Ci

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Ciência dos Materiais IIMateriais Cerâmicos

• Prof. Vera Lúcia Arantes

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Propriedades de produtos cerâmicos

• Propriedades mecânicas
• Propriedades térmicas
• Propriedades termo-mecânicas

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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 sf
• 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.

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Materiais Cerâmicos e Vidros
Curvas de ensaios de tração
latão
Ductilidade de 35
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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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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
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(No Transcript)
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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.s.(?a)1/2,
• onde Y é um fator adimensional, que depende da
  amostra e geometria da trinca
• s 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
Tratamento Estatístico da Fratura Frágil
P(s) 1-exp(-s/som), onde m é o módulo de
Weibull.
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 e
  de materiais cerâmicos é o de flexão em 3 ou 4
  pontos.

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• Para uma seção transversal reta
• ?rf3.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
• ?rfFf.L/?R3

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(No Transcript)
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Efeito da porosidadeMódulo de Young
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Efeito da porosidade na resistência a flexão
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Dureza
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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 Al2O3, titanato de bário, nitreto de silício),
o aumento do comprimento de uma trinca pode ser
causado pelas condições ambientais (temperatura e
umidade!)
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(No Transcript)
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Processamento
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(No Transcript)
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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
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Materiais Cerâmicos e Vidros

• Prensagem uniaxial

Preenchimento
Prensagem
Ejecção
Pressões entre 0,1 e 0,5 GPa
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• 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 em corte.
Molde para produção de peça isoladora de vela de
ignição.
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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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Materiais Cerâmicos e Vidros
Sinterização

• EgbltEsurface
• Se é dada energia aos átomos para se movimentarem
  (aquecimento) haverá difusão ao longo das
  fronteiras de grão levando ao progressivodesaparec
  imento 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.

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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

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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

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Sinterização - Densificação
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Fotografia do MEV (microscópio eletrônico de
varredura)
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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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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

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Materiais Cerâmicos e Vidros
Microestrutura