UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDODEPARTAMENTO DE AGROTECNOLOGIA E CIÊNCIAS SOCIAIS QUÍMICA APLICADA A ENGENHARIA – 2014.1 PROF. DRª. CRISTIAN KELLY MORAIS DE LIMA BACHARELADO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA ESTRUTURAS E DAS CERÂMICAS PROPRIEDADES ALINE BEATRIZ DE MEDEIROS COSTA1 GEAN CARLOS DE SOUSA1 INGRID LOURRANY BARRETO FREITAS1 VITÓRIA LORENA FERREIRA DA SILVA1 YASSONARLEY CHRISTIANNY DE PAIVA GOMES1 1 Aluno(a) do curso de Bacharelado em Ciência e Tecnologia da UFERSA. Imperfeições nas Cerâmicas Fratura frágil das cerâmicas SUMÁRIO Comportamento tensão-deformação Mecanismos de deformação plástica Considerações mecânicas diversas IMPERFEIÇÕES NAS CERÂMICAS o Defeitos pontuais atômicos: o Defeitos atômicos envolvendo átomos hospedeiros podem existir nos compostos cerâmicos. o Uma vez que materiais cerâmicos contém íons de pelo menos dois tipos, podem haver defeitos para cada espécie de íon. o Exemplo o No NaCl, podem haver defeitos por lacunas e intersticiais para o Na e defeitos por lacunas e intersticiais para o Cl. . Uma vez que os átomos existem como íons carregados. devem ser mantidas as condições de eletroneutralidade.IMPERFEIÇÕES NAS CERÂMICAS • Estrutura de defeitos: • • Designa os tipos e concentrações de defeitos atômicos nas cerâmicas. quando as estruturas dos defeitos são consideradas. Eletroneutralidade é o estado que existe quando estão presentes números iguais de cargas positivas e negativas de íons. IMPERFEIÇÕES NAS CERÂMICAS • Defeito de Frenkel: • • Envolve um par composto por uma lacuna catiônica e um cátion intersticial. Não existe alteração global na carga. . uma vez que o cátion mantém a mesma carga positiva como um intersticial. IMPERFEIÇÕES NAS CERÂMICAS • Defeito de Schottky: • • Um par composto por uma lacuna catiônica e uma lacuna aniônica. e como para cada lacuna aniônica existe uma lacuna catiônica. a neutralidade de cargas do cristal é mantida. Uma vez que tanto os cátions quanto os ânions tem a mesma carga. . IMPERFEIÇÕES NAS CERÂMICAS • A razão entre o número de cátions e ânions não é alterada pela formação de um defeito de Frenkel ou de Schottky. Estequiometria é o estado para os compostos iônicos em que existe a razão exata entre cátions e ânions prevista pela formula química. Exemplo: NaCl. o material é dito estequiométrico. . Se nenhum outro tipo de defeito estiver presente. .IMPERFEIÇÕES NAS CERÂMICAS • A falta de estequiometria pode ocorrer para alguns materiais cerâmicos nos quais há dois estados de valência par aum dos tipos de íon.: Óxido de Ferro (FeO). • Ex. IMPERFEIÇÕES NAS CERÂMICAS • As quantidades em equilíbrio tanto dos defeitos de Frenkel quanto dos defeitos de Schottky. aumentam e dependem da temperatura de maneira semelhante ao número de lacunas nos metais. . IMPERFEIÇÕES NAS CERÂMICAS Exemplo: Calcule o número de defeitos de Schottky por metro cúbico no cloreto de potássio a 500 ºC . • . enquanto a massa específica do KCl a 500 ºC é 1.955 g/cm³. A energia necessária para a formação de cada defeito de Schottky é de 2.6 eV. substituirá o íon hospedeiro ao qual ela mais se assemelhano aspecto elétrico. o raio iônico da impureza deve ser relatiamente pequeno em relação ao raio do ânion. • Uma impureza substitucional.IMPERFEIÇÕES NAS CERÂMICAS Impurezas nas cerâmicas: • Os átomos de impureza podem formar soluções sólidas do tipo substitucional e intersticial • Para uma solução sólida intersticial. . a fim de manter a sua eletroneutralidade.IMPERFEIÇÕES NAS CERÂMICAS • Impurezas nas cerâmicas • O tamanho e a carga da impureza devem ser muito próximos daqueles de um dos íons hospedeiros . . • Para um íon de impureza com carga diferente do íon hospedeiro. o cristal compensa essa diferença através de defeitos na rede. FRATURA FRÁGIL DAS CERÂMICAS • • • • Formação e propagação de trincas. Defeitos: • • Concentração de tensões. Resistência à fratura. . Através dos grãos (ou transgranular) e ao longo dos planos cristalográficos (ou de clivagem). Comprimento e raio da curvatura da extremidade da trinca. • . Para tensões de compressão.FRATURA FRÁGIL DAS CERÂMICAS • As resistências a fratura medidas para os materiais cerâmicos são substancialmente inferiores aquelas estimadas pela teoria a partir das forças de ligação inter atômicas. não existe qualquer amplificação de tensões associada com qualquer defeito existente. • Essas trincas afetam a resistência de maneira negativa. KIc. é definida por: . A tenacidade à fratura em deformação plana.FRATURA FRÁGIL DAS CERÂMICAS A medida da habilidade de um material cerâmico em resistir à fratura quando uma trinca está presente é especificada em termos da tenacidade à fratura. Cimento portland. .FRATURA FRÁGIL DAS CERÂMICAS • • • Fadiga estática ou fratura retardada. Revenimento Térmico. FRATURA FRÁGIL DAS CERÂMICAS . FRATURA FRÁGIL DAS CERÂMICAS . É difícil prender materiais frágeis sem fraturá-los. As cerâmicas falham após uma deformação de apenas aproximadamente 0.1%. 2.COMPORTAMENTO TENSÃODEFORMAÇÃO • Resistência à Flexão • Comportamento tensão-deformação das cerâmicas frágeis não pode ser avaliado por um ensaio de tração 1. . 3. É difícil preparar e testar amostras com a geometria necessária. COMPORTAMENTO TENSÃO-DEFORMAÇÃO • Ensaio de Flexão Transversal • Onde um corpo de provas é flexionado até a fratura. utilizando uma técnica de aplicação de cargas em três ou em quatro pontos. . resistência à fratura ou resistência ao dobramento.COMPORTAMENTO TENSÃO-DEFORMAÇÃO A tensão no momento da fratura quando se emprega esse ensaio de flexão é conhecida como resistência à flexão. . • Para uma seção transversal circular Em que R é o raio do corpo de provas. é igual a: • Para uma seção transversal retangular Em que Ff é a carga na fratura e L é a distância entre os pontos de apoio. módulo de ruptura. A resistência à flexão rf . Com o aumento do volume do corpo de provas. uma diminuição na resistência à flexão. existe um aumento na probabilidade da existência de um defeito capaz de produzir uma trinca e. • Comportamento Elástico • O comportamento tensão-deformação elástico para os materiais cerâmicos usando esses ensaios de flexão obedece uma relação linear entre tensão e deformação. .COMPORTAMENTO TENSÃO-DEFORMAÇÃO • A resistência à flexão dependerá do tamanho do corpo de prova. consequentemente. . . MECANISMOS DE DEFORMAÇÃO PLÁSTICA • Deformação plástica: • • • Deformação permanente ou que não pode ser recuperada após a liberação da carga aplicada. Cerâmica não cristalina. Deformação Plástica . Cerâmica cristalina. • linear ao Resistência ao escorregamento: • • Dureza Fragilidade redor do qual existe .MECANISMOS DE DEFORMAÇÃO PLÁSTICA • Cerâmica Cristalina • A deformação plástica ocorre. Discordância: Defeito cristalino desalinhamento atômico. assim como nos metais. pelo movimento de discordância. da mesma maneira que os líquidos se deformam. A deformação plástica ocorre por escoamento viscoso.MECANISMOS DE DEFORMAÇÃO PLÁSTICA • Cerâmica não cristalina • • • A deformação plástica nas cerâmicas não cristalinas não ocorre pelo movimento de discordâncias. Viscosidade (medida em poise ou pascal-segundo): . já que não há uma estrutura atômica regular. 34– Representação do escoamento viscoso de um líquido ou vidro fluido em resposta à aplicação de uma força de cisalhamento.MECANISMOS DE DEFORMAÇÃO PLÁSTICA Figura 12. . .CONSIDERAÇÕES MECÂNICAS DIVERSAS • Influência da Porosidade • Processo de produção das cerâmicas. Figura 13.17 – Micrografia eletrônica de varredura de pós de óxido de alumínio compactados sinterizado a durante 6 min. CONSIDERAÇÕES MECÂNICAS DIVERSAS • A influência da porosidade no módulo de elasticidade. . E. 35 – Influência da porosidade sobre o módulo de elasticidade para o óxido de alumínio à temperatura ambiente. . a influência da porosidade sobre o módulo de elasticidade.CONSIDERAÇÕES MECÂNICAS DIVERSAS Temos. por exemplo.35 Figura 12. para o óxido de alumínio. FIGURA 12. CONSIDERAÇÕES MECÂNICAS DIVERSAS • Influência da Porosidade • Na resistência à flexão. Figura 12. .36 – Influência da porosidade sobre a resistência à flexão para o óxido de alumínio à temperatura ambiente. tem sido demonstrado que a resistência à flexão diminui exponencialmente com a fração volumétrica da porosidade (P): .CONSIDERAÇÕES MECÂNICAS DIVERSAS Experimentalmente. 5 – Técnicas de Ensaio de Dureza . Tabela 6.CONSIDERAÇÕES MECÂNICAS DIVERSAS • Dureza • Técnicas de ensaio de dureza: Vickers e Knoop. sinterizado 22.0 17.4 19.6 – Dureza Vickers (e Knoop) para Oito Materiais Cerâmicos . colado por reação.CONSIDERAÇÕES MECÂNICAS DIVERSAS Material Dureza Vickers (Gpa) Dureza Knoop (Gpa) Comments Diamante (carbono) 130 103 Monocristal.1 Tabela soda 12. face (100) Carbeto de boro 44.2 - 26.1 - Policristalino.2 Zircrônia (parcialmente estabilizada) 11.8 Policristalino. prensado a quente Nitreto de silício 16.7 - Policristalino.5 - 25. sintetizado Vidro de cal de 6. CONSIDERAÇÕES MECÂNICAS DIVERSAS • Fluência Figura 8.26 – Curva típica de fluência mostrando a deformação em função do tempo sob uma carga constante e a temperatura . .CONSIDERAÇÕES MECÂNICAS DIVERSAS Exemplo: O módulo de elasticidade para o óxido de berílio com de porosidade é de . a) Calcule o módulo de elasticidade para o material sem porosidade. CONSIDERAÇÕES MECÂNICAS DIVERSAS b) Calcule o módulo de elasticidade para o material com vol de porosidade. . 2013. [tradução vertice Translate e All Tasks]. tradução Sergio Murillo Stamile Soares. traduzido pelo Eng. 1970. David G.. Donald R. . Callister. – São Paulo: Cengage Learning. Lawrence Hall. Askeland. VAN VLACK. revisão técnica Gloria Dulce de Almeida Soares. 2013. revisão técnica José Roberto Moraes d’ Almeida. William D. Jr. Rethwisch.REFERÊNCIAS • • • CALLISTER. Phulé. Ciência e engenharia dos materiais/ Donald R. ASKELAND. – [Reimpr. Ciência e engenharia dos materiais: uma introdução/ William D. – Rio de Janeiro: LTC.]. Pradeep P. Princípios de ciência dos materiais/ Lawewnce Hall Van Vlack. Luiz Paulo Camargo Ferrão – São Paulo: Blucher.
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