Tema 3. PROPIEDADES MECANICAS. Elasticidad Dureza Resistencia Mecánica Fiabilidad Tenacidad Curva R Choque Térmico

Transcripción

1 Tema 3. PROPIEDADES MECANICAS Elasticidad Dureza Resistencia Mecánica Fiabilidad Tenacidad Curva R Choque Térmico 1

2 Propiedades mecánicas: Elasticidad Importantes para aplicaciones estructurales. Si 3 N 4, SiC, Al 2 O 3, ZrO 2... Fiabilidad: Elevada resistencia fragilidad Importante diseño. E, MOR, K IC, Weibul m Elasticidad Deformación elástica (reversible). Energía de Enlace Tensión de Tracción: σ= E ε E = módulo de elasticidad o módulo de Young Tensión de cortadura τ = G γ G = módulo de cortadura o rigidez Característica de las Cerámicas: fractura frágil 2

3 Propiedades mecánicas: Elasticidad Módulo de elasticidad Enlaces covalentes fuertes valores de E altos El módulo elástico E disminuye con la temperatura G0 E = E0 bt exp kt 3

4 Propiedades mecánicas: Elasticidad Dos métodos para medir E: Cálculo de la pendiente de la parte elástica del gráfico σ vs ε Frecuencia de resonancia, medidas por ultrasonidos E = 2(1 + ν) ρc 2 t 10 6 ν = 1 1 c 2 1 c Módulo de Poisson Relación de los cambios dimensionales en longitud y espesor d / d ν = l / l t l 2 c l, c t = velocidad de la onda longitudinal y transversal En las cerámicas el valor de ν varía entre E = 2G(1 + ν) 4

5 Propiedades mecánicas: Dureza Dureza Propiedad característica de la mayoría de los materiales cerámicos Especialmente importante para aplicaciones como válvulas, sellos, herramientas de corte... Método: Indentación estática: Distintos tipos indentadores: Brinell: bola (φ =10 mm), 500 Kg Rockwell: bola acero (1/16 ) o cono diamante Knoop: Diamante piramidal, dos ángulos 172.5º, y otro de 130º Berkovich: Pirámide de base triangular: 65º Vickers: pirámide base cuadrada, 136º entre caras opuestas Knoop Vickers 5

6 Propiedades mecánicas: Dureza Dureza Vickers P HV = d P = carga (Kg), 5-10 Kg d = longitud media diagonales (mm) Valor medio de 5 indentaciones Unidades: GPa = 1/9.8 Kg/mm 2 d d 1 2 TiB 2 = Kg/mm 2 6

7 Propiedades mecánicas: Resistencia a la fractura Resistencia teórica, resistencia a la tracción (TS), resistencia a la flexión (FS), compresión, compresión biaxial (BC), Módulo de Ruptura (MOR) Resistencia teórica σ t = E γ a 0 γ = energía superficial de fractura a 0 = espaciado interatómico Teoría de Griffith σ t E γ = A c 1 2 c = Tamaño crítico de defecto Defectos en cerámicas: poros, inclusiones aglomerados, defectos superficiales 7

8 Medición de la resistencia Ensayo de tracción (tensile strength) Caracterización de metales En cerámicos no: alto coste de las probetas, alineación extrema, sujeción mordazas Ensayo de compresión Rara vez en metales En cerámicas es muy común: los valores obtenidos mucho mayores que en tracción. Compresión biaxial Propiedades mecánicas: Resistencia a la fractura Ensayo flexión La más empleada en materiales cerámicos. Ensayos en 3 ó 4 apoyos 8

9 Propiedades mecánicas: Resistencia a la fractura Ensayo de compresión Crushing strength Aparente relación entre dureza y resistencia a la compresión Resistencia es función de defectos, tamaño de grano... Compresión biaxial En situaciones donde existe una zona de contacto entre cerámico-metal, cerámicocerámico y movimiento relativo La probeta está sometida simultáneamente a tensiones de tracción y cortadura 9

10 Propiedades mecánicas: Resistencia a la fractura Ensayo de Flexión Resistencia a la Flexión (FS), Módulo de Ruptura (MOR). Para una barra rectangular: FS = MOR = M c I I = momento de inercia M = momento c = distancia eje neutro a la superficie 3 puntos 3 P L E = 3 3 d b δ E 4 puntos 3 11 P L = 64 d b δ 10

11 Propiedades mecánicas: Resistencia a la fractura El valor de resistencia medido varía con las dimensiones de las barras y si el sistema que se utiliza es de 3 ó 4 puntos. 11

12 Propiedades mecánicas: Resistencia a la fractura Resistencia a la flexión para distintos materiales cerámicos Material SiO 2 fundida cordierita MgO 200 Al 2 O (800) ZrO Si 3 N Si 3 N 4 * SiC FS, MOR (MPa)

13 Propiedades mecánicas: Resistencia a la fractura Variación de la resistencia con la Temperatura En general disminuye con la Temperatura, pero no es proporcional al descenso del módulo elástico creep, fases intergranulares 13

14 Propiedades mecánicas: Resistencia a la fractura Variación de la resistencia con la Temperatura Influencia de la calidad de la fase intergranular Aumento de resistencia por tratamientos térmicos Efecto de la cristalización de la fase intergranular en la resistencia a 1200ºC para Si 3 N 4 + 5%Y 2 O 3 + 2%Al 2 O 3 14

15 Fiabilidad Propiedades mecánicas: Resistencia a la fractura La fiabilidad estructural está determinada por defectos microestructurales. Tipos de defectos: - Intrínsecos del material: fronteras de grano, puntos triples - Inhomogeneidades creadas en el procesamiento: aglomerados, inhomogeneidades químicas, inclusiones, poros, crecimiento anómalo, grietas superficiales... Aproximación probabilística. Modulo de Weibull El análisis estadístico se basa en la teoría del eslabón más débil, desarrollada por Weibull. Permite obtener una ecuación para la probabilidad de fallo V = volumen efectivo s = tensión aplicada s o = tensión característica (para F = 0.632) m = módulo de Weibull. Grado de dispersión F = 1 exp V σ σ 0 m 15

16 Propiedades mecánicas: Resistencia a la fractura 16

17 Propiedades mecánicas: Tenacidad Tenacidad a la Fractura Característica de las cerámicas: BAJA TENACIDAD K IC (MPa m 1/2 ). Factor de concentración de tensiones. K I, K II, K III Modo K I = la carga es perpendicular a la grieta (tracción, flexión) K 1/ 2 IC = (2γE) K IC = σ a Yc 1/ 2 σ a = resistencia a la flexión c = tamaño de grieta crítico γ = energía superficial de fractura Y = factor geométrico 17

18 Propiedades mecánicas: Tenacidad Medición Tenacidad por Indentación Medición de la longitud de grietas generadas por indentación Vickers (P = 5,10 Kg) Geometría de las grietas: Semicirculares (cerámicos, composites) K 0.5 E 3/ 2 IC = P(c) HV Anstis y Col. Tipo Palmqvist (Cermets) K IC HV(P P = B 4a 1 B = 2 11 (1 ν ) C ) 18

19 Propiedades mecánicas: Tenacidad Medida superficial: calidad pulido 19

20 Propiedades mecánicas: Tenacidad Medición Tenacidad por Probetas Pre-agrietadas 3Pc K IC = Y c 2 h d 1/ 2 Y = c h 2 c h 3 c h c h 4 SENB: Single-Edge Notched Beam specimen = Pc KIC 1/ ( d h ) h c DCB: Double Cantilever Beam specimen K IC = 3(1 + ν) P D 3 Lh hn 1/ 2 DT: Double Torsion Test specimen 20

21 Propiedades mecánicas: Tenacidad Ejemplos: Ensayor Barker [ref]. (DCB) Norma ASTM-E No se necesita pre-agrietamiento. Barras pre-agrietadas (SNEB) K IC = Y P B Y = max L K Y = P L 1/ 2 IC = Y ( π a) 2 a h h d 2 a h 3 a h a h 4 21

22 Propiedades mecánicas: Tenacidad Valores de Tenacidad 22

23 Propiedades mecánicas: Tenacidad Mecanismos Aumento Tenacidad. Toughening Si 3 N 4, platelet-reinforced alumina Borosilicate glass + Al 2 O 3 partcles Cermets Al 2 O 3 /Al 23

24 Propiedades mecánicas: Tenacidad Transformation Toughening Tres formas cristalográficas: CIRCONIA: ZrO ºC 1174ºC Cúbica Tetragonal Monoclínica 6.09 g/cm g/cm 3 V~+4-5% 5.83 g/cm 3 Tm=2680ºC 24

25 Propiedades mecánicas: Tenacidad En la circonia pura, durante el enfriamiento se produce t m, induciéndose su agrietamiento Si la fase tetragonal es estabilizada la transformación es inducida por una tensión mecánica Mecanismos responsables del aumento de tenacidad: a- Reducción de la energía de la grieta transformación (martensítica) b- Tensiones compresivas en la grieta por aumento de volumen c- Formación de microgrietas d- transformación superficial por pulido superficie a compresión 25

26 Propiedades mecánicas: Tenacidad Reforzamiento por fibras Aumento de la resistencia y tenacidad Continuous-fiber-reinforced-ceramic-matrix composites Fibra de vidrio en plásticos Carbón-Carbón (aplicaciones aeroespaciales) SiC / vidrio cerámico SiC / Si 3 N 4 = se consigue una tenacidad de 10 MPa m 1/2 Comportamiento composite: 1.- Deformación elástica (E =E f + E m ) 2.- Microcracking 3.- La matriz falla completamente fiber pullout Importante que la interacción entre matriz-fibra no sea fuerte. PROTECCIÓN FRENTE A OXIDACIÓN 26

27 Propiedades mecánicas: Tenacidad Fiber Pullout K 2 2 1/ 2 c = [ Km + ( τ / 2 )V f de( la ) ] K c = tenacidad composite K m = tenacidad matriz τ = tensión de cortadura matriz-fibra V f = fracción volumen fibras d = diámetro fibras l a = relación aspecto E = módulo elástico 27

28 Propiedades mecánicas: Tenacidad 28

29 Propiedades mecánicas: Tenacidad 29

30 Propiedades mecánicas: Tenacidad. Curva R Incremento de la resistencia (tenacidad) con la extensión de la grieta Ocurre en grietas largas (~1mm): Alúmina (tamaño grano grosero) Si 3 N 4 (granos elongados) PSZ (MgO, CeO 2 ) Es función de la microestructura, composición química, preagrietamiento, tratamientos térmicos 30

31 Propiedades mecánicas: Tenacidad. Curva R Mecanismo: Apantallamiento de la punta de la grieta (crack tip shielding) Zone shielding: Microagrietamiento, Transformación de fase (Fuerzas compresión) Contact shielding: Bridging: interacción con ligamentos intactos (granos, partículas, fibras ) Experimentos: Se determina utilizando el mismo tipo de probetas que las utilizadas en la determinación de la tenacidad (SENB, DCB, DT) 31

32 Propiedades mecánicas: Resumen 32

33 Propiedades termo-mecánicas Resistencia al Choque Térmico Tensiones mecánicas que se generan en un material sometido a un gradiente térmico. Pueden producir su fractura. Dos enfoques: resistencia a la fractura y resistencia propagación grietas Resistencia a la fractura: Valor crítico para originar grietas superficiales: T c = R R' = = σ f σ f (1 ν) αe (1 ν) κ αe (ºC) (cal/ cm s) σ t = resistencia tracción υ = módulo Poisson α = coef. Expansión térmico E = módulo Young κ = conductividad térmica 33

34 Propiedades termo-mecánicas Resistencia a la Propagación de grietas Fuerza impulsora: energía elástica almacenada en el material R''' = σ 2 f E (1 ν) (MPa) 1 R'''' = σ 2 f E γ (1 ν) (cm) γ = energía superficial fractura Técnicas Experimentales Crecimiento de grietas generadas por indentación Vickers El valor de R ( T) se considera como el cambio de temperatura que produce un incremento de la grieta del 10% 34

35 l (%) 200% 160% 120% 80% 40% Propiedades termo-mecánicas Crecimiento de Grietas Al2O3 SiC por SiC sol cordierita SiC liq Si3N4 0% T (ºC) Tc (ºC) Al 2 O SiC-sol 300 SiC-por 300 CORDIERITA 300 SiC 350 Si 3 N R'''' = σ 2 f E γ (1 ν) NITRURO DE SILICIO MAYOR γ 35

36 Propiedades termo-mecánicas Resistencia residual tras el choque térmico Ensayos de flexión tras someter al material a distintos choques térmicos Resistencia residual (MPa) T (º C) Si3N4 SiC, liq A-3000 Tc (ºC) Al 2 O SiC 400 Si 3 N R' = σ f (1 ν) κ αe CARBURO DE SILICIO: CONDUCTIVIDAD TÉRMICA 36

37 Estándares ASTM CERTIFICACIÓN 37