aula 2 propriedades mecanicas
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Materiais Cerâmicos: Propriedades Mecanicas
Prof. Me. Maria Nalu
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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.
Defeitos Pontuais Atômicos
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Defeito em cerâmica
Representações esquemáticas de defeitos por lacuna do cátion e do ânion, e de um defeito intersticial do cátion.
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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.
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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.
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Defeito tipo Frenkel e Schottky
Diagrama esquemático mostrando defeitos de Frenkel e Schottky em sólidos iônicos.
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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.
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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
Fe.
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Defeito não estequiométrico
Representação esquemática de uma lacuna de Fe2+ no FeO, a qual resulta da formação de dois íons Fe3+.
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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)
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Impurezas nas cerâmicas
Cloreto de sódio, íons de impurezas Ca2+ e O2- iriam 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
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Cerâmica: Classificação
Átomos de impureza intersticial, a partir de um substitucional do ânion, e de um substitucional do cátion em um composto iônico.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
- tensão aplicadaa - comprimento de uma trinca de superfície, ou a metade do comprimento de uma
trinca interna.
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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 MPam (9 ksipol.).
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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
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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.
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Fratura Frágil
distribuição das resistências à fratura para o cimento portland
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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
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Resistência a Flexão – 3 pontos
M = momento fletor máximoc = distância do centro do corpo de
prova até as fibras mais externasI = momento de inércia da seção retaF = carga aplicada
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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
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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.
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Resistência a Flexão – Módulo de ruptura
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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
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Comportamento Elástico
Comportamento típico tensão-deformação até a fratura para o óxido de alumínio e o vidro.
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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
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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
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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
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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.
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Mecanismo Cerâmicas Não Cristalinas
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.
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Mecanismo Cerâmicas Não Cristalinas
Escorregamento viscoso de um líquido ou vidro fluido em resposta à aplicação de uma força de cisalhamento
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Mecanismo Cerâmicas Não Cristalinas
Propriedade característica para um escoamento viscoso - a viscosidade, representa uma medida da
resistência à deformação de um material não-cristalino
Para o escoamento viscoso de um líquido que tem sua origem nas tensões de cisalhamento impostas por duas chapas planas e paralelas
- viscosidade - tensão de cisalhamento aplicadadv - 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 (Pa-s);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 relação10 P = l Pa-s
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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.
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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
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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
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44 Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio
Efeito da microestrutura nas propriedades da Alumina
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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
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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).
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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
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Influencia da Porosidade – Propriedades Mecanicas
A influência da porosidade sobre a resistência à flexão para o oxido de alumínio à temperatura ambiente.
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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.
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Dureza
Material Dureza Knoop Material Aproximada
Diamante (carbono)Carbeto de boro (B4C)
Carbeto de silício (SiC)Carbeto de tungstênio (WC)
Oxido de alumínio (Al2O3)
Quartzo (SiO2)
Vidro
70002800250021002100800550
Durezas Knoop Aproximadas (carga de 100 g)
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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.