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1. Quais são os fatores que afetam a resistência mecânica de um cerâmico. Escolha dois deles e apresente argumentos que justifiquem sua influência nas propriedades mecânicas do material cerâmico. Os fatores que afetam a resistência mecânica das cerâmicas são: módulo de elasticidade, tamanho de grão, presença e tamanho de defeitos, tais como poros, trincas, inclusões. 1. Módulo de elasticidade: cerâmicas são materiais predominantemente frágeis, ou seja, não se deformam plasticamente antes de romper. Portanto, sua resistência mecânica depende, além de outros fatores, do quanto elas podem se deformar elasticamente, característica esta, determinada pelo seu módulo de elasticidade. O módulo de elasticidade depende da força de ligação entre os átomos, quanto maior a força de ligação, maior o módulo de elasticidade, e maior é a rigidez do material. 2. Presença de defeitos: trincas ou poros são amplificadores de tensão. Nas proximidades dos poros e trincas, principalmente nas partes mais encurvadas destes defeitos (como as pontas das trincas), a tensão pode alcançar valores várias vezes superiores ao valor da tensão externa aplicada. A ampliação da tensão ocorre porque as paredes da trinca agem como alavancas, de forma que no ponto de encontro das paredes da trinca (na ponta da trinca) a tensão é muito elevada. 2. Qual a diferença entre tenacidade e tenacidade a fratura? Podemos inferir indistintamente uma ou outra para caracterizar qualquer material? Justifique. Tenacidade é a propriedade que mede a capacidade de um material absorver energia até a sua fratura. Já a tenacidade a fratura é uma propriedade indicativa da resistência do material a fratura quando este possuir uma trinca. 3. Em que condições pode se verificar deformação plástica em materiais cerâmicos? Escolha uma delas para explicar detalhadamente. Os materiais cerâmicos em geral não apresentam mecanismos de absorção de energia, como, por exemplo, deslocamento de planos ou discordâncias, o que faz com que estes não apresentem deformação plástica. A deformação plástica pode, portanto, ser observada em condições de criação de mecanismos que favoreçam essa absorção de energia nos cerâmicos ou o impedimento de propagação das trincas. Exemplo de mecanismo: Al2O3 e ZrO2. O aparecimento de microtrincas pode ser induzido pela incorporação de partículas de ZrO2 numa matriz cerâmica (alumina), que pode gerar microtrincamento. A presença de microtrincas pode desviar uma trinca crítica que se propaga quando o corpo cerâmico é submetido a uma carga, dissipando a energia e aumentando a tenacidade do material. Isso pode ser observado para uma matriz de Al2O3 com partículas de ZrO2 dispersas, que apresenta uma microestrutura muito efetiva no aumento da tenacidade e energia de fratura. 4. A capacidade de um material cerâmico para resistir ao crescimento de uma trinca depende de vários fatores, cite e explique-os. Fatores: - Diminuição da porosidade: a porosidade é um concentrador de tensão que diminui a área da seção transversal que suporta a carga e, portanto, sua diminuição aumenta a resistência do material cerâmico à fratura; - Diminuição do tamanho de grão: o tamanho da falha crítica se aproxima do maior grão, o que, portanto, sugere que tamanho de grãos menores, terão trincas menores e que poderão não levar à falha do material (NÃO TENHO CERTEZA!). - Acréscimo de uma segunda fase: um material com mais de uma fase pode promover a geração de microtrincas radiais que barram a propagação de trincas maiores que podem levar o material à ruptura (TAMBÉM NÃO TENHO MUITA CERTEZA, PORQUE É PRATICAMENTE IGUAL À EXPLICAÇÃO PRA MICROTRINCAMENTO!); - Microtrincamento: a formação de microtrincas pode “consumir” a energia que iria favorecer a propagação de uma trinca de tamanho crítico, que seria capaz de promover a ruptura do material. - Presença de fase vítrea: a fase vítrea preenche os espaços vazios durante a sinterização da cerâmica, o que, em certas quantidades, diminui a quantidade de poros e aumenta a resistência mecânica do material. - Aumento de temperatura: em temperaturas elevadas a distância interatômica aumenta e a força de ligação entre átomos diminui, diminuindo também as barreiras de energia que impedem o movimento das discordâncias. 5. Uma placa cerâmica, usada em um reator nuclear, tem uma tenacidade à fratura de 80.000 psi√𝑖𝑛 . Esta placa é exposta a uma tensão de 45.000 psi durante uma sistuação de serviço. Crie um procedimento de teste ou inspeção capaz de detectar uma rachadura na aresta da placa antes da trinca se tornar susceptível a um crescimento em taxa catastrófica. Assuma f = 1,12. 6. Explique o significado da distribuição de Weibull. Em que situação ela é aplicada e por que ela é mais adequada na situação apresentada? Os valores de resistência mecânica, apresentados em tabelas, que serão usados para a escolha do material para determinada aplicação, são na verdade valores médios de uma série de medições individuais. Os valores desta série apresentam sempre uma dispersão. Esta dispersão deve ser considerada ao se escolher o material a ser usado para confecção do componente. Para metais, a dispersão dos valores é pequena e não é problema para o projetista, mas para os materiais cerâmicos a dispersão é muito maior e constitui um problema para a escolha do material. O tratamento estatístico dos valores medidos é feito com base na distribuição estatística de Weibull, que descreve a probabilidade do material falhar quando submetido a um dado nível de tensão. 7. A alumina pode ser confeccionada em diversas formas, discos e fibras são exemplos típicos. O módulo elástico em ambos os casos é o mesmo, mas é esperado que a resistência mecânica entre eles seja diferente? Justifique. Não, amostras maiores apresentam resistência mecânica inferior. Sabe-se que a resistência mecânica de corpos cerâmicos está relacionada à presença e tamanhos de defeitos. Griffith relacionou o tamanho e geometria dos defeitos a um fator de amplificação da tensão. Quanto maior este fator de ampliação, mais efetivo seria este defeito para provocar a fratura do material. Então propôs que a resistência do material frágil seria dependente da probabilidade de existir defeitos estruturais com altos fatores de amplificação da tensão. Por esta razão, corpos cerâmicos grandes exibem, em média, resistência mecânica inferior a corpos cerâmicos menores, pois, para corpos mais volumosos, a probabilidade de se encontrar defeitos mais críticos (com maior fator de ampliação de tensão) é maior. Por exemplo, as fibras de materiais cerâmicos são, em geral, usados como fase de reforço em compósitos por possuírem alta resistência mecânica. Isto se deve ao fato que fibras são tão finas que a probabilidade de apresentarem trincas, poros ou falhas de superfície é pequena 8. Descreva as idéias básicas do conceito de Griffiith, incluindo as equações relevantes. O conceito de Griffith foi formulado para justificar a discrepância entre os resultados obtidos para resistência mecânica teórica e resistência mecânica real dos materiais frágeis, sugerindo que falhas internas ou superficiais atuam como amplificadores de tensão e que a separação das superfícies ocorre sequencialmente ao invés de simultaneamente (as ligações não rompem todas de uma vez). O critério determinado por ele para a determinação da tensão necessária para propagar uma trinca é: 9. Os modos de carregamento mecânico estão associados a um fator de intensidade de tensão específico. Quais são eles? Qual o mais importante e por quê? Os modos de carregamento são:
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