CAPÍTULO 3 - PROPRIEDADES E ESTRUTURA

INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS CERÂMICOS CAPÍTULO 3 - PROPRIEDADES E ESTRUTURA PPGEM - EE - UFRGS

3.1 INTRODUÇÃO 3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS 3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS 3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS

3. PROPRIEDADES E APLICAÇÕES x ESTRUTURA 3.1 INTRODUÇÃO Materiais cerâmicos aplicabilidade limitada comportamento mecânico tipo de fratura que ocorre principal desvantagem frágil e com baixa absorção de energia Propriedades de interesse em sua utilização PROCESSO DE FABRICAÇÃO MICROESTRUTURA ESTRUTURA CRISTALINA térmicas, elétricas, magnéticas e óticas Importante temperatura que o material está sujeito quando da aplicação em suas propriedades de interesse DEGRADAÇÃO DE PROPRIEDADES PELA TEMPERATURA

3. PROPRIEDADES E APLICAÇÕES x ESTRUTURA 3.1 INTRODUÇÃO OBJETIVO - Apresentar as principais propriedades de materiais cerâmicos: MECÂNICAS FÍSICAS evidenciando seu comportamento em diferentes temperaturas. - Relacionar propriedades com estrutura e processamento. PROCESSO DE FABRICAÇÃO ESTRUTURA ATÔMICA ESTRUTURA CRISTALINA MICROESTRUTURA ESTRUTURA PROPRIEDADES antes de entender fenômenos que determinam propriedades nos materiais a partir da MICROESTRUTURA deve-se primeiramente entender a ESTRUTURA ATÔMICA (e ESTRUTURA CRISTALINA) dos materiais porque estas definem algumas de suas propriedades

3.2.1 Introdução 3.2.2 Propriedades mecânicas a frio 3.2.2.1 Diagrama tensão x deformação 3.2.2.2 Dureza 3.2.2.3 Fadiga 3.2.2.4 Impacto 3. PROPRIEDADES E APLICAÇÕES x ESTRUTURA 3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS 3.2.3 Propriedades mecânicas a quente 3.2.3.1 RM a quente 3.2.3.2 Fluência 3.2.3.3 Refratariedade sob carga 3.2.3.4 Fadiga térmica 3.2.3.5 Choque térmico

PROPRIEDADES MECÂNICAS A QUENTE (TERMOMECÂNICAS) Idem acima - temperatura constante, tensão crescente: Resistência mecânica a quente - temperatura constante, tensão constante: Fluência - temperatura crescente, tensão constante: Refratariedade sob carga - variação cíclica de temperatura: Fadiga térmica - variação brusca de temperatura: Choque térmico 3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA 3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS 3.2.1 INTRODUÇÃO COMPORTAMENTO DO MATERIAL QUANDO SOLICITADO Avaliação características do material rígido, frágil, dúctil, resistente, resistente a trocas de T, resistente a ciclos mecânicos CONHECIMENTO DAS PROPRIEDADES E SUA VARIAÇÃO COM A MICROESTRUTURA. PROPRIEDADES MECÂNICAS A FRIO carga aplicada tração, compressão,cisalhamento Diagrama x forma de aplicação variável com o tempo Fadiga tempo de aplicação curto, longo Impacto meio constante com o tempo, umidade Fadiga estática

3.3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS A FRIO 3.3.2.1 Diagrama tensão x deformação x Cerâmico Polímero Elastômero Meta l x x x Elástica m ax escoamento Resiliência Plástica Tenacidade ruptura Tensão Deformação Resistência a ruptura Resistência ao scoamento Ductilidade Tenacidade Resiliência

3.3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS A FRIO 3.3.2.1 Diagrama tensão x deformação PONTO DE RUPTURA INFORMAÇÕES: Definição de módulo de elasticidade Relação com níveis da estrutura Relação com fatores ambientais Relação com o processo de fabricação Relação com outras propriedades

3.3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS A FRIO 3.3.2.1 Diagrama tensão x deformação Relação E com a estrutura atômica Força de ligação entre dois átomos onde é definido E E = / df da Ligação forte Relação entre o módulo de elasticidade E e o ponto de fusão (PF) de alguns materiais. Ligação fraca Energia de ligação e forças atrativas e repulsivas na ligação entre dois elementos. Diferentes somatório de forças na ligação entre dois elementos, obtendo-se diferentes E.

3.3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS A FRIO 3.3.2.1 Diagrama tensão x deformação Relação E com a estrutura cristalina Cristais Iônicos Máx Mín Aleatório MgO CFC 341 249 315 NaCl CFC 33 44 37 GPa ISOTROPIA e ANISOTROPIA Dependendo do grão (sua orientação, forma,...) o valor do módulo de elasticidade varia. Estrutura cristalina do NaCl e planos mais susceptíveis a deslocamentos.

3.3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS A FRIO 3.3.2.1 Diagrama tensão x deformação Relação E com a microestrutura Materiais cerâmicos podem apresentar fase vítrea Com fase vítrea: x pode apresentar uma deformação plástica cerâmico sem fase vítrea cerâmico com fase vítrea POROSIDADE E=E 0 (1-1,9P+0,9P 2 ) TEMPERATURA Matriz silicosa com grãos grosseiro de mulita

3.3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS A FRIO 3.3.2.1 Diagrama tensão x deformação DEFORMAÇÃO PLÁSTICA: CERÂMICOS CRISTALINOS EM TEMPERATURAS ELEVADAS IÔNICO - não ocorre a temperatura ambiente - em temperaturas elevadas se ocorrer diferente em cristalinos e não cristalinos CERÂMICOS NÃO CRISTALINOS: - estrutura atômica não regular - deformam-se como um fluxo viscoso semelhante aos líquidos Dificuldade de deslocamento em cerâmicos com caráter iônico (repulsão). COVALENTE - necessidade de cinco sistemas de deslizamento Ex. Al 2 O 3 disponível em 1550 C EXEMPLOS Representação de um fluxo viscoso de um líquido ou fluido vítreo em razão de uma força aplicada.

3.3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS A FRIO 3.3.2.1 Diagrama tensão x deformação RUPTURA EM METAIS 1 a Hipótese: ruptura ao mesmo tempo das ligações. RM 1000x > prática 2 a Hipótese: escorregamento de planos até a ruptura. RM ~ E / 20 (>> prática) K IC = Y a 1/2 Defeitos RUPTURA EM CERÂMICOS concentradores de tensão - poros, grãos, fases, etc. 3 a Hipótese: escorregamento facilitado por movimento de discordâncias RM ~ prática Macroscopicamente: corpos-de-prova RM controlada pelo maior defeito.

3.3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS A FRIO 3.3.2.1 Diagrama tensão x deformação RUPTURA EM CERÂMICOS 4-pontos 3 pontos Ruptura dos materiais cerâmicos definida pela presença de DEFEITOS (porosidade, descontinuidades) resultantes do processamento cerâmico típico (processamento de pós)! Chamota inserida a massa cerâmica, pode atuar como o maior defeito. Fases cristalinas obrigam a trinca a contorná-las ou causam a bifurcação da trinca. Matriz: ZrO 2 cúbica Precipitados: ZrO 2 monoclínica

3.3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS A FRIO 3.3.2.2 Dureza METAIS Mede-se a deformação plástica Métodos: Brinell Vickers Rocwell Microdureza de Knoop CERÂMICOS: Mede-se microfissuras no material Métodos: - Vickers - Microdureza de Knoop Na microstrutura salienta-se as marcas do identador de diamante devido a medição de microdureza Knoop. Material Dureza aproximada em Knoop Diamante 7000 B4C 2800 SiC 2500 WT 2100 Al2O3 2100 Quartzo (SiO2) 800 Vidro 550

3.3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS A FRIO 3.3.2.3 Fadiga METAIS Falha que ocorre em estruturas devido a tensões dinâmicas e flutuantes CERÂMICAS - Fadiga por carregamento cíclico é raro (ligações iônicas e covalentes: ausência de plasticidade) TRINCA NA FADIGA: INÍCIO: concentradores de tensão nucleação PROPAGAÇÃO: estrias ou ondulações FRATURA: a seção não suporta a carga aplicada Fotografia ótica da superfície de fratura por fadiga. Superfície de um corpo cerâmico, salientando defeitos. - Em cerâmicos, concentrar e desconcetrar tensões ruptura FADIGA ESTÁTICA: rompimento do material sob tensões constantes, durante um certo tempo em ambientes úmidos. Visualização de um mecanismo alternativo para explicar a influência da umidade no crescimento subcrítico de trincas.

3.3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS A FRIO 3.3.2.4 Impacto METAIS Ensaios: - Charpy - Izod - Influenciado: - entalhe - temperatura de transição Grãos grossos CERÂMICAS - Não resistem ao impacto - Apresentam baixa tenacidade Corpo cerâmico - Análise qualitativa de resistência ao Impacto NBR-9454/86. - O ensaio está baseado em submeter um corpo de prova, placa de dimensões 300 X 300 X 60 mm3, a sucessivos impactos causados pela queda de uma esfera com altura de queda inicial de 10 cm e incrementos de igual valor. a b Grãos finos Comparação (a) sem fibra e (b) com fibra de polipropileno

3.3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS A QUENTE 3.3.3.1 Resistência mecânica a quente

3. A QUENTE 3.3.3.2 Fluência Relação da fluência com a temperatura. - Deformação lenta que ocorre nos materiais submetidos ao carregamento em temperatura elevada. - A velocidade de fluência depende da temperatura e da tensão em que o material está submetido. - Os mecanismos que influenciam o processo de fluência são a deformação de contorno de grão, os movimentos de discordância e a difusão. A equação de Norton correlaciona estes critérios: Equação de Norton : tensão s L g : tamanho de grão n: expoente de tensão m: expoente do tamanho de grão : taxa de fluência estacionária D: coeficiente de difusão A: constante T: temperatura R: constante n A. D. L 1 m g Q s S. n exp RT Influência da difusão Relação entre temperatura e tempo no processo de fluência: I: Fluência primária ou transiente. II: Fluência estacionária. III: Fluência terciária. Para Norton há uma relação entre a taxa de fluência com a tensão: a taxa de fluência é proporcional a n. n =1; fluência difusional n = 2; deslizamento de contorno de grão n = 4; somente alguns materiais, sendo que n > 4, não há explicação física para o fenômeno.

3. A QUENTE 3.3.3.2 Fluência Modelo de Nabarro-Herring: O modelo assume que: -em temperatura elevada há um equilíbrio na concentração de vacâncias; -quando se aplica uma tensão: há difusão de vacâncias da zona de tração (concentração de vacâncias é maior) para zona de compressão, paralelamente, ocorre a difusão de átomos da zona de compressão para a de tração; -esta difusão muda a forma do grão, tornando-o alongado (menor altura e maior comprimento); Equação de Nabarro-Herring, da difusão por volume: : taxa de fluência ' Ds k 2 k : constante numérica Lg kt k: constante de Boltzman D s : coeficiente de difusão L g tamanho de grão : tensão : volume atômico/ volume de vazios Segundo o modelo de Nabarro-Hering: -A taxa de fluência é fortemente afetada pela T, devido ao D s -A taxa de fluência é fracamente afetada pela tensão, já que o expoente é 1 (linear) -A taxa de fluência é fortemente afetada pelo Lg, já que a taxa varia com 1/Lg 2

3. A QUENTE 3.3.3.2 Fluência Combinação de escoamento viscoso, sintetização sob pressão, rearranjo de grãos e movimentos de deslocamentos. Depende da composição do material, fases em equilíbrio, microestrutura, estado de tensões e temperatura. Outras formas de apresentar resultados do teste de fluência Influência da tensão e temperatura na fluência Curva tensão x tempo de ruptura. Estima a expectativa do tempo de vida de um componente nas condições estabelecidas. Relação entre tempo de ruptura e temperatura para uma tensão constante Sugere representação de Arrhenius Parâmetro de Larson-Miller. Relação entre tensão - temperatura - tempo de ruptura. Razão de fluência pela combinação de tempo e temperatura

3. A QUENTE 3.3.3.2 Fluência ENSAIOS DE FLUÊNCIA: amostra do material a uma carga constante ( 0,2MPa refratários e 0,1 MPa isolantes) temperatura constante fluência valor da deformação em função do tempo de ensaio 1. silico-aluminoso com cerca de 65% de Al 2 O 3 ; 2. Alta alumina 98% de Al 2 O 3 ; 3. Magnesiacromo 10% de Cr 2 O 3 ; 4. Magnesiano com 95% de MgO

3. A QUENTE 3.3.3.3 Refratariedade sob carga A maneira exata como um cerâmico colapsa sob carga a altas temperaturas varia com o tipo de material e é determinado pelo tipo de ligação existente no refratário a essas temperaturas. Deformação sob carga de tijolos com carga de 0,35 MPa. Determinada pela composição química e equilíbrio de fases; Cerâmicos com fase líquida à temperatura de serviço podem relaxar tensões e deformar por mecanismos de difusão (fluência); Se a quantidade de líquido formada é pequena não haverá deformação antes da fratura paralela a força de compressão; A presença de poros tem três efeitos: 1. aumenta a tensão aplicada na parte densa do material 2. fornece um mecanismo interno de deformação; 3.dependendo de forma e distribuição: concentradores de tensão

3. A QUENTE 3.3.3.3 Refratariedade sob carga amostra do material a uma carga constante 1. silico-aluminoso; 2. Silimanita; 3. Magnesiacromo; 4. Alta sílica (abóboda); 5. Alta sílica (coqueria); 6. Cromomagnesiano. ( 0,2MPa para refratários e 0,1 MPa para isolantes) temperatura crescente refratariedade sob carga valor da temperatura em função da deformação Teste de refratariedade sob carga. T 0 = temperatura da dilatação máxima T 0,5 = temperatura de contração 0,5% a partir do D máximo T 1 = temperatura de contração 1% a partir do D máximo

3. A QUENTE 3.3.3.4 Fadiga térmica Em cerâmicos as tensões cíclicas que solicitam o material são geradas por variações de T Para ocorrer fadiga térmica são necessárias duas condições: Ex: contração e expansão - restrição mecânica térmica devido a mudança - mudança de temperatura de temperatura. T = 1.E. T onde: T : tensões térmicas 1 : coeficiente de expansão térmica E: módulo de elasticidade T : variação de temperatura s x n de ciclos (a) limite de fadiga definido (b) não definido A falha por fadiga é caracterizada por três passos distintos: 1 - iniciação da trinca 2 - propagação da trinca 3 - falha final Influência da tensão na falha por fadiga

3. A QUENTE 3.3.3.5 Choque térmico Variação brusca de temperatura Esforço termomecânico TENSÃO TÉRMICA Onde: E = módulo de elasticidade a = coeficiente de expansão térmica T = variação de temperatura Peça cerâmica submetida a variação de temperatura ( T) e tem sua dilatação ou contração impedida gera uma tensão térmica: = E ( T) Exemplo: Al 2 O 3 submetido a 300 K Para Al 2 O 3 E= 410 GPa = 6,9.10-6 / K = E. ( T) = 410 GPa. 6,9.10-6 / K. 300 K = 850 MPa! RCT= a. /E. a = K/cp. Força motriz para a nucleação e crescimento de trincas - fratura Quando uma peça é resfriada bruscamente de To a uma T a superfície ira contrair a (To-T), porém o interior encontra-se ainda na temperatura To, resulta em tensões trativas na superfície igual a: = E (T o - T) 1-m Onde: E = módulo de elasticidade = coeficiente de expansão térmica T o = temperatura inicial T = temperatura final m = coeficiente de Poisson

3. A QUENTE 3.3.3.5 Choque térmico Degradação da superfície após choque térmico Distribuição parabólica de temperatura, em um certo instante, na seção reta de uma placa de espessura b,resultante de um resfriamento brusco. (a) compressão (b) tração 10000 T máx K 3000 1000 300 100 30 10 Al 2 O 3 (100 C) Al 2 O 3 Tensões térmicas geradas sílico-aluminoso ar 1 10 100 1000 b - h porcelana água sílica BeO Al 2 O 3 (1000 C) W / mk

3. A QUENTE 3.3.3.5 Choque térmico Fraturas típicas de choque térmico fissuras centro da face fragmentos grandes agarrados descasque 425 bloco queimador 425 bloco visor 525 bloco queimador 525 bloco visor

3. PROPRIEDADES E APLICAÇÕES x ESTRUTURA 3.1 INTRODUÇÃO PROCESSO DE FABRICAÇÃO GERAÇÃO DE DEFEITOS: MATÉRIA-PRIMA CONFORMAÇÃO SECAGEM PÓ PRENSAGEM FLUIDOPLÁSTICA COLAGEM ASPERSÃO TÉRMICA ETC... -BENEFICIAMENTO DA MATÉRIA-PRIMA -PROCESSO DE CONFORMAÇÃO -SECAGEM INEFICIENTE, OU RÁPIDA - QUEIMA EM CONDIÇÕES INEFICIENTES (T, t, taxa) QUEIMA OBTENÇÃO DE UM CORPO DENSO CONCENTRADORES DE TENSÕES

3. PROPRIEDADES E APLICAÇÕES x ESTRUTURA 3.1 INTRODUÇÃO MICROESTRUTURA Porcelana tradicional: fotomicrografia em MEV da seção transversal da amostra queimada a 1420ºC e atacada com ácido fluorídrico a 40% por 10s. Aumento de 100x. Refratário Sílico-aluminoso: fotomicrografia em microscópio ótico da seção transversal da amostra. Grãos grosseiros podem ser os maiores defeitos na microestrutura. DEFEITOS NA MICROESTRUTURA: -POROS; -FASES NÃO DISPERSAS; -GRÃOS GROSSEIROS; CONCENTRADORES DE TENSÕES

3. PROPRIEDADES E APLICAÇÕES x ESTRUTURA 3.1 INTRODUÇÃO ESTRUTURA CRISTALINA Estrutura cristalina do Al 2 O 3 Dificuldade de deslocamento em cerâmicos com caráter iônico (repulsão). Estrutura cristalina do NaCl CRISTAIS IÔNICOS: -PRESENÇA DE CARGAS (+, -); -AUSÊNCIA DE DESLIZAMENTO; -PRESENÇA DE DEFEITOS; MATERIAIS FRÁGEIS

3. PROPRIEDADES E APLICAÇÕES x ESTRUTURA 3.1 INTRODUÇÃO DEGRADAÇÃO DE PROPRIEDADES EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA RM a quente Refratariedade Aumento da T diminui a RM em cerâmicos DEGRADAÇÃO COM A T: - RM, ex. FASES VÍTREAS; MATERIAIS FRÁGEIS

3. PROPRIEDADES E APLICAÇÕES x ESTRUTURA 3.3.2 DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO 3.3.2.3 Região plástica Plano no MgO mostrando a direção de cisalhamento Plano no NaCl onde os íons estão alinhados Aumento da T diminui a RM em cerâmicos