AULA_29_MAT_DE_CONST_MEC

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MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA
OCB
Prof. Dr.Odney Carlos Brondino
1Provérbio chinês: 
“Escuto e Esqueço, Vejo e Lembro, Faço e Aprendo.”
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS CERÂMICOS
�Cerâmica vem da palavra grega keramus que significa coisa queimada
�As cerâmicas são comumente dividas em dois grandes grupos, obtidos geralmente
após tratamento térmico em temperaturas elevadas.
�Cerâmica Tradicional:
2
Ex.: Cerâmica de revestimentos:como ladrilhos, azulejos e também potes, vasos, tijolos
e outros objetos que não tem requisitos tão elevados comparados a Cerâmica de
Enegenharia.
�Cerâmica de Engenharia (Avançada):
São materiais com requesitos elevados e obtidos a partir de matéria prima mais pura.
Ex.: ferramentas de corte para usinagem, tijolos refratários para fornos, mantas
cerâmicas, entre outros.
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
� Materiais cerâmicos compreendem todos os materiais inorgânicos,
� são geralmente a combinação de elementos metálicos e não-metálicos na forma de
ÓXIDOS, NITRETOS E CARBETOS. (Al2O3 , Fe2O3, SiO2, MgO, Si3N4 - Nitreto de silício,
TiC, WC,)
CARACTERÍSTICAS GERAIS
3
� A ligação atômica em cerâmicas é do tipo mista: covalente + iônica (predominante);
� Em geral são isolantes de calor e eletricidade
� São mais resistêntes à altas temperaturas (devido ao elevado ponto de fusão) e à
ambientes severos que metais e polímeros
� Com relação às propriedades mecânicas: Maior dureza e rigidez quando
comparadas aos aços , porém são frágeis.
� São menos densas que a maioria dos metais e suas ligas;
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
� Maior resistência ao calor e à corrosão que metais e polímeros;
�Os materiais usados na produção das cerâmicas são abundantes e mais baratos;
CARACTERÍSTICAS GERAIS
O Silício e o Oxigênio 
4
O Silício e o Oxigênio 
formam cerca de 
75% da crosta 
terrestre, sendo 
materiais de 
ocorrência comum na 
natureza e de baixo 
custo !
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
PROPRIEDADES MECÂNICAS
� São resistentes em relação à compressão
� O módulo de elasticidade elevada comparado ao aço.
ε
σE =
5
� Têm alta dureza
� São duros e frágeis (não sofrem deformação plástica)
� alta resistência ao desgaste
ε
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
COMPORTAMENTO FRÁGIL
�Característica típica dos cerâmicos: melhor resistência em compressão que em
tração. (não há deformação plástica)
Al2O3 policristalina
6
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
σ = M.c/I 
σ = tensão
M = momento fletor máximo 
I = momento de inércia da 
secção reta transversal
c = distância entre a linha 
neutra e a superfície do 
corpo de prova
RESISTÊNCIA À FLEXÃO
7
Secção retangular
Secção circular
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
INFLUÊNCIA DA POROSIDADE
� A ruptura de materiais cerâmicos resulta de falhas estruturais:
�Fissuras superficiais geradas no acabamento da peça;
� poros: reduzem resistência mecânica do material.
8
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
IMPERFEIÇÕES EM CERÂMICAS
� Defeitos pontuais:
� Defeito de Frenkel: par formado por uma lacuna de cátion e um cátion intersticial;
� Defeito de Schottky: par formado por uma lacuna de cátion e outra de ânion.
9
Ambos não alteram a 
estequiometria do composto
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
� Defeitos pontuais – não estequiométricos: ocorrem quando um íon pode assumir
mais de uma valência.
� Exemplo: No FeO o Fe tem geralmente valência +2. Se dois íons de Fe com valência
+3 ocupam a rede, então teremos menos íons de Fe presentes e a estequiometria do
IMPERFEIÇÕES EM CERÂMICAS
10
material fica alterada.
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
IMPERFEIÇÕES EM CERÂMICAS : IMPUREZAS
� Impurezas podem ser intersticiais ou substitucionais:
� Impureza substitucional – substituição de íon com carga elétrica semelhante;
� Impureza intersticial – o raio atômico da impureza deve ser pequeno em comparação
ao do ânion;
11
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
PROPRIEDADES TÉRMICAS E FÍSICAS
�Densidade: 2 a 3 g/cm3 (2000 a 3000kg/m3)
�Embora os materiais cerâmicos sejam em geral isolantes de calor e eletricidade, há
12
�Embora os materiais cerâmicos sejam em geral isolantes de calor e eletricidade, há
uma classe de materiais cerâmicos que SÃO SUPERCONDUTORES.
�A dilatação térmica é baixa comparada com metais e polímeros
�Resistentes à corrosão
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
PROPRIEDADES TÉRMICAS 
As mais importantes propriedades térmicas dos materiais cerâmicos são:
� capacidade calorífica ( ⇑ ) : A capacidade calorífica, consiste no quociente entre a
quantidade de calor fornecida a um corpo e a correspondente variação de temperatura
⇓
13
� coeficiente de expansão térmica ( ⇓ )
� condutividade térmica ( ⇓ )
átomos
Ligação Química
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
Material Capacidade 
calorífica (J/Kg.K)
Coeficiente linear de expansão 
térmica ((°C)-1x10-6)
Condutividade 
térmica (W/m.K)
Alumínio 900 23,6 247
Cobre 386 16,5 398
Alumina (Al O ) 775 8,8 30,1
PROPRIEDADES TÉRMICAS 
14
Alumina (Al2O3) 775 8,8 30,1
Sílica fundida (SiO2) 740 0,5 2,0
Vidro de cal de soda 840 9,0 1,7
Polietileno 2100 60-220 0,38
Poliestireno 1360 50-85 0,13
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
PROPRIEDADES TÉRMICAS
Aplicação Ônibus espacial (indústria aeroespacial)
� Muito alta temperatura: compósito reforçado de carbono com carbono.
� Alta temperatura: C + SiC (+O2 do ar forma SiO2).
� Menor temperatura: Sílica porosa (recoberta com SiO2 93% + B2O3 – óxido de Boro 
5% + Silicato de Boro 2%)
15
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
As propriedades elétricas dos materiais cerâmicos são muito variadas. Podendo ser:
� isolantes: Alumina, vidro de sílica (SiO )
16
� isolantes: Alumina, vidro de sílica (SiO2)
� semicondutores: SiC, B4C
� supercondutores: (La, Sr)2CuO4, TiBa2Ca3Cu4O11
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
MATERIAIS CERÂMICOS
17
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
�São formados por átomos de diferentes eletronegatividades (um alta e outro baixa);
�A ligação iônica é forte, por isso o ponto de fusão dos materiais com esse tipo de
ligação é elevada;
ESTRUTURAS CRISTALINAS DAS CERÂMICAS
18
�Como conseqüência da ligação ser predominantemente iônica a estrutura cristalina
das cerâmicas são compostas por íons carregados eletricamente (cátions e ânions)
�A extrema fragilidade e dureza dos cerâmicos vem da natureza das suas ligações
atómicas iônicas ou covalentes
�As estruturas cristalinas, quando presentes,são extremamente complexas
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
Pode ser definida pela:
� magnitude da carga elétrica de cada íon;
� os tamanhos relativos dos cátions (íons +) e ânions(íons -);
ESTRUTURAS CRISTALINAS DAS CERÂMICAS
cátion
ânion
19
CERÂMICAS ESTÁVEIS : todos os ânions estão em contato com os cátions.
ESTÁVEIS INSTÁVEL
A
C
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
NÚMERO DE COORDENAÇÃO
�Para um número de coordenação específico há uma razão crítica rc/ra para a qual o 
contato entre os íons é mantido.
NC rc/ra geometria NC rc/ra geometria
20
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
SINTERIZAÇÃO DE CERÂMICOS
21
As partículas se ligam 
através de pontos de 
contato.
Grande números de 
poros.
Formação de pescoço 
entre as partículas, o 
que torna a peça mais 
densa.
Final: poros 
arredondados com 
menor espaço entre 
eles.
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
�A finalidade da têmpera é estabelecer tensões elevadas de compressão nas zonas
superficiais do vidro,
�e correspondentes altas tensões de tração no centro do mesmo.
�O vidro é colocado no forno, submetido a uma temperatura de aproximadamente 6000
TÊMPERA DE VIDROS
22
C até atingir seu ponto ideal.
�Neste momento, recebe um resfriamento brusco, o que vai gerar o estado de tensão
citado.
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
CERÂMICAS À BASE DE SILICATO
� Composta principalmente de Si e O;
� Estrutura básica: SiO4 - tetraedro;
� A ligação Si-O é bastante covalente, mas a estrutura básica tem carga -4: SiO4-4;
� Várias estruturas de silicatos – diferentes maneiras dos blocos de SiO4-4 se
combinarem;23
� A ligação atômica em cerâmicas é do tipo mista: covalente + iônica.
cátion
ânion
O óxido de Silício (SiO2) pode ter três formas cristalinas distintas: quartzo, cristobalita e
tridimita.
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
Quartzo Tridimita
24
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
CARBONO
� O Carbono não é uma cerâmica;
� A grafita, uma de suas formas polimórficas;
� A estrutura cristalina do diamante, outra forma polimórfica do C, é semelhante à da
blenda de zinco.
25
diamante grafite fulereno
Nanotubo de carbono
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
EXEMPLOS DE NANOTUBOS
26
Junção em T de nanotubosNanotubes como reforço 
compósitos reforçados 
com fibras
Nano-engrenagens
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
OUTROS TIPOS DE MATERIAIS CERÂMICOS
CARBONETOS (CARBETOS ou CARBURETOS):
�Carboneto de Tungstênio, carboneto de silício (conhecido como carborundum),
carbonto de titânio.
BORETOS:
27
BORETOS:
�Boretos de hafnio, tântalo, tório, titânio, zircônio
NITRETOS DE BORO E SILÍCIO:
�Os nitretos de boro tem dureza equivalente ao diamante e resiste sem oxidação até
1926°C
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
PEÇA RECOBERTAS COM TIC
28
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
CARBONETO DE SILÍCIO
� Apresenta elevada condutividade térmica
� Baixa dilatação térmica (baixo choque térmico)
� É um dos melhores materiais sob o ponto de vista de resistência ao desgaste.
29
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
BORETOS
Todos os boretos são:
�materiais duros,
�com altos pontos de fusão e
�com uma condutibilidade térmica idêntica à do metal que o constitui.
30
�com uma condutibilidade térmica idêntica à do metal que o constitui.
Podem ser produzidos a temperaturas elevadas (2000 ºC) ou,
�mais frequentemente, pela redução a temperaturas elevadas de uma mistura do óxido
de metal e de óxido de boro na presença de carbono ou alumínio.
�Os mais importantes são CrB, CrB2, TiB2 e ZnB2. Normalmente estes são produzidos
recorrendo à metalurgia do pó (molde de grafite a mais de 2000 ºC e a pressão muito
elevada.
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
NITRETOS - CERÂMICOS
� CBN – Nitreto cúbico de boro
� Si3N4 - Nitreto de silício
31
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
Componentes mecânicos – Rolamentos
Si3N4 - Nitreto de silício SiO2
Comparação com rolamentos de aço:
�O rolamento cerâmico é mais leve, maior dureza, mais resistente, menor fricção e 
isolante elétrico
32
isolante elétrico
�⇓ lubrificação. 
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
Componentes mecânicos – discos de freio
�Sialon (nitreto de silício + óxido de alumínio + nitreto de alumínio
�Atualmente utilizado em aeronaves de combate em porta-aviões, que possibilitam
frear em um trecho de 100 metros à 240 km/h.
�Porche 911 Turbo e Mercedes 55 AMG
33
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
APLICAÇÕES
� Ind. Mecânica, elétrica e química
-
ALUMINA
SiC
34
-
NITRETO 
DE SILÍCIO
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
APLICAÇÕES
35
Materiais cerâmicos são extremamente duros 
podendo atingir 9,5 na escala Mohs
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
Composição do vidro
O vidro é uma substância inorgânica, homogênea e amorfa, obtida através do 
resfriamento de uma massa a base de sílica em fusão. A sucata de vidro, limpa e 
selecionada, é usada para auxiliar a fusão.
Sílica (SiO2) - 72% Matéria prima básica (areia) com função vitrificante. 
36
Sílica (SiO2) - 72% Matéria prima básica (areia) com função vitrificante. 
Alumina (Al2O3) - 0,7% Aumenta a resistência mecânica.
Sódio (Na2SO4) - 14% Aumenta a resistência mecânica.
Cálcio (CaO) - 9% Proporciona estabilidade ao vidro contra ataques de agentes 
atmosféricos. 
Magnésio ( MgO) - 4% Garante resistência ao vidro para suportar mudanças bruscas 
de temperatura e aumenta a resistência mecânica.
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
Potássio (K2O) - 0,3%
Os vidros coloridos são produzidos acrescentando-se à composição, corantes como o 
Selênio (Se), Óxido de Ferro (Fe2O3) e Cobalto (Co3O4) para atingir as diferentes 
cores.
37
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
� São os mais antigos, mais baratos e mais utilizados
� São de fácil conformação
� Podem ser usados até temperaturas de 460°C no estado recozido e até 250°C no 
estado temperado
APLICAÇÕES:
VIDROS DA FAMÍLIA SÓDIO-CÁLCIO
38
� Janelas, garrafas, copos,…
VIDROS AO CHUMBO
� Têm alta resistividade elétrica
� Custo relativamente baixo
APLICAÇÕES:
� Tubulações de sinalização de neônio, diversos componentes ópticos, …
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
VIDROS AO SILICATO DE BORO
� Têm excelente durabilidade química
� Excelente resitência ao calor e ao choque térmico
� O tipo mais + comum é o pyrex e o kovar
39
APLICAÇÕES:
� Vedações, visores, medidores, tubulações, espelhos de telescópios, vidros de
laboratórios, vidros de fornos,…
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
VIDROS AO SILICATO ALUMINOSO
� São de custo elevado
� Apresentam boa resistência a temperaturas relativamente elevadas e boa 
resistência ao choque térmico
� Boa resistência `a produtos químicos
40
� Boa resistência `a produtos químicos
� APLICAÇÕES:
� Termômetros para altas temperaturas, tubos de combustão, utensílios para
empregos em fornos de cozinhar,…
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
VIDROS DE SÍLICA FUNDIDA
� São constituídos 100% de sílica
� São muito puros e um dos mais transparentes
� São os mais resistentes à temperatura (resistem até 1260°)
41
� Possuem excelente resistência ao choque térmico e à ação de agentes químicos
� São de custo elevado e de conformação difícil
APLICAÇÕES:
� Especiais como sistemas ópticos de laboratório, instrumentos para laboratório de 
pesquisa
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
VIDROS (CERÂMICOS AMORFOS)
Vidro p/ química
Vidro alta pureza(*)
UtilizaçãoNa2O
54
Al2O3
13
B2O3
76
100
SiO2
1Borosilicato
Sílica vítrea
PbOZnOK2OMgOCaO
42
Revestimento p/ 
metais
Fibras p/ compósitos
61171660Verniz
14
14
4
15
2
1
3
8
34
54
73
72
4217Enamel
22Fibra vidro E
10Vidro (conten.)
48Vidro (janelas)
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
VIDROS À BASE DE SÍLICA
� A maioria desses vidros é produzida pela adição de óxidos (CaO e Na2O) à estrutura
básica SiO4-4 – chamados modificadores da rede;
� Estes óxidos quebram a cadeia de tetraedros e o resultado são vidros com ponto de
fusão menor, mais fáceis de dar forma (moldáveis);
43
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
CERÂMICOS CRISTALINOS DE SILICATOS
545-25
50-
70
Tijolo 
refractário
496Sílica 
refractária
Outro
s
CaOMgOK2OAl2O3SiO2
Composição (% em peso)
44
264925Cimento Portland
130564Porcelana 
steatite
163261Porcelana 
eléctrica
----7228Mulita 
refractária
52570refractário
Os cerâmicos cristalinos à base de Silicatos não são usados como materiais estruturais
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
CERÂMICOS CRISTALINOS SEM SILICATOS
ZrO2
UO2
Cr2O3
MgO.Al2O3
MgO
Al2O3
Comp.
Isolamento térmico (estab. com 10%CaO)
Combustível em reactores nucleares
Revestimentos para resist. ao desgaste
Idem
Resistência ao desgaste
Isolamento térmico e eléctrico
Utilização
Dióxido de urânio
Zircónia (parcial.) estabilizada
Óxido de Crómio
Spinel
Magnésia, magnésia 
refractária
Alumina, alumina refractária
Nome comum
45
NiFe2O4
BaTiO3
Componentes “magnéticos”
Componentes electrónicosTitanato de Bário
Ferrite de Níquel
BN
B4C
WC
TaC
TiC
Si3N4
SiC
Comp
AbrasivosCarboneto de Boro
IsolamentoNitreto de Boro
Ferramentas de corteCarboneto de Tungsténio
Resistência ao desgasteCarboneto de Tântalo
Resistência ao desgasteCarboneto de Titânio
Resistência ao desgasteNitreto de Silício
AbrasivosCarboneto de Silício
UtilizaçãoNome comum
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
• Gama de variação de densidade para diversos grupos de materiais
1 0
1 0 0
D E N S ID AD E 
[ t o n /m ^ 3 ]
46
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1
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OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
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1 0 0 0
1 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0
R E S I S T Ê N C IA 
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• Gama de variação de resistência para diversos grupos de materiais
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OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
100
1000
10000
CUSTO 
RELATIVO
(POR UNIDADE 
DE VOLUME) 
[ton/m^3]
• Gama de variação do custo relativo por unidade de volume para diversos grupos de 
materiais
48
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1
10
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OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
EXEMPLOS
49
Pistões e camisas
Peças automotivas
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
EXEMPLOS
50
Lixas para polimento
Construção civil
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
ABRASIVOS
Micrografia típica 
de Al2O3
Abrasivo
51
Variações da Alumina empregada para abrasivos e outras aplicações
� Al2O3 – Branca > 99% de pureza
� Al2O3 – Marrom ~ 3% de TiO2 
� Al2O3 – Rosa < de 0.5% de Cr2O3
� Al2O3 + ZrO2 (maior tenacidade)
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
Catalisadores
Cordierita – [2MgO-2Al2O3-5SiO2]
52
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
Filtros e luvas cerâmicas para fundição de aço e ferro fundido - ZrO2
53
Filtros
Luvas
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
Cerâmicos Usadas em aplicações Biomédicas - Biomateriais
� Cerâmica Formula caracteristica
� Alumina Al2O3 Bioinerte
� Zirconia ZrO2 Bioinerte
� Hidroxiapatita Ca10(PO4)6(OH)2 Bioativa
54
� Hidroxiapatita Ca10(PO4)6(OH)2 Bioativa
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
Fibras refratárias cerâmicas:
�Aplicação: Fornos de Tratamento Térmicos, fornos de processo petroquímico, fornos 
túneis para queimas de cerâmica e Caldeiras.
�Isolamento térmico e acústico
�Revestimento de Tubos
55
Flocos Manta
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
Outras aplicações
� Bicos para jateamento de areia
� Ferro fundido: Resiste de 6 a 10 horas de utilização
� WC (carbeto de tungstênio) : Resiste entre 250 a 400 horas de utilização.
� B C (carbeto de boro): Resiste até 1000 horas de utilização. 
56
� B4C (carbeto de boro): Resiste até 1000 horas de utilização. 
� Bicos para corte por água a alta pressão, em geral contendo pós abrasivos.
� Safira (alumina )
OCB
CERÂMICAS DE ENGENHARIA
Cubo de sílica de 
isolamento térmico. 
O interior do cubo está a 
1250ºC e pode ser 
57
manuseado sem 
protecção.
Usada no isolamento 
térmico Lançamento de 
Foguetes Espaciais.
OCB
58
POR HOJE É SÓ PESSOAL!!!!