FALHA E PROPRIEDADES DAS CERAMICAS

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CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
Prof. Hairton 
hairtonsousa@hotmail.com 
 
 
FALHA 
 INTRODUÇÃO 
 A falha de materiais de engenharia é quase sempre um evento 
indesejável por várias razões; estas incluem vidas humanas que 
são postas em risco, perdas econômicas, etc... 
 
 As causas usuais de falhas são seleção e processamento 
impróprios de materiais e inadequado projeto do componente 
ou seu mau uso. 
 
 É responsabilidade do engenheiro antecipar-se e planejar-se 
para possível falha e, na eventualidade da ocorrência da 
falha, acessar sua causa e a seguir tomar medidas preven-
tivas apropriadas contra incidentes futuros. 
 
FALHA 
 FUNDAMENTOS DA FRATURA 
 
 Fratura simples é a separação de um corpo em 2 ou mais 
peças em resposta a uma tensão imposta que é estática (isto é, 
constante ou variando lentamente com o tempo) e em 
temperaturas que são baixas relativamente à temperatura de 
fusão do material. 
 
 Para materiais de engenharia, 2 modos de fratura são 
possíveis: dúcteis e frágeis. 
 
 A classificação baseia-se na capacidade de um material 
experimentar deformação plástica. 
 
 
FALHA 
 FUNDAMENTOS DA FRATURA 
 
 Materiais dúcteis tipicamente exibem substancial deformação 
plástica com alta absorção de energia antes da fratura. 
 Por outro lado, existe normalmente pouca ou nenhuma 
deformação com baixa absorção de energia acompanhando 
uma fratura frágil. 
 Qualquer processo de fratura envolve 2 etapas - formação da 
trinca e sua propagação - em resposta a uma tensão imposta. 
 O modo de fratura depende grandemente do mecanismo de 
propagação. 
 
FALHA 
 FUNDAMENTOS DA FRATURA 
 
 Fratura dúctil é altamente dependente do mecanismo de 
propagação de trinca. 
 
 É caracterizada por uma extensa deformação plástica na 
vizinhança de uma trinca que avança. 
 
 O processo ocorre de uma maneira relativamente lenta à 
medida em que o comprimento da trinca é estendido. 
 
 Diz-se que uma tal trinca é estável. Isto é, ela resiste a uma 
adicional extensão a menos que exista um aumento na tensão 
aplicada. 
 
FALHA 
 FUNDAMENTOS DA FRATURA 
 
 Na fratura frágil, trincas podem se espalhar de maneira 
extremamente rápida, com muito pouca deformação plástica 
acompanhante. 
 
 Pode-se dizer que tais trincas são instáveis e propagação da 
trinca, uma vez iniciada, continuará espontaneamente sem um 
aumento na magnitude da tensão aplicada. 
 
FALHA 
 FUNDAMENTOS DA FRATURA 
 
(a) Uma fratura altamente dúctil na qual a amostra tem seu pescoço final 
reduzido a um ponto. 
 
(b) Fratura moderadamente dúctil após a formação de algum pescoço. 
 
(c) Fratura frágil sem nenhuma deformação plástica. 
FALHA 
 FRATURA DUCTIL 
 
 A configuração mostrada na Figura (a) é encontrada em 
materiais extremamente macios, tais como ouro puro e chumbo 
puro à temperatura ambiente e em outros metais, polímeros e 
vidros inorgânicos em temperaturas elevadas. 
 
 
 
FALHA 
 FRATURA DUCTIL 
 
 O pescoço destes materiais altamente dúcteis diminui 
continuamente até chegar a um único ponto, mostrando 
virtualmente 100% de redução de área. 
 
 
FALHA 
 FRATURA DUCTIL 
 
 O tipo mais comum de perfil de fratura de tração para metais 
dúcteis é aquele representado na Figura (b), cuja fratura é 
precedida por somente uma moderada quantidade de 
empescoçamento. 
 
FALHA 
 FRATURA DUCTIL 
 
• Estágios na fratura em taça-e-cone: 
 
(a) Empescoçamento inicial. 
 
(b) Formação de pequena cavidade (micro 
vazios). 
 
(c) Coalescência (união) de cavidades para 
formar uma trinca. 
 
(d) Propagação de trinca. 
 
(e) Fratura cisalhante final num ângulo de 45° 
em relação à direção da tensão. 
FALHA 
 FRATURA DUCTIL 
 
(a) Fratura em taça-e-cone em alumínio. 
(b) Fratura frágil em aço doce. 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
MATERIAIS CERÂMICOS 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 FRATURA FRÁGIL DAS CERÂMICAS 
 As propriedades mecânicas das cerâmicas são, em muitos 
aspectos, inferiores às dos metais. 
 
 Principal desvantagem: Disposição à fratura catastrófica de 
uma maneira frágil, com pouca absorção de energia. 
 
 À temperatura ambiente, tanto as cerâmicas cristalinas como 
as não-cristalinas quase sempre fraturam antes que qualquer 
deformação plástica possa ocorrer em resposta à aplicação 
de uma carga de tração. 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 FRATURA FRÁGIL DAS CERÂMICAS 
 
 
 
• Comportamento típico tensão-
deformação até a fratura para 
o óxido de alumínio (cristalino) 
e vidro (amorfo). 
(Discordâncias) 
(Escoamento viscoso) 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 FRATURA FRÁGIL DAS CERÂMICAS 
 O processo de fratura frágil consiste na formação e na 
propagação de trincas através da seção reta do material em 
uma direção perpendicular à carga aplicada. 
 
 O crescimento da trinca em cerâmicas cristalinas se dá 
geralmente através dos grãos (transgranular) e ao longo de 
planos cristalográficos específicos, planos de elevada 
densidade atômica. 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 FRATURA FRÁGIL DAS CERÂMICAS 
Ferro fundido nodular 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 FRATURA FRÁGIL DAS CERÂMICAS 
 As resistências à fratura medidas para os materiais cerâmicos 
são inferiores àquelas estimadas pela teoria a partir das 
forças de ligação interatômicas. 
 
 Isso pode ser explicado pela existência de defeitos muito 
pequenos e onipresentes no material, os quais servem como 
fatores de concentração de tensões (pequenas trincas de 
superfície ou internas, poros internos e arestas de grãos). 
 
 Estes são pontos onde a magnitude de uma tensão de tração 
que é aplicada é amplificada. 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 FRATURA FRÁGIL DAS CERÂMICAS 
O grau de amplificação da ten-
são depende do comprimento da 
trinca e do raio de curvatura da 
extremidade da trinca, sendo 
maior no caso de defeitos longos 
e pontiagudos. 
 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 FRATURA FRÁGIL DAS CERÂMICAS 
A medida da habilidade de um 
material cerâmico em resistir à 
fratura quando uma trinca está 
presente é especificada em termos 
da tenacidade à fratura. 
 
 
 
Y= Parâmetro (adimensional) que 
depende da amostra e da 
geometria da trinca. 
IcK Y a 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 FRATURA FRÁGIL DAS CERÂMICAS 
A medida da habilidade de um 
material cerâmico em resistir à 
fratura quando uma trinca está 
presente é especificada em termos 
da tenacidade à fratura. 
 
 
 
σ= Tensão aplicada; 
a= Comprimento de uma trinca de 
superfície, ou ½ do de uma trinca 
interna. 
IcK Y a 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 FRATURA FRÁGIL DAS CERÂMICAS 
A propagação de uma trinca não 
irá ocorrer enquanto o lado direito 
da equação for inferior à 
tenacidade à fratura em defor-
mação plana do material. 
 
 
 
σ= Tensão aplicada; 
a= Comprimento de uma trinca de 
superfície, ou ½ do de uma trinca 
interna. 
IcK Y a 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 FRATURA FRÁGIL DAS CERÂMICAS 
Os valores de tenacidade à fra-
tura em deformação plana para os 
materiais cerâmicos são menores 
do que aqueles apresentados pe-
los metais. 
 
 
 
σ= Tensão aplicada; 
a= Comprimento de uma trinca de 
superfície, ou ½ do de uma trinca 
interna. 
IcK Y a 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 Comportamento Tensão-Deformação 
 RESISTÊNCIA À FLEXÃO 
 O comportamento tensão-deformação de cerâmicas frágeis 
NÃO é em geral avaliado através de um ensaio de tração 
portrês razões: 
1. É difícil preparar e testar amostras que possuem a 
geometria exigida; 
2. É difícil prender materiais frágeis sem fraturá-los; 
3. As cerâmicas falham após uma deformação de 0,1%, que 
exige que os corpos de prova de tração estejam 
perfeitamente alinhados, com o objetivo de evitar a 
presença de tensões de dobramento e flexão, as quais não 
são facilmente calculadas. 
 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 Comportamento Tensão-Deformação 
 RESISTÊNCIA À FLEXÃO 
 => é empregado um ensaio de flexão transversal. 
 Nesse ensaio um corpo de prova na forma de uma barra, 
com seção reta circular ou retangular, é flexionado até a sua 
fratura, utilizando uma técnica de carregamento em 3 ou em 
4 pontos. 
 A tensão no momento da fratura quando se emprega esse 
ensaio de flexão é conhecido por resistência à flexão, módulo 
de ruptura ou resistência à fratura e consiste em um 
importante parâmetro mecânico para os materiais cerâmicos 
frágeis. 
 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 Comportamento Tensão-Deformação 
 RESISTÊNCIA À FLEXÃO 
 
 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 Comportamento Tensão-Deformação 
 RESISTÊNCIA À FLEXÃO 
 O ensaio de flexão é um substituto para o ensaio de tração: 
 
1. os limites de resistência à tração dos materiais cerâmicos 
equivalem a aproximadamente 1/10 das suas resistências 
à compressão; 
 
2. a fratura ocorre na face do corpo de prova que está 
submetida a tração. 
 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 Comportamento Tensão-Deformação 
 RESISTÊNCIA À FLEXÃO 
 Comparação entre a resistência à tração e à compressão da 
alumina. 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 Comportamento Tensão-Deformação 
 COMPORTAMENTO ELÁSTICO 
 
 Semelhante aos resultados apresentados pelos ensaios de 
tração realizados com metais. 
 
 A faixa para os módulos de elasticidade para os materiais 
cerâmicos encontra-se entre aproximadamente 70 e 500 GPa 
sendo ligeiramente maior do que para os metais. 
 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 Mecanismos da Deformação Plástica 
 CERÂMICAS CRISTALINAS 
 Ocorre através da movimentação das discordâncias. 
 Uma razão para a dureza e a fragilidade desses materiais é 
a dificuldade de escorregamento das discordâncias. 
 Ligação predominantemente iônica: 
 Existem muito poucos sistemas de escorregamento em consequência 
da natureza eletricamente carregada dos íons. 
 Para o escorregamento em algumas direções, os íons de mesma 
carga são colocados próximos uns aos outros. 
 Devido a repulsão eletrostática essa modalidade de 
escorregamento é muito restrita. 
 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 Mecanismos da Deformação Plástica 
 CERÂMICAS CRISTALINAS 
 Ocorre através da movimentação das discordâncias. 
 Uma razão para a dureza e a fragilidade desses materiais é 
a dificuldade de escorregamento das discordâncias. 
 Ligação altamente covalente: 
 As ligações covalentes são relativamente fortes. 
 
 Existe um numero limitado de sistemas de escorregamento. 
 
 As estruturas das discordâncias são complexas. 
 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 Mecanismos da Deformação Plástica 
 CERÂMICAS CRISTALINAS 
 
 
• Comportamento típico tensão-
deformação até a fratura para 
o óxido de alumínio (cristalino) 
e vidro (amorfo). 
(Discordâncias) 
(Escoamento viscoso) 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 Mecanismos da Deformação Plástica 
 CERÂMICAS NÃO-CRISTALINAS 
 A deformação plástica NÃO ocorre por movimentação de 
discordâncias pois não existe uma estrutura atômica regular. 
 Ocorre por escoamento viscoso, maneira segundo a qual os 
líquidos se deformam. 
 A taxa de deformação é proporcional à tensão aplicada. 
 Em resposta a aplicação de uma tensão de cisalhamento, os 
átomos ou íons deslizam uns sobre os outros através da 
quebra e da reconstrução de ligações interatômicas. 
 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 Mecanismos da Deformação Plástica 
 CERÂMICAS NÃO-CRISTALINAS 
 Não existe uma maneira ou direção predeterminada segundo 
a qual esse fenômeno ocorre, como é o caso para as 
discordâncias. 
 A propriedade característica para um escoamento viscoso, a 
VISCOSIDADE, representa uma medida da resistência à 
deformação de um material não cristalino. 
 Os líquidos possuem viscosidade relativamente baixas. 
 Os vidros possuem viscosidades extremamente elevadas à 
temperatura ambiente, o que é causado pelas fortes ligações 
interatômicas. 
 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 Considerações Mecânicas Diversas 
 INFLUÊNCIA DA POROSIDADE 
 
 Para algumas técnicas de fabricação de materiais cerâmicos 
o material de origem encontra-se na forma de pó. 
 
 Após a compactação ou conformação dessas partículas, 
existirão poros ou espaços vazios entre as partículas do pó. 
 
 Durante tratamento térmico posterior, a maior parte da 
porosidade será eliminada, mas poderá ser incompleto e 
alguma porosidade residual irá permanecer... 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 Considerações Mecânicas Diversas 
 INFLUÊNCIA DA POROSIDADE 
 
 Qualquer porosidade residual terá influência negativa tanto 
sobre as propriedades elásticas como sobre a resistência. 
 
 A porosidade exerce um efeito negativo sobre a resistência à 
flexão por dois motivos: 
 
1. Os poros reduzem a área da seção reta através da qual 
uma carga é aplicada. 
 
2. Atuam como concentradores de tensões. 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 Considerações Mecânicas Diversas 
 INFLUÊNCIA DA POROSIDADE 
• Micrografias MEV das superfícies das amostras sinterizadas a 1350°C 
(a), e1500°C (b). 
• Observa-se aumento do tamanho de grão e redução da porosidade a 
medida que a temperatura de sinterização aumenta. 
A B 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 Considerações Mecânicas Diversas 
 INFLUÊNCIA DA POROSIDADE 
• Micrografias de MEV das superfícies das amostras sinterizadas a 
1600 °C (a), e1700 °C (b). 
• Observa-se aumento do tamanho de grão e redução da porosidade a 
medida que a temperatura de sinterização aumenta. 
C D 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 INFLUÊNCIA DA POROSIDADE 
 
 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 INFLUÊNCIA DA POROSIDADE 
 
 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 AULA REFERENTE AO CAPÍTULO 8 DO LIVRO 
 LEIA E ANOTE AS DÚVIDAS