Cincia dos Materiais II Materiais Cermicos Prof Vera
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Ciência dos Materiais II Materiais Cerâmicos Prof. Vera Lúcia Arantes
Propriedades de produtos cerâmicos Ø Propriedades mecânicas Ø Propriedades térmicas Ø Propriedades termo-mecânicas 2
Materiais Cerâmicos e Vidros 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. 3
Materiais Cerâmicos e Vidros Curvas de ensaios de tração latão Ductilidade de 35% Ductilidade inferior a 0. 1% = Tensão na ruptura antes de ser atingida a tensão máxima 4
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 5
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”. 6
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. 7
Por esse critério, a tensão de ruptura depende de: a) Módulo de Young, propriedade intrínseca do material b) Energia de superfície, propriedade intrínseca c) Comprimento do maior defeito 8
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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. 10
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 11
Tensão de ruptura X tamanho da trinca para vidros 12
Tratamento Estatístico da Fratura Frágil Variabilidade de valores de LRT P(s) = 1 -exp(-[s/so]m), onde m é o módulo de Weibull. Distribuição de Weibull: 13
• 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 14
Comportamento em tração X Compressão • 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. 15
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. 16
• Para uma seção transversal reta: rf=3. Ff. L/2. b. d 2, 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/ R 3 17
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Efeito da porosidade Módulo de Young 19
Efeito da porosidade na resistência a flexão 20
Dureza 21
Fadiga estática • Causada pela propagação lenta e estável de uma trinca no material até o tamanho crítico • Em alguns materiais cerâmicos (porcelanas, vidros, cimento portland, cerâmicas com alto teor de Al 2 O 3, titanato de bário, nitreto de silício), o aumento do comprimento de uma trinca pode ser causado pelas condições ambientais (temperatura e umidade!)
Processamento
Mistura/Moagem Secagem Conformação Secagem Acabamento a verde Sinterização Usinagem/acabamento
Conformação por colagem de barbotina • 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. Aumento de retração 26
Materiais Cerâmicos e Vidros Prensagem uniaxial Preenchimento Prensagem Ejecção Pressões entre 0, 1 e 0, 5 GPa 27
Prensagem isostática a frio Introdução 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 Fluido 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 Molde para produção de peça isoladora de vela de ignição. em corte. 28
Extrusão 29
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 30
Materiais Cerâmicos e Vidros Sinterização • Egb<Esurface ü Se é dada energia aos átomos para se movimentarem (aquecimento) haverá difusão ao longo das fronteiras de grão levando ao progressivodesaparecimento dos poros. ü O processo é baseado na difusão no estado sólido, não num processo de fusão. ü 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. 31
Sinterização - Densificação • Processo de ligação entre as • Redução da energia de superfície pela redução da área exposta partículas por difusão de entre as partículas de pó que se átomos entre elas unem no processo acompanhada de uma remoção de poros entre as partículas e • Crescimento de grão de uma diminuição de volume. • Há retração das peças
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. • Si 3 N 4 e Si. C são exemplos de cerâmicos que podem receber aditivos de sinterização (Mg. O; Al 2 O 3 ; Y 2 O 3 óxido de Itrio) para criar silicatos (vidros) nos contornos de grão durante a sinterização para reduzir a porosidade.
Materiais Cerâmicos e Vidros Microestrutura • 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 37
Materiais Cerâmicos e Vidros Microestrutura 38
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