Propriedades nanomecânicas e processos de fratura de materiais lamelares

Abstract

Resumo: Neste trabalho são apresentados estudos de propriedades mecânicas e processos de fratura dos materiais lamelares grafite (HOPG), caulinita (‘macro-cristais’) e cianita (‘pseudo-lamelar’), obtidos pelo emprego de ensaios mecânicos de penetração. Em materiais lamelares o comportamento da penetração é regido pelas fraturas, as quais são extremamente difíceis de serem analisadas nesses materiais quando submetidos a esforços concentrados. O presente trabalho visou avaliar os eventos de fratura, sendo este o único meio de compreender o comportamento mecânico de materiais lamelares. A técnica utilizada para efetuar os processos mecânicos e de fratura foi a indentação instrumentada, com o uso de diferentes geometrias de pontas. A indentação instrumentada em conjunto com técnicas de microscopia é a maneira mais eficiente de estudar esses processos de fratura sob esforços concentrados. Dureza, módulo de elasticidade, coeficiente de restituição elástica, tenacidade à fratura foram calculados e uma análise dos mecanismos de elasticidade, plasticidade e processos de fratura foi realizada. As limitações da técnica de indentação instrumentada para a determinação de propriedades mecânicas em materiais lamelares são discutidas. Os eventos de fratura, detectados na curva de carregamento (P vs. h) da indentação instrumentada, são correlacionados com as respectivas imagens de microscopia eletrônica de varredura das impressões residuais. Os limiares de carga aplicada para nucleação de trincas radiais geradas por ponta Vickers e eventos de fratura na curva (P vs. h) gerados por ponta Berkovich são analisados pela estatística de Weibull. Assim, uma nova metodologia foi obtida para estimar a tenacidade à fratura de materiais que não apresentam trincamento radial. O conceito de dureza para materiais lamelares foi discutido considerando que a penetração é regida pela ocorrência de fraturas.

Abstract: Studies of mechanical properties and fracture processes of the layered materials: graphite (HOPG), kaolinite (‘macro-crystals’) and kyanite ('pseudo-lamellar'), investigated by indentation tests are presented in this work. In layered materials, the behavior of penetration is governed by fractures, which are extremely difficult to be analyzed in these materials when subjected to concentrated loads. This study aimed to evaluate the fracture events, which is the only way to understand the mechanical behavior of layered materials. The technique used to study the mechanical properties and fracture mechanisms was the instrumented indentation, with the use of indenters with different geometries. The instrumented indentation in conjunction with microscopy techniques is the most effective way to study these fracture processes when subjected to concentrated loads. Hardness, elastic modulus, restitution elastic coefficient, fracture toughness were calculated and an analysis of the mechanisms of elasticity, plasticity and fracture processes was performed. The limitations of the instrumented indentation technique for the determination of mechanical properties of layered materials are discussed. The fracture events, found in the curve of load (P vs. h) of the instrumented indentation, are correlated with their images of scanning electron microscopy of the residual impressions. The thresholds of the applied load to nucleation of radial cracks generated by Vickers tip, and the fracture events in the curve (P vs. h) generated by Berkovich tip, are analyzed by the Weibull statistics. Thus, a new approach was obtained to estimate the fracture toughness of materials that do not have radial cracking. The conceptual meaning of hardness in layered materials was discussed in terms of fracture occurrence.