Ciência dos Materiais II

Materiais Cerâmicos

Prof. Vera Lúcia Arantes

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Propriedades de produtos cerâmicos

Propriedades mecânicas

Propriedades térmicas

Propriedades termo-mecânicas

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Comparação de propriedades com os materiais metálicos- São mais duros e resistentes ao desgaste- São materiais, que quando isentos de defeitos, apresentam altos

valores de σf

- Em lâminas de corte requerem afiamento depois de tempos em serviço 1 a duas ordens de grandeza superiores aos metais.

- São mais resistentes a temperaturas elevadas sofrendo de menores problemas de fluência.

- As temperaturas máximas de serviço são consideravelmente mais elevadas: Zircônia – 2077 ºC, Alumina – 1949 ºC, Carbeto de silício – 1649 ºC.

- Não se deformam plasticamente e tem baixa tenacidade a fratura- Em geral, são isolantes térmicos e elétricos.

Materiais Cerâmicos e Vidros

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f = Tensão na ruptura antes de ser atingida a tensão máxima

latãof

Ductilidade de 35%

f

f

Ductilidade inferior a 0.1%

Curvas de ensaios de traçãoMateriais Cerâmicos e Vidros

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Ruptura – superfícies de fratura

A – Fratura dútil – metais macios tais como Au, Cu, polímeros e vidros a alta

temperatura

B – Fratura moderadamente dútil – a maior parte dos metais

C – Fratura frágil

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Propriedades Mecânicas de cerâmicas

• Tenacidade a fratura (fratura frágil)Apresentam pouca ou nenhuma absorção de

energia durante a fratura (ausência de deformação plástica)

• Os valores de LTR (resistência a fratura) são bastante inferiores aos estimados pela teoria a partir das forças de ligação interatômicas. Isso se deve à presença de defeitos críticos, que atuam como “amplificadores de tensão”.

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FATOR DE INTENSIDADE DE TENSÃO E TENACIDADE À FRATURA

Para ocorrência da fratura: 1) necessidade de tensão: em algum ponto no sólido, a

tensão local deve ser alta o suficiente para superar a força de coesão do sólido; isso pode ser alcançado pela concentração de tensão devido à presença de defeitos tais como microtrincas pré-existentes.

2) necessidade de energia: deve ser fornecida energia potencial suficiente para superar a resistência ao aumento do comprimento da trinca (isto é, conversão de energia elástica armazenada em energia de superfície); isto pode ser alcançado pelo trabalho realizado pelas forças externas.

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2

aE

f

Por esse critério, a tensão de ruptura depende de:

a) Módulo de Young, propriedade intrínseca do materialb) Energia de superfície, propriedade intrínsecac) Comprimento do maior defeito

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• O grau de amplificação depende do comprimento da trinca, assim como do raio de curvatura da “ponta da trinca”.

• São fatores microestruturais “amplificadores de tensão”: trincas de superfície, microtrincas internas, poros e arestas de grão.

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Tenacidade à fratura:• KIc = tenacidade à fratura em deformação plana

KIC = Y.σ.(a)1/2,

onde Y é um fator adimensional, que depende da amostra e geometria da trinca;

σ= tensão aplicada; a = comprimento de uma trinca na superfície ou metade do

comprimento de uma trinca interna

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Tensão de ruptura X tamanho da trinca para vidros

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Variabilidade de valores de LRT

P(s) = 1-exp(-[s/so]m), onde m é o módulo de Weibull.

Tratamento Estatístico da Fratura Frágil

Distribuição de Weibull:

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• A grande variação de valores de tensão de ruptura apresentado pelos materiais cerâmicos está relacionada com a probabilidade da amostra apresentar um defeito crítico (que, por sua vez, é influenciado pelo processo de fabricação)

Influência do volume da amostra: quanto maior o volume da amostra, maior a probabilidade de se encontrar um defeito crítico

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Comportamento em tração XCompressão

• Para tensões de compressão, não há amplificação de tensões com a presença de defeitos. Assim, as cerâmicas apresentam valores de tensão máxima em ensaios de compressão superiores aos mesmo valores obtidos em ensaios de tração.

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Comportamento tensão-deformação

• Por razões práticas e racionais, o ensaio empregado para se estudar o comportamento

X ε de materiais cerâmicos é o de flexão em 3 ou 4 pontos.

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• Para uma seção transversal reta:

rf=3.Ff.L/2.b.d2, onde :F é a força no momento da fratura,L é a distância entre os apoios.

• Se o corpo de prova for circular:rf=Ff.L/R3

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Efeito da porosidadeMódulo de Young

)0.9P1.9P(1EE 2o

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Efeito da porosidade na resistência a flexão

nPe omr

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Dureza

Fadiga estática

• Causada pela propagação lenta e estável de umatrinca no material até o tamanho crítico

• Em alguns materiais cerâmicos (porcelanas, vidros,cimento portland, cerâmicas com alto teor de Al2O3, titanato de bário, nitreto de silício), o aumento do comprimento de uma trinca pode ser causado pelascondições ambientais (temperatura e umidade!)

Processamento

Mistura/Moagem

Secagem

Conformação

Secagem

Sinterização

Usinagem/acabamento

Acabamento a verde

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• Verte-se a mistura de água com a argila num molde poroso (ex. gesso).

• A água é retirada da mistura atávés do molde poroso. A parte restante tem alguma resistência mecânica devido a forças de capilaridade

• Remove-se o molde.• Retira-se uma maior quantidade de

água por aquecimento em forno.

Conformação por colagem de barbotina

Aumento de retração

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Prensagem uniaxial

Materiais Cerâmicos e Vidros

Pressões entre 0,1 e 0,5 GPa

Preenchimento Prensagem Ejecção

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Prensagem isostática a frioIntrodução do pó num molde (camisa ou manga) fechado e sujeito a P. isostática por intermédio de um fluido.

Compactação uniforme em todas as direcções

Peças complexas e de grandes dimensões com a forma do molde

Molde para produção de peça isoladora de vela de ignição.

Os pós são introduzidos por gravidade pela parte de cima do molde e comprimidos com P = 20 a 40 GPa. O fluído líquido ou gasoso entra através dos orifícios que se mostram em corte.

Fluido

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Extrusão

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Injeção

Pós cerâmico + ligante (normalmente misturas de polímeros) (exemplo: mistura proveniente de extrusão)

Necessidade de eliminação do ligante e posterior sinterização

Redução das dimensões da peça aquando da eliminação do ligante

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• Egb<Esurface

Se é dada energia aos átomos para se movimentarem (aquecimento) haverá difusão ao longo das fronteiras de grão levando ao progressivodesaparecimento dos poros.

O processo é baseado na difusão no estado sólido, não num processo de fusão.

No entanto, em certos casos a sinterização pode

ser feita em fase líquida, p.ex. introduzindo elementos que formam compostos de baixo ponto de fusão, ou adicionando mesmo uma fase de baixo ponto de fusão. Neste caso há uma combinação de dois processos.

SinterizaçãoMateriais Cerâmicos e Vidros

Sinterização - Densificação• Processo de ligação entre as

partículas por difusão de átomos entre elas acompanhada de uma remoção de poros entre as partículas e de uma diminuição de volume.

• Há retração das peças

• Redução da energia de superfície pela redução da área exposta entre as partículas de pó que se unem no processo

• Crescimento de grão

Sinterização - Densificação• Estágios da sinterização:• Primeiro estágio: Rearranjo: leve movimento de rotação das

partículas adjacentes para aumentar os pontos de contato

Formação do pescoço: Difusão nos pontos de contato

• Segundo estágio: Crescimento do pescoço: os tamanhos dos

pontos de contato cresce e a porosidade decresce.

Crescimento de grão: Partículas maiores agora chamadas de grão crescem consumindo os grãos menores.

• Terceiro estágio: Sinterização final: Remoção final da

porosidade por difusão de vazios ao longo dos contornos de grão

Sinterização - Densificação

Fotografia do MEV (microscópio eletrônico de varredura)

Sinterização em fase líquida• Algumas composições cerâmicas, podem formar uma fase líquida,

durante a sinterização, quando os elementos presentes se combinam com os aditivos incorporados mistura cerâmica ou cujos componentes formem eutético ou ainda quando um dos componentes apresenta ponto de fusão inferior aos demais. Essa fase líquida é capaz de eliminar grande parte da porosidade residual. No entanto a resistência à fluência cai muito nesses compostos, pois essa massa plástica cede pela presença de pequena carga quando a temperatura é alta.

• Si3N4 e SiC são exemplos de cerâmicos que podem receber aditivos de sinterização (MgO; Al2O3 ; Y2O3 óxido de Itrio) para criar silicatos (vidros) nos contornos de grão durante a sinterização para reduzir a porosidade.

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• Alguns poros permanecem• Há fusão entre muitas partículas.• A presença de poros pode ser prejudicial para as

propriedades mecânicas ao funcionarem como iniciadores de fissuras

MicroestruturaMateriais Cerâmicos e Vidros

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MicroestruturaMateriais Cerâmicos e Vidros