Fabricação e avaliação de um compósito cerâmico Al2O3-ZrO2-TiC em gradação funcional com WC-Co

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Carli, Davi de
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal do Espírito Santo
BR
Mestrado em Engenharia Mecânica
Centro Tecnológico
UFES
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.ufes.br/handle/10/16833
Resumo: Functionally Graded Material (FGM) is made of two or more materials with distinct properties in a gradient form, allowing the change of properties in a given direction along the sample volume. The FGM manufacturing process is an important research theme, in which powder metallurgy (PM) highlights owing to a wide range of materials, microstructure, and shape control. This work aims to design a ceramic FGM, manufactured by PM using pulsed electric current (PECS) as a sintering technique. In addition to characterizing the stepped gradient microstructure, density, thermal conductivity, hardness, and fracture toughness. α-Al2O3 ultrafine powder, 3Y-ZrO2 and TiC nano powder, and WC-Co fine powder were the materials used to manufacture the FGM. A one-dimensional thermomechanical model was used to predict residual stress in the FGM. The samples were sintered at 1425ºC with a dwell time of 7 minutes, uniaxial pressure of 50 MPa, and vacuum atmosphere. The microstructure was mainly characterized by scanning electron microscopy after metallographic preparation. The density evaluation was performed on a precision scale using Archimedes’ principle, and the theoretical density was obtained from the inverse rule of mixtures. Vickers hardness test and fracture toughness by indentation method were carried out. Residual stress prediction indicated tensile stress in rich ceramic layers, however, below the material fracture strength. In the microscopic analysis, cracks due to residual were not observed along the microstructure. The different volume fractions of the constituents showed the stepped gradient. The average value of experimental and relative density was 6.12 g/cm³ and 98.68%, respectively. The average value of thermal conductivity was 41.42 W/mºC. A change in Vickers hardness number (26.8%) as well as in fracture toughness (35.6%) was observed along the gradient.
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A one-dimensional thermomechanical model was used to predict residual stress in the FGM. The samples were sintered at 1425ºC with a dwell time of 7 minutes, uniaxial pressure of 50 MPa, and vacuum atmosphere. The microstructure was mainly characterized by scanning electron microscopy after metallographic preparation. The density evaluation was performed on a precision scale using Archimedes’ principle, and the theoretical density was obtained from the inverse rule of mixtures. Vickers hardness test and fracture toughness by indentation method were carried out. Residual stress prediction indicated tensile stress in rich ceramic layers, however, below the material fracture strength. In the microscopic analysis, cracks due to residual were not observed along the microstructure. The different volume fractions of the constituents showed the stepped gradient. The average value of experimental and relative density was 6.12 g/cm³ and 98.68%, respectively. The average value of thermal conductivity was 41.42 W/mºC. A change in Vickers hardness number (26.8%) as well as in fracture toughness (35.6%) was observed along the gradient.Material em Gradação Funcional (Functionally Graded Material – FGM) é formado por um gradiente de dois ou mais materiais com propriedades distintas, em que a heterogeneidade da microestrutura permite a variação de propriedades em uma dada direção ao longo do volume da amostra. O processo de fabricação do FGM é um importante tema de pesquisa. Dentre os métodos utilizados, a metalurgia do pó (MP) se destaca, devido a ampla variedade de materiais e possibilidade de controle de geometria e microestrutura. O objetivo do trabalho é apresentar o projeto de um FGM cerâmico, fabricado pela MP utilizando a técnica de sinterização por corrente elétrica pulsada (PECS). Além de caracterizar a microestrutura com gradiente em camadas, a densidade, a condutividade térmica, a dureza e a tenacidade à fratura do sinterizado. Os materiais utilizados na fabricação do FGM foram pós ultrafinos de α-Al2O3, pós nanométricos de 3Y-ZrO2 e TiC, caracterizando o compósito cerâmico, além de pós finos de WC-Co. No projeto foi utilizado um modelo termomecânico unidimensional para a predição da tensão residual. As amostras foram sinterizadas por PECS a 1425ºC, com tempo de patamar de 7 minutos, pressão uniaxial de 50 MPa e atmosfera em vácuo. A microestrutura foi caracterizada, principalmente, por microscopia eletrônica de varredura após a preparação metalográfica. A avaliação da densidade experimental foi feita pelo princípio de Arquimedes em uma balança semi-analítica e a densidade teórica a partir da regra das misturas inversa. Ensaios de dureza Vickers e tenacidade à fratura por método de indentação foram executados. A predição de tensão residual indicou tensão trativa nas camadas mais ricas em cerâmica, todavia abaixo do limite de resistência à fratura do material. Na análise por microscopia não foram observadas trincas devido a tensão residual ao longo da microestrutura. As diferentes frações de volume dos constituintes permitiram evidenciar o gradiente em camadas. O valor médio de densidade experimental e relativa foi de 6,12 g/cm³ e 98,68%, respectivamente. O valor médio da condutividade térmica foi de 41,42 W/mºC. Observou-se variação de dureza ao longo do gradiente de 26,8 %, assim como de tenacidade à fratura (35,6%).Universidade Federal do Espírito SantoBRMestrado em Engenharia MecânicaCentro TecnológicoUFESPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaCarneiro, Marcelo Bertoletehttps://orcid.org/0000-0001-5817-8475http://lattes.cnpq.br/5985238373861974https://orcid.org/0009-0002-7720-1022http://lattes.cnpq.br/9530308242639422Passos, Carlos Augusto Cardosohttps://orcid.org/0000-0002-6303-3569http://lattes.cnpq.br/2528679879816545Galdino, André Gustavo de Sousahttps://orcid.org/0000-0002-5990-0287http://lattes.cnpq.br/5319868404281919Carli, Davi de2024-05-30T01:41:37Z2024-05-30T01:41:37Z2023-02-27info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisTextapplication/pdfhttp://repositorio.ufes.br/handle/10/16833porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)instname:Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)instacron:UFES2024-08-05T08:57:45Zoai:repositorio.ufes.br:10/16833Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufes.br/oai/requestriufes@ufes.bropendoar:21082024-08-05T08:57:45Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes) - Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)false
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