Estructura y comportamiento mecánico de los cerámicos

Transcripción

1 Estructura y comportamiento mecánico de los cerámicos Los cerámicos son inorgánicos y no metálicos, sin embargo, esta definición engloba a las rocas y muchos minerales que se encuentran en la naturaleza que no son considerados como cerámicos. Las cerámicas tradicionales por lo general son usadas en la construcción (arcilla, cemento, gres, etc) y a usos aplicados en el hogar y la industria (loza, porcelana, etc). Se incluyen dentro de los cerámicos a los óxidos, carburos, nitruros, boruros y compuestos de ellos.

2 Mientras que las cerámicas tradicionales tienen más de 3000 años de antigüedad, la existencia de los materiales cerámicos avanzados es mucho más reciente, sin que en muchos casos supere los 30 años. Los cerámicos avanzados, se refiere a una nueva generación de materiales cerámicos en los que se ha logrado una mejora sustancial en alguna de sus propiedades: ópticas, magnéticas, electrónicas o mecánicas

3 Uno de los usos que más auge está experimentando es el empleo de materiales cerámicos como componentes estructurales. Las cerámicas estructurales son aquellas en las que la mejora de las propiedades se ha centrado en los aspectos mecánicos. Estos usos requieren materiales con alta resistencia en diversas condiciones ambientales, capaces de soportar elevadas temperaturas y resistentes a la corrosión y oxidación.

4 Estructura de los cerámicos Los cerámicos aunque con fórmulas estequiométricas simples, como el de la blenda (ZnS) o el fluoruro cálcico (CaF 2 ), muestran estructuras de largo alcance en las que el elemento de menor tamaño ocupa posiciones intersticiales.

5 Figura 1. Estructura cristalina: a) blenda de zinc, b) fluorita CaF 2

6 Sin embargo, los materiales cerámicos muestran a menudo estructuras complicadas, incluyendo la estructura de la perovsquita, CaTiO 3, en la que los iones Ca 2+ ocupan los vértices de un cubo, los iones O 2- ocupan los centros de las caras de este cubo y el ión Ti 4+ ocupa el centro del mismo.

7 Figura 2. Estructura de perovsquita CaTiO3

8 En la estructura del corindón, Al 2 O 3,, los iones oxígeno están en las posiciones reticulares de la celda unidad, de tipo hexagonal compacta, mientras que el aluminio ocupa los lugares octaédricos. No obstante y debido a la desigual valencia de los dos iones que obliga a mantener la neutralidad eléctrica con dos iones Al 3+ por cada tres O 2-, hace que los iones aluminio puedan ocupar sólo dos tercios de las posiciones octaédricas lo cual lleva a una distorsión de la estructura.

9 Figura 3. Estructura de Al2O3

10 El grafito, forma polimórfica del carbono, considerado generalmente como una cerámica tiene una estructura en capas, en la cual los átomos de carbono en las capas se encuentran unidos por enlaces covalentes fuertes en disposiciones hexagonales.

11 Figura 4. Estructura de grafito

12 Propiedades Mecánicas de los cerámicos El comportamiento de estos materiales a temperatura ambiente es prácticamente elástico y lineal hasta su rotura, presentando una gran rigidez con un módulo de elasticidad alto que llega a duplicar en algunos casos al del acero. Sin embargo, a medida que la temperatura aumenta pueden aparecer deformaciones plásticas considerables, y el módulo de elasticidad presenta una cierta dependencia con la temperatura.

13 La resistencia a tracción observada en materiales cerámicos varía enormemente con rangos que van desde valores muy bajos, menores de 0.69 MPa hasta 7000 MPa para algunas fibras monocristalinas de Al 2 O 3. Los materiales cerámicos muestran igualmente grandes diferencias entre la resistencia a tracción y a compresión, siendo las de compresión alrededor de 5 a 10 veces las de tracción.

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17 Muchos materiales cerámicos son duros y tienen baja resistencia al impacto debido a sus uniones iónicocovalentes, aunque como excepción encontramos el comportamiento de las arcillas como materiales fácilmente deformables debido a fuerzas de enlaces secundarios débiles entre las capas de los átomos unidos por enlaces iónico-covalentes.

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19 En los materiales cerámicos el módulo de elasticidad no depende significativamente de la velocidad de deformación. La relación entre la deformación transversal y longitudinal, dada por el coeficiente de Poisson es baja, sobre todo en los carburos y menor aún en los boruros.

20 Figura 6. Modulo de elasticidad y coeficiente de Poisson para algunas cerámicas.

21 El fallo mecánico de los materiales cerámicos se da principalmente por defectos estructurales. Las causas principales de la fractura en cerámicos policristalinos han de buscarse en las grietas superficiales producidas durante los procesos de conformación y acabado, poros, inclusiones y estructuras de granos grandes formados durante el proceso de cocción, que actúan como concentradores de tensiones fragilizando al material.

22 Cuando la tensión alrededor de un poro alcanza un valor crítico, se forma un inicio de grieta que se propaga rápidamente en los materiales cerámicos al no haber en los mismos procesos o mecanismos que absorban mucha energía como los que se dan en los metales dúctiles durante la deformación, ya que sus estructuras cristalinas no son propicias al deslizamiento ni a la deformación por maclado. De esta manera, una vez iniciada la grieta, ésta continua su crecimiento hasta llegar a la rotura.

23 Los poros también actúan, al igual que las inclusiones, mermando la resistencia del material al disminuir la sección útil del mismo y por tanto disminuye la tensión que es capaz de soportar éste. Así, el tamaño y la fracción en volumen de los poros en las cerámicas son factores importantes que afectan grandemente a su resistencia.

24 Figura 7. Efecto de la porosidad son la resistencia transversal en la alumina pura

25 En los materiales cerámicos totalmente densos, el tamaño de las grietas está normalmente relacionado con el tamaño del grano. Para cerámicas sin poros la resistencia es función del tamaño del grano, siendo las cerámicas de tamaño de grano más fino las que tienen grietas de tamaño más pequeño en los límites de grano. Por consiguiente, su resistencia será mayor que las que presentan un mayor tamaño de grano

26 Figura 8. Efecto del tamaño de grano de alúmina

27 La resistencia de un material cerámico policristalino está, en consecuencia, determinada por muchos factores, que incluyen la composición química, la microestructura y las condiciones superficiales como factores principales. La temperatura y el entorno también son importantes, así como el tipo de esfuerzos de solicitación y cómo se aplican.

28 Es por todo ello que el comportamiento de los materiales cerámicos no es igual para todas las muestras de ensayo, aunque éstas sean idénticas, lo que supone un serio problema a la hora de diseñar con estos materiales cuando tienen que soportar cargas. Puesto que no podemos asumir como resistencia el mínimo obtenido en los ensayos, pues ello representaría un derroche o mal aprovechamiento del material, debe utilizarse aproximaciones estadísticas.

29 Entonces decimos, por ejemplo, que un componente, con un tamaño y forma determinado, puede realizarse con un material que tenga una resistencia mayor que un valor dado con una probabilidad del 99%. Esto nos obliga a considerar en el diseño una pequeña probabilidad de rotura. Esta aproximación requiere tener que extrapolar resultados de probabilidad de supervivencia y necesitamos por ello un modelo matemático o una ecuación que describa la dispersión de resultados obtenidos en los ensayos realizados.

30 Por lo tanto es necesario considerar y definir la desviación estándar, S, o desviación cuadrática media, como: Donde n es el número total de medidas y σ i es el valor i obtenido de la resistencia, considerando 1 < i < n. Para las cerámicas, la desviación estándar es alrededor del 5-15% del valor medio.

31 Un modelo utilizado ampliamente para describir la dispersión en las propiedades de las cerámicas es la distribución de Weilbull. Primero se coloca los datos en orden decreciente asignándole j = 1 para el mayor valor y así sucesivamente, de manera que se define la probabilidad de supervivencia S j como: donde de nuevo n es el número total de valores, por lo que a cada valor de resistencia, s j, se le asigna un valor de pervivencia S j.

32 La representación del ln (1/S j ) en función ln sj, nos proporciona una recta, cuya pendiente, m, indica la dispersión de las medidas de resistencia y se denomina módulo de Weilbull.

33 Entonces, si m es grande la dispersión es pequeña y cuando m es pequeño, la dispersión es grande. De esta forma puede definirse la relación entre S j y σ j según la ecuación: donde σ0 es el valor de σ para que σ = 1/e ( ~ 37%). La asunción del modelo de Weilbull es necesaria ya que los materiales cerámicos presentan numerosos defectos internos que obligan a asumir una posibilidad de fallo.

34 En los cerámicos existe una dispersión considerable de defectos, es decir existen muchos defectos de tamaño diferente. Estos defectos son generados durante la etapa de fabricación del material. Por esta razón, la resistencia a la fractura de estos materiales tiene valores dispersos. Esto significa que piezas fabricadas con el mismo material cerámico puede fallar a valores diferentes de fuerzas aplicadas.

35 A manera de ejemplo, se tomaron 100 ladrillos de barro cocido y se sometieron a una prueba para determinar la fuerza que los fractura. Los resultados se muestran en el histograma siguiente:

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41 L= 70 mm

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