CAPÍTULO 3 - PROPRIEDADES E ESTRUTURAfelipeb.com/unipampa/aulas/im/CAP03-01.pdf · Estrutura cristalina do NaCl e planos mais susceptíveis a deslocamentos

Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS

INTRODUÇÃO AOS

MATERIAIS CERÂMICOS

PPGEM - EE - UFRGS

CAPÍTULO 3 -

PROPRIEDADES E

ESTRUTURA


3.1 INTRODUÇÃO

3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS

3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS

3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS

3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA


Materiais cerâmicos aplicabilidade limitada

comportamento mecânico

tipo de fratura que ocorre principal desvantagem

frágil e com baixa absorção de energia

Propriedades de interesse em sua utilização

térmicas, elétricas, magnéticas e óticas

Importante temperatura que o material está sujeito quando da aplicação em suas propriedades de interesse

3. PROPRIEDADES E APLICAÇÕES x ESTRUTURA3.1 INTRODUÇÃO

PROCESSO DE FABRICAÇÃO

DEGRADAÇÃO DE

PROPRIEDADES PELA

TEMPERATURA

MICROESTRUTURA

ESTRUTURA CRISTALINA


OBJETIVO

- Apresentar as principais propriedades de materiais cerâmicos:

MECÂNICAS

FÍSICAS

- Relacionar propriedades com estrutura e processamento.

evidenciando seu comportamento em diferentes temperaturas.

ESTRUTURA PROPRIEDADES



antes de entender fenômenos que determinam propriedades nos materiais a partir da

MICROESTRUTURA deve-se primeiramente entender a ESTRUTURA ATÔMICA (e ESTRUTURA

CRISTALINA) dos materiais porque estas definem algumas de suas propriedades

ESTRUTURA ATÔMICA


MICROESTRUTURA


3.2.1 Introdução

3.2.2 Propriedades mecânicas a frio

3.2.2.1 Diagrama tensão x deformação

3.2.2.2 Dureza

3.2.2.3 Fadiga

3.2.2.4 Impacto

3.2.3 Propriedades mecânicas a quente

3.2.3.1 RM a quente

3.2.3.2 Fluência

3.2.3.3 Refratariedade sob carga

3.2.3.4 Fadiga térmica

3.2.3.5 Choque térmico

3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS

3. PROPRIEDADES E APLICAÇÕES x ESTRUTURA


COMPORTAMENTO DO MATERIAL QUANDO SOLICITADO

Avaliação características do material rígido, frágil, dúctil, resistente,

resistente a trocas de T, resistente a

ciclos mecânicos

CONHECIMENTO DAS PROPRIEDADES E SUA VARIAÇÃO COM A MICROESTRUTURA.

PROPRIEDADES MECÂNICAS A FRIO

carga aplicada tração, compressão,cisalhamento Diagrama x

forma de aplicação variável com o tempo Fadiga

tempo de aplicação curto, longo Impacto

meio constante com o tempo, umidade Fadiga estática

PROPRIEDADES MECÂNICAS A QUENTE (TERMOMECÂNICAS)

Idem acima

- temperatura constante, tensão crescente: Resistência mecânica a quente

- temperatura constante, tensão constante: Fluência

- temperatura crescente, tensão constante: Refratariedade sob carga

- variação cíclica de temperatura: Fadiga térmica

- variação brusca de temperatura: Choque térmico

3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA

3.2.1 INTRODUÇÃO


• Tensão

• Deformação

• Resistência a ruptura

• Resistência ao scoamento

• Ductilidade

• Tenacidade

• Resiliência

Elástica

Plásticam

axruptura

escoamento

Resiliência Tenacidade

Metal

x

xx

Polímero

Cerâmico

Elastômero

x


3.3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS A FRIO3.3.2.1 Diagrama tensão x deformação


PONTO DE

RUPTURA



INFORMAÇÕES:

Definição de módulo

de elasticidade

Relação com níveis

da estrutura

Relação com fatores

ambientais

Relação com o

processo de fabricação

Relação com outras

propriedades




E = /

Energia de ligação e forças atrativas e

repulsivas na ligação entre dois elementos.

Relação E com a estrutura atômica

dFda Ligação forte

Ligação fraca

Diferentes somatório de forças na ligação entre dois

elementos, obtendo-se diferentes E.

Força de ligação entre dois átomos onde é definido E

Relação entre o módulo de elasticidade E e o

ponto de fusão (PF) de alguns materiais.


Estrutura cristalina do NaCl e planos

mais susceptíveis a deslocamentos.

Relação E com a estrutura cristalina

Cristais Iônicos

Máx Mín Aleatório

MgO CFC 341 249 315

NaCl CFC 33 44 37GPa

ISOTROPIA

e

ANISOTROPIA

Dependendo do grão (sua

orientação, forma,...) o

valor do módulo de

elasticidade varia.




Materiais cerâmicos podem apresentar fase vítrea

Com fase vítrea: x pode apresentar uma deformação plástica

cerâmico sem

fase vítrea

cerâmico com

fase vítrea

Relação E com a microestrutura

POROSIDADE

E=E0(1-1,9P+0,9P2)



Matriz silicosa com grãos grosseiro de mulita

TEMPERATURA


DEFORMAÇÃO PLÁSTICA: - não ocorre a temperatura ambiente

- em temperaturas elevadas se ocorrer diferente em cristalinos e não cristalinos



CERÂMICOS CRISTALINOS EM

TEMPERATURAS ELEVADAS

IÔNICO

Dificuldade de deslocamento em

cerâmicos com caráter iônico (repulsão).

COVALENTE

- necessidade de cinco sistemas de deslizamento

Ex. Al2O3 disponível em 1550°C

CERÂMICOS NÃO CRISTALINOS:

- estrutura atômica não regular

- deformam-se como um fluxo viscoso semelhante aos líquidos

Representação de um fluxo viscoso de um líquido ou

fluido vítreo em razão de uma força aplicada.EXEMPLOS




RUPTURA EM METAIS

1a Hipótese: ruptura ao mesmo

tempo das ligações.

RM 1000x > prática

2a Hipótese: escorregamento de

planos até a ruptura.

RM ~ E / 20 (>> prática)

3a Hipótese: escorregamento

facilitado por movimento de

discordâncias

RM ~ prática

RUPTURA EM CERÂMICOS

Defeitos concentradores de tensão

- poros, grãos, fases, etc.

Macroscopicamente: corpos-de-prova

RM controlada pelo

maior defeito.

KIC = Y a1/2


Ruptura dos materiais cerâmicos definida pela presença de DEFEITOS (porosidade,

descontinuidades) resultantes do processamento cerâmico típico (processamento de pós)!



RUPTURA EM CERÂMICOS

Fases cristalinas obrigam a trinca a

contorná-las ou

causam a

bifurcação

da trinca.

Matriz: ZrO2 cúbica

Precipitados: ZrO2 monoclínica

Chamota inserida a massa

cerâmica, pode atuar como

o maior defeito.

4-pontos

3 pontos


METAIS

Mede-se a deformação plástica

Métodos: Brinell

Vickers

Rocwell

Microdureza de Knoop

CERÂMICOS:

Mede-se microfissuras no material

Métodos: - Vickers

- Microdureza de Knoop

Material Dureza aproximada em Knoop

Diamante 7000

B4C 2800

SiC 2500

WT 2100

Al2O3 2100

Quartzo (SiO2) 800

Vidro 550


3.3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS A FRIO3.3.2.2 Dureza

Na microstrutura salienta-se as marcas do identador de

diamante devido a medição de microdureza Knoop.


METAIS

Falha que ocorre em estruturas devido a tensões dinâmicas e flutuantes

TRINCA NA FADIGA:

INÍCIO: concentradores de tensão

nucleação

PROPAGAÇÃO: estrias ou ondulações

FRATURA: a seção não suporta a carga aplicada


3.3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS A FRIO3.3.2.3 Fadiga

Fotografia ótica da

superfície de fratura por

fadiga.

CERÂMICAS

- Fadiga por carregamento cíclico é raro (ligações iônicas e

covalentes: ausência de plasticidade)

Superfície de um corpo cerâmico, salientando defeitos.

- Em cerâmicos, concentrar e desconcetrar tensões ruptura

FADIGA ESTÁTICA: rompimento do material sob tensões

constantes, durante um certo tempo em ambientes úmidos.

Visualização de um

mecanismo

alternativo para

explicar a influência

da umidade no

crescimento

subcrítico de trincas.


METAIS


3.3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS A FRIO3.3.2.4 Impacto

CERÂMICAS

- Não resistem ao impacto

- Apresentam baixa tenacidade

Ensaios:

- Charpy

- Izod

- Influenciado:

- entalhe

- temperatura de transição

Grãos grossos

Grãos finos

Corpo cerâmico

- Análise qualitativa de resistência ao Impacto NBR-9454/86.

- O ensaio está baseado em submeter um corpo de prova,

placa de dimensões 300 X 300 X 60 mm3, a sucessivos

impactos causados pela queda de uma esfera com altura de

queda inicial de 10 cm e incrementos de igual valor.

Comparação (a) sem fibra e (b) com fibra de polipropileno

a b



3.3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS A QUENTE3.3.3.1 Resistência mecânica a quente


- Deformação lenta que ocorre nos materiais submetidos ao carregamento em temperatura elevada.

- A velocidade de fluência depende da temperatura e da tensão em que o material está submetido.

- Os mecanismos que influenciam o processo de fluência são a deformação de contorno de grão, os

movimentos de discordância e a difusão. A equação de Norton correlaciona estes critérios:

Equação de Norton

: tensão

Lg: tamanho de grão

n: expoente de tensão

m: expoente do tamanho de grão

: taxa de fluência estacionária

D: coeficiente de difusão

A: constante

T: temperatura

R: constante

m

g

ns

LDA

1..


3.3.3 PROPRIEDADES MECÂNICAS A QUENTE3.3.3.2 Fluência

RT

QS n

s exp.

Influência da difusão

Relação entre temperatura e tempo no processo de

fluência: I: Fluência primária ou transiente. II: Fluência

estacionária. III: Fluência terciária.

Para Norton há uma relação entre a taxa de fluência com a tensão: a taxa de fluência é proporcional a n.

n =1; fluência difusional

n = 2; deslizamento de contorno de grão

n = 4; somente alguns materiais, sendo que n > 4, não há explicação física para o fenômeno.

Relação da fluência com a temperatura.



3.3.3 PROPRIEDADES MECÂNICAS A QUENTE3.3.3.2 Fluência Modelo de Nabarro-Herring:

O modelo assume que:

-em temperatura elevada há um equilíbrio na concentração de vacâncias;

-quando se aplica uma tensão: há difusão de vacâncias da zona de tração (concentração de

vacâncias é maior) para zona de compressão, paralelamente, ocorre a difusão de átomos da zona

de compressão para a de tração;

-esta difusão muda a forma do grão, tornando-o alongado (menor altura e maior comprimento);

Equação de Nabarro-Herring, da difusão por volume:

: taxa de fluência

k’: constante numérica

k: constante de Boltzman

Ds: coeficiente de difusão

Lg tamanho de grão

: tensão

: volume atômico/ volume de vazios

Segundo o modelo de Nabarro-Hering:

-A taxa de fluência é fortemente afetada pela T, devido ao Ds

-A taxa de fluência é fracamente afetada pela tensão, já que

o expoente é 1 (linear)

-A taxa de fluência é fortemente afetada pelo Lg, já que a

taxa varia com 1/Lg2

kTLg

Dk s

2

'


Combinação de escoamento viscoso, sintetização sob pressão, rearranjo de grãos e

movimentos de deslocamentos.

Depende da composição do material, fases em equilíbrio, microestrutura, estado de tensões e

temperatura.

Influência da tensão e

temperatura na fluência



Outras formas de apresentar resultados do teste de fluência

Parâmetro de Larson-Miller.

Relação entre tensão - temperatura -

tempo de ruptura.

Curva tensão x

tempo de ruptura.

Estima a

expectativa do

tempo de vida de

um componente nas

condições

estabelecidas.

Razão de

fluência pela

combinação

de tempo e

temperatura

Relação entre tempo de

ruptura e temperatura para

uma tensão constante

Sugere representação de

Arrhenius


ENSAIOS DE FLUÊNCIA:



amostra do material a uma carga constante

( 0,2MPa refratários e 0,1 MPa isolantes)

temperatura constante fluência

valor da deformação em função

do tempo de ensaio

1. silico-aluminoso com cerca de 65% de Al2O3; 2.

Alta alumina – 98% de Al2O3; 3. Magnesiacromo

10% de Cr2O3; 4. Magnesiano com 95% de MgO

e pouco ferro.


A maneira exata como um cerâmico colapsa sob carga a altas temperaturas varia com o tipo de

material e é determinado pelo tipo de ligação existente no refratário a essas temperaturas.

Deformação sob

carga de tijolos com

carga de 0,35 MPa.


3.3.3 PROPRIEDADES MECÂNICAS A QUENTE3.3.3.3 Refratariedade sob carga

Determinada pela composição química e equilíbrio de fases;

Cerâmicos com fase líquida à temperatura de serviço podem relaxar tensões e deformar por

mecanismos de difusão (fluência);

Se a quantidade de líquido formada é pequena não haverá deformação antes da fratura paralela a

força de compressão;

A presença de poros 1. aumenta a tensão aplicada na parte densa do material

tem três efeitos: 2. fornece um mecanismo interno de deformação;

3.dependendo de forma e distribuição: concentradores de tensão


Teste de refratariedade sob carga.

amostra do material

a uma carga constante

( 0,2MPa para refratários e 0,1

MPa para isolantes)

temperatura crescente

refratariedade sob carga

valor da temperatura em função

da deformação

T0= temperatura da dilatação

máxima

T0,5= temperatura de

contração 0,5% a partir do

Dmáximo

T1= temperatura de contração

1% a partir do Dmáximo


3.3.3 PROPRIEDADES MECÂNICAS A QUENTE3.3.3.3 Refratariedade sob carga

1. silico-aluminoso; 2. Silimanita; 3.

Magnesiacromo; 4. Alta sílica (abóboda); 5. Alta

sílica (coqueria); 6. Cromomagnesiano.


Em cerâmicos as tensões cíclicas que solicitam o material são geradas por variações de T

Para ocorrer fadiga térmica são necessárias duas condições:

Ex: contração e expansão

- restrição mecânica térmica devido a mudança

- mudança de temperatura de temperatura.


3.3.3 PROPRIEDADES MECÂNICAS A QUENTE3.3.3.4 Fadiga térmica

T = 1.E. T

onde:

T : tensões térmicas

1: coeficiente de expansão térmica

E: módulo de elasticidade

T : variação de temperatura

A falha por fadiga é caracterizada por três passos distintos:

1 - iniciação da trinca

2 - propagação da trinca

3 - falha final Influência da tensão

na falha por fadiga

s x n° de ciclos (a) limite de fadiga definido (b) não definido


Variação brusca de temperatura

Esforço termomecânico

Onde:

E = módulo de elasticidade

a = coeficiente de expansão térmica

T = variação de temperatura

TENSÃO TÉRMICA

Peça cerâmica submetida a variação de temperatura (T) e tem sua dilatação ou contração impedida gera uma tensão térmica:

= E (T)

Exemplo:

Al2O3 submetido a 300 K

Para Al2O3 E= 410 GPa = 6,9.10-6 / K

= E. (T) = 410 GPa. 6,9.10-6 / K . 300 K

= 850 MPa !

RCT= a./E.

a = K/cp.


3.3.3 PROPRIEDADES MECÂNICAS A QUENTE3.3.3.5 Choque térmico

Força motriz para a nucleação e crescimento de trincas - fratura

Quando uma peça é resfriada bruscamente de To a uma T a

superfície ira contrair a (To-T), porém o interior encontra-se

ainda na temperatura To, resulta em tensões trativas na

superfície igual a:

= E (To - T)

1-m Onde:

E = módulo de elasticidade

= coeficiente de expansão térmica

To = temperatura inicial

T = temperatura final

m = coeficiente de Poisson


Degradação da superfície após choque térmicoDistribuição parabólica de

temperatura, em um certo instante,

na seção reta de uma placa de

espessura b,resultante de um

resfriamento brusco.

(a) compressão

(b) tração

Tensões térmicas

geradas



100

300

1000

3000

10000

T

máx

30

b - h10

K

1 10 100 1000

ar água

sílica

BeO

porcelana

sílico-aluminoso

Al2O3 (100°C) Al2O3

Al2O3 (1000°C)

W / mK


Fraturas típicas de choque térmico

fissuras

centro da

face

fragmentos

grandes

agarrados

descasque



425 – bloco queimador

425 – bloco visor525 – bloco queimador 525 – bloco visor




MATÉRIA-PRIMA

CONFORMAÇÃO

SECAGEM

QUEIMA

PÓ

PRENSAGEM

FLUIDOPLÁSTICA

COLAGEM

ASPERSÃO TÉRMICA

ETC...

OBTENÇÃO DE UM

CORPO DENSO

GERAÇÃO DE DEFEITOS:

-BENEFICIAMENTO DA

MATÉRIA-PRIMA

-PROCESSO DE

CONFORMAÇÃO

-SECAGEM INEFICIENTE, OU

RÁPIDA

- QUEIMA EM CONDIÇÕES

INEFICIENTES (T, t, taxa)

CONCENTRADORES

DE TENSÕES



MICROESTRUTURA

DEFEITOS NA

MICROESTRUTURA:

-POROS;

-FASES NÃO DISPERSAS;

-GRÃOS GROSSEIROS;

CONCENTRADORES

DE TENSÕESPorcelana tradicional: fotomicrografia em MEV da seção

transversal da amostra queimada a 1420ºC e atacada

com ácido fluorídrico a 40% por 10s. Aumento de 100x.

Refratário Sílico-aluminoso: fotomicrografia em

microscópio ótico da seção transversal da amostra.

Grãos grosseiros podem ser os maiores defeitos na

microestrutura.




CRISTAIS IÔNICOS:

-PRESENÇA DE CARGAS (+, -);

-AUSÊNCIA DE DESLIZAMENTO;

-PRESENÇA DE DEFEITOS;

MATERIAIS FRÁGEIS

Estrutura cristalina do NaCl

Estrutura cristalina do

Al2O3

Dificuldade de deslocamento em

cerâmicos com caráter iônico (repulsão).



DEGRADAÇÃO DE

PROPRIEDADES EM FUNÇÃO

DA TEMPERATURA

DEGRADAÇÃO COM A T:

-↓ RM , ex. FASES VÍTREAS;MATERIAIS FRÁGEIS

Aumento da T diminui a RM em cerâmicos

RM a quente

Refratariedade


Plano no MgO mostrando a direção de cisalhamento

3.3 PROPRIEDADES MECÂNICAS3. PROPRIEDADES E APLICAÇÕES x ESTRUTURA

3.3.2 DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO3.3.2.3 Região plástica

Plano no NaCl onde os íons

estão alinhados Aumento da T diminui a RM

em cerâmicos

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