Propriedades Mecânicas De Cerâmicas

1. INTRODUÇÃO

Materiais cerâmicos são soluções e compostos químicos formados por elementos metálicos e não metálicos, ligados quimicamente entre si por ligações iônicas e/ou covalentes, como por exemplo: SiO2(sílica), Al2O3 (alumina) e Mg3Si4O10(OH)2 (talco), obtidos geralmente após tratamento térmico. As cerâmicas têm composições químicas muito distintas, variando de compostos simples a misturas complexas de várias fases ligadas entre si. Portanto, as propriedades dos materiais cerâmicos também sofrem variações conforme suas ligações químicas, mas em geral as cerâmicas são duras e frágeis, com pouca tenacidade e pouca ductilidade. Devido à variedade de propriedades mecânicas, as cerâmicas são amplamente utilizadas em diversas áreas da indústria, sendo encontradas em tijolos, telhas, velas de ignição, sensores, meios magnéticos de gravação, componentes aeroespaciais, motores (conforme pode ser visto na figura abaixo) e até mesmo na natureza, onde estão presentes em óxidos e nos dentes dos seres humanos. [1]

Figura 1 – Motor experimental AGT-100 de turbina a gás

Fonte: Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais (William F. Smith)

2. PROPRIEDADES MECÂNICAS DAS CERÂMICAS

Apesar das cerâmicas serem fabricadas com matérias-primas abundantes e de custo relativamente baixo (argila, sílica, entre outros), o que propicia que sejam amplamente utilizadas na indústria, inclusive em produtos avançados (graças a novos processos de fabricação com compostos de matéria prima sintética), as cerâmicas têm suas aplicações limitadas devido às suas propriedades mecânicas, que em certos aspectos são inferiores as propriedades dos metais. A principal desvantagem é a disposição à fratura de maneira frágil, com pouca absorção de energia, conforme pode ser observado na figura abaixo: [1]

Figura 2 – Diagrama tensão X deformação para um material frágil, como uma cerâmica (a) e para materiais dúcteis (b,c)

Fonte: Modern Ceramic Engineering (David W. Richerson)

Portanto, os cerâmicos são relativamente frágeis, já que sofrem ruptura com pouca ou sem deformação plástica, devido às ligações químicas iônicas e covalentes. Justamente por não apresentar deformação plástica apreciável, sua resistência ao impacto é reduzida, isto é, eles apresentam baixa tenacidade. Os módulos elásticos das cerâmicas são geralmente maiores que os dos metais, refletindo a maior rigidez das ligações iônicas e covalentes. Além disso, as cerâmicas são, em grande parte, compostas de átomos leves (Si, Al e O2) o que faz com que suas densidades sejam baixas, resultando em módulos

específicos altos. A tabela abaixo mostra uma comparação entre módulos específicos de cerâmicas e de metais: [2]

Tabela 1 – Módulos específicos de cerâmicas e aços

Fonte: Engenharia de Materiais Vol. II (Michael F. Ashby)

As cerâmicas são os sólidos mais duros de todos. Alguns deles cortarão qualquer coisa, graças às ligações iônicas e covalentes, que apresentam grande resistência ao movimento de discordâncias na estrutura do material, fazendo com que os cerâmicos sejam extremamente duros. Na tabela abaixo, podemos comparar as durezas de alguns metais puros, ligas e cerâmicas: [3]

Tabela 2 – Dureza de metais puros, ligas e cerâmicas