Post on 09-Jul-2015
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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