Callister_-_Engenharia_e_Cincia_dos_Materiais_ptg_ ... - Ufrgs

taxa de mudança de temperatura. Tensões térmicas podem ser estabelecidas como um
resultado de gradientes de temperatura através de um corpo, que são frequentemente causadas
por rápido aquecimento ou resfriamento, em que o lado de fora muda-se mais rapidamente
do que a parte interna; variações dimensionais diferenciais servem para restringir a expansão
(ou contração) livre de elementos de volume adjacentes dentro da peça. Por exemplo, no
aquecimento, o exterior de uma amostra é mais quente e, portanto, terá se expandido mais do
que as regiões internas. Portanto, tensões superficiais, sendo compressivas, são induzidas e
são balanceadas por tensões trativas internas. As condições de tensão interior-exterior são
revertidas para resfriamento rápido de tal maneira que a superfície é colocada num estado de
tração.
Choque Térmico de Materiais Frágeis
Para metais e polímeros dúteis, o descarregamento de tensões termicamente induzidas
pode ser realizada por deformação plástica. Entretanto, a não dutilidade de muitas cerâmicas
acentua a possibilidade de fratura frágil a partir dessas tensões. Resfriamento rápido de um
corpo frágil mais provavelmente acarretará tal choque térmico do que o aquecimento rápido,
uma vez que a tensões superficiais induzidas são de tração. Formação de trinca e sua
propagação a partir de defeitos superficiais são mais prováveis de ocorrer quando uma tensão
imposta for de tração (Seção 13.6).
A capacidade de um material suportar este tipo de falha é denominada resistência ao
choque térmico. Para um corpo cerâmico que é rapidamente resfriado, a resistência ao choque
térmico depende não apenas da magnitude da mudança de temperatura, mas também das
propriedades mecânicas e térmicas do material. A resistência ao choque térmico é melhor
para cerâmicas que têm altas resistências à fração σ f e altas condutibilidades térmicas, bem
como um baixo módulo de elasticidade e baixos coeficientes de expansão térmica. A
resistência de muitos materiais a este tipo de falha pode ser aproximada pelo parâmetro de
resistência ao choque térmico TSR:
TSR ≅ σ f k / Eα l (20.9)
Choque térmico pode ser prevenido pela alteração das condições externas até o grau
em que taxas de resfriamento ou aquecimento são reduzidas e gradientes de temperatura
através do corpo são minimizados. Modificação das características térmicas ou mecânicas na
Equação 20.9 pode também acentuar a resistência ao choque térmico de um material. Desses
parâmetros, o coeficiente de expansão térmica é provavelmente mais facilmente variado e
controlado. Por exemplo, vidros comuns de soda-cal, que tem um α l de aproximadamente 9
x 10 -6 ( o C) -1 , são particularmente susceptíveis a choque térmico, conforme alguém que assou
em forno pode provavelmente atestar. Reduzindo os teores de CaO e de Na 2 O enquanto que
ao mesmo tempo adiciona B 2 O 3 em suficiente quantidade para formar vidro de borossilicato
(ou Pyrex) reduzirá o coeficiente de expansão até cerca de 3 x 10 -6 ( o C) -1 ; este material é
inteiramente adequado para o forno de cozinha e seus ciclos de resfriamento. A introdução de
alguns poros relativamente grandes ou segunda fase dútil pode também melhorar as
características de choque térmico de um material; ambas serve para impedir a propagação de
trincas induzidas termicamente.
É às vezes necessário remover tensões térmicas em materiais cerâmicos como um
meio de melhorar suas resistências mecânicas e características óticas. Isso pode ser realizado
por um tratamento térmico de recozimento, como discutido para vidros na Seção 14.4.