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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3. PROPRIEDADES DOS MATERIAIS CERÂMICOS
3.1 Propriedades mecânicas
Como classe, os cerâmicos são relativamente frágeis
Não apresentam deformação plástica em temperatura ambiente
Resistência à tração: embora varie bastante, desde 0,7 MPa até 7x103 MPa (whiskers de
Al2O3), poucos cerâmicos apresentam valores superiores a 170MPa.
Resistência à compressão: em geral, são cerca de 5 a 6 vezes superiores à resistência 
à tração
Dureza: em geral, bastante elevada, devido as ligações iônicas e covalentes
Resistência ao impacto: em geral, baixa
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3.1 Propriedades mecânicas
Mecanismos de deformação dos materiais cerâmicos
Ligações químicas iônicas e covalentesFalta de plasticidade
METAIS
Deformação ocorre por movimento de discordâncias em 
determinados planos cristalinos
Ocorre em baixos valores de tensão – ligação metálica não-direcional
CRISTAIS COVALENTES
Ligação específica e direcional
Envolve a troca de cargas 
elétricas entre pares de íons
Com suficiente deformação, ocorre 
separação das ligações de pares de íons 
sem posterior restauração
Fragilidade tanto em 
monocristais quanto em 
policristais
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3.1 Propriedades mecânicas
Mecanismos de deformação dos materiais cerâmicos
CRISTAIS IÔNICOS
MONOCRISTAIS: Apresentam deformação sob a ação de cargas 
compressivas
Ex.: NaCl – escorregamento do sistema de planos {110} – o escorregamento 
envolve íons de cargas opostas e durante o processo, permanecem atraídos 
pelas forças de Coulomb
POLICRISTAIS: FRÁGEIS – existem poucos sistemas de 
escorregamento
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3.1 Propriedades mecânicas
Fatores que afetam a resistência mecânica de um cerâmico
FALHA Ocorre fundamentalmente a partir de defeitos da estrutura
Principais fontes de fratura:
- fendas superficiais originadas durante o acabamento
- poros
- inclusões
- grãos grandes gerados durante o processamento
POROSPOROS: 1)atuam como concentradores de tensão Nos cerâmicos não existem 
processos 
suficientemente 
absorvedores de 
energia
Valor críticoPROPAGAÇÃO DA TRINCA
2) diminuem a área da seção transversal 
na qual é aplicada a carga
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3.1 Propriedades mecânicas
Fatores que afetam a resistência mecânica de um cerâmico
POROSIDADE
Efeito da porosidade em alumina
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3.1 Propriedades mecânicas
Fatores que afetam a resistência mecânica de um cerâmico
TRINCAS PRESENTESTRINCAS PRESENTES:
Em materiais muito densificados (poucos poros), as trincas 
são relacionadas com o tamanho de grão 
grão de menor tamanho – trincas ou fendas pequenas no 
limite do grão
Maior RM
Outros fatores:
- Composição química
- Microestrutura
- Condições da superfície
- Temperatura
- Meio
- Tipo de tensão e modo de aplicação
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3.1 Propriedades mecânicas
Tensão necessária para separar 
um corpo em duas partes
RESISTÊNCIA TEÓRICA
Requer uma energia 
de superfície γ
oa
Et γσ = E: módulo de elasticidade 
γ: energia superficial 
ao: distância interatômica
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3.1 Propriedades mecânicas
TEORIA DE INGLIS
Na prática, há um discrepância entre os valores de RM calculados e medidos:
: explicação da discrepância observada
presença de defeito
diminuição da RM
ρ
σσ c2max =
σ: tensão aplicada
c: semi-eixo maior
ρ: raio de curvatura
defeito elíptico
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3.1 Propriedades mecânicas
TEORIA DE GRIFFITH:
- microdefeitos - concentradores de tensão
- tratamento termodinâmico para analisar propagação
- estudo em uma placa fina de espessura L
UT = UE + US γ
πσ cL
E
LcUT 4
22
+
−
=
NO EQUILÍBRIO:
0=
dc
dU
γπσ 2
2
=
E
c
π
γσ
c
E
c
2
=A fratura ocorrerá para uma tensão 
crítica
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3.1 Propriedades mecânicas
TENACIDADE À FRATURA
Os cerâmicos têm, intrinsecamente, baixa tenacidade
Ensaios de tenacidade: determinam KIC
γEKc 2=
Tenacidade à fratura
Modos de abertura da trinca:
- tração: I
- cisalhamento: II
- torção: III
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3.1 Propriedades mecânicas
TENACIDADE À FRATURA o defeito mais severo e sua 
posição relativa ao esforço 
aplicado controlam a RM
aσYK cIC =
Tração Cisalhamento Torção
para tração
a
γE
Y
σ c
21
= Equação básica da RM para materiais 
frágeis
ICc KK =
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3.1 Propriedades mecânicas
AUMENTO DA TENACIDADE
TENACIDADE depende:
- tamanho do defeito - energia de superfície a e γ
Maior 
tenacidade
Para aumentar γ :
Diminuir a porosidade, pois γ = γ o exp(-KP)
Diminuir tamanho de grão
Acrescentar uma 2ª fase
Microtrincamento
Ex.: adição de ZrO2 em uma matriz de Al2O3, KIC aumenta de 3 para 11
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3.1 Propriedades mecânicas
COMPORTAMENTO TENSÃO - DEFORMAÇÃO
A avaliação da resistência mecânica de um cerâmico NÃO ocorre 
através de tração por três motivos básicos:
É difícil preparar e testar amostras que tenham a geometria exigida
É difícil prender e testar materiais frágeis sem fraturá-los
As cerâmicas falham após uma deformação de aproximadamente 0,1%, o que 
exige que as amostras sejam perfeitamente alinhadas, com o objetivo de evitar a 
presença de tensões de dobramento ou flexão, as quais não são facilmente 
calculadas
Portanto, prefere-se um ensaio de flexão
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3.1 Propriedades mecânicas
ENSAIO DE FLEXÃO
Corpo-de-prova: barra
- seção circular
- seção retangular
A barra é flexionada até a ruptura
( )
2.2
3
bd
lLP −
=σ
I
Mc
=σ
M: momento fletor
máximo
c: distância do centro do 
corpo até as fibras mais 
externas
I: Momento de inércia da 
seção reta
Para ensaio em seção retangular 
com apoio em quatro pontos
Superfície superior: carga compressiva
Superfície inferior: carga trativa (máxima)
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3.1 Propriedades mecânicas
FADIGA
⇒ forma de falha que ocorre em estruturas submetidas a 
tensões dinâmicas e flutuantes
⇒ a falha geralmente ocorre após ciclos de tensões 
repetidos em tensões inferiores a tensões estáticas suportáveis
⇒ componentes onde ocorrem: eixos, barras de ligação, 
engrenagens
TRINCA NA FADIGA:
INÍCIO: em pontos de concentração de tensão canto
entalhe
nucleação inclusão
defeito
PROPAGAÇÃO: a trinca propaga-se na peça com tensões cíclicas
criam-se estrias ou ondulações
FRATURA: a seção torna-se pequena, não suporta a carga aplicada
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3.1 Propriedades mecânicas
FADIGA MECÂNICA
Devido às ligações iônicas e covalentes há a ausência de 
plasticidade durante o carregamento cíclico
fratura em cerâmicos por fadiga é rara
Estudo do crescimento estável de trincas por fadiga, aplicando-se 
tensões compressão-compressão em alumina policristalina em 
corpos-de-prova entalhados
Observou-se a propagação de microtrincas no 
contorno de grão que levaram a ruptura final
O que se quer é obter cerâmicos mais tenazes para suportar 
tensões cíclicas, por exemplo em rotores de turbinas
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3.1 Propriedades mecânicas
FADIGA MECÂNICA
⇒⇒ mecanismos que podem estar associados a trinca dominante: 
- intrínsecos - extrínsecos
Desenho esquemático de mecanismos que podem ocorrer durante a propagação da trinca em 
cerâmicos.
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3.1 Propriedades mecânicas
FADIGA TÉRMICA
⇒ corpo sólido aquecido e resfriado
σσ = a E = a E ∆∆TT
Distribuição da temperatura e tensão para uma 
amostra submetida a fadiga térmica.
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3.1 Propriedades mecânicas
FADIGA ESTÁTICA
em materiais cerâmicos
⇒ rompimento do material sob um estado de tensões constante, durante 
um certotempo em ambientes úmidos. 
Visualização de um mecanismo alternativo para explicar a influência da umidade no crescimento 
subcrítico de trincas.
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3.1 Propriedades mecânicas
CHOQUE TÉRMICO
em materiais cerâmicos
Tensão térmica 
força motriz para a nucleação e 
crescimento de trincas
Variação brusca de temperatura choque térmico
Limita o uso dos cerâmicos em 
aplicações energéticas
degradação da resistência mecânica 
ou fratura do material
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3.1 Propriedades mecânicas
CHOQUE TÉRMICO
Resistência ao dano por choque térmico 
Indicam o dano causado
Avaliada através da medida dos efeitos do choque térmico 
nas propriedades como a perda de resistência mecânica 
Por. ex.: O grau de dano pode ser avaliado quando se compara a resistência 
mecânica obtida após choque térmico único em uma temperatura definida, 
com a resistência mecânica original do corpo cerâmico 
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3.1 Propriedades mecânicas
CHOQUE TÉRMICO
Para evitar a propagação de trincas já existentes são desejáveis:
alto módulo de elasticidade, diminuindo o nível de energia elástica 
armazenada;
baixa resistência mecânica, para que as tensões sejam aliviadas pela 
formação de trincas;
alto valor da razão de Poisson;
maior número de trincas com pequeno comprimento.
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3.1 Propriedades mecânicas
CHOQUE TÉRMICO
Teoria de 
Hasselman
Curva teórica de Hasselman, indicando a diferença 
de temperatura mínima necessária para iniciar a 
propagação da trinca e as regiões de instabilidade 
e estabilidade. 
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3.1 Propriedades mecânicas
CHOQUE TÉRMICO
Resistência mecânica em 
função da diferença de 
temperatura do choque 
térmico.
Teoria de 
Hasselman
Degradação da superfície de 
uma material após ter sido 
submetido a choque térmico
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3.1 Propriedades mecânicas
FLUÊNCIA
Deformação permanente que ocorre com os materiais ao 
serem submetidos a tensão constante e temperatura elevada 
Os cerâmicos embora dificilmente 
movimentem discordâncias podem 
desenvolver deformações plásticas por 
difusão Quando tensão e temperatura 
elevada estão associadas, átomos e 
vazios da rede podem migrar mais 
facilmente para locais mais 
convenientes, energeticamente. Ao 
mudarem de posição, deformam grãos, 
por deslizamento, na direção do 
esforço, de locais de maior tensão para 
locais de menor tensão. O volume não 
muda e átomos e vazios da rede 
mudam de posição.
Nos cerâmicos, a 
fluência ocorre, em geral, 
em temperaturas mais 
elevadas quando 
comparadas com metais
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3.2 Propriedades elétricas
CONDUTIVIDADE ELÉTRICA NOS MATERIAIS IÔNICOS
- resultado das contribuições eletrônica e iônica
- importância de cada contribuição pureza e temperatura
- modelo de bandas é válido, porém o n° de e- na banda de 
condução é muito baixo portanto predomina a iônica
- difusão dos íons depende da presença de defeitos pontuais
- condutividade elétrica de sólidos iônicos ↑ temperatura
↑ abruptamente na 
fusão
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3.2 Propriedades elétricas
CONDUTIVIDADE ELÉTRICA NOS MATERIAIS IÔNICOS
Condutividade iônica: σi
σi = Ne2D/kT = (Ne2/kT) D0exp(-Q/kT) 
N - n°de posições iônicas de um mesmo sinal por unidade de volume
e - carga do elétron
D - difusividade
k - constante de Boltzman
T - temperatura em K
Q - energia de ativação para a difusão
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3.2 Propriedades elétricas
CONDUTIVIDADE ELÉTRICA NOS MATERIAIS COVALENTES
- estrutura em bandas de polímeros é típica dos isolantes
σ - 10-10 a 10-17 Ω-1m-1
- polímeros de alta pureza a condução é eletrônica
- condução iônica pode ser ativada pela presença de impurezas
restos de monômeros
catalisadores
aumento da temperatura
- aditivos condutores podem aumentar σ entre 1 e 50 Ω-1m-1 como 
em borrachas de silicones
- exemplos de polímeros condutores: poliacetileno e polianilina
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3.2 Propriedades elétricas
CONDUTIVIDADE ELÉTRICA NOS MATERIAIS COVALENTES
⇒ GRAFITA: comportamento elétrico diferenciado
- plano basal (0001) σ ≅ de condutores metálicos 
5
- condução eletrônica origem na 
mobilidade eletrônica da cada anel hexagonal de 
átomos de C, ao longo de cada camada
- introdução de átomos estranhos entre as camadas 
aumenta o número de transportadores de carga e a 
condutividade elétrica 
- na direção c ⊥ (0001) σ é 10 vezes menor
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3.3 Propriedades térmicas
⇒ CERÂMICOS
ke << kf fônons são facilmente espalhados 
pelos defeitos cristalinos, o 
transporte de calor é menos 
eficiente que nos metais
Alguns cristais não metálicos puros e de baixa densidade 
apresentam em algumas faixas de temperatura k ≅ metais:
Diamante melhor condutor que Ag de Tamb a 30K
Safira condutor térmico entre 90 a 25K
Compostos cerâmicos:
(BeO, SiC, B4C) pesos atômicos semelhantes k relativamente alto
(UO2, ThO2) pesos atômicos diferentes k cerca de 10x menor
(menor interferência na propagação quando átomos com semelhantes pesos atômicos)
CONDUTIVIDADE TÉRMICA
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3.3 Propriedades térmicas
onde:
k: condutividade térmica
v: volume da fase
Q: kc/kp
P: quantidade de poros
K=v1k1+v2k2+...
1/k=v1/k1+v2/k2+... k= 1+2P(1-Q/2Q+1)
ks 1-P(1-Q/2Q+1)
•• Efeito da microestrutura
⇒ Íons em solução sólida 
diminuem acentuadamente k
⇒Fases amorfas são piores 
condutoras que cristalinas de 
igual composição química
⇒Poros diminuem a 
condutividade térmica de 
cerâmicos
kP = k 1-P
1 - 0,5P
kP = condutividade térmica do material com poros
P = fração volumétrica de poros
- composição; 
- condições de queima;
- quantidade e tipo de porosidade;
- quantidade e tipo de fases;
- forma e orientação de grãos;
CONDUTIVIDADE TÉRMICA
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3.4 Propriedades óticas
MATERIAIS NÃO-METÁLICOS
⇒ Cerâmicos e polímeros não apresentam e- livres (que absorvem fótons de luz) e podem ser 
transparentes à luz visível
Fenômenos importantes: Refração, Transmissão, Reflexão e Absorção
REFRAÇÃO (n) E REFLEXÃO (R)
⇒ Velocidade de propagação da luz no sólido transparente (ν) é menor que no ar
feixe de luz muda de direção na interface ar/sólido
⇒ Índice de refração: ε = permissividade elétrica do material
µ = permeabilidade magnética do material
n = c = (εµ)½
ν (ε0µ0)½
Índice de refração de alguns materiais cerâmicos
Material Índice de refração
Vidro de sílica 1,458
Vidro pyrex 1,47
Vidro óptico 
“flint”
1,65
Al2O3 – α 1,76
MgO (periclásio) 1,74
Quartzo 1,55
R
Quanto maior n do 
material, maior R
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REFRAÇÃO (n) E REFLEXÃO(R)
Se um dos meios for o ar n1 = 1
R = n2 - n1 ½
n2+n1 R = n2 - 1 ½n2+1
Variação das frações da luz 
incidente que são 
transmitida, absorvida e 
refletida por um determinado 
vidro em função do 
comprimento de onda
⇒ Cerâmicos cristalinos Cúbicos e vidros índices de 
refração isotrópicos
Cristais não cúbicos índices de refração
maior em direções mais densas
⇒ Luz passa de um meio n1 para outro n2
parte da luz é refletida na interface dos meios
⇒ Como o n depende de λ da luz incidente, R também depende de λ
3.4 Propriedades óticas
MATERIAIS NÃO-METÁLICOS
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ABSORÇÃO(A) E TRANSMISSÃO (T)
⇒ Maioria dos materiais transparentes são coloridos
a cor dos materiais transparentes é uma combinação dos comprimentos transmitidos
⇒ Absorção de fótons por e- da banda de 
valência promovendo-os à banda de condução 
em não-metais também é possível, desde que os 
e-- superem a banda proibida.
⇒ Energia associada com λ (E = hc/λ)
determina-se λ e E máximos e mínimos cedidos 
aos e- pela luz visível
λmin = 0,4 µm ∴ Emax = 3,1eV
λmax = 0,7µm ∴ Emin=1,8eV
Comprimentos de onda absorvidos (nm) e cores complementares
Conclusão: i) a luz pode ser absorvida por materiais com banda proibida 
menor que 1,8 eV (SEMICONDUTORES) estes materiais são 
opacos ex.:Si, Ge, AsGa
ii) materiais com banda proibida entre 1,8 e 3,1 eV absorvem 
apenas alguns comprimentos de ondas estes materiais são 
coloridos ex.:GaP, CdS 
iii) a luz visível não pode ser absorvida por este mecanismo em 
materiais com banda proibida maior que 3,1 eV
3.4 Propriedades óticas
MATERIAIS NÃO-METÁLICOS
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3.4 Propriedades óticas
ABSORÇÃO(A) E TRANSMISSÃO (T)
⇒ Impurezas podem contribuir para que alguns comprimentos de onda sejam absorvidos
Ex.: safira e rubi
Safira: cristal puro de Al2O3, isolante,
transparente
de íons Cr+3 substitui o Al+3, causa 
absorção na região de luz azul do espectro 
visível. Cristal resultante: vermelho
Rubi: safira onde uma pequena quantidade 
Criou-se defeitos:
centro de cor
⇒Cor dos vidros de sílica, cal, soda e chumbo pode ser 
modificada pela adição de óxidos de elementos de 
transição
Ex.: adição de 0,01 a 0,03% de CoO - coloração azulada
adição de 0,2% de NiO - coloração púrpura
adição de 1,0% de FeO - amarelo esverdeada
⇒Cor pode ser resultado do desvio da estequiometria 
ou da presença de defeitos cristalinos
Ex.: cristais puros de NaCl, KBr e KCl são incolores se 
forem recozidos em atmosfera de metais alcalinos ou 
irradiados com raios X ou neutrôns
coloração: NaCl amarelo
KBr azul
KCl magenta
MATERIAIS NÃO-METÁLICOS
Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
3.4 Propriedades óticas
ABSORÇÃO (A) E TRANSMISSÃO (T)
⇒R, A e T dependem do material, do caminho ótico, λ incidente
⇒ Defeitos no material espalham a luz e podem torná-lo 
transparente, translúcido ou opaco
Ex.: monocristal de safira (Al2O3) transparente
policristal de safira sem poros translúcido
policristal de safira com 5% poros opaco
Variação da transmitância com λ incidente para diversos materiais. 
Exemplo: lâmpada de sódio 
(1000oC) com tubo de alumina
(100 lúmens/W convencional 15 
lúmens/W)
Alumina convencional (opaca) Alumina translúcida
porosidade: 3% porosidade: 0,3
MATERIAIS NÃO-METÁLICOS