Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3. PROPRIEDADES DOS MATERIAIS CERÂMICOS
3.1 Propriedades mecânicas
Como classe, os cerâmicos são relativamente frágeis
Não apresentam deformação plástica em temperatura ambiente
Resistência à tração: embora varie bastante, desde 0,7 MPa até 7x103 MPa (whiskers de
Al2O3), poucos cerâmicos apresentam valores superiores a 170MPa.
Resistência à compressão: em geral, são cerca de 5 a 6 vezes superiores à resistência
à tração
Dureza: em geral, bastante elevada, devido as ligações iônicas e covalentes
Resistência ao impacto: em geral, baixa
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
Mecanismos de deformação dos materiais cerâmicos
Falta de plasticidade
METAIS
Ligações químicas iônicas e covalentes
Deformação ocorre por movimento de discordâncias em
determinados planos cristalinos
Ocorre em baixos valores de tensão – ligação metálica não-direcional
CRISTAIS COVALENTES
Ligação específica e direcional
Envolve a troca de cargas
elétricas entre pares de íons
Com suficiente deformação, ocorre
separação das ligações de pares de íons
sem posterior restauração
Fragilidade tanto em
monocristais quanto em
policristais
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
Mecanismos de deformação dos materiais cerâmicos
CRISTAIS IÔNICOS
MONOCRISTAIS: Apresentam deformação sob a ação de cargas
compressivas
Ex.: NaCl – escorregamento do sistema de planos {110} – o escorregamento
envolve íons de cargas opostas e durante o processo, permanecem atraídos
pelas forças de Coulomb
POLICRISTAIS: FRÁGEIS – existem poucos sistemas de
escorregamento
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
Fatores que afetam a resistência mecânica de um cerâmico
FALHA
Ocorre fundamentalmente a partir de defeitos da estrutura
Principais fontes de fratura:
- fendas superficiais originadas durante o acabamento
- poros
- inclusões
- grãos grandes gerados durante o processamento
POROS:
POROS 1)atuam como concentradores de tensão
PROPAGAÇÃO DA TRINCA
Valor crítico
2) diminuem a área da seção transversal
na qual é aplicada a carga
Nos cerâmicos
não existem
processos
suficientemente
absorvedores de
energia
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
Fatores que afetam a resistência mecânica de um cerâmico
POROSIDADE
Efeito da porosidade em alumina
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
Fatores que afetam a resistência mecânica de um cerâmico
TRINCAS PRESENTES:
PRESENTES
Em materiais muito densificados (poucos poros), as trincas
são relacionadas com o tamanho de grão
grão de menor tamanho – trincas ou fendas pequenas no
limite do grão
Maior RM
Outros fatores:
- Composição química
- Temperatura
- Microestrutura
- Meio
- Condições da superfície
- Tipo de tensão e modo de aplicação
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
RESISTÊNCIA TEÓRICA
Tensão necessária para separar
um corpo em duas partes
Requer uma energia
de superfície γ
σt =
Eγ
ao
E: módulo de elasticidade
γ: energia superficial
ao: distância interatômica
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
Na prática, há um discrepância entre os valores de RM calculados e medidos:
TEORIA DE INGLIS: explicação da discrepância observada
defeito elíptico
presença de defeito
diminuição da RM
σ max = 2σ
c
σ: tensão aplicada
ρ
c: semi-eixo maior
ρ: raio de curvatura
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
TEORIA DE GRIFFITH:
- microdefeitos - concentradores de tensão
- tratamento termodinâmico para analisar propagação
- estudo em uma placa fina de espessura L
UT = UE + US
NO EQUILÍBRIO:
dU
=0
dc
A fratura ocorrerá
para uma tensão
crítica
−πσ2c2L
UT =
+4cLγ
E
cπσ
E
σc =
2
= 2γ
2 Eγ
cπ
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
TENACIDADE À FRATURA
Os cerâmicos têm, intrinsecamente, baixa tenacidade
9 Ensaios de tenacidade: determinam KIC
Kc = 2 Eγ
Tenacidade à fratura
Modos de abertura da trinca:
- tração: I
- cisalhamento: II
- torção: III
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
TENACIDADE À FRATURA
Tração
Cisalhamento
KIC = Yσ c a
1
σc =
Y
2 Eγ
a
o defeito mais severo e sua
posição relativa ao esforço
aplicado controlam a RM
Torção
para tração
K c = K IC
Equação básica da RM para materiais
frágeis
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
AUMENTO DA TENACIDADE
Maior
tenacidade
TENACIDADE depende:
- tamanho do defeito - energia de superfície
Para aumentar
γ:
a
e
9 Diminuir a porosidade, pois γ = γ o exp(-KP)
9 Diminuir tamanho de grão
9 Acrescentar uma 2ª fase
9 Microtrincamento
Ex.: adição de ZrO2 em uma matriz de Al2O3, KIC aumenta de 3 para 11
γ
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
COMPORTAMENTO TENSÃO - DEFORMAÇÃO
A avaliação da resistência mecânica de um cerâmico NÃO ocorre
através de tração por três motivos básicos:
9 É difícil preparar e testar amostras que tenham a geometria exigida
9 É difícil prender e testar materiais frágeis sem fraturá-los
9 As cerâmicas falham após uma deformação de aproximadamente 0,1%, o que
exige que as amostras sejam perfeitamente alinhadas, com o objetivo de evitar a
presença de tensões de dobramento ou flexão, as quais não são facilmente
calculadas
Portanto, prefere-se um ensaio de flexão
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
ENSAIO DE FLEXÃO
Corpo-de-prova: barra
A barra é flexionada até a ruptura
- seção circular
- seção retangular
Mc
σ=
I
M: momento fletor
máximo
c: distância do centro do
corpo até as fibras mais
externas
I: Momento de inércia da
seção reta
3 P( L − l )
σ= .
2 bd 2
Superfície superior: carga compressiva
Superfície inferior: carga trativa (máxima)
Para ensaio em seção retangular
com apoio em quatro pontos
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
FADIGA
⇒ forma de falha que ocorre em estruturas submetidas a
tensões dinâmicas e flutuantes
⇒ a falha geralmente ocorre após ciclos de tensões
repetidos em tensões inferiores a tensões estáticas suportáveis
⇒ componentes onde ocorrem: eixos, barras de ligação,
engrenagens
TRINCA NA FADIGA:
INÍCIO: em pontos de concentração de tensão canto
entalhe
nucleação
inclusão
defeito
PROPAGAÇÃO: a trinca propaga-se na peça com tensões cíclicas
criam-se estrias ou ondulações
FRATURA: a seção torna-se pequena, não suporta a carga aplicada
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
FADIGA MECÂNICA
Devido às ligações iônicas e covalentes há a ausência de
plasticidade durante o carregamento cíclico
fratura em cerâmicos por fadiga é rara
Estudo do crescimento estável de trincas por fadiga, aplicando-se
tensões compressão-compressão em alumina policristalina em
corpos-de-prova entalhados
Observou-se a propagação de microtrincas no
contorno de grão que levaram a ruptura final
O que se quer é obter cerâmicos mais tenazes para suportar
tensões cíclicas, por exemplo em rotores de turbinas
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
FADIGA MECÂNICA
⇒ mecanismos que podem estar associados a trinca dominante:
- intrínsecos
- extrínsecos
Desenho esquemático de mecanismos que podem ocorrer durante a propagação da trinca em
cerâmicos.
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
FADIGA TÉRMICA
⇒ corpo sólido aquecido e resfriado
σ = a E ∆T
Distribuição da temperatura e tensão para uma
amostra submetida a fadiga térmica.
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
FADIGA ESTÁTICA
em materiais cerâmicos
⇒ rompimento do material sob um estado de tensões constante, durante
um certo tempo em ambientes úmidos.
Visualização de um mecanismo alternativo para explicar a influência da umidade no crescimento
subcrítico de trincas.
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
CHOQUE TÉRMICO
em materiais cerâmicos
Variação brusca de temperatura
choque térmico
Limita o uso dos cerâmicos em
aplicações energéticas
Tensão térmica
força motriz para a nucleação e
crescimento de trincas
degradação da resistência mecânica
ou fratura do material
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
CHOQUE TÉRMICO
Resistência ao dano por choque térmico
Indicam o dano causado
Avaliada através da medida dos efeitos do choque térmico
nas propriedades como a perda de resistência mecânica
Por. ex.: O grau de dano pode ser avaliado quando se compara a resistência
mecânica obtida após choque térmico único em uma temperatura definida,
com a resistência mecânica original do corpo cerâmico
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
CHOQUE TÉRMICO
Para evitar a propagação de trincas já existentes são desejáveis:
9alto módulo de elasticidade, diminuindo o nível de energia elástica
armazenada;
9baixa resistência mecânica, para que as tensões sejam aliviadas pela
formação de trincas;
9alto valor da razão de Poisson;
9maior número de trincas com pequeno comprimento.
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
CHOQUE TÉRMICO
Teoria de
Hasselman
Curva teórica de Hasselman, indicando a diferença
de temperatura mínima necessária para iniciar a
propagação da trinca e as regiões de instabilidade
e estabilidade.
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
CHOQUE TÉRMICO
Teoria de
Hasselman
Resistência mecânica em
função da diferença de
temperatura do choque
térmico.
Degradação da superfície de
uma material após ter sido
submetido a choque térmico
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.1 Propriedades mecânicas
FLUÊNCIA
Deformação permanente que ocorre com os materiais ao
serem submetidos a tensão constante e temperatura elevada
Os cerâmicos embora dificilmente
movimentem discordâncias podem
desenvolver deformações plásticas por
difusão Quando tensão e temperatura
elevada estão associadas, átomos e
vazios da rede podem migrar mais
facilmente
para
locais
mais
convenientes, energeticamente. Ao
mudarem de posição, deformam grãos,
por deslizamento, na direção do
esforço, de locais de maior tensão para
locais de menor tensão. O volume não
muda e átomos e vazios da rede
mudam de posição.
Nos cerâmicos, a
fluência ocorre, em geral,
em temperaturas mais
elevadas quando
comparadas com metais
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.2 Propriedades elétricas
CONDUTIVIDADE ELÉTRICA NOS MATERIAIS IÔNICOS
- resultado das contribuições eletrônica e iônica
- importância de cada contribuição
pureza e temperatura
- modelo de bandas é válido, porém o n° de e- na banda de
condução é muito baixo
portanto predomina a iônica
- difusão dos íons depende da presença de defeitos pontuais
- condutividade elétrica de sólidos iônicos
↑ temperatura
↑ abruptamente na
fusão
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.2 Propriedades elétricas
CONDUTIVIDADE ELÉTRICA NOS MATERIAIS IÔNICOS
Condutividade iônica: σi
σi = Ne2D/kT = (Ne2/kT) D0exp(-Q/kT)
N - n°de posições iônicas de um mesmo sinal por unidade de volume
e - carga do elétron
D - difusividade
k - constante de Boltzman
T - temperatura em K
Q - energia de ativação para a difusão
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.2 Propriedades elétricas
CONDUTIVIDADE ELÉTRICA NOS MATERIAIS COVALENTES
- estrutura em bandas de polímeros é típica dos isolantes
σ - 10-10 a 10-17 Ω-1m-1
- polímeros de alta pureza
a condução é eletrônica
- condução iônica pode ser ativada pela presença de impurezas
restos de monômeros
catalisadores
aumento da temperatura
- aditivos condutores podem aumentar σ entre 1 e 50 Ω-1m-1 como
em borrachas de silicones
- exemplos de polímeros condutores: poliacetileno e polianilina
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.2 Propriedades elétricas
CONDUTIVIDADE ELÉTRICA NOS MATERIAIS COVALENTES
⇒ GRAFITA: comportamento elétrico diferenciado
- plano basal (0001) σ ≅ de condutores metálicos
- na direção c ⊥ (0001) σ é 105 vezes menor
- condução eletrônica
origem na
mobilidade eletrônica da cada anel hexagonal de
átomos de C, ao longo de cada camada
- introdução de átomos estranhos entre as camadas
aumenta o número de transportadores de carga e a
condutividade elétrica
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.3 Propriedades térmicas
CONDUTIVIDADE TÉRMICA
⇒ CERÂMICOS
ke << kf
fônons são facilmente espalhados
pelos defeitos cristalinos, o
transporte de calor é menos
eficiente que nos metais
Alguns cristais não metálicos puros e de baixa densidade
apresentam em algumas faixas de temperatura k ≅ metais:
Diamante melhor condutor que Ag de Tamb a 30K
Safira condutor térmico entre 90 a 25K
Compostos cerâmicos:
(BeO, SiC, B4C) pesos atômicos semelhantes
k relativamente alto
(UO2, ThO2) pesos atômicos diferentes
k cerca de 10x menor
(menor interferência na propagação quando átomos com semelhantes pesos atômicos)
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.3 Propriedades térmicas
CONDUTIVIDADE TÉRMICA
•
- composição;
Efeito da microestrutura - condições de queima;
- quantidade e tipo de porosidade;
- quantidade e tipo de fases;
- forma e orientação de grãos;
1/k=v1/k1+v2/k2+...
K=v1k1+v2k2+...
onde:
k: condutividade térmica
v: volume da fase
Q: kc/kp
P: quantidade de poros
⇒ Íons em solução sólida
diminuem acentuadamente k
⇒Fases amorfas são piores
condutoras que cristalinas de
igual composição química
⇒Poros diminuem a
condutividade térmica de
cerâmicos
kP = k
k= 1+2P(1-Q/2Q+1)
ks 1-P(1-Q/2Q+1)
1-P
1 - 0,5P
kP = condutividade térmica do
material com poros
P = fração volumétrica de poros
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.4 Propriedades óticas
MATERIAIS NÃO-METÁLICOS
⇒ Cerâmicos e polímeros não apresentam e- livres (que absorvem fótons de luz) e podem ser
transparentes à luz visível
Fenômenos importantes:
Refração, Transmissão, Reflexão e Absorção
REFRAÇÃO (n) E REFLEXÃO (R)
⇒ Velocidade de propagação da luz no sólido transparente (ν) é menor que no ar
feixe de luz muda de direção na interface ar/sólido
⇒ Índice de refração: n = c = (εµ)½
ε = permissividade elétrica do material
ν
µ = permeabilidade magnética do material
(ε0µ0)½
Índice de refração de alguns materiais cerâmicos
R
Quanto maior n do
material, maior R
Material
Índice de refração
Vidro de sílica
1,458
Vidro pyrex
1,47
Vidro óptico
“flint”
Al2O3 – α
1,65
MgO (periclásio)
1,74
Quartzo
1,55
1,76
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.4 Propriedades óticas
MATERIAIS NÃO-METÁLICOS
REFRAÇÃO (n) E REFLEXÃO(R)
⇒ Cerâmicos cristalinos
Cúbicos e vidros
índices de
refração isotrópicos
Cristais não cúbicos
índices de refração
maior em direções mais densas
⇒ Luz passa de um meio n1 para outro n2
Se um dos meios for o ar n1 = 1
parte da luz é refletida na interface dos meios R = n2 - n1 ½
R = n2 - 1 ½
n2+n1
n2+1
⇒ Como o n depende de λ da luz incidente, R também depende de λ
Variação das frações da luz
incidente que são
transmitida, absorvida e
refletida por um determinado
vidro em função do
comprimento de onda
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.4 Propriedades óticas
MATERIAIS NÃO-METÁLICOS
ABSORÇÃO(A) E TRANSMISSÃO (T)
⇒ Maioria dos materiais transparentes são coloridos
a cor dos materiais transparentes é uma combinação dos comprimentos transmitidos
Comprimentos de onda absorvidos (nm) e cores complementares
⇒ Absorção de fótons por e- da banda de
valência promovendo-os à banda de condução
em não-metais também é possível, desde que os
e-- superem a banda proibida.
⇒ Energia
associada com λ (E = hc/λ)
determina-se λ e E máximos e mínimos cedidos
aos e- pela luz visível
Conclusão:
i) a luz pode ser absorvida por materiais com banda proibida
menor que 1,8 eV (SEMICONDUTORES) estes materiais são
opacos
ex.:Si, Ge, AsGa
ii) materiais com banda proibida entre 1,8 e 3,1 eV absorvem
apenas alguns comprimentos de ondas estes materiais são
coloridos
ex.:GaP, CdS
iii) a luz visível não pode ser absorvida por este mecanismo em
materiais com banda proibida maior que 3,1 eV
λmin = 0,4 µm ∴ Emax = 3,1eV
λmax = 0,7µm ∴ Emin= 1,8eV
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.4 Propriedades óticas
MATERIAIS NÃO-METÁLICOS
ABSORÇÃO(A) E TRANSMISSÃO (T)
⇒ Impurezas podem contribuir para que alguns comprimentos de onda sejam absorvidos
Ex.: safira e rubi
⇒Cor dos vidros de sílica, cal, soda e chumbo pode ser
Safira: cristal puro de Al2O3, isolante,
modificada pela adição de óxidos de elementos de
transparente
transição
Rubi: safira onde uma pequena quantidade
de íons Cr+3 substitui o Al+3, causa
absorção na região de luz azul do espectro
visível. Cristal resultante: vermelho
Ex.: adição de 0,01 a 0,03% de CoO - coloração azulada
adição de 0,2% de NiO - coloração púrpura
adição de 1,0% de FeO - amarelo esverdeada
⇒Cor pode ser resultado do desvio da estequiometria
ou da presença de defeitos cristalinos
Ex.: cristais puros de NaCl, KBr e KCl são incolores se
forem recozidos em atmosfera de metais alcalinos ou
irradiados com raios X ou neutrôns
coloração: NaCl amarelo
Criou-se defeitos:
KBr azul
centro de cor
KCl magenta
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.4 Propriedades óticas
MATERIAIS NÃO-METÁLICOS
ABSORÇÃO (A) E TRANSMISSÃO (T)
⇒R, A e T dependem do material, do caminho ótico, λ incidente
Alumina convencional (opaca)
Variação da transmitância com λ incidente para diversos materiais.
⇒ Defeitos no material espalham a luz e podem torná-lo
transparente, translúcido ou opaco
transparente
Ex.: monocristal de safira (Al2O3)
policristal de safira sem poros
translúcido
policristal de safira com 5% poros opaco
porosidade: 3%
Alumina translúcida
porosidade: 0,3
Exemplo: lâmpada de sódio
(1000oC) com tubo de alumina
(100 lúmens/W convencional 15
lúmens/W)