Ciencia dos Materiais 2016.2

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As estruturas e propriedades das cerâmicas
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO - EP - CCET
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Alexandre Farias
Marc Chevallier
Eduardo Carsaniga
Até cerca de 60 anos atrás >>> Cerâmicas tradicionais - Argila
Materiais inorgânicos e não metálicos
Compreensão da natureza fundamental desses materiais e dos fenômenos que 
ocorrem neles responsáveis por suas propriedades únicas >>>> Nova geração desses 
materiais.
Ligações interatômicas ou são totalmente iônicas ou são predominantemente 
A Estrutura e Propriedade das Cerâmicas
Introdução
Compostos por pelo menos dois elementos.
Suas estruturas cristalinas são, em geral, mais complexas que as dos metais.
Ligações atômicas podem ser puramente iônicas até totalmente covalentes, muitas cerâmicas exibem uma combinação desses dois tipos de ligações.
Estruturas Cerâmicas
A Estrutura e Propriedade das Cerâmicas
Magnitude da carga elétrica em cada um dos íons componentes.
Tamanho relativos dos Cátions e dos Ânions.
Se a razão rc/ra tem valor entre 0,155 e 0,225 , o número de coordenação para
o cátion é 3. Isso significa que cada cátion está envolvido por três ânions, na forma
de um triângulo equilátero plano.
A Estrutura e Propriedade das Cerâmicas
Influenciam a estrutura do cristal
Cerâmicas a base de Silicato
Exemplo de Estrutura
Defeitos Pontuais
Estrutura de defeitos: designar os tipos e concentrações de defeitos atômicos.
Eletroneutralidade: número iguais de cargas positivas e negativas.
Estequiometria: exatamente a razão exata entre cátions e ânions.
Materiais cerâmicos apresentam defeitos atômicos para cada espécie de íon...
Defeito de Frenkel: Cátion intersticial + lacuna catiônica
Defeito de Shottky: Lacuna aniônica + lacuna catiônica
Defeitos Pontuais
A eletroneutralidade da cerâmica tem como consequência defeitos que não ocorrem sozinhos...
Alta Dureza
Baixa tenacidade e baixa ductilidade
Características
Materiais Cerâmicos possuem uma aplicabilidade limitada em certos aspectos... 
Aplicações e Propriedades Mecânicas
Tradicionais
Freio Cerâmico
Ferramentas de Cortes
Bons isolantes térmicos e elétricos
Alto elevado ponto de fusão
Em geral são leves
Metal vs. Cerâmico
Vantagens
Desvantagens
São duras porém frágeis
Absorção de Energia
As cerâmicas quase sempre se fraturam antes de qualquer deformação plástica...
Aborção de Energia
Resiliência
As cerâmicas quase sempre se fraturam antes de qualquer deformação plástica...
Breve apresentação sobre mecânica da fratura e fratura frágil
https://www.youtube.com/watch?v=13khBpnpw5Q
https://www.youtube.com/watch?v=H49Amv2gp_k
Fratura Frágil 
=
Formação e propagação de trincas, na direção perpendicular à força
image de outro tipo de fratura
As resistências dos materiais são inferiores àquelas estimadas pela teoria...
Existências pequenos defeitos
e
Fatores de Concentração de tensão
Forças uniformemente distribuídas. Quando há trinca a resistência a fratura real diminui
.
Impede de Fazer ensaio de Tração
-dificil de fazer
-quebra muito fácil (pior em peças maiores)
Cerâmicas Cristalinas
A deformação plástica das cerâmicas ocorre através do movimento das discordâncias...
Uma razão para a dureza desses materiais é a dificuldade de escorregamento.
A dificuldade de escorregamento é um sinômimo de movimento das discordâncias, que significa A, B ,C
Pelo escorregamento de ions em direcões do plano cristalográfico, pelos quais as discordâncias podem se mover, os ions de mesma carga são colocados uns mais próximos aos outros devido à repulsão eletrostática.
Essa modalidade de escorregamento é muito restrita!
Isso não é um problemas dos metais, umas vez que todos os átomos são “neutros”
Cerâmicas não Cristalinas
A deformação nas cerâmicas não cristalinas, não ocorre pelas discordâncias, devido à estrutura atômica regular
Priedades do Escoamento Viscoso
Definicão escoamento viscoso
Material Cerâmico Cristalino
Material Cerâmico não Cristalino
Deformação plástica se dá como nos metais: através do movimento das discordâncias
Existem poucos sistemas de escorregamentos
Se deformam através de um escoamento viscoso
Exemplo de material não cristalino: Vidro
Outras Considerações Mecânicas Diversas
Dureza
Fluência
Aplicações e Processa
Resumo
Vidros
Vidros
Vidros
O vidro poderia ser feito apenas com sílica, carbonato de sódio e calor, conforme a equação química abaixo:
Na2CO3 + SiO2 Δ Na2SiO3 + CO2
Δ = calor
A adição de cálcio a esse produto torna o vidro mais duro.
Produção de Vidros
Produção de Vidros
Mais recentemente, com a melhor compreensão de vários processos químicos foi possível produzir matérias-primas mais puras para a indústria vidreira, e a introdução de processos mecânicos nas indústrias, ao final do século XIX, aumentou ainda mais a produção de artefatos de vidro. Os seus preços reduziram acentuadamente e deixaram de ser exclusivamente artigos de luxo. Obviamente, sempre foram e continuarão sendo confeccionadas peças de vidro por artesãos que são verdadeiras obras de arte, cujos preços são acessíveis a um número limitado de pessoas aficcionadas.
Produção de Vidros
A invenção de fornos contínuos, que só param para manutenção, e do vidro plano flotado deram novo impulso à industria vidreira. Os vidros planos atuais têm um elevado grau de planicidade como conseqüência do processo de produção. Este processo consiste em fazer a chapa de vidro laminado, ainda muito quente, mas com uma viscosidade maior, passar flutuando sobre a superfície de estanho fundido, num formo intermediário. Depois de resfriado, ao final da linha de produção, as chapas de vidro são cortadas e acondicionadas para transporte. Este processo, denominado de “flotagem”, foi patenteado pelos irmãos Pilkington, em 1959, na Inglaterra. O vidro obtido por este processo é denominado “vidro float”, ou “vidro flotado” O termo “float” vem do inglês, e significa flutuar, boiar.
Produção de Vidros
Produção de Vidros
- Videos
- Vidros laminados
- Garrafas de vidro
Produção de Vidros
Além do aspecto estético, podem reduzir o consumo energético de uma construção – reduz a energia radiante transmitida pelo sol, absorvendo-a no corpo do vidro. Essa energia absorvida é, então, reirradiada pelo vidro, com a maior parte normalmente fluindo para a parte externa da construção.
Nestes vidro há o acréscimo de óxidos metálicos na massa de vidro. A depender do óxido o vidro pode adquirir as cores verde, azul, cinza, e bronze.
Vidros Coloridos (termoabsorventes)
Cobre 	Cu +² Azul claro
Crômio 	Cr +³ Verde 
 	Cr +6 Amarelo
Manganês 	Mn +³ Violeta
 	Mn +4 Preto
Ferro 	Fe +³ Marrom-amarelado
 	Fe +² Verde-azulado
Cobalto 	Co +² Azul intenso ou rosa
 	Co +³ Verde
Vidros Coloridos (termoabsorventes)
Reduz a energia radiante transmitida pelo sol, refletindo-a para o meio externo. São fabricados aplicando-se na superfície uma camada de metal ou óxido metálico, suficientemente para ser transparente.
Vidros Termorefletores
Este tipo desenvolveu-se em função dos grandes avanços da indústria automobilística para conferir maior segurança aos usuários.
No Brasil, a NB-226 (NBR-7199) estabelece a obrigatoriedade nos casos:
Balaustradas, parapeitos, sacadas, vidraças sobre passagens, claraboias, telhados, vitrines.
Vidros de Segurança
Tratamento térmico dos vidros
Um material amorfo ou um vidro podem adquirir uma estrutura atômica ordenada através de sucessivos tratamentos térmicos. Um tratamento térmico controlado pode resultar na cristalização do vidro. 
A cristalização controlada de vidros envolve duas etapas: 
nucleação e crescimento cristalino. Na nucleação pequenos núcleos cristalinos são formados, enquanto que no 
processo de crescimento,
que pode ocorrer em outra temperatura, esses núcleos crescem. 
Assim controlando o tempo na temperatura de nucleação pode-se controlar o número de cristais. 
Já controlando o tempo de tratamento na temperatura de crescimento pode-se controlar o tamanho dos grãos cristalinos e a fração da fase cristalina.
Tratamento térmico dos vidros
Recozimento
Tempera
Vidros de segurança
São de 3 tipos:
Temperados;
Laminados;
Aramados.
Vidros de segurança: Temperados
Possuem resistência aumentada pela têmpera (processo de aquecimento a uma temperatura crítica e depois resfriá-lo rapidamente). No vidro, a têmpera produz um sistema de tensões que aumenta a resistência, induzindo a tensões de compressão na sua superfície.
Vidros de segurança: Laminados
Consiste em duas ou mais lâminas de vidro fortemente interligadas, sob calor e pressão, por uma ou mais camadas de polivinil butiral – PVB, resina muito resistente e flexível.
Vidros de segurança: Laminados
Permite filtrar raios UV e controle acústico.
Vidros de segurança: Aramados
Argila
A argila é um material proveniente da decomposição, durante milhões de anos, das rochas feldspáticas, muito abundantes na crosta terrestre. 
O mineral básico das argilas é a caolinita. A argila é um silicato de alumínio hidratado, composto por alumínio (óxido de alumínio), sílica ( óxido de silício ) e água. Uma partícula de argila é formada por uma molécula de alumínio - que contém dois átomos de alumínio e três de oxigênio, duas moléculas de sílica - que contém um átomo de silício e dois de oxigênio, e duas moléculas de água - com dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio.
Vídeo de processo de fabricação de Cerâmica a partir de argila – Telecurso 
Refratários
Capacidade de resistir a temperaturas elevadas sem se fundir ou decompor;
Capacidade de permanecer inerte quando exposto a ambiente severo.
Argilas refratarias
Vidros refratários
Argila – Fundição por suspensão
Refratários
Vidros
O vidro é feito de uma mistura de matérias-primas naturais. Não pode ser considerado um sólido nem um líquido e sim um compromisso dos dois: um líquido super-resfriado. Quando sua estrutura atômica é analisada pelo raio X, não se encontra o ordenamento regular próprio dos sólidos. Sua estrutura é mais parecida com um arranjo aleatório de um líquido, o que ele realmente é, mas um líquido resfriado abaixo de seu ponto de congelamento.
Cimentos
Característica: quando misturados a água forma uma pasta que, em seguida, endurece;