Title

DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA À FLEXÃO DA ALUMINA (Al2O3) ENTRE 23°C E 850°C UTILIZANDO DISPOSITIVO AUTOCOMPENSADOR

EXPERIMENTAL ASSESSMENT OF THE FLEXURAL STRENGTH OF AN ENGINEERING ALUMINA (Al2O3) BETWEEN 23°C AND 850°C EMPLOYING AN AUTOCOMPENSATING DEVICE

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Gustavo Henrique Bolognesi Donato; Lucas Bertolli Parra; Fernando dos Santos Ortega; Paulo Eduardo Batista de Mello

Gustavo Henrique Bolognesi Donato

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Fernando dos Santos Ortega

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Paulo Eduardo Batista de Mello

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DOI

10.5151/1516-392X-24727

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Abstract

A utilização de materiais cerâmicos em componentes que operam em elevadas temperaturas (p. ex.: trocadores de calor cerâmicos que operam acima de 800°C) é vantajosa do ponto de vista térmico, mas não é trivial em termos estruturais, uma vez que estes materiais são frágeis e portanto, suscetíveis à fratura catastrófica. Considerando a necessidade de materiais resistentes a elevadas temperaturas e que garantam a integridade de aplicações como tais trocadores de calor, este trabalho investiga as propriedades mecânicas da alumina a (Al2O3) como função da temperatura na faixa de 23°C a 850°C. Para tal, cem ensaios de flexão em 4 pontos e ensaios adicionais selecionados em 3 pontos foram realizados em amostras de seção transversal retangular de ~ 45 mm2 produzidas por gelcasting, técnica esta que tem grande potencial para moldar peças de geometria complexa. Os ensaios foram conduzidos empregando um dispositivo fabricado em Inconel (superliga de Níquel-Cromo) especialmente desenvolvido para esta finalidade e contendo articulações objetivando autocompensação de desalinhamentos. Os resultados experimentais puderam ser muito bem descritos usando a estatística biparamétrica de Weibull e demonstram o efeito da temperatura na redução da resistência à flexão. Adicionalmente, o dispositivo proposto facilitou e dinamizou a realização dos ensaios, além de garantir pequena dispersão das propriedades mecânicas obtidas, especialmente se considerado o micromecanismo frágil de fraturamento desta classe de materiais.

The application of ceramic materials in components that operate under high temperatures (i.e.: ceramic heat exchangers for temperatures above 800ºC) has several thermal and efficiency advantages, however, is not trivial from a structural perspective since those materials are brittle and susceptible to stress-controlled catastrophic failure. This work examines the mechanical properties of an a alumina (Al2O3) as a function of temperature between 23ºC and 850ºC. A hundred 4-point bending and additional selected 3-point bending tests were conducted in samples produced using gelcasting technique with cross sections of ~ 45 mm2. A special test device was designed incorporating joints for correcting misalignments and was built using Nickel superalloy to guarantee stiffness and strength under high temperatures. The results show that the mechanical strength of the alumina under investigation could be well described using the bi-parametric Weibull statistics and the effects of temperature could be assessed. In addition, the use of the proposed device made tests easier and faster, yet reducing the scatter on the obtained mechanical properties, in special considering the brittle fracture micromechanism of this class of materials.

Keywords

Alumina; Flexão de 4 pontos; Dispositivo autocompensador

Alumina; 4-Point bending; Self-compensating test device