Comportamento mecnico dos materiais cermicos

Os materiais cermicos cristalinos no apresentam deformao plstica em baixas temperaturasDesta forma, em baixas temperaturas, o nico tipo de deformao elstica.Assim essa deformao assume uma importncia maior j que a nica que ocorre, e permite clculos simplesE= /, como as ligaes so fortes os mdulos de elasticidade so altos.Resistncia terica = a 1/10 a 1/5 do valor de E. Desta forma o Al2O3 onde E=380.000 MPa teria resist. terica de 39.000 a 76.000 MPa

Na forma de fibras onde a possibilidade de defeitos reduzida pois se tem apenas uma dimenso os valores se aproximam da resistncia terica

Fatores que modificam o Mdulo de Elasticidade

No entanto valor encontrado muito inferior ao valor terico.Motivo: Falhas e defeitos internos como poros, vazios, microtrincas que atuam como concentradores de tenso, reduzindo a resistncia terica.A porosidade altera o valor de E, E= Eo(1-1.9P+0,9P2)Quando se tratar de misturas cermicas ou de compsitos (metal duro pex.) E=E1V1+E2V2Onde E1,2 Modulo dos componentes e V1,2 frao volumtrica dos componentes

Influncia da porosidade sobre o mdulo de elasticidade do xido de alumnio a temperatura ambiente

Cermicos apresentam maior resistncia a compresso (tendem a fechar os defeitos) que a trao (tendem a abrir os defeitos)

Comparao entre a resistncia a trao e a compresso da alumina

Coeficiente de POISSON: Indica a variao das dimenses nas direes perpendiculares deformao imposta pela tenso externa aplicada

Influncia dos defeitosTenacidade a fratura: A concentrao de tenses na ponta da fissura pode ser indicado em termos do Fator de Intensidade de tenses KIPara uma pea de tamanho infinito KI= c onde a tenso externa e c o tamanho da falha (div. Por 2 se interna)Para uma pea finita: KI= Y c onde Y o fator de formaKIC= Fator de intensidade de tenses crtico. Fator que faz determinada falha propagar de forma instvel conduzindo fratura.

Valores de KIC para alguns materiais metlicos cermicos e polimricos

A resistncia real de um cermico bem inferior a resistncia terica, que a necessria para romper a ligao qumica entre dois tomosResistncia terica: t= (E/ao)1/2 onde E-Mdulo de Elasticidade, ao - espao interatmico, - energia superficial (energia necessria para gerar as superfcies da fissura ou fratura)

Aumento da tenso externa por defeitos internosFator concentrador de tenses:Kt =m/ o = 2(c/)1/2 onde m a tenso mxima na falha, o a tenso externa aplicada, c- comprimento da maior dimenso da falha, raio de curvatura da ponta do defeitoDesta forma se =2 (para materiais frgeis - espaamento interatmico)E para um defeito de tamanho de 170 m ...Kt ser de 1840 vezes.Ou seja a tenso externa ser multiplicada por 1840 vezes na ponta desse defeito

Segundo Evans e Tappin f=z/y(2E/c)1/2 Onde: c-comprimento da maior dimenso da falha. f tenso de fraturay- 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 configurao da falha (valor entre 1,0 e 2,0 GRFICO)-energia gasta para criar as faces da fratura(energia de superfcie) E mdulo de elasticidade

Problema ilustrativoFoi detectado pelo MEV. (Microscpio Eletrnico de Varredura) o defeito causador (provavelmente o maior defeito, ver slide posterior) da ruptura de um componente de nitreto de silcio Si3N4. Calcule a tenso de fratura aproximada, usando a frmula de Evans e Tappin , sabendo que: E= 219 000 MPa ou 219x109 N/m2y= 2 e = 11,9 J/m2

Do grfico do slide anterior z= 1,68 (dimenses do poro l=150 m e c=100 m)f=z/y(2E/c)1/2 f=1,68/2(2x219x109N/m2 x 11.9J/m2/ 100x10-6 m)f= 191774042 Pa(N/m2) f= 191,77 MPa

Problema ilustrativo

Avaliao das propriedades mecnicas dos materiais cermicosDureza:A nica escala que alcana os valores de dureza dos materiais cermicos a vickers. No entanto se a marca 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 cermicos de menor dureza pode-se empregar tambm o mtodo de dureza Rockwell superficial (cargas de15, 30 ou 45 Kgf )

Normas ASTM relacionadas s medidas de dureza em materiais cermicos

Indentao de microdureza Knoop bem sucedida em nitreto de silcio

Indentao de microdureza Vickers apresentando microtrincas em nitreto de silcio

Relao entre dureza e resistncia compressoResistncia a compresso: Como j comentado os materiais cermicos tem melhor resistncia a compresso que a trao.Existe uma relao semelhante a que existe para os metais entre a dureza Brinell e a resistncia a trao.No caso dos cermicos essa relao entre a dureza Vickers e a resistncia a compressomax compresso = 1/3 da dureza Hv (Kgf/mm2) TABELA AO LADO

Ensaios de flexo: Usado para caracterizar o comportamento mecnico de cermicos. Tipos de ensaios

Ensaios de flexo: Usado para caracterizar o comportamento mecnico de cermicosEm geral no se empregam ensaios de trao para caracterizar materiais cermicos, pois os materiais so difceis de confeccionar (caros) e em geral escorregam das garras da mquina j que no sofrem deformao plstica.So empregados os ensaios de flexo apoiados em 3 ou 4 pontos onde se calcula o MOR = Mc/I onde:M- momento aplicado, c- distncia do eixo neutro I- momento de inrcia da seo transversal

Frmulas para calcular o MOR nos testes de flexo:Seo retangular 3 e 4 pontos; Seo circular 3pontos

Comparao entre os resultados dos testes de flexo e dos testes de traoNos testes de flexo atuam simultaneamente esforos de trao e de compresso (os mat. Cer. So mais resistentes compresso) A distribuio dos esforos ao longo dos corpos de prova diferente em cada ensaio. Logo se o maior defeito do C.P. no estiver alinhado com a maior carga incidente o valor encontrado ser maior do que o cermico pode efetivamente resistir

Influncia da porosidade sobre a resistncia a flexo de um material cermico (Al2O3)

Micrografias de MEV das superfcies das amostras sinterizadas a 1350 C (a), e1500 C (b), 1600 C (c) e 1700 C (d). Observa-se aumento do tamanho de gro e reduo da porosidade a medida que a temperatura de sinterizao aumenta (caso d densidade terica de 99,2)

Resistncia mecnica de alguns cermicos

Efeito do tamanho do corpo de provaQuanto maior o corpo de prova utilizado nos testes menor tende a ser os valores de resistncia encontrado seja no ensaio de flexo seja nos de trao. Isso se deve ao fato de em corpos de prova maiores a probabilidade de se encontrar maiores defeitos aumenta reduzindo os valores encontradosDeve-se sempre que possvel realizar ensaios com Corpos de Prova de tamanho semelhante aplicao prtica.

Trabalho estatstico sobre os resultados encontrados nos ensaios mecnicos dos materiais cermicosOs materiais cermicos apresentam uma reprodutibilidade muito menor que os materiais metlicos.Desta forma feito um tratamento estatstico nos resultados, sendo portanto necessria a realizao de muitos ensaios para se obter um valor estatisticamente confivel.Logo, os ensaios, que j so caros pela dificuldade de confeco dos corpos de prova se tornam mais caros ainda pelo nmero de repeties necessrias.

Tcnicas avanadas para aumentar a tenacidade dos cermicosPela transformao de fases da Zircnia (ZrO2).A transformao tetragonal - monoclnica acompanhada de um aumento de volume de 5%.Adiciona-se o p da zircnia dopada com CaO ao cermico onde deseja-se aumentar a tenacidade. Fabrica-se essa mistura cermica com uma velocidade de resfriamento que no permita a transformao de tetragonal para monoclnica permanecendo com a estrutura tetragonal

Formas de atuaoFormas de atuao: A expanso da partcula de zircnia gera micro-trincas ao redor da partcula que distribuem as tenses em vrias trincas menores, em direes no favorveis tenso externas, alm de reduzir seu valor. A transformao tetragonal monoclnica das partculas causada pelo campo de tenses da trinca principal gera um campo de tenses de compresso que tendem a fechar a trinca que avana

Atravs do esmerilhamento da pea cermica contendo zircnia adicionada pode-se pelo campo de tenses gerado causar a transformao tetragonal-monoclnica gerando um campo de tenses compressivas na superfcie que tendem a fechar os defeitos aumentando a tenacidade

Efeito da presena da zircnia no fator de intensidade de tenses crtico KIc.

Cermica reforada com whiskersWhiskers so monocristais que cresceram preferencialmente ao longo de um eixo tornando-se agulhas com dimetro de 0.5 m a 10m e com at centmetros de comprimento. Normalmente so de SiC (carbeto de silcio) e so adicionados para melhorar a tenacidade. Tem sido testados em Al2O3 (alumina),, Si3N4 (nitreto de silcio) e em MoSi2 (silicieto de molibdnio)

Importncia da tenacidade e da dureza no processo de usinagem

Fractografia de cermicos:A fissura acelera at sua mxima velocidade (o,5 a vel. do som) quando comea a ramificar. Quanto maior a energia transmitida maior a ramificao

Caractersticas microscpicas normalmente encontradas em trincas superficiais de peas cermicas rompidas so mostradas na figura ao lado.(barra de slica fundida rompida no teste de flexo apoiado em 4 pontos aum. 500X)No estgio inicial de propagao (acelerao da fissura) a fissura plana e lisa com forma circular (regio espelhada). VIDROS: Lisa e refletivaCERMICAS POLICRISTALINAS: Rugosa com textura granularAps alcanar a velocidade crtica a fissura ramifica formando 2 zonas na superfcie:Em nvoa: uma regio opaca logo aps o espelho, em forma de anel, que, em geral, no visvel em peas cermicas cristalinasEstriada em forma de penas ou entalhada): composta por um grupo de estrias ou linhas radiais que se interceptam prximo do ponto de iniciao da fissura.Quanto menor o raio (rm) da regio espelhada, maior o nvel de tenso causadora da falha (mais rapidamente a fissura atinge a velocidade crtica). f 1/rm0.5