MATERIALES INDUSTRIALES II. Capitulo 3 MATERIALES CERAMICOS PRIMERA PARTE

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1 MATERIALES INDUSTRIALES II Capitulo 3 PRIMERA PARTE 1

2 MATERIALES CERÁMICOS - CLASIFICACIÓN Compuestos inorgánicos formados por uniones iónicas o covalentes entre metales y no metales CLASIFICACIÓN VIDRIOS PRODUCTOS DE ARCILLA CEMENTOS REFRACTARIOS ABRASIVOS CERÁMICOS AVANZADOS 2

3 PROPIEDADES COMPARACIÓN CON METALES Dureza => Alta Ductilidad => Baja, son frágiles Tenacidad => Baja Resist. ataque químico => Alta Resist. choque térmico => Baja Temperatura de fusión => Alta Aislación térmica/eléctrica => Buena 3

4 PROPIEDADES: PUNTO DE FUSIÓN Compuesto cerámico Formula Temp. de fusión ( C) Carburo de Titanio TiC Carburo de Wolframio WC Oxido de Magnesio (Periclase ) MgO Dióxido de Zirconio (Circona) ZrO Carburo de Silicio SiC Oxido de Aluminio (Corindón) Al2O Dióxido de Silicio (Cuarzo) SiO Nitruro de Silicio Si2N Dióxido de Titanio TiO Punto de fusión del Acero 1400 C Los cerámicos se usan para aplicaciones con exigencia térmica importante donde el acero no es aplicable. Ej: LADRILLOS REFRACTARIOS 4

5 PROPIEDADES: DUREZA Los cerámicos duros pueden utilizarse para cortar, afilar y/o pulir mariales menos duros => ABRASIVOS 5

6 ABRASIVOS - ESMERILADO Ventajas: Alta velocidad de corte Autoafilado 6

7 ABRASIVOS RUEDA DE ESMERIL GRANOS ABRASIVOS => alta dureza, resistencia al desgaste y fragilidad -Óxido de Aluminio (Al2O3): acero y aleaciones de alta resistencia -Carburo de Silicio (SiC): aluminio, latón, acero inoxidable, fundiciones de hierro -Nitruro de Boro Cúbico (CBN): acero para herramientas y aleaciones aeroespaciales -Diamante: abrasivos duros como carburos cementados y vidrios. AGLUTINANTES => resistencia a la temperatura y al impacto -Vitrificados: uso común -Hule: ruedas de corte -Resinas: esmeril de desbaste -Metálicos: para CBN y diamante 7

8 ABRASIVOS NOMENCLATURA (ANSI) 8

9 ABRASIVOS CARACTERÍSTICAS DE LA RUEDA TAMAÑO DE GRANO: se define por el tamaño medio de las partículas. Determina el acabado superficial. GRADO: resistencia del aglutinante para retener granos de abrasivo. Depende de la cantidad de aglutinante presente. ESTRUCTURA: relación entre la cantidad de poros y la cantidad de granos de abrasivo. Tamaño 8 / 10 / 12 /14 Muy grueso 16 /20 /24 /30 Grueso 36/46/54/60 Mediano 80/100/120/150 Fino 180 a 280 Muy fino 320 a 600 Extra fino Medida en 0,001 mm Aplicación 2400 a 1400 Desbastes gruesos 1200 a 600 rebabado 500 a 250 Amolado superficial y rectificado 175 a 105 Pulido, rectificado 80 a 35 Amolado fino, pulido, rectificado precisión 30 a 9 Bruñido y lapidado 9

10 ABRASIVOS CONFIGURACIONES 10

11 PROPIEDADES TÉRMICAS: DILATACIÓN LINEAL 11

12 PROPIEDADES TÉRMICAS: DILATACIÓN LINEAL 12

13 PROPIEDADES TÉRMICAS: CONDUCTIVIDAD Conductividad térmica depende de la microestructura y mide la tasa a la cual el Calor es transmitido través de un material q : flujo de calor por unidad de área y de tiempo k: conductividad térmica El mecanismo de conducción de calor en sólidos se debe a vibraciones atómicas (fonones) más el movimiento de electrones libres. Fonones y electrones viajan desde la zona de mayor a la de menor temperatura En los METALES hay muchos electrones libres y son muy buenos conductores En los CERAMICOS no hay electrones libres y los fonones no son efectivos por dispersión en la red 13

14 PROPIEDADES TÉRMICAS: CONDUCTIVIDAD EN CERAMICOS La dispersión de las vibraciones en la red se hace mas pronunciada al aumentar la temperatura, disminuyéndose la conductividad La conductividad aumenta a temperaturas mas altas debido a que el calor se transfiere por radiación 14

15 PROPIEDADES TÉRMICAS: CONDUCTIVIDAD CERAMICOS vs. METALES 15

16 ESFUERZOS TÉRMICOS Los esfuerzos térmicos se deben a cambios de temperatura en un cuerpo En una barra con sus extremos fijos los esfuerzos resultantes de la dilatación y contracción térmicas restringidas: σ = E.α l ( T 0 T f )= E.α l ΔT E: Modulo de elasticidad. α: Coeficiente deformación lineal. En materiales dúctiles (metálicos) puede haber deformación plástica En materiales frágiles se puede producir la fractura Podemos definir aproximadamente: Resistencia al Choque Térmico a TSR = σ f.k E.α La resistencia al choque térmico se puede aumentar disminuyendo α Por ej. Vidrio soda cal mediante el agregado de B ( borosilicato ) 16

17 ESFUERZOS TÉRMICOS Cuando los cambios dimensionales producidos por la temperatura no son uniformes se producen tensiones térmicas dentro del material producen fisuras y descascaramiento conocido como spalling Los cambios dimensionales no uniformes se pueden originar por: Cambios de fase Coef. de expansión térmica diferentes Anisotropía de los coeficientes de expansión térmica Altos gradientes de temperatura dentro de una pieza SRI = k x σ α.e.c.ρ k: coef. de conductividad térmica σ: resistencia tracción α : coef. De dilatación lineal C: Calor especifico ρ : densidad 17

18 ESFUERZOS TÉRMICOS - EJERCICIO Una barra de latón debe usarse en una aplicación que requiere que sus extremos se mantengan fijos. Si la barra esta libre de tensiones a Temp. ambiente 20 C Cuál es la máxima Temp. a la cual la barra puede ser calentada sin exceder una tensión de compresión de 172 MPa Suponga modulo de elasticidad 10 5 MPa para el latón 18

19 DEFORMACIÓN A ALTA TEMPERATURA La deformación de los cerámicos a altas temperaturas se puede Incrementar debido al movimiento de los átomos Se consideraran tres efectos: 1. Comportamiento anelástico : Alta disminución del modulo de elasticidad E debido al aumento de la temperatura. 2. Creep : Deformación a alta temperatura con carga constante 3. Fluencia viscosa Se verifica en los materiales amorfos caso típico del vidrio 19

20 CONCENTRACIÓN DE TENSIONES RESISTENCIA ESTADÍSTICA Por Griffith recordamos que la fractura puede ser una consecuencia de la concentración de tensiones en el extremo de una fisura. Las macroestructuras cerámicas poseen puntos de concentración de tensiones tales como poros, bordes de grano, o micro fallas La resistencia a la tracción en un material frágil esta determinada por la probabilidad de que se encuentre un defecto que produzca una concentración de tensiones superior a la tensión normal critica de fractura. Hay mas concentraciones fuertes en los sólidos con cristales grandes que en los compuestos por finos ( hilos, fibras ) 20

21 TENACIDAD Los cerámicos son muy frágiles y susceptibles de fractura catastrófica Muy baja Tenacidad a la fractura 1. Diferentes mecanismos para otorgar tenacidad 2. Resultados alcanzados en el aumento de la tenacidad 3. Aplicaciones practicas 21

22 PROPAGACIÓN DE FRACTURA EN CERÁMICOS En un cerámico existen granos, poros, inclusiones, rajaduras y grietas superficiales Si la muestra se carga con tensión uniforme la fractura se iniciará en el defecto mas grande Asumimos que comenzando por una carga nula, la incrementamos hasta alcanzar la tensión critica para el defecto mayor Por debajo de la tensión critica estamos almacenando energía elástica dentro del material y al llegar a la tensión critica la falla se iniciara en el defecto critico La energía almacenada esta disponible para concentrarse en la punta de esta nueva grieta y hacerla avanzar a través del cerámico. Un cerámico típico no posee ningún mecanismo para prevenir esto y se produce una fractura catastrófica frágil 22

23 MECANISMOS PARA OTORGAR TENACIDAD A- Transferencia del módulo de elasticidad B- Pretensado C-Desviación o impedimento del avance de la falla D- Puenteado de grieta o bridging E- Pullout F- Protección de la grieta o Crack Shielding 23

24 A) TRANSFERENCIA DEL MÓDULO DE ELASTICIDAD Fibras de alto modulo dentro de una matriz de bajo modulo, con lo que el esfuerzo aplicado al material es transferido desde la matriz a las fibras Factores que controlan el grado de tenacidad conseguido por transferencia del módulo: Diferencia entre E fibras vs. E matriz. Se prefieren usar fibras que tengan por lo menos el doble del modulo de elasticidad de la matriz Resistencia de las fibras. Esta determinada por la resistencia cohesiva de la unión atómica y el tamaño de los defectos micro estructurales % Volumen de las fibras vs. % Volumen de la matriz Largo de las fibras. Algunos estudios indican que la relación largo/diámetro debe ser superior a 8:1 Unión interfacial fibra-matriz La transferencia del modulo requiere una Nivel razonable de adhesión entre fibras y matriz 24

25 B) PRETENSADO Dejar una tensión residual de compresión. Con esto se logra que la fractura solo pueda iniciarse cuando la tensión iguale a la de PRE-compresión Por fibras 1. se tensionan las fibras a tracción 2 se rodean las fibras con la matriz y 3 se retira la tensión de las fibras Por tensión térmica. Por ej. Temple del vidrio Intercambio iónico. Por ej. Temple químico del vidrio. El material se expone a temp. junto con iones más grandes que algunos reemplazan a los mas pequeños Cuando se enfría los grandes comprimen la superficie del mismo Superposición de capas de distintos coeficientes expansión térmica. Se trata del apilamiento de laminas de distinto coeficiente y quedan con un alto esfuerzo residual 25

26 C) DESVIACIÓN O IMPEDIMENTO DEL AVANCE DE LA FALLA Estructuras cristalinas en vez de amorfas Control de fases en límites de granos Estructuras de granos fibrosos o elongados Dispersión de partículas extrañas y fibras, adición de una segunda fase Δ Tenacidad = f ( % en V partículas, Forma de partículas ) Esféricas : Doble Disco : Triple Varillas : cuádruple Cuanto mayor es el recorrido mayor es la Energía de Fractura requerida 26

27 D/E) PUENTE DE GRIETA (BRIDGING) - PULLOUT Puenteado de grieta o bridging Puentes de fibras transversales al avance de la grieta detienen o frenan su propagación El puenteado puede ocurrir si se encuentra una fase dúctil que se deforma más que la fase adyacente. Pullout Una partícula, fibra o grano se despega de la microestructura adyacente y la fisura tira de ella para despegarla, con lo cual consume energía. Generalmente acompaña al bridging 27

28 D/E) PUENTE DE GRIETA (BRIDGING) - PULLOUT Pull-out Fiber gridging Matrix crack Debonding Fibras de refuerzo 28

29 F) PROTECCIÓN DE GRIETA (CRACK SHIELDING) Micro fracturas, que reduce el modulo elástico y reparte el esfuerzo aplicada en varias grietas Una fase dúctil que permite deformación elástica en la punta de la grieta El ZrO2 se transforma desde una fase Tetragonal a un cristal monoclínico a los 1150 C. Si desde esta temp. se enfría bruscamente se puede obtener a temp. ambiente la fase tetragonal precipitada dentro de una matriz cúbica de ZrO2 Cuando una grieta trata de propagarse en este material los pequeños granos de la fase tetragonal se expanden a monoclínico cerrando la grieta por aumento de volumen 29

30 MATERIALES INDUSTRIALES II Capitulo 3 SEGUNDA PARTE 30

31 MATERIALES INDUSTRIALES II Capitulo 3 SEGUNDA PARTE 31

32 CERÁMICOS TENACES Los cerámicos tenaces combinan las características y ventajas de la cerámica tradicional con la capacidad de soportar una tensión importante Los cerámicos tenaces combinan resistencia mecánica con: Resistencia a altas temperaturas Alta dureza y resistencia al desgaste Resistencia a la corrosión Resistencia al choque térmico Resistencia a la abrasión Las composiciones, el procesado, y microestructura se deben controlar cuidadosamente para proporcionar los niveles requeridos del funcionamiento => la cerámica estructural avanzada es más costosa que cerámica tradicional 32

33 CERÁMICOS TENACES La cerámica avanzada se desarrolla hoy en base a: 1.Carburo de Si ( Si C ) 2.Nitruro de Si ( Si 2 N 4 ) 3.Zirconia ( Zr O 2 ) 4.Carburo de Wolframio ( WC ) 5.Otros como: TiB 2 (diborato de Ti), AlN ( nitruro de Al ) y SiAlON ( oxinitrato de aluminio de silicio) 33

34 CERÁMICOS TENACES Los compuestos de matriz cerámica también están aumentando sus aplicaciones como cerámica estructural avanzada 34

35 CERÁMICOS TENACES La Zirconia posee la mayor resistencia a bajas temp. El Nitruro de Si mantiene sus características hasta 1200 El Carburo de Si es algo menos resistente que el Nitruro pero mantiene sus propiedades a temp. más altas (1500 C) 35

36 CONFORMACIÓN DE POLVOS 1) PROCESADO DE POLVOS: se aditivan los polvos cerámicos (materias primas) con fluidificantes, plastificantes y/o ligantes y luego se muele la mezcla 2) CONFORMADO: se puede hacer por prensado (uniaxial o isostático), slip casting o procesos plásticos (extrusión o inyección). 3) COCIDO: se somete la pieza verde a calentamiento para eliminar aditivos. 4) DENSIFICACIÓN: se logra un material mas denso (menos porosidad) mediante la aplicación de presión y calor 36

37 PROCESOS DE CONFORMACIÓN - PRENSADO ISOSTÁTICO 37

38 CARBURO DE SILICIO Formas cristalinas polimórficas α-sic hexagonal y romboédrica La forma α-sic es mas estable a 2000 C β-sic cúbica La forma β-sic es la forma más común para bajas temperaturas 38

39 CARBURO DE SILICIO PROPIEDADES: Baja expansión térmica Alta dureza Buena resistencia a la abrasión a baja tempratura Resistencia a la oxidación a temperaturas moderadas Más alta conductividad térmica que otros cerámicos Menor resistencia a la fractura Mantenimiento de Resistencia Elástica a alta Temperatura (hasta 1650 C) 39

40 CARBURO DE SILICIO - CARACTERISTICAS Modo de densificación del material Propiedad Enlazado por Alfa Beta por presión Sinterizado reacción sinterizado sinterizado en caliente (Y 2 O 3 ) (Al 2 O 3 ) Densidad, kg/m Dureza, kg/mm Resistencia a la torsión, MPa a 25ºC Módulo de Young, GPa Índice de Poisson, GPa Coeficiente de expansión térmica, x10-6 /ºC Coeficiente de conductividad térmica,w/(mk) a 25ºC

41 CARBURO DE SILICIO PRODUCCIÓN DEL POLVO: a) Por proceso Acheson => reducción de la arena de sílice en base de coque eléctricamente calentado Alta temperatura (2400 C) Se obtiene α SiC Se debe limpiar químicamente de impurezas b) Reacción en fase gaseosa => entre hidruro de silicio y metano Mas baja temperatura ( C) Se obtiene β SiC Se obtiene con la pureza deseada 41

42 CARBURO DE SILICIO ENLAZADO POR REACCIÓN CONFORMADO DE LA PIEZA: Se conforma una preforma con el polvo de SiC mediante los procesos antes descriptos Se infiltra la preforma con Silicio en contacto directo a T =1500 C o usando vapor de Silicio. El Silicio reacciona con la preforma creando puentes entre cristales de SiC DENSIFICACIÓN: El exceso de Silicio restante llena el espacio de porosidad residual CARACTERÍSTICAS DEL PRODUCTO: Completamente denso Integridad estructural hasta 1370 C Preforma con cambio dimensional <1% =>tolerancias ajustadas 42

43 CARBURO DE SILICIO- TENSIÓN vs. T Fabricación : Sinterizado enlazado por reacción, fase líquida Sinterizado estado sólido Observación: el enlazado por reacción se utiliza por su facilidad, no por dar un producto con características mecánicas superiores 43

44 CARBURO DE SILICIO - FATIGA Comportamiento a la rotura en aire a 1200 C, para diferentes métodos de fabricación 44

45 CARBURO DE SILICIO 45

46 CARBURO DE SILICIO 46

47 CARBURO DE SILICIO 47

48 NITRURO DE SILICIO Se presenta en dos formas cristalinas hexagonales la fase β (para alta temp. ) y α 48

49 NITRURO DE SILICIO PROPIEDADES: Alta resistencia mecánica a temperatura ambiente y elevada Resistencia al desgaste y oxidación a temperaturas elevadas Excelente resistencia a la abrasión Alta resistencia al choque térmico 49

50 NITRURO DE SILICIO Modo de densificación del material Propiedad Enlazado por reacción Sinterizado Prensado en caliente prensado isostático Densidad, kg/m Modulo de elasticidad, GPa Dureza, kg/mm Resistencia a la torsión, MPa a temperatura ambiente ºC ºC ºC Resistencia a la fractura MPa m Coeficiente de expansión térmica, x10-6 /ºC Coeficiente de conductividad térmica,w/(mk) a 25ºC

51 NITRURO DE SILICIO PRODUCCIÓN DEL POLVO: a) Nitración de Silicio => el silicio se calienta en atmósfera de nitrógeno con hierro como catalizador Alta temperatura ( C) La pureza depende de la pureza de la materia prima y de la cantidad de catalizador utilizada b) Reacción de tetracloruro de Silicio con NH3 líquido Baja temperatura ( C) Elevada pureza OBSERVACIÓN: las impurezas metálicas y álcalis son negativas por su bajo punto de fusión. Los polvos puros posen impurezas < 100 ppm 51

52 NITRURO DE SILICIO PRODUCCIÓN DE POLVOS: El Si3N4 es un compuesto covalente con bajo coeficiente de difusión => deben utilizarse aditivos para la sinterizarían para alcanzar la densificación completa Se usan óxido como Al 2 O 3, Y 2 O 3, Zr 2 O 2, Mg O DESVENTAJA: LIMITAN LA RESISTENCIA A ALTA TEMPERATURA => SE AJUSTA LA PROPORCIÓN Los cristales de α Si 3 N 4 son aprox el 90% del material en polvo, se disuelven en la fase líquida formada por la reacción de los aditivos y re precipitan como β Si 3 N 4. Luego se muelen los polvos con elementos moledores de Si3N4 o diamante => encarece el proceso El aditivo dependerá de la aplicación del cerámico : Hasta 1000 C se usan magnesia o magnesia / alúmina Hasta 1200 C oxido de itrio-alúmina Hasta 1400 C oxido de itrio solamente 52

53 NITRURO DE SILICIO CONFORMADO DE LA PIEZA: FORMAS SIMPLES: Opción 1: prensado isostático en seco o en frío + densificación. La densificación se realiza por sinterización ( C) (y sobrepresión de atmosfera de nitrógeno) o prensado isostático en caliente (HIP) Opción 2: prensado en caliente. Conformado y densificación en un solo paso. FORMAS COMPLEJAS (desventaja: importantes tiempos de fabricación) Opción 1: inyección Opción 2: slip casting 53

54 NITRURO DE SILICIO 54

55 NITRURO DE SILICIO 55

56 NITRURO DE SILICIO 56

57 NITRURO DE SILICIO 57

58 ZIRCONIA Se presenta en tres formas cristalinas monoclínica,estable hasta 1170ºC y se transforma en tetragonal hasta los 2370ºC y luego en cúbica a partir de los 2680ºC En el enfriamiento de tetragonal a monoclínica el volumen aumenta entre 3 y 5%. 58

59 ZIRCONIA 59

60 ZIRCONIA PROPIEDADES: Excelente dureza y resistencia a baja y media temperatura (la mas alta en cerámicos avanzados) Limitada a temperaturas de hasta C pues disminuye el efecto de endurecimiento y aumenta la abrasión Alta resistencia a la fractura 60

61 ZIRCONIA Propiedad PSZ TZP ZTA Densidad, kg/m Dureza, kg/mm Resistencia a la torsión, MPa a temperatura ambiente Resistencia a la fractura MPa m Modulo de elasticidad, GPa Coeficiente de expansión térmica, x10-6 /ºC Coeficiente de conductividad térmica,w/(mk) a 25ºC Temperatura máxima de servicio, ºC

62 ZIRCONIA FABRICACIÓN DE POLVOS: Fabricación a partir de polvos con aditivos para la sinterización tales como Y 2 O 3, Ca O, Mg O para las PSZ. Se deben distribuir homogéneamente. Para las TZP ( tetragonal policristalina) se aditivan con Itrio o Cerio. La TZP posee excepcionales valores de resistencia a la fractura y alta dureza CONFORMACIÓN DE PIEZAS: Prensado en seco Slip casting Moldeado por inyección DENSIFICACIÓN: Sinterización Prensado en caliente HIP 62

63 ZIRCONIA PARCIALMENTE ESTABILIZADA PRECIPITACIÓN Y ENVEJECIDO DE LA ZIRCONIA El cambio de tetragonal a monoclínica ocurre con aumento de volumen (3-5%) Se puede endurecer por transformación. Las partículas se expanden contra la matriz por lo cual incrementa la tensión de compresión en la superficie de la grieta. Mediante estos aditivos mantienen la forma cúbica y la tetragonal a temp. ambiente 63

64 ZIRCONIA PARCIALMENTE ESTABILIZADA Primero se realiza la sinterización en la zona del diagrama donde se obtiene zirconia cúbica y luego un tratamiento térmico de envejecido en la región bifásica para nuclear precipitados tetragonales en la fase cúbica 64

65 ZIRCONIA PARCIALMENTE ESTABILIZADA En la región de una grieta al propagarse la tensión las partículas tetragonales se transforman en monoclínica estable, el aumento de volumen comprime la región y retarda la propagación de la grieta 65

66 ZIRCONIA 66

67 ZIRCONIA 67

68 CARBURO DE WOLFRAMIO 68

69 CARBURO DE WOLFRAMIO 69

70 CARBURO DE WOLFRAMIO 70

71 CARBURO DE WOLFRAMIO 71