Propiedades dos materiais ceramicos

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Propriedades dos Materiais 
Cerâmicos
(Capítulo 12 – Callister)
CIÊNCIAS E TECNOLOGIA
DOS MATERIAIS
Prof: Jailson Rolim Teodosio
2014.2
Alguns compostos podem ser encontrados nas formas cristalinas
e amorfa, como por exemplo o composto cerâmico dióxido de silício
(SiO2). No SiO2 de silício embora cada íon de silício esteja ligado a três
íons oxigênio em ambos os estados, a estrutura é muito mais
desordenada para a estrutura não-cristalina. O resfriamento rápido a
temperaturas inferiores a temperatura de congelamento favorece a
formação de um sólido amorfo, uma vez que o tempo disponível para
o processo de ordenação é pouco.
Sólidos não cristalinos
– Os sólidos não-cristalinos possuem um arranjo atômico e
sistemático irregular ao longo distâncias atômica relativamente
grandes;
– Também são chamados de sólidos amorfos (sem forma) ou de
líquidos super-resfriados.
INTRODUÇÃO
Esquema bidimensionais para a estrutura do (a) dióxido de silício cristalino
e do (b) dióxido de silício não-cristalino. 
INTRODUÇÃO
Os metais geralmente formam sólidos cristalinos, enquanto as
cerâmicas podem apresentar estruturas tanto cristalinas como amorfas. Os
polímeros podem ser completamente não-cristalinos e semicristalinos, com
vários graus de cristalinidade.
Estrutura e Propriedades das Cerâmicas
O materiais cerâmicos são materiais inorgânicos e não metálicos.
Predominantemente as cerâmicas são compostos formados entre elementos
metálicos e não metálicos (freqüentemente óxidos, nitretos e carbetos), para os
quais as ligações são totalmente iônicas ou predominantemente iônicas tendo,
porém, alguma natureza covalente.
O temo cerâmica vem da palavra grega keramikos, que significa “matéria
queimada”, indicando que as propriedades desejáveis desses materiais são
atingidas normalmente através de um processo de tratamento térmico a alta
temperatura chamado de cozimento.
Materiais como argilas, cimentos e vidros entre muitos outros são
classificados como cerâmicos.
CERÂMICAS
SupercondutoresVidrosCerâmicas
Até aproximadamente os últimos 60 anos, os materiais mais importantes
nessa categoria eram denominados:
– Cerâmicas tradicionais – A matéria prima de fabricação é a argila
(Porcelana usada em louças, porcelana, tijolos, telhas, azulejos, vidros e as
cerâmicas de alta temperatura.
– Nova geração de cerâmicas foi desenvolvida tendo aplicação nas industrias
de componentes eletrônicos, computadores, comunicação, aeroespacial,
entre outros.
Os materiais cerâmicos apresentam composições químicas muito
variadas, desde compostos simples a misturas de várias fases complexas
ligadas entre si, desta forma :
 as suas propriedades variam muito devido a diferenças de ligação química;
 são geralmente duros e frágeis, com baixa tenacidade e ductilidade;
 são geralmente isolantes térmicos e elétricos (embora existam materiais cerâmicos
semicondutores, condutores e até mesmo supercondutores)
 quimicamente estáveis sob condições ambientais severas
CERÂMICAS
Classificação dos Materiais Cerâmicos de acordo com a aplicação
CERÂMICAS
Estruturas Cristalinas 
Estruturas do tipo AX:
Números iguais de Cátions (A) e Ânions (X)
Ex: Estrutura do Sal-gema (Cloreto de Sódio (NaCl), ou
sal-gema)
NaCl, MgO, MnS, LiF, FeO.
Estruturas Cristalinas do Tipo AmXp
Cargas dos Cátions e Ânions não são iguais, onde m e/ou p ≠ 1.
Exemplo: Composto AX2 (Fluorita – CaF2).
Estruturas Cristalinas do Tipo AmBnXp
Possuem dois tipos de Cátions (A e B)
Ex: Titanato de Bário (BaTiO3), com os cátions Ba2+ e Ti4+
Estruturas Cristalinas
Cerâmicas à Base de Silicatos
A estrutura é mais conveniente representada através de tetraedros de
SiO4
4- interconectados. Nesse grupo encontram-se a sílica, o vidro e vários
outros silicatos. Estruturas relativamente complexas podem resultar quando
adicionados outros cátions como Ca2+,Mg2+,Al3+ e ânions (p.ex. OH-).
Carbono
As várias formas do carbono (diamante grafita os fuleranos e os
nanotubos são classificados como materiais cerâmicos.
– O diamante devido a sua dureza é utilizado para cortar e polir materiais mais
moles.
– A estrutura em camadas da grafita dá origem às suas excelentes propriedades
lubrificantes e uma condutividade elétrica relativamente elevada, sendo também
conhecida por sua alta resistência e estabilidade química em temperaturas
elevadas e em atmosferas não-oxidantes.
CERÂMICAS
– Os fulerenos (forma alotrópica do Carbono) existem como moléculas
esféricas e ocas, compostas por 60 atômos de carbono.
– Os nanotubos de carbono consistem em um cilindro de grafita com
hemisferas de fulerano nas suas extremidades. Possuem propriedades
extraordinárias como elevadas rigidez e resistências, baixa massa
específicas e características elétricas não usuais.
CERÂMICAS
Estrutura do Diamante Estrutura da Grafita Estrutura do Fulereno
Estrutura dos Nanotubos
Propriedades Mecânicas
das Cerâmicas
As cerâmicas tem sua aplicabilidade limitada em certos aspectos
devido às suas propriedades mecânicas, que em muitos aspectos são
inferiores àquelas apresentadas pelos metais. A principal desvantagem
é uma disposição à fratura catastrófica de uma maneira frágil, com
muito pouca absorção de energia (baixa tenacidade).
À temperatura ambiente, as cerâmicas tanto as cristalinas quanto
as não cristalinas quase sempre fraturam em resposta a aplicação de
uma carga de tração, antes de qualquer deformação plástica ocorra.
Os valores da tenacidade à fratura em deformação plana para os
materiais cerâmicos são menores do aqueles apresentados pelos
metais; tipicamente eles são menores do que 10 MPa/m².
Comportamento Tensão-Deformação 
Resistência à Flexão
O comportamento tensão-deformação em cerâmicas frágeis não é em
geral é avaliado por ensaio de tração. As razões para isto são:
 Difícil preparação e testes de amostras que tenham a geometria exigida;
 Difícil prender e segurar materiais frágeis sem fraturá-los;
 Após uma deformação de apenas aproximadamente 0,1%, as cerâmicas
falham.
Propriedades Mecânicas
das Cerâmicas
Na maioria das vezes, ensaio de flexão transversal é mais adequado para
tais casos. Neste ensaio um corpo de prova na forma de uma barra (com seção
reta circular ou retangular) é flexionado até sua fratura, utilizando uma técnica de
carregamento em três ou quatro pontos (*ASTM C1161).
*American Society for Testing and Materials
RESISTÊNCIA À FLEXÃO
No ponto de carregamento, a
superfície superior do corpo de
prova é colocada em um estado de
compressão, enquanto a superfície
inferior encontra-se em tração.
Propriedades Mecânicas
das Cerâmicas
RESISTÊNCIA À FLEXÃO
Uma vez que os limites de resistência à tração dos materiais
cerâmicos equivalem aproximadamente um décimo das suas
resistências à compressão, e uma vez que a fratura ocorre na face
do corpo de prova que está sendo submetida a tração, o ensaio de
flexão é um substituto razoável para o ensaio de tração.
A tensão no momento da fratura no ensaio de flexão é
conhecida por resistência à flexão, módulo de ruptura, resistência
à fratura ou resistência à dobra, e é um importante parâmetro
mecânico para materiais frágeis.
Propriedades Mecânicas
das Cerâmicas
RESISTÊNCIA À FLEXÃO
Para seção transversal retangular, à resistência à flexão, σfs é dada por:
Onde 
Ff - representa a carga no momento da Fratura
L - distância entre os pontos de suporte
Outros Parâmetros Dados na Figura
Para seção transversal circular, à resistência à flexão, σfs é dada por:
Onde R é o raio do corpo de prova.
Propriedades Mecânicas
das Cerâmicas
Valores característicos para resistência à flexão de vários materiais
Propriedades Mecânicas
das Cerâmicas
Comportamento tensão-deformação até a 
fratura para o óxido de alumínio (alumina) 
e para o vidroComportamento Elástico
Quando comparados com os metais o
comportamento elástico tensão-deformação
para os cerâmicos quando se utilizam testes de
flexão é semelhante aos resultados
apresentados pelos ensaios de tração realizados
com metais, existindo uma relação linear entre a
tensão e a deformação.
O módulo de elasticidade é dado através
do coeficiente angular (inclinação) da curva na
região elástica. A faixa do módulo de
elasticidade para os materiais cerâmicos
encontra-se entre aproximadamente 70 e 500
GPa, sendo ligeiramente maior do que para os
metais.
Propriedades Mecânicas
das Cerâmicas
À temperatura ambiente a maioria das cerâmicas sofre fratura antes do
surgimento de qualquer deformação plástica. A deformação plástica difere
para cerâmicas cristalinas e não-cristalinas.
Cerâmicas Cristalinas
Ocorre como nos metais, pela movimentação de discordâncias. Uma
razão para a dureza e a fragilidade desses materiais é a dificuldade de
escorregamento (ou movimento da discordância).
Quando a ligação é predominantemente iônica, existem muito poucos
sistemas de escorregamento (planos e direções cristalográficas dentro
daqueles planos) ao longo dos quais as discordâncias podem se mover.
Mecanismos da Deformação Plástica
Propriedades Mecânicas
das Cerâmicas
Cerâmicas Não-Cristalinas
• Devido a inexistência de uma estrutura atômica regular, a
deformação plástica não ocorre pelo movimento das discordâncias,
dessa forma as cerâmicas se deformam através de um escoamento
viscoso, que é a maneira segundo a qual os líquidos se deformam;
• A taxa de deformação é proporcional à tensão aplicada;
• Não existe uma maneira ou direção predeterminada segundo a qual
fenômeno ocorre, como é o caso para as discordâncias;
• Quanto maior a viscosidade, menor será a velocidade em que o
fluido se movimenta. Viscosidade é a propriedade associada a
resistência que o fluido oferece a deformação por cisalhamento.
Propriedades Mecânicas
das Cerâmicas
Mecanismos da Deformação Plástica
Influência da Porosidade
Em alguns casos, para a fabricação de materiais cerâmicos o material de
origem se encontra na forma de pó.
• Após a compactação ou conformação dessas partículas pulverizadas na
forma desejada, existirão poros ou espaços vazios entre as partículas do pó.
• Durante o tratamento térmico a maior parte da porosidade será eliminada,
entretanto ele será incompleto em alguns casos resultando numa
porosidade residual.
• A porosidade terá influência negativa sobre as propriedades elásticas e a
resistência.
Foi observado para alguns cerâmicos que o módulo de elasticidade E
diminui em função da fração volumétrica da porosidade, P, de acordo com a
expressão:
Propriedades Mecânicas
das Cerâmicas
E0 representa o módulo de elasticidade para o material sem porosidade.
A influência da fração volumétrica da porosidade sobre o módulo de
elasticidade para o óxido de alumínio é mostrada na figura, onde a curva está
de acordo com a eq. anterior.
Fração volumétrica da porosidade
Propriedades Mecânicas
das Cerâmicas
A porosidade exerce um efeito negativo por dois motivos:
1. Os poros reduzem a área de seção reta através da qual uma carga
é aplicada;
2. Eles também atuam como concentrados de tensões.
A influência da porosidade sobre a resistência é relativamente
drástica; p.ex., não é incomum que uma porosidade de 10% vol. seja
responsável por uma diminuição em 50% na resistência à flexão em
relação ao material sem porosidade.
O grau de influência do volume de poros está mostrado na figura,
novamente para o óxido de alumínio.
Propriedades Mecânicas
das Cerâmicas
Cálculos da massa específica de Cerâmicas
A massa específica teórica de um material cerâmico cristalino pode ser
calculado a partir dos dados da sua célula unitária através da seguinte
equação.
Propriedades Mecânicas
das Cerâmicas
Dureza
A dureza é uma propriedade de muita utilidade apresentada
pelos materiais cerâmicos. Com freqüência é utilizada quando uma
ação de abrasão ou de polimento é necessária. Os materiais mais
duros conhecidos são classificados como cerâmicas
Durezas Knoop aproximadas
Propriedades Mecânicas
das Cerâmicas
Para os materiais cerâmicos é utilizado o ensaio
de dureza de Vickers. Este é um método de
classificação da dureza dos materiais baseada
num ensaio laboratorial.
Neste método, uma pirâmide de diamante com
ângulo de diedro de 136º é usada sendo está
comprimida, com uma força "F", contra a
superfície do material.
A área da superfície impressa é calculada pela
medição das suas diagonais. A dureza de Vickers e
dada por,
onde
d=(d1+d2)/2
Propriedades Mecânicas
das Cerâmicas
Referências Bibliográficas
1. Ciência e Engenharia de Materiais; Uma
Introdução – Willian D. Callister, Jr.;
2. Ciência dos Materiais -James F. Shackelford;
3. Princípios de Ciência dos Materiais - Lawrence H.
Van Vlack;
4. Materiais de Engenharia – Angelo Fernando
Padilha