Propriedades dos Materiais Cerâmicos: Variabilidade na Resistência à Fratura e Efeito do Tamanho de Poro

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CARIRI CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS PROPRIEDADES DOS MATERIAIS CERÂMICOS 20232 Profa Francisca Maria Martins Pereira ATIVIDADE DE REVISÃO 1 1ª Por que os limites de resistência à fratura medidos nas cerâmicas divergem substancialmente dos estimados teoricamente a partir das forças de ligações interatômicas 2ª Por que geralmente existe uma variação e uma dispersão consideráveis na resistência à fratura entre muitas amostras de um mesmo material cerâmico frágil 3ª Para investigar o efeito do tamanho do poro na resistência do nitreto de silício ligado por reação foi introduzido poros artificiais esferas de cera que derretem durante o processamento nos corpos de prova compactados antes da ligação por reação Os resultados obtidos estão resumidos na tabela abaixo Esses dados são consistentes com o critério de Griffith Explique claramente afirmando todas as suposições Tamanho do grão de cera m Tamanho médio do poro m Resistência à flexão MPa 036 48 140 12 6390 66 119 12 125180 100 101 14 4ª O módulo de Young é mais afetado pela presença de uma fase vítrea intergranular ou uma quantidade igual de porosidade Justifique sua resposta com um cálculo adequado Nos cálculos considere como vidro intergranular o vidro de sodacal nos contornos de grãos e Al2O3 como a cerâmica 5ª Qual dos materiais listados abaixo seria o mais adequado para aplicação em uma peça que experimenta flutuações térmicas súbitas e severas durante o serviço e qual seria o menos indicado Explique 6ª a Explique sucintamente por que podem ser introduzidas tensões térmicas em uma estrutura pelo seu aquecimento ou resfriamento rápido b Qual é a natureza das tensões superficiais no resfriamento c Qual é a natureza das tensões superficiais no Material α 106C E GPa KIC MPa𝒎 K WmK MOR MPa A 91 69 02 076 17 69 B 135 300 018 29 370 100 C 80 400 022 40 350 620 D 45 396 022 37 20 580 E 29 310 027 56 250 520 aquecimento d Para um material cerâmico é mais provável a ocorrência de um choque térmico em um aquecimento rápido ou em um resfriamento rápido Por quê e Quais medidas poderiam ser tomadas para reduzir a probabilidade de choque térmico de uma peça cerâmica 7ª Explique por que a porosidade diminui a condutividade térmica dos materiais cerâmicos tornandoos mais isolante termicamente 8ª É correto afirmar que quando aquecida a cerâmica se expande igualmente em todas as direções Explique Resolução da Atividade de Revisão I 1 Alguns dos motivos da divergência entre os limites de resistência a fratura obtidos experimentalmente e os que são estimados teoricamente são os seguintes Defeitos As cerâmicas possuem poros trincas e inclusões que agem como pontos de concentração de tensão reduzindo significativamente a resistência à fratura real Distribuição estatística de falhas A falha em cerâmicas é um processo probabilístico com diferentes regiões da microestrutura apresentando diferentes susceptibilidades à fratura Fratura subcrítica As cerâmicas podem sofrer fratura gradual sob tensões menores que a resistência teórica devido à propagação de trincas preexistentes Anisotropia As propriedades das cerâmicas podem variar em diferentes direções influenciando a resistência à fratura de acordo com a orientação da carga aplicada Dificuldades na caracterização A caracterização precisa das propriedades microestruturais e dos mecanismos de fratura é complexa o que contribui para a discrepância entre os valores medidos e os teóricos O método de produção da cerâmica como sinterização moldagem e usinagem pode introduzir defeitos e controlar a microestrutura influenciando a resistência 2 A notável variabilidade na resistência à fratura de amostras do mesmo material cerâmico frágil se deve a uma complexa interação de fatores que podem ser divididos em três categorias principais Microestrutura Processo de fabricação e as condições do ensaio Trincas poros inclusões e outras imperfeições na microestrutura do material atuam como pontos de concentração de tensão facilitando a propagação de trincas e a subsequente fratura A distribuição tamanho e morfologia desses defeitos variam consideravelmente entre diferentes amostras levando à dispersão na resistência à fratura Assim também como as Condições de sinterização compactação moldagem e outros processos de fabricação podem influenciar a distribuição de poros tamanho de grãos e outras características microestruturais afetando a resistência à fratura A probabilidade de encontrar um defeito crítico aumenta com o tamanho da amostra levando à variabilidade na resistência à fratura entre amostras de diferentes tamanhos 3 com base nos dados podemos concluir que os resultados são consistentes com o critério de Griffith A presença de poros no nitreto de silício ligado por reação atua como falhas críticas diminuindo a resistência à flexão do material Quanto maior o poro maior a falha crítica e menor a resistência à flexão A tabela na imagem mostra a relação entre o tamanho do grão de cera o tamanho médio do poro e a resistência à flexão do nitreto de silício ligado por reação Observamos que A resistência à flexão diminui com o aumento do tamanho do poro A maior queda na resistência à flexão ocorre entre os tamanhos de poro de 036 µm e 6390 µm Em outras palavras quanto maior a falha menor a força necessária para fraturar o material 4 O vidro de sodacal tem um módulo de Young de aproximadamente 70 GPa enquanto o Al2O3 cerâmica tem um módulo de Young de aproximadamente 380 GPa A presença de uma fase vítrea intergranular pode reduzir significativamente o módulo de Young da cerâmica Para realizar uma comparação vamos Considerar um modelo simplificado de um material com 50 de volume de fase vítrea e 50 de volume de cerâmica O módulo de Young efetivo 𝐸𝑒 pode ser calculado usando a regra de misturas 𝐸𝑒 𝐸𝑣𝑉𝑣 𝐸𝑐𝑉𝑐 Onde Ev módulo de Young do vidro 70 GPa Vv volume de fração do vidro 05 Ec módulo de Young da cerâmica 380 GPa Vc volume de fração da cerâmica 05 Substituindo os valores obtemos 𝐸𝑒 70 05 380 05 𝐸𝑒 225 𝐺𝑝𝑎 A porosidade também pode reduzir significativamente o módulo de Young de um material A relação entre a porosidade P e o módulo de Young efetivo 𝐸𝑒 pode ser estimada pela seguinte equação 𝐸𝑒 𝐸𝑐 1 𝑃2 Para conseguimos calcular o módulo de Young efetivo vamos estimar que o material possua aproximadamente 10 de porosidade Substituindo os valores na equação acima teremos 𝐸𝑒 380 1 012 𝐸𝑒 3078 𝐺𝑝𝑎 Com base nos cálculos acima podemos concluir que a presença de uma fase vítrea intergranular tem um efeito mais significativo no módulo de Young do que a mesma quantidade de porosidade 5 O material mais adequado seria o C pois este material tem o coeficiente de dilatação térmica relativamente baixo um módulo de elasticidade alto e uma tenacidade à fratura alta Sua condutividade térmica é relativamente alta mas isso pode ser mitigado com o uso de um isolante térmico Já o material mais inadequado seria o A pois o material tem um alto coeficiente de dilatação térmica o que o torna inadequado para aplicações com flutuações térmicas Além disso ele tem um módulo de elasticidade relativamente baixo o que o torna propenso à deformação 6 a Tensões térmicas podem ser introduzidas em uma estrutura pelo seu aquecimento ou resfriamento rápido devido à criação de gradientes de temperatura Quando a superfície da estrutura é aquecida ou resfriada rapidamente a temperatura interna não muda na mesma velocidade Isso resulta em diferentes expansões ou contrações em diferentes partes da estrutura gerando tensões b no resfriamento a superfície da estrutura se contrai mais do que o interior Isso gera tensões compressivas na superfície e tensões tracionadas no interior c no aquecimento a superfície da estrutura se expande mais do que o interior Desta forma são geradas tensões tracionadas na superfície e tensões compressivas no interior d O choque térmico é mais provável em um resfriamento rápido de uma peça cerâmica Isso ocorre porque a cerâmica é um material frágil com baixa condutividade térmica No resfriamento rápido a superfície da cerâmica se contrai rapidamente enquanto o interior ainda está quente e expandido Essa contração rápida gera tensões compressivas na superfície que podem exceder a resistência à tração da cerâmica levando à formação de trincas e à quebra da peça e para reduzir a probabilidade de choque térmico podemos tomar as seguintes medidas Aquecimento e resfriamento lentos Aumentar o tempo de aquecimento e resfriamento para permitir que a temperatura se distribua uniformemente pela peça Préaquecimento e préresfriamento Aquecer ou resfriar a peça gradualmente em um forno ou outro ambiente controlado antes de expôla à temperatura final Uso de isolantes Usar materiais isolantes para retardar a transferência de calor para a superfície da peça Alteração da geometria da peça Reduzir a massa da peça ou alterar sua forma para diminuir os gradientes de temperatura Seleção de materiais Usar materiais cerâmicos com maior resistência à tração e à fratura 7 A porosidade diminui a condutividade térmica dos materiais cerâmicos por três mecanismos principais Diminuição da área de contato os poros introduzem espaços vazios na estrutura do material cerâmico Isso diminui a área de contato entre as partículas sólidas reduzindo o caminho para a transferência de calor por condução O calor precisa pular entre as partículas sólidas o que é menos eficiente do que fluir através de um material sólido contínuo Ar preso os poros geralmente contêm ar que é um isolante térmico muito bom O ar aprisionado nos poros impede a transferência de calor por convecção pois o ar é um fluido com baixa capacidade de transportar calor Dispersão de fônons s fônons são vibrações na rede cristalina que transportam calor em materiais sólidos Os poros espalham os fônons diminuindo o seu livre curso e consequentemente a condutividade térmica do material 8 Não a afirmação de que a cerâmica se expande igualmente em todas as direções quando aquecida não é totalmente correta A expansão térmica da cerâmica pode ser anisotrópica o que significa que a expansão pode ser diferente ao longo dos eixos cristalográficos A afirmação não está totalmente correta pois existem alguns tipos de materiais cerâmicos que apresentam um comportamento de expansão isotrópica Essa diferença de natureza térmica pode ser avaliada a depender da sua estrutura cristalina e microestrutura do material cerâmico que está sendo analisado