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PROPRIEDADES MECANICAS

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1. Quais são os fatores que afetam a resistência mecânica de um cerâmico. 
Escolha dois deles e apresente argumentos que justifiquem sua influência nas 
propriedades mecânicas do material cerâmico. 
 
Os fatores que afetam a resistência mecânica das cerâmicas são: módulo de 
elasticidade, tamanho de grão, presença e tamanho de defeitos, tais como 
poros, trincas, inclusões. 
1. Módulo de elasticidade: cerâmicas são materiais predominantemente frágeis, 
ou seja, não se deformam plasticamente antes de romper. Portanto, sua 
resistência mecânica depende, além de outros fatores, do quanto elas podem se 
deformar elasticamente, característica esta, determinada pelo seu módulo de 
elasticidade. O módulo de elasticidade depende da força de ligação entre os 
átomos, quanto maior a força de ligação, maior o módulo de elasticidade, e 
maior é a rigidez do material. 
2. Presença de defeitos: trincas ou poros são amplificadores de tensão. Nas 
proximidades dos poros e trincas, principalmente nas partes mais encurvadas 
destes defeitos (como as pontas das trincas), a tensão pode alcançar valores 
várias vezes superiores ao valor da tensão externa aplicada. A ampliação da 
tensão ocorre porque as paredes da trinca agem como alavancas, de forma que 
no ponto de encontro das paredes da trinca (na ponta da trinca) a tensão é 
muito elevada. 
 
 
 2. Qual a diferença entre tenacidade e tenacidade a fratura? Podemos inferir 
indistintamente uma ou outra para caracterizar qualquer material? Justifique. 
 
Tenacidade é a propriedade que mede a capacidade de um material 
absorver energia até a sua fratura. Já a tenacidade a fratura é uma propriedade 
indicativa da resistência do material a fratura quando este possuir uma trinca. 
 
3. Em que condições pode se verificar deformação plástica em materiais 
cerâmicos? Escolha uma delas para explicar detalhadamente. 
Os materiais cerâmicos em geral não apresentam mecanismos de absorção de 
energia, como, por exemplo, deslocamento de planos ou discordâncias, o que 
faz com que estes não apresentem deformação plástica. A deformação plástica 
pode, portanto, ser observada em condições de criação de mecanismos que 
favoreçam essa absorção de energia nos cerâmicos ou o impedimento de 
propagação das trincas. 
Exemplo de mecanismo: Al2O3 e ZrO2. O aparecimento de microtrincas pode ser 
induzido pela incorporação de partículas de ZrO2 numa matriz cerâmica 
(alumina), que pode gerar microtrincamento. A presença de microtrincas pode 
desviar uma trinca crítica que se propaga quando o corpo cerâmico é submetido 
a uma carga, dissipando a energia e aumentando a tenacidade do material. Isso 
pode ser observado para uma matriz de Al2O3 com partículas de ZrO2 dispersas, 
que apresenta uma microestrutura muito efetiva no aumento da tenacidade e 
energia de fratura. 
 
 
4. A capacidade de um material cerâmico para resistir ao crescimento de uma 
trinca depende de vários fatores, cite e explique-os. 
Fatores: 
- Diminuição da porosidade: a porosidade é um concentrador de tensão que 
diminui a área da seção transversal que suporta a carga e, portanto, sua 
diminuição aumenta a resistência do material cerâmico à fratura; 
- Diminuição do tamanho de grão: o tamanho da falha crítica se aproxima do 
maior grão, o que, portanto, sugere que tamanho de grãos menores, terão 
trincas menores e que poderão não levar à falha do material (NÃO TENHO 
CERTEZA!). 
- Acréscimo de uma segunda fase: um material com mais de uma fase pode 
promover a geração de microtrincas radiais que barram a propagação de trincas 
maiores que podem levar o material à ruptura (TAMBÉM NÃO TENHO MUITA 
CERTEZA, PORQUE É PRATICAMENTE IGUAL À EXPLICAÇÃO PRA 
MICROTRINCAMENTO!); 
- Microtrincamento: a formação de microtrincas pode “consumir” a energia que 
iria favorecer a propagação de uma trinca de tamanho crítico, que seria capaz 
de promover a ruptura do material. 
 
- Presença de fase vítrea: a fase vítrea preenche os espaços vazios durante a 
sinterização da cerâmica, o que, em certas quantidades, diminui a quantidade de 
poros e aumenta a resistência mecânica do material. 
 
- Aumento de temperatura: em temperaturas elevadas a distância interatômica 
aumenta e a força de ligação entre átomos diminui, diminuindo também as 
barreiras de energia que impedem o movimento das discordâncias. 
 
5. Uma placa cerâmica, usada em um reator nuclear, tem uma tenacidade à 
fratura de 80.000 psi√𝑖𝑛 . Esta placa é exposta a uma tensão de 45.000 psi 
durante uma sistuação de serviço. Crie um procedimento de teste ou inspeção 
capaz de detectar uma rachadura na aresta da placa antes da trinca se tornar 
susceptível a um crescimento em taxa catastrófica. Assuma f = 1,12. 
 
 
6. Explique o significado da distribuição de Weibull. Em que situação ela é 
aplicada e por que ela é mais adequada na situação apresentada? 
 
Os valores de resistência mecânica, apresentados em tabelas, que serão usados 
para a escolha do material para determinada aplicação, são na verdade valores 
médios de uma série de medições individuais. Os valores desta série 
apresentam sempre uma dispersão. Esta dispersão deve ser considerada ao se 
escolher o material a ser usado para confecção do componente. Para metais, a 
dispersão dos valores é pequena e não é problema para o projetista, mas para 
os materiais cerâmicos a dispersão é muito maior e constitui um problema para 
a escolha do material. 
O tratamento estatístico dos valores medidos é feito com base na distribuição 
estatística de Weibull, que descreve a probabilidade do material falhar quando 
submetido a um dado nível de tensão. 
 
7. A alumina pode ser confeccionada em diversas formas, discos e fibras são 
exemplos típicos. O módulo elástico em ambos os casos é o mesmo, mas é 
esperado que a resistência mecânica entre eles seja diferente? Justifique. 
 
Não, amostras maiores apresentam resistência mecânica inferior. Sabe-se que a 
resistência mecânica de corpos cerâmicos está relacionada à presença e 
tamanhos de defeitos. Griffith relacionou o tamanho e geometria dos defeitos a 
um fator de amplificação da tensão. Quanto maior este fator de ampliação, mais 
efetivo seria este defeito para provocar a fratura do material. Então propôs que 
a resistência do material frágil seria dependente da probabilidade de existir 
defeitos estruturais com altos fatores de amplificação da tensão. Por esta razão, 
corpos cerâmicos grandes exibem, em média, resistência mecânica inferior a 
corpos cerâmicos menores, pois, para corpos mais volumosos, a probabilidade 
de se encontrar defeitos mais críticos (com maior fator de ampliação de tensão) 
é maior. 
Por exemplo, as fibras de materiais cerâmicos são, em geral, usados como fase 
de reforço em compósitos por possuírem alta resistência mecânica. Isto se deve 
ao fato que fibras são tão finas que a probabilidade de apresentarem trincas, 
poros ou falhas de superfície é pequena 
 
8. Descreva as idéias básicas do conceito de Griffiith, incluindo as equações 
relevantes. 
 
O conceito de Griffith foi formulado para justificar a discrepância entre os 
resultados obtidos para resistência mecânica teórica e resistência mecânica real 
dos materiais frágeis, sugerindo que falhas internas ou superficiais atuam como 
amplificadores de tensão e que a separação das superfícies ocorre 
sequencialmente ao invés de simultaneamente (as ligações não rompem todas 
de uma vez). 
O critério determinado por ele para a determinação da tensão necessária para 
propagar uma trinca é: 
 
9. Os modos de carregamento mecânico estão associados a um fator de 
intensidade de tensão específico. Quais são eles? Qual o mais importante e por 
quê? 
 
 Os modos de carregamento são:tração (abertura da trinca), cisalhamento 
entre as pontas da trinca (escorregamento) e torção (rasgamento). O mais 
importante é o de tração, pois é o modo que promove diretamente a abertura da 
trinca e, portanto, o mais crítico. Caso o material apresente resistência a esse 
modo de carregamento, consequentemente, irá apresentar resistência aos 
outros. 
 
10. Existem várias maneiras em que uma trinca vai interagir com a 
microestrutura de um material cerâmico. Algumas interações podem ser utilizadas 
para aumentar a resistência à fratura dos materiais cerâmicos. Cite-as. 
 
- Forma e distribuição de fases; 
- Diminuição do tamanho de grão; 
 
 
11. Ensaios de flexão em peças de um material cerâmico produziram os 
resultados listados abaixo. Construa o gráfico de probabilidade acumulada de 
falha e o diagrama de Weibull. Com estes gráficos, determine o módulo de 
Weibull, a tensão mínima para causar a falha no material e a tensão de referência. 
 
Tensão de Ruptura (MPa) 
20 30 57 56 
16 119 42 96 
24 46 91 11 
56 12 79 85 
34 50 51 37 
33 46 67 80 
 
12. Explique como é a influência da porosidade sobre a resistência mecânica de 
um material cerâmico. 
A presença de poros em um material cerâmico é um concentrador de tensão e 
também representa uma área de descontinuidade do material, que faz com que 
sua resistência mecânica diminua, em razão da diminuição da área que suporta a 
carga. 
Quanto maior é o defeito, maior é a amplificação de tensão, portanto maior a 
probabilidade de ocorrer a falha naquele ponto. 
 
13- Qual analogia que pode ser feita entre propriedades mecânicas e 
ferromagnéticas de material. 
Existe, materiais metálicos que são mecanicamente duros também são 
magneticamente duros, sendo o oposto também validado. As tensões residuais 
de um material endurecido evitam a redistribuição ao acaso dos domínios. 
 
14- Qual a relação entre resistência ao choque térmico e as propriedades 
mecânicas de um material. 
 
1- Defina tenacidade e explique como é possível determinar esta propriedade 
para um material? 
2- Os materiais cerâmicos são caracterizados pela alta resistência ao 
cisalhamento e baixa resistência à tração. Conseqüentemente não apresentam 
fratura dúctil. Do ponto de vista atômico, como pode ser explicada esta 
característica? 
3- Um compósito cuja matriz é a alumina pode ser mais tenaz com a adição de 
ZrO2. Explique como isto pode acontecer. RESPOSTA : 
Uma prática comum é a inserção de partículas de zircônia estabilizada (fase 
tetragonal) em matrizes de alumina (Al2O3) ou zircônia (ZrO2). Quanto uma 
trinca inicia sua propagação através da matriz, ao atingir as partículas 
adquirem energia para transformarem-se em uma fase mais 
estável,(monoclínica), aumentando o estado de compressão na ponta da 
trinca. Ocorre, assim, a interrupção da propagação do defeito. 
4- Teoricamente um material cerâmico tem um limite de resistência elevado. Na 
prática, entretanto, isto não é observado. Por quê? 
Resposta: 3- Resp: Freqüentemente o limite de resistência não é muito alto pois 
estes materiais, normalmente apresentam irregularidades do tipo fissura, poro, 
contorno de grão ou mesmo um canto vivo. Estes produzem ou induzem a 
concentração de tensões no material cerâmico devido a ausência de ductilidade, 
levando-o à ruptura.

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