Mecanismos para promover a “confiabilidade” de cerâmicas:
 Limitada pela sua fragilidade (tendência a falhar catastroficamente pelo
crescimento de uma trinca, que se origina de um pequeno defeito)
1. Aprender a conviver com a fragilidade (baixo KIC)
 Desenvolver meios para entender os micromecanismos de fratura, de
maneira que a confiabilidade possa ser assegurada pelo desenvolvimento
de análises e/ou métodos estatísticos para a avaliação de certos
parâmetros, como resistência ou tempo de vida.
Ex: Estatística de Weibull, fadiga estática
2. Identificar as origens das trincas e então desenvolver novos
métodos de processamento pra eliminar esses defeitos
Reduzir o tamanho da maior trinca; melhorar a população de
trincas.
Ex: fibras ópticas – são revestidas com um polímero – σ = 8 GPa
Sem revestimento – redução da resistência de uma ordem de
magnitude
Cerâmica Al2O3-ZrO2
Produzida usando métodos de secagem de pó convencional - σ
= 600 MPa (limitada por trincas formadas ao redor dos aglomerados).
Eliminação dos aglomerados - σ = 1000 MPa
Prensagem isostática - σ = 2000 MPa
3. Desenvolvimento de microestruturas cerâmicas com melhor
resistência a fratura e, portanto tolerantes a defeitos.
Importante para aplicações envolvendo ambiente “hostil”,
o qual pode introduzir defeitos e então invalidar todos os esforços
assegurados de confiabilidade feitos pela identificação e eliminação
de defeitos pré-existentes.
Desenvolvimento de microestrutura
 Cerâmicas tolerantes a trincas
 Resistência à propagação de trinca não é constante, mas aumenta quanto
a trinca se propaga.
Mecanismos de tenacificação
1.Refinamento de tamanho e forma de grãos.
2.Adição de uma segunda fase
Mecanismos propostos para explicar a tenacificação:
 Deflexão de trincas
• Microtrincamento
• Tensões residuais
 Tenacificação por transformação
Envolvem a dissipação de energia na ponta da trinca
(aumentam a quantidade de energia necessária para a propagação
da trinca no material)
Adição de whiskers (fibras descontínuas) ou fibras
1970 – vidros reforçados com fibras de carbono
1980 – vidros e vitrocerâmicas reforçados com fibras de SiC
A propagação da trinca é dificultada por:
• Deflexão da trinca – ao encontrar uma fibra, a trinca sofre uma
deflexão (muda de direção)
• Formação de pontes no interior da fenda (“bridging zone”) – as
fibras ou whiskers podem formar pontes que ligam as duas faces da
trinca e ajudam o material a manter-se unido.
• Quebra das fibras – o atrito devido ao fato das fibras ou whiskers
terem sido rompidos ou arrancados da matriz absorve energia.
• Indução de uma redistribuição das tensões em regiões adjacentes
às pontas das trincas.
Exigências para que as fibras possam ser incorporadas na matriz
cerâmica:
• Preço economicamente viável
• As fibras devem ser mais resistentes e mais rígidas quando comparadas
com a matriz
• Fabricação adequada que não leve à degradação das propriedades da
matriz ou dano às fibras
• Compatibilidade química entre as fibras e a matriz durante a fabricação
e durante o uso
• Compatibilidade física entre a fibra e a matriz (coeficiente de expansão
térmica)
• Interface entre a fibra e a matriz que induza a um tipo de fratura fibrosa.
Comportamento de fratura dos compósitos cerâmicos reforçados com
fibras:
 Não ocorre de maneira catastrófica
 Uma grande fração da carga aplicada pode continuar a ser suportada
pelas fibras, mesmo após a matriz ter sido fraturada.
Curva tensão x deformação
O trincamento da matriz pode definir a tensão limite para altas
temperaturas em ambientes oxidantes, já que tanto fibras de carbono
quanto fibras de SiC sofrem oxidação.
É necessário ter uma ligação interfacial relativamente fraca entre
a fibra e a matriz para que se tenha fratura não-catastrófica.
Uma forte ligação interfacial causa fratura das fibras junto ao
plano da trinca
trabalho de
Ex: e abaixa
Al O oreforçada
comfratura.
whiskers de SiC.
2
3
SiC reforçado com fibras de Si3N4
-- Ceramic: Glass w/SiC fibers
formed by glass slurry
Eglass = 76 GPa; ESiC = 400 GPa.
Force
(a)
fiber-reinf
un-reinf
Bend displacement
(b)
fracture
surface
From F.L. Matthews and R.L.
Rawlings, Composite Materials;
Engineering and Science, Reprint
ed., CRC Press, Boca Raton, FL,
2000. (a) Fig. 4.22, p. 145 (photo by
J. Davies); (b) Fig. 11.20, p. 349
(micrograph by H.S. Kim, P.S.
Rodgers, and R.D. Rawlings). Used
with permission of CRC
Press, Boca Raton, FL.
Tenacificação por transformação de fase
ZrO2 – zircônia
Transformação de fase da zircônia
1170oC
2370oC
2680oC
Monoclínica ↔ tetragonal ↔ cúbica ↔ líquido
Transformação T→ M (no resfriamento) – aumento de 3 a 5% em volume
Provoca o trincamento das partículas individuais e impossibilita a
fabricação de produzidos sinterizados de ZrO2.
Adição de dopantes CaO, MgO, Y2O3, óxidos de terras raras – diminuem as
temperaturas de transição.
Estabilização total ou parcial da fase cúbica a temperatura ambiente,
dependendo da concentração de dopantes.
PSZ (zircônia parcialmente estabilizada) – mistura de zircônia
cúbica e monoclínica (ou tetragonal) – quando a quantidade de dopante
está presente numa concentração menor que a necessária para a
completa estabilização.
Quando a região de estabilidade termodinâmica não encontrase a temperatura ambiente, a fase cúbica pode ser retida após
resfriamento com uma fase metaestável.
A fase cúbica ZrO2-CaO e ZrO2-Y2O3 são tecnologicamente importantes
para o uso em condutores iônicos de oxigênio.
Gavie (1975) demonstrou a possibilidade de se utilizar a
expansão t m da ZrO2 para melhorar a resistência à fratura e a
tenacidade de certos materiais
1. ZrO2 + 9% MgO
2. Sinterização a 1800oC e resfriamento rápido (mantém a fase cúbica metaestável)
3. Reaquecimento a 1400oC durante algum tempo e resfriamento origina a
precipitação da estrutura tetragonal (PSZ), mantendo-se neste estado metaestável
à temperatura ambiente
Microestrutura
contém
precipitados
finos
na
forma de lâminas de
zircônia
tetragonal
metaestável.
Zircônia parcialmente estabilizada com MgO
Microestrutura contém precipitados finos na forma de lâminas de
zircônia tetragonal metaestável.
ZrO2 tetragonal – finamente dispersa através da pressão exercida pela
matriz
↓
Controle do tamanho de partícula e da tensão de compressão a que
está submetida a partícula
↓
Partículas abaixo de um tamanho crítico podem ser retidas na fase
tetragonal a temperatura ambiente, enquanto partículas grandes
transformam espontaneamente apesar da compressão.
PSZ –
KIC = 8 MPa.m1/2
σ = 0,6 a 1 GPa
Há dois mecanismos principais associados com a melhoria da tencificação:
• Microtrincamento
• Transformação induzida por tensão
Transformação induzida por tensão
• Se uma trinca se propaga sob uma tensão externa, altos níveis de tensões
de tração são gerados ao redor da ponta da trinca. Essas tensões aliviam a
pressão da matriz sobre as partículas de ZrO2-t, que se transformam em
ZrO2-m, com uma deformação compressiva sendo induzida na matriz.
• Absorção de energia para transformação
•Absorção de energia adicional vem também do campo de tensão local criado
pelas partículas transformadas que causam a deflexão da trinca.
Microtrincamento
Incorporação de ZrO2-t numa matriz cerâmica (ZrO2-c; Al2O3; mulita;
Si3N4).
Durante o resfriamento – expansão volumétrica causa pequenas trincas
radiais na matriz → microtrincas
↓
Podem desviar uma trinca crítica que se propaga quando
o corpo cerâmico é submetido a uma carga, dissipando a energia
da trinca
Condições ideais para partículas de ZrO2-t
1.Partículas suficientemente grandes para transformar ZrO2-t→ ZrO2m, mas suficientemente pequenas para causar um trincamento
limitado.
2.Otimização da fração volumétrica de ZrO2-t, até o ponto em que as
microtrincas geradas pela transformação comecem a interagir.
Por que utilizar matriz de alumina?
• Al2O3 e ZrO2 não formam compostos
• Al2O3 possui E muito alto e capaz de manter a ZrO2 na fase
tetragonal.
Ex: Aplicações comerciais
PSZ – resistência a fratura ~1300 Mpa e boa tenacidade (KIC~9
Pa.m1/2)
Guias-fio
Boquilhas de extrusão
Al2O3-ZrO2
Ferramentas de corte
Tesouras e facas (Japão)
Válvulas gaveta e outras peças para fundição contínua (alta
resistência a corrosão e choque térmico)
Trincas superficiais
• São as mais críticas e perigosas
• Desenvolvimento de tensões superficiais compressivas
Técnicas para introduzir tensões superficiais:
Têmpera térmica (vidro)
Vidrados
Têmpera química (troca iônica superficial)
Formação de camadas superficiais por reações de transformação
de fase com aumento de volume
CERMETOS (Compósitos cerâmica-metal)
Fase contínua de metal rodeando os grãos de cerâmica
Ex: ferramenta de corte (WC-Co)
Estruturas duplex com grãos alongados com coeficientes de dilatação térmica
diferentes:
• fases diferentes
• cristais com anisotropia termomecânica
Causam deflexão de trincas e ramificação
Introdução de heterogeneidades estruturais
Introdução de partículas de aglomerados numa matriz tendem a aumentar a
tenacidade da cerâmica (por exemplo: cristais de mulita numa matriz de
alumina e vice-versa)