Resistência à compressão e tensão de cedência do carboneto de tungsténio

Carboneto de tungsténio forma uma estrutura cristalina densamente sinterizada através da ligação a alta temperatura de átomos de tungsténio e carbono, dotando o material de uma dureza excecional. 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:

Carboneto cimentado	Grau	Composição química	Resistência à tração（MPa）	Resistência ao escoamento（MPa)
WC-Co Baixo teor de cobalto	YG6	WC-6%Co	1400~1800	1500~1800
WC-Co Cobalto médio	YG8	WC-8%Co	1800~2200	1600~2000
WC-Co Alto teor de cobalto	YG15	WC-15%Co	2400~2800	1200~1500
Tamanho de grão ultrafino WC-Co	YG10X	Granulometria ultrafina WC-10% Co	3000~3500	2000~2500
WC-TiC-Co	YT15	WC-15%TiC-6%Co	1100~1500	1000~1300
WC-Ni-Fe	YN10	WC-10%Ni-5%Fe	1600~2000	1400~1700

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. Os dados laboratoriais indicam que a resistência à fratura do material modificado aumentou 2,3 vezes, tendo sido 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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