos)  Dificultam o movimento das discordâncias 36
  • 37. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 37 Mecanismo Cerâmicas Cristalinas  Conseqüência da natureza eletricamente carregada dos íons  Para o escorregamento em algumas direções, os íons de mesma carga são colocados próximos uns aos outros  Devido à repulsão eletrostática, essa modalidade de escorregamento é muito restrita  Nos metais todos os átomos são eletricamente neutros.
  • 38. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR Mecanismo Cerâmicas Não Cristalinas      38 deformação plástica não ocorre pelo movimento de discordâncias (não existe uma estrutura atômica regular) deformam através de um escoamento viscoso (líquidos) taxa de deformação é proporcional à tensão aplicada os átomos ou íons deslizam uns sobre os outros através da quebra e da reconstrução de ligações interatômicas não existe uma maneira ou direção predeterminada segundo a qual esse fenômeno ocorre, como é o caso para as discordâncias.
  • 39. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR Mecanismo Cerâmicas Não Cristalinas Escorregamento viscoso de um líquido ou vidro fluido em resposta à aplicação de uma força de cisalhamento 39
  • 40. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 40 Mecanismo Cerâmicas Não Cristalinas Propriedade característica para um escoamento viscoso - a viscosidade, representa uma medida da resistência à deformação de um material nãocristalino Para o escoamento viscoso de um líquido que tem sua origem nas tensões de cisalhamento impostas por duas chapas planas e paralelas η - viscosidade τ - tensão de cisalhamento aplicada dv - alteração na velocidade em função da distância em uma direção perpendicular e se afastando das chapas Unidades para a viscosidade são o poise (P) e o pascal-segundo (Pas); l P = l dina-s/cm2, e l Pa-s = l N-s/m2 A conversão de um sistema de unidades para o outro se processa de acordo com a relação
  • 41. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 41 Mecanismo Cerâmicas Não Cristalinas  Líquidos possuem viscosidades relativamente baixas  Viscosidade da água à temperatura ambiente é de aproximadamente 10-3 Pa-s  Vidros- viscosidades extremamente elevadas à temperatura ambiente - fortes ligações interatômicas  Temperatura é elevada, a magnitude da ligação é diminuída, o movimento de escorregamento dos átomos ou íons fica facilitado - redução na viscosidade.
  • 42. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 42 Influencia da Porosidade – Propriedades Mecanicas  Para algumas técnicas de fabricação de materiais cerâmicos o material de origem encontra-se na forma de um pó  Após a compactação ou conformação existirão poros ou espaços vazios entre as partículas do pó  Durante o tratamento térmico posterior, a maior parte da porosidade será eliminada  Processo de eliminação de poros incompleto - porosidade residual
  • 43. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 43 Influencia da Porosidade – Propriedades Mecanicas  Alguns materiais cerâmicos que a magnitude do módulo de elasticidade E diminui em função da fração volumétrica da porosidade E módulo de Elasticidade P fração volumétrica da porosidade
  • 44. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 44 Efeito da microestrutura nas propriedades da Alumina Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio
  • 45. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR Influencia da Porosidade – Propriedades Mecanicas A influência da porosidade sobre o módulo de elasticidade para o oxido de alumínio à temperatura ambiente. A curva esboçada está de acordo com a Eq. dada 45
  • 46. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 46 Influencia da Porosidade – Propriedades Mecanicas  Efeito negativo sobre a resistência à flexão por dois motivos: (1) os poros reduzem a área de seção reta através da qual uma carga é aplicada (2) eles também atuam como concentradores de tensões (no caso de um poro esférico isolado, uma tensão de tração que seja aplicada é amplificada por um fator de 2).
  • 47. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 47 Influencia da Porosidade – Propriedades Mecanicas  Influência da porosidade sobre a resistência é relativamente drástica  Porosidade de 10%vol seja responsável por uma diminuição em 50% na resistência à flexão em relação ao valor medido para o material sem porosidade
  • 48. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 48 Influencia da Porosidade – Propriedades Mecanicas A influência da porosidade sobre a resistência à flexão para o oxido de alumínio à temperatura ambiente.
  • 49. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 49 Dureza  utilizada com freqüência quando se exige uma ação de abrasão ou de esmerilhamento  Os materiais mais duros conhecidos são materiais cerâmicos  Somente os materiais cerâmicos que apresentam durezas Knoop de aproximadamente 1000 ou superiores são utilizados em função das suas características abrasivas.
  • 50. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 50 Dureza Durezas Knoop Aproximadas (carga de 100 g) Material Diamante (carbono) Carbeto de boro (B4C) Carbeto de silício (SiC) Carbeto de tungstênio (WC) Oxido de alumínio (Al2O3) Quartzo (SiO2) Vidro Dureza Knoop Material Aproximada 7000 2800 2500 2100 2100 800 550
  • 51. Materiais Cerâmicos e Poliméricos EM - UTFPR 51 Fluência     MC experimentam deformação por fluência como resultado da exposição a tensões (geralmente compressivas) a temperaturas elevadas comportamento de fluência tempo-deformação apresentado pelos materiais cerâmicos é semelhante àquele apresentado pelos metais Ocorre a temperaturas mais altas nos materiais cerâmicos Ensaios compressivos de fluência a altas temperaturas - determinar a deformação por fluência como uma função da temperatura e do nível de tensão.