Resistência à compressão e tensão de cedência do carboneto de tungsténio

Carboneto de tungsténio, como um elemento vital material de carboneto cimentadoé amplamente utilizado em todos os sectores industriais. As suas propriedades mecânicas têm um impacto direto na vida útil e na fiabilidade. Tanto a tensão de cedência por compressão como a tensão de cedência por tração são indicadores essenciais para avaliar a capacidade de carga de um material. A compreensão destes parâmetros requer uma análise a partir de três perspectivas: estrutura do material, metodologia de ensaio e aplicações práticas.

O carboneto de tungsténio forma uma estrutura cristalina densamente sinterizada através da ligação a alta temperatura de átomos de tungsténio e de carbono, dotando o material de uma dureza excecional. A tensão de cedência por compressão designa o valor crítico de tensão em que se inicia a deformação plástica sob carga de compressão contínua, normalmente medida com uma máquina de ensaio universal. Durante o ensaio, as amostras cilíndricas são colocadas entre placas de compressão, sujeitas a pressão axial a uma taxa constante. O valor de tensão correspondente ao ponto de inflexão distinto na curva tensão-deformação define a tensão de cedência por compressão. Como material cerâmico, o carboneto de tungsténio puro apresenta elevada dureza e fragilidade, com uma resistência à tração relativamente baixa, significativamente influenciada pelos processos de fabrico (por exemplo, densidade de sinterização, dimensão do grão). O carboneto de tungsténio puro tem uma resistência à tração de 344 MPa. O carboneto de tungsténio de qualidade industrial é normalmente combinado com metais aglutinantes, como o cobalto (Co) e o níquel (Ni), para ligar as partículas de carboneto de tungsténio, melhorando substancialmente a fragilidade e aumentando a resistência à tração. Este material compósito é normalmente designado por carboneto cimentado. As resistências à compressão dos carbonetos de tungsténio cimentados são geralmente demonstradas entre 4.000 e 6.000 MPa (580.151-870.226 psi)equivalente a suportar 400-600 quilogramas por milímetro quadrado. O quadro seguinte apresenta as resistências à tração e ao escoamento do carboneto de tungsténio cimentado para classes específicas:

A resistência à tração do carboneto de tungsténio cimentado reflecte a capacidade do material para resistir à fratura sob tensão. Durante o ensaio, as extremidades da amostra são fixadas numa máquina de ensaio de tração. À medida que a força de tração aumenta, o ponto de transição onde o material passa da deformação elástica para a deformação plástica é o limite de elasticidade. Devido à fragilidade significativa dos carbonetos cimentados, o limite de elasticidade à tração do carboneto de tungsténio é nitidamente inferior à sua resistência à compressão, variando normalmente entre 1000 e 1500 MPa. Esta caraterística exige uma atenção especial para evitar concentrações de tensão de tração na conceção de componentes de carboneto de tungsténio, como a utilização de transições arredondadas nas arestas das ferramentas de corte.

A relação da composição do material influencia diretamente as propriedades mecânicas. Por cada aumento de 1% no teor de cobalto como fase ligante, a resistência à compressão diminui em cerca de 80 MPa, mas a tenacidade melhora. Por exemplo, um modelo específico de liga de perfuração de rocha mineira com 6% de cobalto atinge uma resistência à compressão de 5800 MPa, enquanto uma pastilha de corte com 15% de cobalto vê a sua resistência à compressão reduzida para 4200 MPa. O controlo do tamanho do grão de carboneto de tungsténio entre 0,5 e 2 micrómetros produz o equilíbrio ideal de resistência; os grãos demasiado finos podem causar uma distribuição desigual da fase aglutinante, enquanto os grãos demasiado grosseiros são propensos a formar locais de iniciação de fissuras.

As alterações de temperatura afectam de forma não linear os indicadores de resistência. Os dados experimentais mostram que, quando a temperatura de funcionamento é superior a 600°C, a resistência à compressão do carboneto de tungsténio diminui a uma taxa de 0,8% por grau Celsius. Por exemplo, a resistência à compressão de um anel de vedação de um motor aeronáutico que funciona a 800°C diminui de 5200 MPa à temperatura ambiente para 3200 MPa. A principal causa da redução da resistência a altas temperaturas é a propagação de microfissuras devido ao stress térmico; a adição de elementos como o crómio e o vanádio pode melhorar a estabilidade a altas temperaturas.

Na perfuração de petróleo, as fresas PDC devem suportar simultaneamente a compressão da formação e a tensão do impacto. Um modelo específico de fresa emprega um design de estrutura gradiente: a camada superficial apresenta grãos de carboneto de tungsténio refinados até 0,8 micrómetros, enquanto o núcleo mantém grãos de 2 micrómetros. Os testes mostram uma resistência à compressão de 5500 MPa e uma resistência à tração de 1300 MPa, resultando numa vida útil 40% mais longa em comparação com uma estrutura homogénea. No corte de metal, a conceção do ângulo de inclinação da ferramenta de corte afecta diretamente o estado de tensão; uma conceção de ângulo de inclinação negativo converte as forças de corte em tensão de compressão, utilizando plenamente a vantagem da resistência à compressão do material.

O controlo de qualidade exige uma atenção especial à deteção de defeitos. A porosidade superior a 0,05% pode reduzir a resistência à compressão em 15%. Os testes ultra-sónicos podem detetar defeitos internos superiores a 0,1 mm. A análise de falhas de um lote de matrizes de encabeçamento a frio revelou um poro não sinterizado de 0,3 mm no interior da matriz, fazendo com que a resistência à compressão efectiva fosse apenas 72% do valor nominal.

A investigação sobre a modificação de materiais alcançou um grande avanço: nano-O carboneto de tungsténio estruturado em camadas mantém uma resistência à compressão de 4800 MPa, aumentando simultaneamente a resistência à tração para 1800 MPa. Esta estrutura, criada pela deposição alternada de camadas de carboneto de tungsténio com 5 nm de espessura e camadas de metal com 2 nm de espessura, inibe eficazmente a propagação de fissuras. Dados laboratoriais indicam que a resistência à fratura do material modificado aumentou 2,3 vezes e foi aplicado no fabrico de matrizes de estampagem de precisão.

A seleção efectiva deve ter em conta as condições de trabalho. Para aplicações com cargas de impacto frequentes, devem ser escolhidas formulações com menor resistência à compressão mas maior tenacidade. Para ambientes de alta pressão sustentada, é dada prioridade a materiais com resistência à compressão máxima. Por exemplo, depois de substituir a cabeça do martelo de um triturador de minas por uma fórmula com alto teor de cobalto (12%), embora a resistência à compressão tenha diminuído para 4500 MPa, a vida útil aumentou 3 vezes, porque a maior tenacidade do material resistiu efetivamente a impactos cíclicos.

A análise de casos de falha revela a interdependência dos indicadores de resistência. A fratura de uma gaiola de rolamento de precisão deveu-se ao facto de a resistência à tração da matéria-prima ser de apenas 980 MPa, inferior ao requisito de conceção de 1200 MPa. Uma análise mais aprofundada revelou que a baixa temperatura de sinterização conduziu a uma resistência insuficiente da ligação entre os grãos; embora a dureza cumprisse a norma, a resistência efectiva era inadequada. Este caso demonstra que a seleção de materiais não se pode basear apenas na dureza; é essencial efetuar ensaios exaustivos das propriedades mecânicas.

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