Materiales Cerámicos - 2º Grado Ingeniería de Materiales

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4.pdf rdemh Materiales Cerámicos 2º Grado en Ingeniería de Materiales Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos Universidad Politécnica de Madrid Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-5622391 PROPIEDADES MECÁNICAS I. COMPORTAMIENTO MECÁNICO La aplicación estructural de los materiales cerámicos se basa en aprovechar las siguientes características: - Elevada resistencia con la temperatura - Alta dureza - Excelentes propiedades tribológicas - Estabilidad química II. PRINCIPALES LIMITACIONES A. Fragilidad Lo que ha conducido a desarrollar cerámicas tenaces B. Sensibles a los defectos Conducen en ocasiones, a rotura por debajo de la resistencia mínima esperada en el material. Influencia de forma importante en el comportamiento mecánico del cerámico. Defectos superficiales: mejora de la calidad superficial, el pulido superficial conduce a un aumento de la resistencia mecánica, pero esta depende de la dirección del pulido (que deja en la superficie líneas de desgaste o pulido). C. Baja fiabilidad Se obtienen valores de resistencia mecánica muy dispersos entre piezas del mismo material, fabricado en las mismas condiciones. La resistencia depende de la composición del material, tamaño de grano inicial, aditivos, condiciones de obtención y fabricación. III. DESCRIPCIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS A. Modulo de elasticidad Elevados, especialmente en cerámicos covalentes. El modulo elástico es muy superior en las cerámicas policristalinas que en los metales o vidrios cerámicos. El modulo elástico disminuye con la temperatura. B. Dureza Es la medida de la resistencia que opone un material a la deformación plástica en su superficie. Propiedad principal para aplicaciones como abrasivos, herramientas de corte, cojinetes, blindajes, … o Mohs Resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados o penetrados por otros con los que se compara. No se aplica a metales dado que la mayoría quedan en el intervalo de 4 a 8. o Dureza Vickers Penetrador de pirámide con un ángulo de 136º de ángulo en su vértice (huella cuadrada en el material ensayado). o Dureza Knoop Penetrador de diamante (igual que Vickers), con dos ángulos en su vértice (huella en forma de rombo en el material ensayado). Los valores obtenidos con cargas diferentes son comparables dado que se producen huellas semejantes, hecho que no se da si el penetrador es una bola C. Resistencia a tracción Esfuerzo máximo soportado por el material antes de su rotura por la acción de fuerzas axiales de tracción. Limitaciones en aplicaciones a los materiales cerámicos: o Difícil sujeción con mordazas, que pueden partir la probeta antes del ensayo. o Dificultad de mecanización de las probetas e introducción de defectos durante el mismo. o Sensible a los errores por desalineación de las mordazas En estas condiciones se obtiene una gran dispersión. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-5622391 D. Resistencia flexión Esfuerzo máximo soportado por el material antes de su rotura por la acción de una fuerza aplicada mediante un dispositivo de flexión. E. Resistencia a compresión Esfuerzo máximo soportado por el material de su rotura por la acción de fuerzas axiales de compresión. o Ampliamente utilizado o Se evita desalineación de las cargas o Utilización de cargas altas o Empleo de piezas de acoplamiento en los extremos de la probeta para reducir desalinemiento y rugosidades o Uso de métodos alternativos. Método brasileño La resistencia a compresión de un cerámico depende del tamaño de defecto, su orientación de la población de los mismo. En el caso del cemento, la sensibilidad de su resistencia a compresión a los defectos en pequeña y se obtienen distribuciones gaussianas. F. Tenacidad a la fractura La fractura simple es la separación de un cuerpo en dos o mas piezas en respuesta a una tensión aplicada estática. Todo proceso de fractura está compuest0o por dos etapas: formación y propagación de una grieta. Existen dos tipos de fractura: o Dúctil: deformación plástica importante con muy alta absorción de energía antes de la fractura. La grieta se propaga lentamente gracias a la deformación plástica que acompaña su crecimiento y se dice que la grieta es estable. o Frágil: poca o ninguna deformación plástica con poca absorción de energía en el proceso de rotura. Las grietas se extienden de manera muy rápida, con muy poca deformación plástica y se denominan instables. IV. RESISTENCIA A LA FATIGA En un metal, se produce su rotura por fatiga cuando la tensión cíclica aplicadas supera su limite de resistencia a fatiga La rotura tiene lugar en tres pasos: - Nucleación de la grieta. - Propagación lenta y cíclica de la grieta - Fallo catastrófico Debido al enlace iónico-covalente de los materiales cerámicos, hay una ausencia de plasticidad durante los esfuerzos cíclicos, por lo que la rotura de un cerámico por fatiga es poco común. V. RESISTENCIA A FLUENCIA En materiales cerámicos, su alta temperatura de fusión conduce a que la fluencia se presente a mayores temperaturas que en los metales (si bien resulta difícil de medir la deformación a estas elevadas temperaturas). Parámetros de fluencia: velocidad de deformación estacionaria y tiempo de rotura 𝑄 ⎡ 𝑐 ⎤ 𝑛 ⎢− 𝑅𝑇 ⎥⎦ ε𝑆 = 𝐾2σ 𝑒⎣ En los materiales cerámicos, la resistencia a fluencia es muy elevada por su alto 𝑄𝑟 𝑚 ⎡⎣ 𝑅𝑇 ⎤⎦ 𝑡𝑟 = 𝐾 σ 𝑒 punto de fusión y su elevada energía de activación 𝑄𝑐 En cerámicos policristalinos como la alúmina, el principal de deformación plática a altas temperaturas y bajas tensiones es el desplazamiento de fronteras de grano. Por ello la resistencia a fluencia no solo depende de la tensión aplicada o la temperatura, sino también del tamaño de grano. Se mejora la resistencia a fluencia con la adición de wiskers de SiC (limitan la fluencia de los granos a alta temperatura). VI. INFLUENCIA DE LA POROSIDAD EN LAS PROPIEDADES El modulo elástico E disminuye con la fracción en volumen de poros (V) conforme a la expresión: ( 2 ) 𝐸 = 𝐸0 1 − 1, 9 𝑉 + 0, 9 𝑉 , siendo 𝐸0 el modulo del material denso (sin poros). 2 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-5622391 −𝑛𝑉 La resistencia a flexión (σ) es función de la fracción de poros en volumen (V) según la expresión: σ = σ0𝑒 , siendo n una constante con un valor entre 5 y 7; y σ0 la resistencia del material sin porosidad. Bajas densidades dan lugar a bajas propiedades mecánicas. VII. TRATAMIENTO ESTÁDÍSTICO DE LA RESISTENCIA MECÁNICA DE MATERIALES CERÁMICOS La probabilidad de que existan defectos capaces de iniciar una grieta es la baja fiabilidad estructural más una importante dispersión de los valores obtenidos. Se introduce la probabilidad de fallo (F) desde el punto de vista estadístico. También se maneja la probabilidad de supervivencia como Ps=1-F. La probabilidad de fallo varia de probeta a probeta del mismo material y depende de la técnica de fabricación y de los tratamientos posteriores. El volumen de la probeta también influye y se introduce el concepto de Volumen efectivo 𝑉𝑒. Determinación de la probabilidad de fallo: 1. Ensayo de tracción de N probetas. 2. Distribución de resistencias n/N: la curva frecuencia/tensión describe la fracción de probetas que fallan a las distintas tensiones aplicadas. Una pequeña fracción de las probetas contiene defectos lo suficientemente grandes como para provocar su rotura a tensiones bajas. La mayor parte de las probetas rompe a una tensión intermedia. Unas cuantas solo contienen defectos pequeños y no rompen hasta que se aplican grandes tensiones. Transformando la curva frecuencia/tensión, Weibull estableció que la función que describía la probabilidad ( ) 𝑚 σ−σ𝑢 −∫ σ0 𝑑𝑉 𝑉 acumulada de fallo es: 𝐹 = 1 − 𝑒 Donde: m es el módulo de la recta o módulo de Weibull. Define cómo de dispersa es la distribución del esfuerzo. σ: tensión aplicada σ𝑢: máximo valor de la tensión a la que hay seguridad de que la probeta no fallará. σ0: parámetro de normalización. Es también conocido como resistencia característica y define cómo de alta o baja es la misma en el material. Este valor se corresponde con una probabilidad acumulada de fallo de 0,632. ( ). Despejando y tomando logaritmo, se llega a una recta del 𝑚 σ −𝑉 σ0 Como σ𝑢 = 0 en cerámicas es 𝐹 = 1 − 𝑒 tipo 𝑦 = 𝑎 + 𝑚𝑥 V es el volumen efectivo o volumen que debe de tener una probeta de tracción sometida a una tensión uniforme σ para que tenga la misma probabilidad de fallo. Operando y tomando logaritmos: 𝐼𝑛⎡𝐼𝑛 ⎣ ( 1 (1−𝐹) )⎤⎦ = 𝐼𝑛(𝑉) − 𝑚 𝐼𝑛(σ ) + 𝑚 𝐼𝑛(σ) 0 Una recta del tipo 𝑦 = 𝑎 + 𝑚𝑉 En el ensayo de flexión la tensión no es uniforme. Determinación de la probabilidad de supervivencia Se transforma la gráfica de frecuencia/tensión en una probabilidad acumulada/tensión. 3 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-5622391 ( ). Operando y tomando logaritmos, queda una recta del 𝑚 σ −𝑉 σ0 Teniendo en cuenta que 𝑃𝑠 = 1 − 𝐹⇒𝑃𝑠 = 𝑒 tipo 𝑦 = 𝑎 − 𝑚𝑥 ( ) ( ) ( ) ( ) 𝑚 Tomando logaritmos 𝐼𝑛 1 𝑃𝑠 = σ σ0 ⇒𝐼𝑛⎡⎢𝐼𝑛 ⎣ 1 𝑃𝑠 ⎤ = 𝑚 𝐼𝑛 ⎥ ⎦ σ σ0 ( ) = 𝑚 𝐼𝑛(σ) − 𝑚 𝐼𝑛 σ0 4 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad.