O documento discute defeitos atômicos em materiais cerâmicos, incluindo lacunas, intersticiais e defeitos de Frenkel e Schottky. Também aborda propriedades mecânicas como fratura frágil, tenacidade à fratura, fadiga estática e resistência à flexão.
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Defeitos Pontuais Atômicos
Os compostos cerâmicos podem apresentar defeitos atômicos
envolvendo os átomos hospedeiros.
Como ocorre com os metais, são possíveis tanto lacunas como
intersticiais –
Materiais cerâmicos contêm íons de pelo menos dois tipos
diferentes, podem ocorrer defeitos para cada espécie de íon.
Por exemplo, no NaCl podem existir lacunas e intersticiais para
o Na, e lacunas e intersticiais para o Cl.
Mais dificil de ocorrer intersticiais no anion pois é relativamente
grande, de tal maneira que para ele se ajustar no interior de
uma pequena posição intersticial é necessária a redução de
deformações substanciais sobre os íons vizinhos.
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Defeito em cerâmica
Representações esquemáticas de defeitos por lacuna do
cátion e do ânion, e de um defeito intersticial do cátion.
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Estrutura de defeitos - Frenkel
Designar os tipos e concentrações dos defeitos atômicos
encontrados nos materiais cerâmicos.
Condições de eletroneutralidade devem ser mantidas.
Como conseqüência, os defeitos nas cerâmicas não
ocorrem sozinhos.
Um desses tipos de defeito envolve um par composto
por uma lacuna de cátion e um cátion intersticial Frenkel
Formado por um cátion que deixa a sua posição normal
e se move para o interior de um sítio intersticial. Não
existe uma alteração da carga, pois o cátion mantém a
mesma carga positiva como um átomo intersticial.
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Estrutura de defeitos - Schottky
Um outro tipo de defeito encontrado em materiais do tipo
AX consiste em um par que é composto por uma lacuna
de cátion e uma lacuna de ânion
Este defeito é conhecido por defeito de Schottky.
Ele pode ser considerado como tendo sido criado pela
remoção de um cátion e de um ânion do interior do
cristal, seguido pela colocação de ambos os íons em
uma superfície externa.
Uma vez que tanto os cátions como os ânions possuem
a mesma carga, e que para cada lacuna de ânion existe
uma lacuna de cátion, a neutralidade da carga do cristal
é mantida.
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Defeito tipo Frenkel e Schottky
Diagrama esquemático mostrando defeitos de
Frenkel e Schottky em sólidos iônicos.
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Estequiometria de defeito
Defeito Frenkel ou Schottky não altera razão entre o
número de cátions e o número de ânions
Se nenhum outro tipo de defeito estiver presente, o
material é estequiométrico.
Estequiometria - estado para compostos iônicos onde
existe a razão exata entre cátions e ânions prevista
pela fórmula química.
Um composto cerâmico é dito não-estequiométrico se
existe qualquer desvio dessa razão exata.
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Não-estequiometria em MC
Ocorre onde existem dois estados de valência (ou iônicos) para um dado
tipo de íon.
No oxido de ferro (wustita, FeO) o ferro pode estar presente em ambos os
estados de oxidação, Fe2+ e Fe3+ - Temperatura e da pressão parcial de
oxigênio no ambiente.
Formação de um íon Fe3+ perturba a eletroneutralidade do cristal pela
introdução de um excesso de carga +1, compensado por algum tipo de
defeito.
Exemplo - formação de uma lacuna de Fe2+ (ou pela remoção de duas
cargas positivas) para cada dois íons Fe3+ que são formados.
O cristal não é mais estequiométrico, pois existe um íon O a mais do que
os íons Fe - permanece eletricamente neutro.
Fenômeno comum no oxido de ferro - A sua fórmula química é escrita
freqüentemente como sendo Fe1-xO (onde x representa alguma fração
pequena e variável, substancialmente menor do que a unidade) para
indicar uma condição de não-estequiometria devido a uma deficiência de
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Defeito não estequiométrico
Representação esquemática de uma lacuna de Fe2+ no FeO, a
qual resulta da formação de dois íons Fe3+.
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Impurezas nas cerâmicas
Podem
formar soluções sólidas da mesma
forma como eles fazem nos metais.
Tipos substitucional e intersticial.
Intersticial, o raio iônico da impureza deve ser
relativamente pequeno em comparação ao
ânion.
Impureza substitucional substitui um íon
hospedeiro que seja mais semelhante a ela
no aspecto elétrico ( Cátion por Cátion)
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Impurezas nas cerâmicas
Cloreto de sódio, íons de impurezas Ca2+ e O2iriam substituir, provavelmente, os íons Na+ e Cl-.
Solubilidade sólida - tamanho e a carga iônica da
impureza devem ser muito próximos daqueles dos
íons hospedeiros
Se íon de impureza possuir carga diferente do íon
hospedeiro
cristal
deve
compensar
eletroneutralidade
Formação de defeitos da rede cristalina, pela
introdução de lacunas ou intersticiais de ambos os
tipos de íons
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Cerâmica: Classificação
Átomos de impureza intersticial, a partir de um substitucional do ânion, e de um
substitucional do cátion em um composto iônico.
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Propriedades Mecânicas
Os
materiais cerâmicos têm a sua
aplicabilidade limitada em certos aspectos
devido às suas propriedades mecânicas
Em muitos aspectos são inferiores àquelas
apresentadas pelos metais.
Principal desvantagem- disposição à fratura
catastrófica de uma maneira frágil, com muito
pouca absorção de energia.
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Fratura Frágil
À temperatura ambiente, tanto as cerâmicas cristalinas
como as cerâmicas não-cristalinas quase sempre
fraturam antes de deformação plástica ocorrer em
resposta à aplicação de uma carga de tração
Consiste na formação e propagação de trincas através
da seção reta do material em uma direção perpendicular
à carga aplicada
Crescimento da trinca em cerâmicas cristalinas através
dos grãos (isto é, transgranular) e ao longo de planos
cristalográficos (ou de clivagem) específicos, planos de
elevada densidade atômica.
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Fratura Frágil
As
resistências à fratura para os MC são
substancialmente inferiores às estimadas pela
teoria a partir das forças de ligação interatômicas
Existência de defeitos muito pequenos servindo
como fatores de concentração de tensões –
amplifica a tensão de tração
Grau de amplificação depende do comprimento
da trinca e do raio de curvatura da extremidade
da trinca
Maior no caso de defeitos longos e pontiagudos.
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Fratura Frágil
Concentradores de tensões podem ser:
diminutas trincas de superfície ou internas (microtrincas)
poros internos e arestas de grãos, os quais são
virtualmente impossíveis de serem eliminados ou
controlados
Umidade e os contaminantes presentes na atmosfera
podem introduzir trincas de superfície em fibras de vidro
recentemente estiradas
Concentração de tensões na extremidade de um defeito
pode causar a formação de uma trinca, a qual pode se
propagar até uma fratura real.
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Tenacidade a fratura
A
medida da habilidade de um material
cerâmico em resistir à fratura quando uma
trinca está presente
Em deformação plana, KIC
Y - parâmetro ou função adimensional - depende da amostra e das geometrias da
trinca
σ - tensão aplicada
a - comprimento de uma trinca de superfície, ou a metade do comprimento de uma
trinca interna.
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Tenacidade a fratura
A
propagação da trinca não irá ocorrer
enquanto o lado direito da Eq. for inferior à
tenacidade à fratura em deformação plana do
material
Os valores da tenacidade à fratura em
deformação plana para os materiais
cerâmicos são menores do que aqueles
apresentados pelos metais
Tipicamente, eles são menores do que 10
MPa√m (9 ksi√pol.).
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Fadiga Estática ou fratura retardada
pela
propagação lenta de trincas
quando as tensões são de natureza estática
qundo o lado direito da Eq. é menor do que
KIC
uso do termo "fadiga" pode causar certo
engano, uma vez que uma fratura pode
ocorrer na ausência de tensões cíclicas
Sensível às condições do ambiente - existe
umidade presente na atmosfera
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Mecanismo da Fadiga Estática
provavelmente um processo de corrosão sob tensão nas
extremidades da trinca
Combinação da aplicação de uma tensão de tração e da
dissolução do material
afilamento e aumento no comprimento das trincas
Trinca cresce até apresentar uma rápida propagação.
Duração da aplicação da tensão - diminui com o
aumento da tensão. Tempo de aplicação da tensão deve
ser estipulado.
Ocorre em vidros à base de silicato, porcelana, cimento
portland, cerâmicas com alto teor de alumina, o titanato
de bário e o nitreto de silício.
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Fratura Frágil
distribuição das resistências à fratura para o cimento portland
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Distribuição da resistência a fratura
Explicado
pela dependência da resistência à
fratura X relação à probabilidade da existência
de um defeito. Probabilidade varia de uma
amostra para outra de um mesmo material
Depende da técnica de fabricação e de qualquer
tratamento subseqüente
Tamanho ou o volume da amostra também
influencia - > a amostra > a probabilidade de
existência de defeitos < resistência à fratura.
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Resistência a Fratura em Cerâmicas
Frágil
Para
tensões de compressão, não existe
qualquer amplificação de tensões associada
com qualquer defeito existente
As cerâmicas frágeis exibem resistências
muito maiores em compressão do que em
tração (da ordem de um fator de 10)
quando as condições de carregamento são
compressivas.
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Resistência a Fratura em Cerâmicas
Frágil
Pode
ser melhorada substancialmente pela
imposição
de
tensões
residuais
de
compressão na sua superfície
Através de revenimento térmico.
Teorias estatísticas que em conjunção com
dados experimentais são usadas para
determinar o risco de fratura
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Comportamento Tensão-Deformação
Comportamento tensão-deformação não é
em geral avaliado através de um ensaio de
tração. Três razões:
difícil preparar e testar amostras que
possuam a geometria exigida
difícil prender e segurar materiais frágeis
sem fraturálos
cerâmicas falham após deformação de
apenas aprox. 0,1% - corpos de prova de
tração estejam perfeitamente alinhados
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Resistência a Flexão
Empregado
ensaio de flexão transversal
Corpo de prova na forma de uma barra, com
seção reta circular ou retangular é flexionado até
a sua fratura
Técnica de carregamento em três ou em quatro
pontos
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Resistência a Flexão – 3 pontos
No
ponto de carregamento, a superfície superior
do corpo de prova é colocada em um estado de
compressão, enquanto a superfície inferior
encontra-se em tração
A tensão é calculada a partir da espessura do
corpo de prova, do momento fletor e do
momento de inércia da seção reta
Para uma seção reta retangular e uma seção
reta circular apresentada a equaçao
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Resistência a Flexão – 3 pontos
M = momento fletor máximo
c = distância do centro do corpo de
prova até as fibras mais externas
I = momento de inércia da seção reta
F = carga aplicada
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Resistência a Flexão – Módulo de
ruptura
A
tensão de tração máxima existe na superfície
inferior do corpo de prova, diretamente abaixo do
ponto de aplicação da carga
Tensão no momento da fratura em ensaio de
flexão é conhecida por resistência à flexão,
módulo de ruptura, resistência à fratura ou
resistência à dobra
Importante parâmetro mecânico para os
materiais cerâmicos frágeis
30. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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Resistência a Flexão – Módulo de
ruptura
Para uma seção reta do CP retangular
Ff a carga no momento da fratura
L é a distância entre os pontos de suporte
Para uma seção reta do CP circular
R representa o raio do corpo de prova.
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Resistência a Flexão – Módulo de
ruptura
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Comportamento Elástico
Comportamento
elástico tensão-deformação
para MC em testes de flexão é semelhante
aos resultados apresentados pelos ensaios
de tração realiza-dos com metais
Existe uma relação linear entre a tensão e a
deformação
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Comportamento Elástico
Comportamento típico tensão-deformação até a fratura para o óxido de alumínio e o vidro.
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34. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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Comportamento Elástico
Inclinação
(coeficiente angular) da curva na
região elástica é o módulo de elasticidade
Faixa para os módulos de elasticidade para
os materiais cerâmicos encontra-se entre
aproximadamente 70 e 500 GPa (10 X 106 e
70 X 106 psi)
Ligeiramente maior do que para os metais
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Mecanismo da deformação plástica
A
temperatura ambiente a maioria dos MCs
sofrem fratura antes do surgimento de
qualquer deformação plástica
A deformação plástica é diferente no caso
das cerâmicas cristalinas e das cerâmicas
não-cristalinas
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Mecanismo Cerâmicas Cristalinas
A
deformação plástica ocorre através do
movimento de discordâncias
Uma razão para a dureza e a fragilidade
desses materiais é a dificuldade de
escorregamento-movimento da discordância
Ligação predominantemente iônica- poucos
sistemas de escorregamento (planos e
direções cristalográficos dentro daqueles
planos)
Dificultam o movimento das discordâncias
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37. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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Mecanismo Cerâmicas Cristalinas
Conseqüência
da natureza eletricamente
carregada dos íons
Para o escorregamento em algumas direções,
os íons de mesma carga são colocados
próximos uns aos outros
Devido à repulsão eletrostática, essa
modalidade de escorregamento é muito
restrita
Nos metais todos os átomos são
eletricamente neutros.
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Mecanismo Cerâmicas Não Cristalinas
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deformação plástica não ocorre pelo movimento de
discordâncias (não existe uma estrutura atômica
regular)
deformam através de um escoamento viscoso
(líquidos)
taxa de deformação é proporcional à tensão aplicada
os átomos ou íons deslizam uns sobre os outros
através da quebra e da reconstrução de ligações
interatômicas
não existe uma maneira ou direção predeterminada
segundo a qual esse fenômeno ocorre, como é o
caso para as discordâncias.
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Mecanismo Cerâmicas Não Cristalinas
Escorregamento viscoso de um líquido ou vidro fluido em resposta à aplicação de
uma força de cisalhamento
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40. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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Mecanismo Cerâmicas Não Cristalinas
Propriedade característica para um escoamento
viscoso - a viscosidade, representa uma medida da
resistência à deformação de um material nãocristalino
Para o escoamento viscoso de um líquido que tem sua origem nas tensões de
cisalhamento impostas por duas chapas planas e paralelas
η - viscosidade
τ - tensão de cisalhamento aplicada
dv - alteração na velocidade em função da
distância em uma direção perpendicular e
se afastando das chapas
Unidades para a viscosidade
são o poise (P) e o pascal-segundo (Pas);
l P = l dina-s/cm2, e l Pa-s = l N-s/m2
A conversão de um sistema
de unidades para o outro se processa
de acordo com a relação
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Mecanismo Cerâmicas Não Cristalinas
Líquidos
possuem viscosidades relativamente
baixas
Viscosidade da água à temperatura ambiente
é de aproximadamente 10-3 Pa-s
Vidros- viscosidades extremamente elevadas
à temperatura ambiente - fortes ligações
interatômicas
Temperatura é elevada, a magnitude da
ligação é diminuída, o movimento de
escorregamento dos átomos ou íons fica
facilitado - redução na viscosidade.
42. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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Influencia da Porosidade –
Propriedades Mecanicas
Para
algumas técnicas de fabricação de
materiais cerâmicos o material de origem
encontra-se na forma de um pó
Após a compactação ou conformação
existirão poros ou espaços vazios entre as
partículas do pó
Durante o tratamento térmico posterior, a
maior parte da porosidade será eliminada
Processo de eliminação de poros incompleto
- porosidade residual
43. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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Influencia da Porosidade –
Propriedades Mecanicas
Alguns
materiais cerâmicos que a magnitude
do módulo de elasticidade E diminui em
função da fração volumétrica da porosidade
E módulo de Elasticidade
P fração volumétrica da porosidade
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Efeito da microestrutura nas propriedades
da Alumina
Figura copiada do material do Prof. Sidnei Paciornik do
Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio
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Influencia da Porosidade –
Propriedades Mecanicas
A influência da porosidade sobre o módulo de elasticidade para o oxido de
alumínio à temperatura ambiente. A curva esboçada está de acordo com a
Eq. dada
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46. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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Influencia da Porosidade –
Propriedades Mecanicas
Efeito
negativo sobre a resistência à flexão
por dois motivos:
(1) os poros reduzem a área de seção reta
através da qual uma carga é aplicada
(2) eles também atuam como concentradores
de tensões (no caso de um poro esférico
isolado, uma tensão de tração que seja
aplicada é amplificada por um fator de 2).
47. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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Influencia da Porosidade –
Propriedades Mecanicas
Influência
da porosidade sobre a
resistência é relativamente drástica
Porosidade de 10%vol seja responsável
por uma diminuição em 50% na resistência
à flexão em relação ao valor medido para o
material sem porosidade
48. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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Influencia da Porosidade –
Propriedades Mecanicas
A influência da porosidade sobre a resistência à flexão para o oxido de alumínio
à temperatura ambiente.
49. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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Dureza
utilizada
com freqüência quando se exige
uma ação de abrasão ou de esmerilhamento
Os materiais mais duros conhecidos são
materiais cerâmicos
Somente
os materiais cerâmicos que
apresentam
durezas
Knoop
de
aproximadamente 1000 ou superiores são
utilizados
em
função
das
suas
características abrasivas.
50. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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Dureza
Durezas Knoop Aproximadas (carga de 100 g)
Material
Diamante (carbono)
Carbeto de boro (B4C)
Carbeto de silício (SiC)
Carbeto de tungstênio (WC)
Oxido de alumínio (Al2O3)
Quartzo (SiO2)
Vidro
Dureza Knoop Material Aproximada
7000
2800
2500
2100
2100
800
550
51. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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Fluência
MC experimentam deformação por fluência como
resultado da exposição a tensões (geralmente
compressivas) a temperaturas elevadas
comportamento de fluência tempo-deformação
apresentado pelos materiais cerâmicos é
semelhante àquele apresentado pelos metais
Ocorre a temperaturas mais altas nos materiais
cerâmicos
Ensaios compressivos de fluência a altas
temperaturas - determinar a deformação por
fluência como uma função da temperatura e do
nível de tensão.