Março 2021 vol. 7 num. 1 - XI Encontro Científico de Física Aplicada

Artigo completo - Open Access.

Idioma principal | Segundo idioma

Avaliação por ensaios mecânicos do efeito do teor de ZrO2 sobre Al2O3

Avaliação por ensaios mecânicos do efeito do teor de ZrO2 sobre Al2O3

Araujo, A. C. A.; Simões, T. V. M.; Castilho, F. G. B.; Machado, I. F.; Carneiro, M. B.;

Artigo completo:

As cerâmicas são aplicadas no processo de fabricação de usinagem como ferramentas de corte, principalmente, no corte de materiais endurecidos e superligas. A justificativa se baseia por apresentarem alta resistência ao desgaste e elevadas temperaturas, além da estabilidade química em contato com materiais ferrosos. Todavia, apresentam baixa tenacidade à fratura. A adição de ZrO2 estabilizada à matriz de Al2O3, forma um compósito conhecido como alumina tenacificada por zircônia (Zirconia-Toughned Alumina – ZTA), que melhora muito essa propriedade. Portanto, o objetivo do trabalho é avaliar o efeito do teor de ZrO2 estabilizada com ítria em matriz de Al2O3, a partir de microscopia, análise de densidade relativa e ensaios mecânicos. Amostras de Al2O3 variando o teor de ZrO2 de 5 a 35% foram sinterizadas pela moderna técnica de sinterização por corrente elétrica pulsada (PECS). As mesmas foram preparadas metalograficamente. A microestrutura foi observada por microscopia óptica. A densidade relativa foi determinada com base no Princípio de Arquimedes. Finalmente, as propriedades mecânicas foram avaliadas por dureza Vickers e tenacidade à fratura (KIC). Os resultados mostram que as amostras alcançaram completa densificação e, como esperado, houve diminuição no valor de dureza com o aumento do teor de ZrO2, enquanto que o valor de tenacidade à fratura apresentou um comportamento parabólico, com elevação e depois diminuição. A partir do estudo consegue-se estimar teores de ZrO2, de modo a melhorar as propriedades mecânicas de Al2O3, e assim aplicar no desenvolvimento de um material cerâmico com gradiente funcional.

Artigo completo:

Ceramics are used in machining process as cutting tools, mainly when cutting hardened materials and super alloys. Ceramics have high hardness and wear resistance at high temperatures, in addition to chemical stability in contact with ferrous materials. However, they have low fracture toughness. The addition of ZrO2-stabilized to the Al2O3 matrix form a ceramic composite known as Zirconia-Alumina Toughened, ZTA, which improves this property. Therefore, the objective of the work is to evaluate the effect of ZrO2 content stabilized with yttria in an Al2O3 matrix, from microscopy, relative density and mechanical tests analyses. Al2O3 samples varying the ZrO2 content from 5 to 35% were sintered using the pulsed electric current sintering technique (PECS). They were prepared metallographically. The microstructure was observed by optical microscopy. The relative density was determined based on the Archimedes Principle. Finally, the mechanical properties were evaluated for Vickers hardness and fracture toughness (KIC). The results show that the samples reached complete densification and, as expected, there was a decrease in the hardness value with an increase in the ZrO2 content, while the fracture toughness value showed a parabolic behaviour, with an increase and then a decrease. From the study, the ZrO2 content can be estimated to improve Al2O3 mechanical properties, and the apply it to develop a ceramic functionally graded material.

Palavras-chave: Alumina, Zircônia, Densidade, Dureza, Tenacidade à fratura.,

Palavras-chave: Alumina, Zircônia, Densidade, Dureza, Tenacidade à fratura.,

DOI: 10.5151/xiecfa-Araujo

Referências bibliográficas
  • [1] MACHADO, A.R. et al. Teoria da usinagem dos materiais. Editora Blucher, 2009.
  • [2] KALPAKJIAN, S.; SCHMID, S. Manufacturing Engineering and Technology, SI, Pearson Ed Asia: 2009.
  • [3] CHEN, W.; et al. Sintering behavior and mechanical properties of WC–Al2O3 composites prepared by spark plasma sintering (SPS). International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, v. 48, p. 414-417, 2015.
  • [4] SMUK, B.; SZUTKOWSKA, M.; WALTER, J. Alumina ceramics with partially stabilized zirconia for cutting tools. Journal of materials processing technology, v. 133, n. 1-2, p. 195-198, 2003.
  • [5] KERN, F. et al. Processing of alumina–zirconia composites by surface modification route with enhanced hardness and wear resistance. Ceramics International, v. 41, n. 1, p. 889-898, 201
  • [6] GUPTA, A.; TALHA, M. Recent development in modeling and analysis of functionally graded materials and structures. Progress in Aerospace Sciences, v. 79, p. 1-14, 2015.
  • [7] WATANABE, Y.; SATO, H. Review fabrication of functionally graded materials under a centrifugal force. Nanocomposites with Unique Properties and Applications in Medicine and Industry, p. 133-150, 2011.
  • [8] MIYAMOTO, Y.; et al. Functionally graded materials: design, processing and applications. New York: Springer, 330 p., 1999.
  • [9] WATARI, F.; et al. Fabrication and properties of functionally graded dental implant. Composites Part B: Engineering, v. 28, n. 1-2, p. 5-11, 1997. [10] MISHINA, H.; INUMARU, Y.; KAITOKU, K. Fabrication of ZrO2/AISI316L functionally graded materials for joint prostheses. Materials Science and Engineering: A, v. 475, n. 1-2, p. 141-147, 2008.
  • [10] [11] XU, C.; et al. Finite element design and fabrication of Al2O3/TiC/CaF2 gradient self-lubricating ceramic tool material. Ceramics International, v. 40, n. 7, p. 10971-10983, 2014.
  • [11] [12] BERTOLETE, M. et al. Mechanical characterisation and machining evaluation of ceramic cutting tools functionally graded with six layers. Ceramics International, v.46, p. 15137–15145, 2020.
  • [12] [13] International Organization for Standardization, ISO 10545-3:1995/Cor.1:1997(E) Ceramic tiles – Part 3: Determination of Water Absorption, Apparent Porosity, Apparent Relative and Bulk Density.
  • [13] [14] American Society For Testing And Materials. ASTM International. ASTM C1327-15:2008 Standard test method for vickers indentation hardness of advanced ceramics.
  • [14] [15] MEYERS, M.A.; CHAWLA, K.K. Mechanical behavior of materials. Cambridge University Press, 20
  • [15] [16] GERMAN, R.M. Sintering theory and practice. New York: John Wiley & Sons Inc., 1996. 550 p.
  • [16] [17] CASELLAS, D. et al. Fracture toughness of alumina and ZTA ceramics: microstructural coarsening effects. Journal of materials processing technology, v. 143, p. 148-152, 2003.
  • [17] [18] SHEN, Z.; et al. Spark plasma sintering of alumina. Journal of the American Ceramic Society, v. 85, n. 8, p. 1921-1927, 2002.
Como citar:

Araujo, A. C. A.; Simões, T. V. M.; Castilho, F. G. B.; Machado, I. F.; Carneiro, M. B.; "Avaliação por ensaios mecânicos do efeito do teor de ZrO2 sobre Al2O3", p. 52-57 . In: Anais do XI Encontro Científico de Física Aplicada. São Paulo: Blucher, 2021.
ISSN 2358-2359, DOI 10.5151/xiecfa-Araujo

últimos 30 dias | último ano | desde a publicação


downloads


visualizações


indexações