Materiais cerâmicos respondem de forma diferente às tensões impostas pelo contato mecânico em movimento. Alguns podem sofrer desgaste, outros podem quebrar, enquanto outros simplesmente descascam da superfície.

Este artigo discute como medir o comportamento de um material cerâmico a forças opostas e fatores que afetam esse comportamento. Também abordamos questões como "a resistência ao desgaste tem uma relação direta ou proporcional com a distância de deslizamento e a carga de contato".

Muitas cerâmicas aplicações industriais são de alto risco, por isso é importante saber com antecedência o grau de resistência de um material cerâmico ao desgaste.

O que é teste de resistência ao desgaste?

O teste de resistência ao desgaste é um medida da resposta da superfície do material cerâmico ao atrito ou força oposta. Esses testes avaliam o desempenho de um material cerâmico em processos que envolvem ação abrasiva, atrito e desgaste. Também conhecido como desempenho tribológico de cerâmicas.

Os métodos de teste de cerâmica incluem Abrasão Taber, desgaste do disco pin-on, método de teste de arranhão, método de bola-no-disco, etc. 

Métodos de teste de cerâmica

Como você mede a resistência ao desgaste?

1. Técnica de Abrasão Taber</h3>

A técnica de abrasão Taber é um método de teste relativamente simples com um padrão de teste de cerâmica reconhecido internacionalmente, ISO 4649/DIN 35516.

Durante o teste, a folha abrasiva é montada em um tambor giratório. O operador então move um pedaço de borracha sobre a folha abrasiva para encontrar a perda de volume. Dependendo da taxa de desgaste, os resultados do teste fornecerão valores maiores ou menores.

Quanto menores os valores, maior a resistência ao desgaste. Ou seja, números altos representam uma alta taxa de desgaste, o que se traduz em baixa resistência ao desgaste.

2. Teste de desgaste do pino no disco

Este é considerado um dos mais preferido Métodos de teste de resistência ao desgaste em cerâmica. Envolve o deslizamento de um pino de cerâmica sobre um disco giratório (geralmente feito de outro material).

O operador gira o disco rotativo a uma velocidade e carga controladas. Ele então avalia a taxa de desgaste e a perda de volume após um determinado número de ciclos.

A técnica de desgaste do pino no disco simula condições gerais de serviço, testando atrito, abrasão e ação adesiva. No entanto, ele pode não simular totalmente condições de trabalho severas.

3. Método de teste de arranhão

O método de teste Scratch usa uma ponta ou indentador para simular esses tipos de desgaste como cortar, ranhurar e arar. É por isso que as pontas vêm em diferentes tamanhos e formatos.

Um operador arrasta uma ponta dura sobre uma superfície cerâmica a uma velocidade e carga controladas. Assim, ele mede a carga crítica ou a profundidade na qual a superfície trinca.

O método de teste de arranhão concentra-se na avaliação da adesão de filmes cerâmicos e da tenacidade à fratura. No entanto, pode não ser tão eficaz quanto avaliar os efeitos da fadiga no desempenho ao desgaste.

4. Método Bola-Sobre-Disco

O método bola sobre disco é outra técnica proeminente para medir a resistência ao desgaste. Envolve o deslizamento de uma esfera (de um material diferente) a uma velocidade e carga controladas.

O operador desliza a esfera contra um disco cerâmico plano por alguns ciclos. Em seguida, ele avalia o disco para calcular o desgaste causado, dependendo da profundidade da marca de desgaste.

Este método é relativamente versátil. Ele pode simular diferentes tipos de desgaste por rrolar, deslizar ou mudar a direção do movimento da bola. 

O método foi desenvolvido para testar a dureza e o acabamento superficial do disco cerâmico. Ele pode não avaliar o comportamento de desgaste causado por fatores como temperatura ou lubrificação.

Qual é a relação entre resistência ao desgaste e dureza da cerâmica?

Resistência ao desgaste significa dureza? Ou… existe uma relação direta entre elas?

Não é incomum dizer que um material cerâmico rígido pode suportar qualquer tipo de desgaste. Foi o que os pesquisadores disseram inicialmente. Mas depois descobriram algo interessante!

Nas primeiras pesquisas, os físicos acreditavam que a dureza e a resistência ao desgaste da cerâmica sempre tinham uma relação direta. Ou seja, a dureza de um material cerâmico sempre se traduzia em maior resistência ao desgaste.

No entanto, pesquisas posteriores revelaram que a resistência ao desgaste se resume à microestrutura do material cerâmico, à tenacidade dos limites dos grãos e ao tamanho e formato dos grãos. Ou seja, havia mais na dinâmica de resistência ao desgaste do que se pensava anteriormente!

O mecanismo de resistência ao desgaste também se mostrou diferente da dinâmica da dureza no nível da microestrutura. A dureza depende da força da ligação do contorno de grão. Por outro lado, a resistência ao desgaste exige que o material se separe da superfície de desgaste.

Por exemplo, as comparações entre a dureza e a resistência ao desgaste de cerâmica de alumina e as cerâmicas de zircônia TZP mostraram esse contraste. Embora as cerâmicas de alumina sejam normalmente mais duras que a zircônia TZP, esta última tem melhor resistência ao desgaste que a alumina.

Isso também pôs de lado a crença comum de que a resistência ao desgaste era meramente determinada por condições operacionais externas.

Portanto, testar a resistência ao desgaste de materiais cerâmicos exigia uma abordagem ligeiramente diferente dos testes de dureza. Os métodos de teste de desgaste cerâmico agora são guiados pela dinâmica do desgaste cerâmico e pelos fatores que a influenciam.

Mas vale ressaltar que alguns materiais cerâmicos apresentam alta resistência ao desgaste e dureza quando comparados aos seus equivalentes. Estamos simplesmente dizendo que A resistência ao desgaste e a dureza da cerâmica nem sempre estão diretamente relacionadas e precisam ser testadas independentemente.

Fatores que influenciam a resistência ao desgaste de materiais cerâmicos

Os testes de resistência ao desgaste de materiais cerâmicos são influenciados por fatores internos e externos.

Os fatores internos que afetam a resistência ao desgaste da cerâmica incluem contorno de grão, porosidade, e tamanho e forma.

Enquanto fatores externos significam simplesmente as condições às quais os materiais cerâmicos são submetidos no laboratório de testes de cerâmica.

• Limite de Grão

Normalmente, muitas cerâmicas são policristalinas, o que significa que são compostas de muitos cristais ou grãos. A região entre dois grãos é chamada de contorno de grão. No entanto, a região entre os grãos é chamada de limite de fase se apresentarem propriedades diferentes, como composição química.

Então, como isso afeta a resistência ao desgaste de um material cerâmico?

Durante a sinterização, um processo de alta temperatura realizado durante a moldagem por injeção, as cerâmicas apresentam impurezas intercristalinas devido aos aditivos. Isso ocorre devido à presença do fase vítrea entre os grãos, reduzindo sua força de ligação. Com menor resistência de ligação, formam-se rachaduras no contorno do grão.

Ocorre desgaste severo no grão integral durante o atrito e a abrasão. A ação abrasiva produz ainda mais calor, o que afeta a viscosidade da fase vítrea e, eventualmente, causa deformação plástica.

Uma boa quantidade de aditivos e agentes de têmpera desempenham um papel fundamental na melhoria da resistência ao desgaste de um material cerâmico. Caso contrário, o contorno do grão adjacente pode sofrer desgaste sério devido à falta de uma quantidade adequada de estresse.

• Porosidade

Ao avaliar a resistência ao desgaste, a porosidade é considerada uma deformidade que afeta a resistência de ligação da cerâmica. Além disso, um poro oferece mais espaço para a formação de linhas de falha, afetando significativamente a concentração de tensões.

Quando uma força abrasiva é aplicada, os poros facilitam a formação de fraturas, agravando assim o desgaste. Ou seja, quanto menos poroso for um material cerâmico, mais resistente ao desgaste ele provavelmente será.

• Tamanho

A fabricação de cerâmica envolve uma seleção criteriosa de materiais cerâmicos. Um parâmetro é o tamanho do grão do material. Cerâmicas de grãos pequenos tendem a ter maiores ligações intergranulares e melhores propriedades mecânicas. No entanto, grãos maiores são quebradiços e mais propensos a se desgastar durante o atrito.

Fatores externos

Como já mencionado, os fatores externos que afetam a resistência ao desgaste da cerâmica são as condições ambientais do laboratório de ensaios cerâmicos. Tais fatores incluem corrosão, impacto externo, temperatura e pressão.

• Corrosão: Materiais cerâmicos podem entrar em contato com componentes que contêm agentes corrosivos. Se expostos a esses ambientes por muito tempo, os materiais cerâmicos podem sofrer erosão ou descascar. Sua estrutura cristalina e força de ligação também podem perder o brilho.

• Impacto externo: Isso inclui vibração e colisão que ocorrem durante a operação. Essas forças podem afetar a estrutura e a superfície da cerâmica. As partículas também podem se soltar e suas superfícies descascar, acelerando o desgaste.

• Temperatura e pressão: Muitas cerâmicas técnicas podem suportar temperaturas e pressões extremas. No entanto, podem perder sua integridade estrutural e começar a se decompor se as condições forem extremas.

Materiais cerâmicos resistentes ao desgaste e suas aplicações

Materiais cerâmicos avançados estão entre os mais promissores para as indústrias de máquinas e técnicas. Combinados com seus estabilidade química, altas temperaturas de fusão e módulos elásticos, eles exibem propriedades tribológicas requintadas.

Outras propriedades incluem alta tenacidade à fratura, alta dureza e excepcional resistência ao calor. Assim, as cerâmicas resistentes ao desgaste são aplicáveis em uma ampla gama de aplicações industriais, conforme mostrado na tabela abaixo:

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