A dureza da cerâmica é uma propriedade do material que torna as cerâmicas avançadas únicas. O alto desempenho das cerâmicas finas é geralmente atribuído aos seus dados de dureza. A dureza as torna mais eficazes como amortecedores de carroceria, ferramentas de corte, componentes de bombas, válvulas e peças automotivas. Portanto, compreender a rigidez é fundamental para avaliar a função.

Dureza do material: uma visão geral

A dureza é uma propriedade do material que diz muito sobre o comportamento de um material sob tensão aplicada. Diversas pesquisas foram realizadas no passado para chegar a conclusões sobre a dureza de materiais populares. Um desses padrões é Dureza de Mohs escala.

Coisas que você precisa saber sobre a escala de dureza de Mohs

A escala de dureza de Mohs fornece informações sobre a dureza ou resistência a riscos de diferentes substâncias de interesse. Trata-se de um sistema de classificação abrangente que lista a maioria dos materiais comuns. Os dados de dureza são definidos em uma escala de 1 a 10. A escala de dureza de Mohs ajuda os geólogos a encontrar as entidades com melhor desempenho.

Como ler a escala de dureza de Mohs

Ler a escala de dureza de Mohs é relativamente simples. Observando a imagem acima, o material mais duro de todos é o diamante. Cerâmicas técnicas, como o nitreto de boro, têm dureza cerâmica de 10, equivalente à do diamante. A dureza do carboneto de tungstênio e do carboneto de titânio está em uma escala semelhante à representada no gráfico.

Dureza da Cerâmica vs. Aço

Outros pontos importantes da escala de dureza de Mohs são os dados de dureza do aço e a comparação com a cerâmica. O aço temperado tem uma escala de dureza de Mohs de 7 a 8. A dureza de Mohs de cerâmicas como silício ou carboneto de boro é superior à do aço temperado. O aço comum é muito inferior, com uma escala de dureza de 4 a 5, ainda menor que a do esmalte dentário.

Onde está a porcelana na escala de Mohs?

A porcelana é um tipo de material cerâmico translúcido e com grãos finos. Matérias-primas como caulim, quartzo, feldspato e mica conferem-lhe maior dureza. O processamento em alta temperatura do material resulta na formação da porcelana, geralmente conhecida como argila chinesa.

Observando a escala de dureza de Mohs mostrada acima, a escala da cerâmica de porcelana é em torno de 7. O material é superior em termos de resistência ao desgaste quando comparado ao aço comum. A dureza, segundo a escala de Mohs, é igual à dureza do quartzo.

Importância do teste de dureza da cerâmica

A dureza cerâmica é usada para se referir à capacidade de uma cerâmica de resistir à deformação plástica. Mas a dureza obviamente não é o único fator para medir a resistência mecânica. Além da dureza, propriedades como tenacidade e resistência ao desgaste também podem nos ajudar a entender melhor uma cerâmica específica.

A ideia da dureza da cerâmica é muito importante para definir a aplicabilidade de uma determinada cerâmica em qualquer campo desejado. Muitas exigências atuais especificam a dureza mínima necessária. Por exemplo, implantes cirúrgicos exigem uma dureza de zircônia em torno de 11,8 GPa para uma carga de aproximadamente 9,8 N.

Acima, apresentamos uma breve tabela comparativa de diferentes cerâmicas técnicas e seus respectivos valores de dureza. Semelhante aos dados de Mohs, de todas as cerâmicas disponíveis, o carboneto de boro apresenta o maior valor de dureza, seguido pelo carboneto de silício.

Como testar a dureza de materiais cerâmicos?

A dureza dos materiais cerâmicos é uma função das propriedades inerentes da cerâmica escolhida. Essas propriedades incluem a composição da cerâmica, o tamanho dos grãos, a porosidade e a fase nos contornos dos grãos. Os ensaios de dureza da cerâmica nos ajudam a caracterizar um material cerâmico em relação à aplicação negligenciada. Vejamos em detalhes os diferentes ensaios de dureza de cerâmica disponíveis globalmente.

Testes de Indentação

A técnica de indentação é relativamente simples e direta e requer a pressão de um indentador contra a superfície de um material cerâmico, a medição da indentação formada e a aplicação de uma carga calculada ao material para formar a indentação. A dureza da cerâmica pode então ser determinada usando os dados de carga e a quantidade de deformação.

Os indentadores utilizados no teste são de diferentes tamanhos e formatos. Alguns dos formatos são apresentados abaixo para referência. Os tamanhos variam de nano, micro e macro, dependendo do tipo e das propriedades da cerâmica a ser testada. A ideia geral por trás do teste de dureza da cerâmica é que, quanto mais duro o material, menor a indentação formada.

Existem vários tipos de ensaios de indentação, como os métodos Vickers, Berkovich, Knoop, Brinell e Rockwell. Esses ensaios são estáticos, pois uma carga predeterminada é utilizada para criar a indentação. A maioria dos ensaios de dureza de cerâmica em todo o mundo baseia-se nos métodos Vickers, Knoop e Berkovich. Os métodos Rockwell e Brinell são menos considerados para ensaios de dureza de cerâmica.

Teste de dureza Vickers

Cerca de 60 % da engenharia e caracterização global seguem o teste de dureza Vickers. O teste de dureza Vickers normalmente utiliza uma carga na faixa de 9,8 N, conforme recomendado pela norma C1327. Ocasionalmente, também utiliza 98 N, dependendo da natureza da cerâmica. O material indentador, feito de diamante, é pressionado sobre a cerâmica para medição.

O indentador utilizado no teste de dureza Vickers é uma pirâmide quadrada. Um ângulo de 136 graus é mantido entre as faces opostas do indentador. A força aplicada é de cerca de 100 kgf por um período de cerca de 10 a 15 segundos. A indentação formada é então medida para determinar a dureza da cerâmica por meio da fórmula abaixo.

H = 1,8544Pd2

Eram,

H é a dureza da cerâmica Vickers

P é aplicado forçado em Kgf

d é a distância diagonal do recuo

A imagem acima mostra uma indentação Vickers em um rolamento de esferas de nitreto de silício usado em veículos elétricos.

Deficiências dos testes de dureza Vickers

O ensaio de dureza Vickers apresenta algumas deficiências. A técnica, por vezes, gera leituras errôneas devido à dificuldade de medição quando o tamanho da indentação é menor. Em cargas muito elevadas, problemas gerais como trincas e lascas também surgem no ensaio de dureza Vickers. No entanto, falhas à parte, o ensaio é certamente recomendado, de acordo com a norma, para caracterizar qualquer cerâmica avançada.

Teste Knoop de Dureza Cerâmica

O teste Knoop para determinar a dureza de materiais cerâmicos utiliza um indentador em formato rômbico. Ele é feito de diamante, que se assemelha basicamente a uma pirâmide longa. O teste Knoop é usado para medir a microdureza de materiais frágeis ou chapas finas. A técnica é recomendada pela norma ASTM E-34.

O indentador no teste Knoop tem um ângulo de 172 graus entre as faces opostas. Aqui está uma imagem de uma indentação básica formada durante o teste de dureza da cerâmica Knoop. Uma grande vantagem do teste Knoop em relação ao Vickers está relacionada à funcionalidade dos indentadores longos. Indentadores longos evitam rachaduras na cerâmica durante o teste.

A extensão da indentação causada pelo teste Knoop é geralmente medida usando um microscópio. As indentações são basicamente 2,8 vezes maiores e mais superficiais quando comparadas à indentação Vickers. A expressão para calcular a dureza da cerâmica Knoop é dada por:

HK = PCpL2

Eram,

P representa a carga

Cp é o fator de correção do indentador. O valor geralmente utilizado é em torno de 0,070279.

L é o comprimento diagonal do recuo

Deficiências do teste de dureza Knoop

Teoricamente, a longa indentação deveria facilitar a medição no teste Knoop. No entanto, a incerteza devido às extremidades cônicas dificulta o teste. O valor da incerteza da ponta em relação ao teste de dureza da cerâmica Knoop é da ordem de 0,5 a 1 mm. Outro fator que afeta a leitura é a resolução dos microscópios comerciais utilizados para medir a indentação.

Teste Rockwell de Dureza Cerâmica

O teste Rockwell utiliza uma carga predeterminada de aproximadamente 150 kgf. Utiliza um indentador feito de diamante ou carboneto de tungstênio. O indentador tem formato esférico. Após a indentação, a profundidade e o ponto de referência são comparados para obter o valor de dureza. O código de conduta geral para o teste Rockwell é o ASTM E-18.

O teste de dureza cerâmica Rockwell é mais fácil de realizar e relativamente preciso quando comparado a outros testes. Inicialmente, uma pré-carga é aplicada com o auxílio de um indentador esférico. Assim que a pré-carga rompe o acabamento da superfície, a indentação causada é medida.

Teste de Berkovich para determinar a dureza de material cerâmico

Berkovich utiliza uma pirâmide plana com ponta afiada para medir a dureza de materiais, principalmente em nanoescalas. A cerâmica deve ter no mínimo 100 mm de espessura para a realização do teste de Berkovich. O teste de Berkovich é geralmente utilizado em estudos de pequena escala e oferece maior precisão. O indentador utilizado no teste de Berkovich para dureza da cerâmica possui um ângulo de 115 graus.

Abaixo está uma imagem representativa do indentador Berkovich.

 A fórmula para determinar a dureza da cerâmica através do teste de Berkovich é:

H=1569,7 P d2

Onde,

P representa a força de teste em Kgf

D é a medida diagonal em micrômetros da indentação

Conclusão

Conhecer a dureza do material cerâmico é importante para avaliar sua funcionalidade em diferentes contextos. Métodos de ensaio como Vickers, Knoop e Rockwell têm se mostrado eficazes há anos. Conforme definido pelas normas, os ensaios corretos devem ser realizados no material correto para obter dados relevantes.