Quais materiais de propriedades conhecidas têm a melhor resistência à fratura?

Introdução

A resistência à fratura é um valor que indica a energia que pode ser absorvida por um material antes que ele se frature. Cientistas e engenheiros se baseiam nesse número para escolher materiais para pontes, aeronaves e ferramentas cotidianas. Vamos falar sobre várias categorias de materiais em termos simples e como eles reagem quando há um acúmulo de estresse.

Metais e ligas: Campeões de tenacidade

Os metais têm um longo histórico de uso quando a resistência à fraturaé necessária e extremamente alta. É provável que eles apresentem uma relação resistência/ductilidade muito boa.

- Aço Maraging: Apresenta resistência à fratura de 100-200 MPa√m. É muito dúctil com alta resistência e é empregado em peças e componentes estruturais de alto desempenho.

- Aços de alta tenacidade: Esses aços oferecem cerca de 80-150 MPa√m. Esses aços são resistentes ao crescimento de trincas sob cuidadoso controle da microestrutura e são usados em aplicações em que a confiabilidade é fundamental.

- Ligas de titânio (titânio-6alumínio-4vanádio): Com valores de 55-110 MPa√m, essas ligas são amplamente utilizadas devido ao seu baixo peso e resistência à corrosão. Elas são muito usadas na produção de aeronaves e em dispositivos médicos.

- Vidros metálicos: Eles têm cerca de 80-100 MPa√m. Possuem deformação de cisalhamento localizada como resultado de seu caráter amorfo, o que leva a uma mistura incomum de resistência e tenacidade.

Os metais são propensos a serem os melhores em resistência à fratura porque seus átomos podem se reorganizar quando colocados sob tensão. Esse rearranjo reduz as rachaduras e distorce a energia antes de uma falha catastrófica.

Cerâmica: A mais resistente entre os materiais frágeis

As cerâmicas são extremamente conhecidas por sua resistência a altas temperaturas. Ainda assim, elas não são tão resistentes à fratura quanto os metais. A resistência da cerâmica tem sido trabalhada incansavelmente pelos engenheiros para se tornar mais forte.

- Zircônia estabilizada com ítria (Y-TZP): tem uma resistência à fratura de 10-15 MPa√m. Utiliza endurecimento por transformação, em que uma alteração mínima na estrutura do cristal o torna mais resistente ao crescimento de trincas.

- Alumina temperada com zircônia (ZTA): Com valores em torno de 7 a 10 MPa√m, a ZTA representa um aprimoramento da alumina pura com as vantagens da zircônia e da alumina juntas.

Cerâmicas simples, como carbeto de silício, alumina simples e até mesmo diamante, têm números mais resistentes. O endurecimento por transformação, a formação de pontes de microfissuras e a inclusão de partículas de segunda fase que retardam ou impedem o crescimento de trincas são os métodos de endurecimento mais importantes aqui.

Compostos: Resistência direcional

Os materiais compostos combinam dois ou mais materiais diferentes em um só. Isso pode transferir propriedades como a resistência à fratura para necessidades específicas.

- Compostos reforçados com fibra de carbono: Possuem valores de resistência à fratura em torno de 20-40 MPa√mna direção das fibras. Sua resistência e leveza são a razão para usá-los na indústria aeroespacial e em equipamentos esportivos de alto desempenho.

- Compósitos de aramida e compósitos reforçados com fibra de vidro: têm um custo em torno de 10 a 20 MPa√m. Painéis automotivos e equipamentos de proteção os utilizam devido à sua razoável relação entre resistência e custo econômico.

- Compósitos híbridos: Com a exploração de diferentes fibras, os compostos híbridos oferecem resistência sob medida. Os compostos híbridos aproveitam os melhores recursos de cada material.

Os mecanismos pelos quais esses compósitos se tornam resistentes ao crescimento de trincas incluem arrancamento de fibras, formação de pontes e deflexão de trincas. Esses mecanismos retardam a progressão da trinca à medida que ela se move pelo material, melhorando a resistência em geral.

Materiais superlativos/avançados

Os materiais avançados não são todos tipificados pelas tendências usuais de resistência.

- Diamante: Devido à sua dureza, o diamante tem uma resistência à fratura bastante baixa, de aproximadamente 5 MPa√m. Isso significa que ele lasca ou quebra sob certas condições, embora seja muito duro na superfície.

- Cerâmicas e compostos nanoestruturados: Estão sendo testados experimentalmente para ver se podem ser endurecidos. A estrutura fina pode fechar os caminhos das rachaduras.

- Metais aprimorados com grafeno ou nanocompósitos metálicos: As pesquisas em ambas as áreas provavelmente darão frutos. Esses materiais de última geração combinam metais com propriedades em nanoescala ou grafeno. As primeiras indicações são de resistência e força extraordinárias.

Os materiais de alto desempenho continuam a estabelecer padrões mais elevados de resistência à fratura. Seu desenvolvimento pode levar a projetos mais seguros e eficientes no futuro.

Conclusão

Materiais com alta resistência à fratura estão no centro da grande maioria das aplicações de engenharia. O metal e as ligas são os líderes em resistência devido à sua capacidade de se deformar levemente quando submetidos à carga, embotando as pontas das trincas antes de sua extensão. Atualmente, as cerâmicas, embora tradicionalmente frágeis, estão se aprimorando por meio de mecanismos de endurecimento, os compostos oferecem resistência direcional e os materiais avançados são promissores no horizonte. Cada grupo tem seus méritos e desvantagens. Para obter mais comparações e uma lista de materiais, consulte a Stanford Advanced Materials (SAM).

Perguntas frequentes

F: O que mede a resistência à fratura?

P: É uma medida da quantidade de energia que um material pode suportar antes de rachar.

F: Por que os metais são usados em aplicações de alta resistência?

P: Os metais têm a capacidade de se deformar na ponta da trinca, inibindo o crescimento da trinca.

F: A cerâmica pode ser utilizada em ambientes de alta tensão?

P: Sim, embora elas empreguem mecanismos como o endurecimento por transformação para aumentar a resistência.