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.

1. Materiais Cerâmicos:
Propriedades Mecanicas
Prof. Me. Maria Nalu

2. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
EM - UTFPR
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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.

3. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
EM - UTFPR
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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.

4. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
EM - UTFPR
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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.


5. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
EM - UTFPR
5
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.


6. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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Defeito tipo Frenkel e Schottky
Diagrama esquemático mostrando defeitos de
Frenkel e Schottky em sólidos iônicos.

7. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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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.


8. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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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


9. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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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+.

10. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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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)

11. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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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

12. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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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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13. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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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.

14. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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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.

15. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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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.

16. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
EM - UTFPR
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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.

17. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
EM - UTFPR
17
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.

18. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
EM - UTFPR
18
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.).

19. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
EM - UTFPR
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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

20. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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20
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.


21. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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Fratura Frágil
distribuição das resistências à fratura para o cimento portland
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22. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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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.

23. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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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.

24. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
EM - UTFPR
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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

25. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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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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26. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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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

27. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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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

28. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
EM - UTFPR
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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

29. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
EM - UTFPR
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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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31. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
EM - UTFPR
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Resistência a Flexão – Módulo de
ruptura

32. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
EM - UTFPR
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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

33. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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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
EM - UTFPR
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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

35. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
EM - UTFPR
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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

36. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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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
EM - UTFPR
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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.

38. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
EM - UTFPR
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.

39. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
EM - UTFPR
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
EM - UTFPR
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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

41. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
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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
EM - UTFPR
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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
EM - UTFPR
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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

44. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
EM - UTFPR
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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

45. Materiais Cerâmicos e Poliméricos
EM - UTFPR
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
EM - UTFPR
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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
EM - UTFPR
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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
EM - UTFPR
48
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
EM - UTFPR
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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
EM - UTFPR
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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
EM - UTFPR
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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.