Universidade Federal de Santa Catarina Disciplina: Materiais Cerâmicos Professor: Dr. Márcio Celso Fredel Acadêmicos: Benhur Paulo Bampi Henrique Schmitz

Mecanismos de TenacificaçãoSi3N4

Universidade Federal de Santa Catarina Disciplina: Materiais Cerâmicos

Professor: Dr. Márcio Celso Fredel

Acadêmicos: Benhur Paulo BampiHenrique Schmitz

Stella Vassoler Rosa

Florianópolis, agosto de 2011

Mecanismos de TenacificaçãoÍndice

1. Introdução a tenacificação

2. Os 7 mecanismos Caractetísticas e aplicações diretas

3. O Nitreto de SílicioHistóricoCaractetísticasPropriedades Aplicações

4. Tenacificação do Nitreto de Silício

5. Questões

• Cerâmica: Alta sensibilidade a defeitosFácil nucleação de trincasFácil propagação de trincas

• Década de 60: mecanismos para aumentar as propriedades dos materiais cerâmicos.

• Década de 70: estudos de mecanismos de tenacificação mecanismos para minimizar a propagação de trincas

1.Introdução

Desafio para a aplicação mecânica.

Mecanismos de Tenacificação


TrincaAbsorção de energia elásticaNa tensão crítica: inicio do defeitoEnergia se concentra na ponta da trinca: propagação

Aumento da capacidade de resistir a concentração de energia na ponta da trinca.

Dispersão da energia Absorção da mesma.

Tenacificação

1.Introdução

Fonte: Richerson, 1992

2. OS 7 MECANISMOS DE TENACIFICAÇÃO

1. Transferência de módulo;2. Pré-tensionamento;3. Desvio de trincas ou Impedimento4. Crack Bridging;5. Pullout;6. Crack Shielding;7. Dissipação de energia.


2.1 Transferência de Módulo• Fibras com alto módulo de elasticidade em matriz de baixo módulo.

• Exemplos:Polímeros reforçados com fibras de vidro e de carbono; Metais reforçados com fibra de boro ou SiC;Concreto reforçado com fibras de carbono.

• Controle da tenacificação: (1) diferença no módulo entre matriz e fibras(2) resistência das fibras(3) fração volumétrica e distribuição das fibras(4) comprimento das fibras(5) ligação interfacil da fibra e matrix.


2.1 Transferência de Módulo

Concreto com reforço de fibras de aço.


2.2 Pré-tensionamento

Adição prévia de uma tensão compressiva no material

Pré-tensionamento de superfície (mais utilizado):• Têmpera (vidro)• Troca iônica • Posicionamento entre camadas (layering).

Adição de fibras:

• Tensiona fibra (deformação elástica) - envolve fibra com matriz - retira a tensão da fibra - força compressiva na matriz.

• Diferença de coeficiente de expansão térmica (maior para fibra), no resfriamento.





Reservatório em concreto protendido. Florida - USA

Ponte protendida – Marginal Tietê - SP


Deck pré-tensionado antes do preenchimento com concreto. Globe Weigh.

Corelle Dishes. Meta Efficient

2.3 Desvio de trincas ou ImpedimentoKIc é altamente influenciado pela microestrutura nas cerâmicas e

pelo caminho que a trinca segue na propagação.

Introdução de obstáculos Aumento do desvio e impedimento da propagação de trincas Maior tenacidade.


Estrutura KIc (Mpa.m1/2)Vidros <1

Monocristalinos 0,3 – 2,0

Policristalinos 2,0 a 4,0

Adaptada Richerson, 1992.

2.3 Desvio de trincas ou Impedimento

Controle do tamanho de grão Partículas dispersas Grãos alongados Whiskers/fibras

Adição de segunda fase Tratamento adequado na sinterização (controle da morfologia de

crescimento de grão)




Geometria das partículas Fator de CrescimentoEsferas 2

Discos 3

Fibras 4

Adaptada Richerson, 1992.

Richerson, 1992.



2.4 Crack Bridging

Fibras que inibem a abertura da trinca reduz a intensidade de tensões na ponta da trinca.

.


Richerson, 1992.Lee, 1994.

2.4 Crack Bridging


2.5 Pullout

Deslocamento da energia: trinca deslocamento e atrito.

Compósitos de matriz cerâmica reforçado com fibras.


Nicalon

2.5 Pullout


2.6 Crack Shielding

• Mudança microestrutural redução da tensão na ponta da trinca

• Decorrente de uma “blindagem” das regiões adjacentes à trinca.

• Ex: Microtrincamento (1) Zona dútil (2) Zona de transformação (alcança alta tenacidade e resistência)(3)

a. Microcracking b. Zona dútil c. Zona de Transformação


(1) (2) (3)

2.6 Crack Shielding

O caso da Zircônia


2.7 Dissipação de Energia É uma consequência de mecanismos citados anteriormente, como no pullout.

É visualizado no ferroelastic domain switching (zircônia tetragonal).


Nitreto de Silício -Si3N4


Rotor radial para um motor de turbina a gás. Wikipédia.

3. Nitreto de Silício - Si3N4

Estruturas

.

α-Si3N4

β-Si3N4



Características

• Boa resistência ao choque térmico

• Boa resistência a altas temperaturas

• Resistência à corrosão

• Alta dureza e resistência ao uso

• Boa Resistência química

• Boa Resistência à oxidação

• 40% da densidade das ligas metálicas para altas temperaturas.

• Baixo coeficiente de atrito..




Exemplo de microestrutura de cerâmicas de nitreto de silício.


Aplicações

• Válvulas para máquinas• Esferas e roldanas de rolamentos• Bicos para solda• Componentes de motores para

indústria automobilística e aeroespacial

• Ferramentas de Corte

.


Velas de ignição

Motor de carro

Ferramenta de corte

4. Tenacificação - Si3N4

Processamento

1. Nitretação direta.

2. Redução carbotérmica da sílica.

3. Decomposisão de imidas (percursores organometálicos).

4. Decomposisão química em fase vapor.

5. Processos alternativos (deposisão por plasma, método de ligação através de reação..)



Self-reinforced Si3N4- Hot-pressed Si3N4 foi tido como uma alta tenacidade a fratura (~5MPa.m^1/2)

em 1970 desconhecidamente.

- Foi sugerido que a alta tenacidade era resultado de uma microestrutura de grãos alongados.

- Os grãos alongados foram formados devido a fase liquida na sinterização pelo mecanismo de precipitação sólida.

- A fase alfa foi dissolvida no liquido e reprecipitados em forma acicular no resfriamento.



Self-reinforced Si3N4- O mecanismo atuante é crack deflection e bridging. Tenacidades mais altas

foram identificadas para grãos grandes e composições contendo alta grain boundary phase (~ fases no contornos)

- Formação de whiskers durante a sinterização – Ex: pirólise do haxafenil ciclo trisilazano em atmosfera de nitrogênio a 1400ºC

Si3N4 sinterizado, microestrutura fibrosa self-reinforced.



Si3N4 reinforced com SiC e Si3N4 whiskers

- No geral, os valores a temperatura ambiente não são melhores que self-reinforced Si3N4.

- Tem-se alta resistência em altas temperaturas e também resistência a fluência.



Si3N4 Crack Shielding - ZrO2

• Criação de uma zona de transformação martensítica pela adição de zircônia estabilizada.



Si3N4 – Alongamento de grãos

• Promover o crescimento anisotrópico dos grãos de β-Si3N4 a fim de

favorecer o seu alongamento → Desvio da Trinca (Impedimento).

• Adição de elementos de terras raras.


5. Questões

1. Do que depende a tenacificação de modo geral?


- Tamanho, forma e fração volumétrica da segunda fase. - Resistência e módulo de elasticidade da segunda fase. - Diferença de coeficiente de expansão térmica. - Força de ligação da matriz e segunda fase.

5. Questões

2. Quais as limitações dos mecanismos de tenacificação?


- Nem todos os mecanismos podem ser otimizados simultaneamente. - O alcançe de alta tenacidade pode requerer sacrifício de resistência. - Tenacidade a alta temperatura é limitada pela reatividade química e pela

perda de coeficiente de expansão térmica. - Número de sistemas particulas/matriz compatíveis é limitado.

5. Questões

3. Quais mecanismos de tenacificação serão induzidos no Self- reinforcement de Si3N4 e por quê?


- Ocorrerá a formação de whiskers na sinterização que promoverão o Crack deflection e Crack bridging.

6. Bibliografia

Richerson, D. W., Modern Ceramic Engineering: Properties, Processing and Use in Design, Marcel Dekker, Inc,1992.Globe Weigh. Disponível em: http://www.globeweigh.com/Mainfiles/concrete-weighbridges.htm Acesso em 08 de agosto de 2011.Meta Efficient. Disponível em: http://www.metaefficient.com/kitchen-products/corelle-durable-and-inexpensive.html Acesso em 08 de agosto de 2011.Lee, W. E., Rainforth, W. M., Ceramic Microstructures: Property Control By Processing, Chapman & Hall, 1994.Nitreto de Silício - Wikipédia, a enciclopédia livre. Disponível em http://pt.wikipedia.org/wiki/Nitreto_de_sil%C3%ADcio Acesso em 08 de agosto de 2011.http://www.mse.kth.se/student-info/0304/4H1505/F3.pdfhttp://www.scribd.com/doc/31561022/Dissertacao-Mestrado-Rodrigo-Mendes-Mesquitahttp://www.metallum.com.br/17cbecimat/resumos/17Cbecimat-102-018.pdfhttp://www.ysxbcn.com/upfile/soft/200961/2004-03-04.pdfhttp://www.princeton.edu/mae/people/faculty/soboyejo/research_group/research/thermo/http://www.ndt.net/article/remco/remco.htmhttp://wwwp.feb.unesp.br/lutt/Concreto%20Protendido/CP-vol1.pdf


http://www.globeweigh.com/Mainfiles/concrete-weighbridges.htm

http://www.metaefficient.com/kitchen-products/corelle-durable-and-inexpensive.html

http://pt.wikipedia.org/wiki/Nitreto_de_sil%C3%ADcio

http://www.mse.kth.se/student-info/0304/4H1505/F3.pdf

http://www.scribd.com/doc/31561022/Dissertacao-Mestrado-Rodrigo-Mendes-Mesquita

http://www.metallum.com.br/17cbecimat/resumos/17Cbecimat-102-018.pdf

http://www.ysxbcn.com/upfile/soft/200961/2004-03-04.pdf

http://www.princeton.edu/mae/people/faculty/soboyejo/research_group/research/thermo/

http://www.ndt.net/article/remco/remco.htm

http://wwwp.feb.unesp.br/lutt/Concreto%20Protendido/CP-vol1.pdf

Obrigado!


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