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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.18.2015.tde-29092015-144827
Documento
Autor
Nome completo
José Luis Hideki Sakihama Uehara
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2015
Orientador
Banca examinadora
Arantes, Vera Lúcia (Presidente)
Bressiani, Ana Helena de Almeida
Ferreira, Eduardo Bellini
Título em português
Estudo de materiais com gradiente funcional (MGF) a base de alumina (Al2O3) e carbeto de nióbio (NbC) obtidos por diferentes técnicas de sinterização
Palavras-chave em português
Al2O3
Auxiliar de sinterização
MGF
Nb2O5
NbC
Sinterização sem pressão
SPS
Resumo em português
No presente trabalho, peças com gradiente funcional de Al2O3 com reforço de NbC foram planejadas com o intuito de obter um MGF (material com gradiente funcional) com uma alta dureza e boa tenacidade à fratura a partir de diferentes técnicas de sinterização. Os MGFs apresentam-se como uma excelente alternativa quando é necessária a união de materiais com propriedades térmicas ou mecânicas muito diferentes, já que possuem uma transição suave de propriedades ao longo do corpo, como consequência de uma mudança gradual do teor das fases. No planejamento dos MGFs foram utilizadas análises dilatométricas para compatibilizar o comportamento durante a sinterização de cada camada e assim minimizar as tensões que ocorrem durante a retração, responsáveis por trincas e delaminações. Nos ensaios de dilatometria observou-se que a diferença máxima de retração entre os compósitos de teor de NbC variando de 5 a 30 %p é de 4,85%, assim, foram projetados MGFs com um passo de 5% de NbC, reduzindo esta diferença para 2,73%. Compósitos monolíticos de Al2O3 com diferentes teores de NbC foram sinterizadas a 1500ºC num forno convencional sob atmosfera de grafite. As densidades das peças sinterizadas foram inferiores a 90% da densidade teórica (DT), o que comprometeu a dureza dos compósitos (10 a 14 GPa), inferiores que as durezas dos materiais originais. Uma das maiores dificuldades no processamento destes compósitos foi sua densificação, prejudicada devido à presença de partículas de alta refratariedade na matriz de alumina, pelo que foi realizado um estudo do efeito da nióbia (Nb2O5) como auxiliar de sinterização nos compósitos Al2O3-NbC. Utilizando 0,5 %mol deste aditivo foi possível melhorar as densidades dos compósitos que, segundo os resultados da microscopia eletrônica de varredura (MEV), devido a uma densificação em presença de fase líquida. No entanto, a melhora na densidade é efetiva para temperaturas inferiores a 1450°C devido provavelmente à sobrequeima. Devido às dificuldades para obter peças densas a partir desses compósitos, foi utilizado o processo de Spark Plasma Sintering (SPS), o qual foi bem sucedido para obter peças com gradiente funcional com boa densidade (> 98 %TD) e livres de trincas. O gradiente projetado foi mantido com sucesso após a sinterização e, graças à alta densidade das peças, foi possível atingir altas durezas (até 24,3 GPa) e tenacidade à fratura ~5 MPa.m1/2, fazendo com que estes materiais apresentem potencial de aplicação como ferramentas de corte.
Título em inglês
Study of functional gradient materials (FGM) made of alumina (Al2O3) and niobium carbide (NbC) obtained by different sintering techniques
Palavras-chave em inglês
Al2O3
FGM
Nb2O5
NbC
Pressureless sintering
Sintering aid
SPS
Resumo em inglês
In the present work, Al2O3/ NbC graded composites were designed in order to obtain a FGM with a high hardness and good fracture toughness from different sintering techniques. Functionally graded materials (FGM) present enormous potential on matching materials that have different mechanical and thermal properties via a gradual transition throughout the body, as a consequence of a gradual transition of the phase content. For designing of FGMs, a dilatometric analysis was used for matching the sintering behavior of each layer in order to minimize the thermal strains occurring during shrinkage and that are responsible for cracking and delamination. It was observed that the maximum difference in shrinkage between these composites is 4.85%, which could be reduced to 2.73% if a FGM with step of 5% NbC is produced. Monolithic composites of Al2O3 with different amounts of NbC were sintered at 1500°C in a conventional oven under an atmosphere of graphite, the density of the sintered pieces were less than 90 %TD, compromising the hardness of the composites (10 to 14 GPa) that were lower than the hardness of the original materials. Due to the fact that one of the greatest difficulties in processing these composites is a densification, which is impaired due to the presence of high refractory particles in the alumina matrix, a study of the effect of the niobia (Nb2O5) as a sintering aid in the composite Al2O3-NbC was conducted, with addition of 0.5 mol% was possible to improve the density of the composites, due to the liquid state sintering according to the SEM results. However, this effect is only effective until a temperature of 1450°C probably due to the overfiring. In order to obtain dense bodies from these composites, Spark plasma sintering (SPS) was used. This process was successful for producing functional graded bodies with good density (> 98% TD) and crack free. The designed gradient was successfully maintained after sintering and due to the high density of FGMs, it was possible to attain high hardness (up to 24.3 GPa) and a fracture toughness of ~ 5 MPa.m1/2, showing that these materials have a good potential application as cutting tools.
 
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Data de Publicação
2015-10-02
 
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