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PROPRIEDADES MECÂNICAS
Cerâmicas para fins estruturais fratura frágilproblema
Não apresentam deformação plástica apreciável
Baixa tenacidade
Grandes variações de resistência à fratura entre peças de um mesmo lote
Fadiga estática
Problemas a serem resolvidos tanto de ponto de vista científicoquanto tecnológico
Vantagens: Alta resistência à abrasão Refratariedade Inércia química
Funções estruturais Habilidade de manter a integridade estrutural a altas temperaturas Densidades menores que os metais
Parâmetros do material:• Composição• Estrutura cristalina• Microestrutura• Defeitos/falhas• Condições superficiais• Tensões internas• Tamanho e geometria da amostra
Parâmetros que influenciam as propriedades mecânicas dos materiais cerâmicos
Meio ambiente:• Temperatura• Atmosfera• Taxa de deformação• Fadiga estática ou cíclica• Estado de tensão (uniaxial ou multiaxial)
Estudos:
• aumentar tenacidade
• minimizar a variação estatística da resistência mecânica
• melhorar o entendimento da mecânica da fratura
Principais fatores que determinam as propriedades mecânicas de um material:
• Força de ligação entre os átomos
• Facilidade do movimento das discordâncias através do cristal.
Resistência mecânica
Curva tensão x deformação
Região linear: Lei de Hooke
onde é a tensão aplicadaE é o módulo elástico é a deformação
.E
Deformação elástica – corresponde a aumentar a separação entre os
planos atômicos, o que está diretamente relacionado com as forças
interatômicas.
Com o aumento da temperatura, a separação atômica aumenta,
diminuindo a força para separações posteriores e portanto, diminuindo E.
Módulo de Elasticidade
Relacionado com a rigidez
É o quociente entre a tensão aplicada e a deformação elástica resultante.
Está relacionado diretamente com as forças das ligações interatômicas
EAlumina = 390 GPa
Eaço = 196 GPa
Cerâmicas ou fibras de vidro são usadas nos compósitos sua presença aumenta a rigidez específica do compósito
Cerâmicas
• Intrinsecamente duras• Ligações do tipo iônica e covalente – dificultam o movimento
Ligações covalentes Direcional e específica, envolvendo a troca eletrônica entre pares de átomos. Quando um escorregamento move-se através da estrutura deve quebrar e restabelecer essas ligações Quando os cristais são suficientemente deformados, há fratura frágil devido à separação do par de elétrons sem que haja subseqüente restauração. Cerâmicas covalentes são frágeis tanto na forma de monocristal como na forma cristalina.
Não é avaliado por ensaio de tração:
É difícil preparar amostras que possuam a geometria exigida;
É difícil prender e segurar materiais frágeis;
As cerâmicas falham após uma deformação de apenas 0,1%, o que
exige que os corpos de prova estejam perfeitamente alinhados.
Resistência Mecânica
Ligações iônicas
Dependendo dos planos podem sofrer considerável deformação plástica
Monocristais sólidos ligados ionicamente, tais como o MgO e o NaCl
apresentam à temperatura ambiente, considerável deformação plástica
sob a ação de tensões compressivas.
Em cerâmicas policristalinas – muitos planos de cisalhamento são necessáriosA plasticidade obriga que a mudança na forma do grão seja
compatível com a que ocorre nos grãos vizinhos. Como os sólidos ligados ionicamente possuem poucos sistemas de escorregamento, aparecem fendas nos limites dos grãos, consequentemente ocorre fratura frágil.
DurezaQuando um material é submetido a um teste de tração ou um identador é
pressionado sobre ele, os átomos “se movem” (“escorregam”) através do material.
cerâmica – dificuldade de movimento de escorregamento dos átomos.
Alta dureza
Material Dureza Knoop (carga 100 g)Diamante 7000SiC 2500Alumina 2100WC 2100Quartzo 800Aço 600Níquel 80
Resistência Mecânica
Resistência mecânica intrínseca de um material é a força por unidade de área necessária para quebrar o material através do rompimento das ligações atômicas
Resistência teórica, th
Tensão necessária para romper o corpo em duas partes. Está diretamente relacionada com a força de coesão entre os átomos.
Considerando um corpo de área transversal unitária, a força de coesão entre dois planos varia com a distância interatômica.
• Se aplicarmos tração numa barra cilíndrica de seção transversal unitária, a
força de coesão entre dois planos de átomos varia com a separação atômica,
, de acordo com a figura.
• Primeiro a resistência aumenta com a separação atômica, alcança um pico
na resistência teórica e então diminui com o aumento da separação
Orowan (1949) – assumiu uma função senoidal simples relacionando tensão e deslocamento.
)(2 oth
aasen
ao é a distância interatômica
Argumento de OrowanNum sólido frágil, todo trabalho gasto na produção da fratura vai para
criação das duas novas superfícies.Cada uma dessas superfícies tem uma energia superficial - s
W = 2s
Trabalho W – área sob a curva
)(2 oth
aasen
thoth
a
a daaasenW o
o
)(22
Como W = 2s
sth 2
2th
1. Para um sólido frágil:
.E
oa
o
o ax
aaa
LL
oaxE.
oaE
dxd
)(2 oth
aasen
x
th2
2
thdxd
2. Para pequenos valores de a -ao sen x ~ x
2
thoa
E
2thoaE
Eliminando x das equações:
2
th
22
thoth a
E
oth a
E
Substituindo na equação
Resistência teórica de um sólido frágil pode ser expressa de maneira simples, com parâmetros básicos.
Para valores típicos de E, e ao, a resistência teórica é 5 < th < 10 GPa
5E
10E
th
Exemplo:AluminaDados: E = 400 GPa
ao = 4 x 10-10 m = 1,2 J/m2
th ~ 35 GPa
Na prática: ~ 350 MPa ~ 0,350 GPa
Para a maioria das cerâmicas
1001000EE
5E
10E
th
Justificativas para as discrepâncias:
Aproximações envolvidas na dedução da resistência teórica ideal
Existência de imperfeições nos materiais reais
Atuam como fonte de discordâncias e como obstáculo ao seu movimento.
Para materiais dúcteis – resistência mecânica é limitada pela força
necessária para mover as discordâncias.
Para materiais frágeis – o deslocamento das discordãncias é difícil e as
discordâncias se acumulam contra obstáculos nucleando trincas que se
propagam.
Sugere-se que falhas internas ou superficiais atuam com
amplificadores de tensão e que a separação das superfícies ocorre
sequencialmente ao invés de simultaneamente.
Redução da resistência vai depender:
• Da forma do poro
• Da presença de trincas
• Do tamanho e forma de uma inclusão
• Das diferenças de E e entre as inclusões e a matriz
Concentração de tensão - Fator concentrador de tensão (Kt)
Inglis –
• Uma descontinuidade geométrica num corpo, como um furo ou um entalhe, resulta
numa distribuição de tensões não uniforme nas proximidades da descontinuidade.
• Numa região próxima a descontinuidade, a tensão será maior do que a tensão
média em pontos distantes da descontinuidade.
Supondo um furo de forma elíptica numa placa fina submetida a tração uniaxial.
atmax K
21
21
camax
- raio de curvatura da trincab, c são os semi-eixos da elipse
Supondo um furo de forma elíptica numa placa fina submetida a tração uniaxial
cb 2
bc
amax 21
Como
Exemplo: trinca com dimensões finitas:
trinca elíptica com c = 10b e
poro esférico, onde c=b
p/ trinca elíptica:
p/ poro esférico
Supondo que a elipse é muito estreita, ou seja, << c
aamax bb
bc 32121
aamax bb
bc 21102121
21
21
221
cc
aamax
thmax
21
21
2
oa a
Ec
21
4
caE
of
Critério de IrwinRuptura ocorre quando max da equação de Inglis se iguala a tensão teórica th
Ex: facilidade de cortar vidros após terem sido riscados com uma ponta de diamante.
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