Comportamento mecânico dos materiais cerâmicos

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Comportamento mecânico dos materiais cerâmicos
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Os materiais cerâmicos cristalinos não apresentam deformação plástica em baixas temperaturas
Desta forma, em baixas temperaturas, o único tipo de deformação é elástica.
Assim essa deformação assume uma importância maior já que é a única que ocorre, e permite cálculos simples
E= σ/ε, como as ligações são fortes os módulos de elasticidade são altos.
Resistência teórica = a 1/10 a 1/5 do valor de E. 
Desta forma o Al2O3 onde E=380.000 MPa teria resist. teórica de 39.000 a 76.000 MPa 
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Na forma de fibras onde a possibilidade de defeitos é reduzida pois se tem apenas uma dimensão os valores se aproximam da resistência teórica 
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Fatores que modificam o Módulo de Elasticidade
No entanto valor encontrado é muito inferior ao valor teórico.
Motivo: Falhas e defeitos internos como poros, vazios, microtrincas que atuam como concentradores de tensão, reduzindo a resistência teórica.
A porosidade altera o valor de E, E= Eo(1-1.9P+0,9P2)
Quando se tratar de misturas cerâmicas ou de compósitos (metal duro pex.) E=E1V1+E2V2
Onde E1,2 Modulo dos componentes e V1,2 fração volumétrica dos componentes
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Influência da porosidade sobre o módulo de elasticidade do óxido de alumínio a temperatura ambiente 
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 Cerâmicos apresentam maior resistência a compressão (tendem a fechar os defeitos) que a tração (tendem a abrir os defeitos)
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Comparação entre a resistência a tração e a compressão da alumina 
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Coeficiente de POISSON: Indica a variação das dimensões nas direções perpendiculares à deformação imposta pela tensão externa aplicada
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Influência dos defeitos
Tenacidade a fratura: A concentração de tensões na ponta da fissura pode ser indicado em termos do Fator de Intensidade de tensões KI
Para uma peça de tamanho infinito KI= σ√πc onde σ é a tensão externa e c é o tamanho da falha (div. Por 2 se interna)
Para uma peça finita: KI= σY√ πc onde Y é o fator de forma
KIC= Fator de intensidade de tensões crítico. Fator que faz determinada falha propagar de forma instável conduzindo à fratura. 
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Valores de KIC para alguns materiais metálicos cerâmicos e poliméricos
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A resistência real de um cerâmico é bem inferior a resistência teórica, que é a necessária para romper a ligação química entre dois átomos
Resistência teórica: 
σt= (Eγ/ao)1/2 onde E-
Módulo de Elasticidade, ao - espaço interatômico, γ - energia superficial (energia necessária para gerar as superfícies da fissura ou fratura) 
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Aumento da tensão externa por defeitos internos
Fator concentrador de tensões:
Kt =σm/ σo = 2(c/ρ)1/2 onde σm – é a tensão máxima na falha, σo – é a tensão externa aplicada, c- comprimento da maior dimensão da falha, ρ – raio de curvatura da ponta do defeito
Desta forma se ρ=2Å (para materiais frágeis - espaçamento interatômico)
E para um defeito de tamanho de 170 μm ...
Kt será de 1840 vezes.
Ou seja a tensão externa será multiplicada por 1840 vezes na ponta desse defeito
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Segundo Evans e Tappin 
σf=z/y(2Eγ/c)1/2 
Onde: c-comprimento da maior dimensão da falha.
 σf – tensão de fratura
y- termo adimensional que depende da geometria do corpo de prova (em geral entre 1,77-falha interna e 2,0-falha superficial)
Z – Depende da configuração da falha (valor entre 1,0 e 2,0 – GRÁFICO)
γ-energia gasta para criar as faces da fratura(energia de superfície) 
E módulo de elasticidade
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Problema ilustrativo
Foi detectado pelo MEV. (Microscópio Eletrônico de Varredura) o defeito causador (provavelmente o maior defeito, ver slide posterior) da ruptura de um componente de nitreto de silício Si3N4. Calcule a tensão de fratura aproximada, usando a fórmula de Evans e Tappin , sabendo que: 
E= 219 000 MPa ou 219x109 N/m2
y= 2 e γ = 11,9 J/m2 
Do gráfico do slide anterior z= 1,68 (dimensões do poro l=150 μm e c=100 μm)
σf=z/y(2Eγ/c)1/2 
σf=1,68/2(2x219x109N/m2 x 11.9J/m2/ 100x10-6 m)
σf= 191774042 Pa(N/m2)
 σf= 191,77 MPa
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Problema ilustrativo
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Avaliação das propriedades mecânicas dos materiais cerâmicos
Dureza:
A única escala que alcança os valores de dureza dos materiais cerâmicos é a vickers. 
No entanto se a marca é muito grande pode gerar fissuras a partir dela.
Logo em geral se usa os processos de microdureza Vickers ou Knoop (cargas de 10 gf a 1 Kgf)
Para cerâmicos de menor dureza pode-se empregar também o método de dureza Rockwell superficial (cargas de15, 30 ou 45 Kgf )
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Normas ASTM relacionadas às medidas de dureza em materiais cerâmicos
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Indentação de microdureza Knoop bem sucedida em nitreto de silício
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Indentação de microdureza Vickers apresentando microtrincas em nitreto de silício
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Relação entre dureza e resistência à compressão
Resistência a compressão: 
Como já comentado os materiais cerâmicos tem melhor resistência a compressão que a tração.
Existe uma relação semelhante a que existe para os metais entre a dureza Brinell e a resistência a tração.
No caso dos cerâmicos essa relação e entre a dureza Vickers e a resistência a compressão
σmax à compressão = 1/3 da dureza Hv (Kgf/mm2) TABELA AO LADO
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Ensaios de flexão: Usado para caracterizar o comportamento mecânico de cerâmicos. Tipos de ensaios
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Ensaios de flexão: Usado para caracterizar o comportamento mecânico de cerâmicos
Em geral não se empregam ensaios de tração para caracterizar materiais cerâmicos, pois os materiais são difíceis de confeccionar (caros) e em geral escorregam das garras da máquina já que não sofrem deformação plástica.
São empregados os ensaios de flexão apoiados em 3 ou 4 pontos onde se calcula o σMOR = Mc/I onde:
M- momento aplicado, c- distância do eixo neutro I- momento de inércia da seção transversal 
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Fórmulas para calcular o σMOR nos testes de flexão:Seção retangular 3 e 4 pontos; Seção circular 3pontos
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Ensaio de flexão em 3 e em 4 pontos
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Comparação entre os resultados dos testes de flexão e dos testes de tração
Nos testes de flexão atuam simultaneamente esforços de tração e de compressão (os mat. Cer. São mais resistentes à compressão) 
A distribuição dos esforços ao longo dos corpos de prova é diferente em cada ensaio. Logo se o maior defeito do C.P. não estiver alinhado com a maior carga incidente o valor encontrado será maior do que o cerâmico pode efetivamente resistir
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Influência da porosidade sobre a resistência a flexão de um material cerâmico (Al2O3)
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Micrografias de MEV das superfícies das amostras sinterizadas a 1350 °C (a), e1500 °C (b), 1600 °C (c) e 1700 °C (d). Observa-se aumento do tamanho de grão e redução da porosidade a medida que a temperatura de sinterização aumenta (caso d densidade teórica de 99,2) 
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Resistência mecânica de alguns cerâmicos
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Efeito do tamanho do corpo de prova
Quanto maior o corpo de prova utilizado nos testes menor tende a ser os valores de resistência encontrado seja no ensaio de flexão seja nos de tração. 
Isso se deve ao fato de em corpos de prova maiores a probabilidade de se encontrar maiores defeitos aumenta reduzindo os valores encontrados
Deve-se sempre que possível realizar ensaios com Corpos de Prova de tamanho semelhante à aplicação prática.
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Trabalho estatístico sobre os resultados encontrados nos ensaios mecânicos dos materiais cerâmicos
Os materiais cerâmicos apresentam uma reprodutibilidade muito menor que os materiais metálicos.
Desta forma é feito um tratamento estatístico nos resultados, sendo portanto necessária a realização de muitos ensaios para se obter um valor estatisticamente confiável.
Logo, os ensaios, que já são caros pela dificuldade de confecção dos corpos de prova se tornam mais caros ainda pelo número de repetições necessárias. 
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Técnicas avançadas para aumentar a tenacidade dos cerâmicos
Pela transformação de fases da Zircônia(ZrO2).
A transformação tetragonal - monoclínica é acompanhada de um aumento de volume de 5%.
Adiciona-se o pó da zircônia dopada com CaO ao cerâmico onde deseja-se aumentar a tenacidade.
 Fabrica-se essa mistura cerâmica com uma velocidade de resfriamento que não permita a transformação de tetragonal para monoclínica permanecendo com a estrutura tetragonal 
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Formas de atuação
Formas de atuação: 
A expansão da partícula de zircônia gera micro-trincas ao redor da partícula que distribuem as tensões em várias trincas menores, em direções não favoráveis à tensão externas, além de reduzir seu valor. 
A transformação tetragonal monoclínica das partículas causada pelo campo de tensões da trinca principal gera um campo de tensões de compressão que tendem a fechar a trinca que avança
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Através do esmerilhamento da peça cerâmica contendo zircônia adicionada pode-se pelo campo de tensões gerado causar a transformação tetragonal-monoclínica gerando um campo de tensões compressivas na superfície que tendem a fechar os defeitos aumentando a tenacidade
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Efeito da presença da zircônia no fator de intensidade de tensões crítico - KIc. 
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Cerâmica reforçada com whiskers
Whiskers são monocristais que cresceram preferencialmente ao longo de um eixo tornando-se agulhas com diâmetro de 0.5 μm a 10μm e com até centímetros de comprimento. Normalmente são de SiC (carbeto de silício) e são adicionados para melhorar a tenacidade. Tem sido testados em Al2O3 (alumina),, Si3N4 (nitreto de silício) e em MoSi2 (silicieto de molibdênio)
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Importância da tenacidade e da dureza no processo de usinagem
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Fractografia de cerâmicos:A fissura acelera até sua máxima velocidade (o,5 a vel. do som) quando começa a ramificar. Quanto maior a energia transmitida maior a ramificação
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Características microscópicas normalmente encontradas em trincas superficiais de peças cerâmicas rompidas são mostradas na figura ao lado.(barra de sílica fundida rompida no teste de flexão apoiado em 4 pontos aum. 500X)
No estágio inicial de propagação (aceleração da fissura) a fissura é plana e lisa com forma circular (região espelhada). 
VIDROS: Lisa e refletiva
CERÂMICAS POLICRISTALINAS: Rugosa com textura granular
Após alcançar a velocidade crítica a fissura ramifica formando 2 zonas na superfície:
Em névoa: é uma região opaca logo após o espelho, em forma de anel, que, em geral, não é visível em peças cerâmicas cristalinas
Estriada em forma de penas ou entalhada): É composta por um grupo de estrias ou linhas radiais que se interceptam próximo do ponto de iniciação da fissura.
Quanto menor o raio (rm) da região espelhada, maior o nível de tensão causadora da falha (mais rapidamente a fissura atinge a velocidade crítica).
 σf α 1/rm0.5