9 materiales ceramicos
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Materiales cerámicos
Introducción a laCiencia de Materiales
M. BizarroF. M. Sánchez
Materiales cerámicos• Son compuestos inorgánicos formados por
elementos metálicos y no metálicos cuyos enlaces interatómicos pueden ser de carácter totalmente iónico ó predominantemente iónico con algún carácter covalente.
– Iones metálicos Cationes: carga +– Iones no metálicos Aniones: carga -
Los cerámicos están compuestos por al menos dos elementos, por lo tanto su estructura es más compleja que la de los metales.
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• Enlace:-- Principalmente iónico, un poco covalente.-- % de carácter iónico aumenta con la diferencia en
electronegatividad.• Carácter de enlace iónico: grande vs pequeño
Enlace Cerámico
SiC: pequeño
CaF2: grande
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Estructuras cristalinas de cerámicos
ZnS(blenda de zinc)
NaCl(Clorurode sodio)
BaTiO3Perovskita
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Diagramas de fase de cerámicos
Diagrama MgO-Al2O3
°
•Son similares a los de metales
•Los sistemas binarios frecuentemente comparten un elemento en común: el oxígeno
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Propiedades mecánicas
• Son inferiores a las de los metales
• Su principal desventaja es la tendencia a la fractura catastrófica de forma frágil con muy poca absorción de energía.
• A T= ambiente las cerámicas cristalinas y no cristalinas se rompen antes de la deformación plástica en respuesta a carga de tracción.
• La fractura frágil es la formación y propagación de fisuras a través de la sección de un material en dirección perpendicular a la carga aplicada.
• El crecimiento de grietas ocurre a través de los granos y a lo largo de determinados planos cristalográficos (planos de clivaje) los cuales son de alta densidad atómica.
Se rompen
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• La capacidad de una cerámica de resistir la fractura cuando una grieta está presente se especifica en términos de la tenacidad de fractura. La tenacidad de fractura (KIc) en deformaciones planas se define como:
aYKIc πσ=Donde:
-Y es un parámetro adimensional y es función de la geometría de la probeta y de la grieta,
−σ es la tensión aplicada y a es la longitud de una grieta superficial o bien la mitad de la longitud de una grieta interna.
Propiedades mecánicas
La propagación de la grieta no ocurrirá en tanto que el miembro de la derecha de la ecuación sea menor que la tenacidad de fractura en deformaciones planas del material.
Kic en cerámicos ~ 10 MPa/m2 < metales
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• Prueba de flexión en 3-Puntos (flexión pura)--Las pruebas de tracción son difíciles para materiales frágiles.
Adapted from Fig. 12.32, Callister 7e.
Medición del módulo elástico
FL/2 L/2
δ = punto mediode deflección
Sección transversal
Rb
d
rect. circ.
• Determinación del módulo elástico, E:
Comportamiento lineal-elástico
Fx
δ
Fδ
pend. =
E = F
δ
L3
4bd3= F
δ
L3
12πR4
Seccióntransversalrectangular
Seccióntransversal
circular
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• Prueba de flexión en 3-puntos para medir esfuerzo a T ambiente
Medición del esfuerzo
Adapted from Fig. 12.32, Callister 7e.
FL/2 L/2
δ = punto mediode deflección
Sección transversal
Rb
d
rectangular circular
Punto de tensión máxima
• Resistencia a la flexión: • Valores típicos:
Data from Table 12.5, Callister 7e.
Nitruro de SiCarburo de SiÓxido de Alvidrio (soda)
250-1000100-820275-700
69
30434539369
Material σrf (MPa) E(GPa)
xFFf
δfsδ
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rectangular
σrf =1.5Ff L
bd2=
Ff L
πR3
circular
Influencia de la porosidad• Algunas de las técnicas de fabricación de cerámicas usan precursores
en forma de polvo.
• Al compactar el polvo quedan espacios huecos entre las partículas.
• La porosidad puede eliminarse con tratamientos térmicos, sin embargo siempre queda porosidad remanente.
• La porosidad deteriora las propiedades mecánicas
La magnitud del módulo elástico E, disminuye con la fracción volumétrica de porosidad P:
( )20 9.09.11 PPEE +−=
Donde E0 es el módulo de elasticidad del material no poroso.
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La porosidad deteriora la
resistencia a la flexión
1. Los poros reducen el área de la sección transversal a través de la cual se aplica la carga.
2. Actúan como concentradores de esfuerzos (el esfuerzo se amplifica por un factor de 2).
La resistencia a la flexión disminuye exponencialmente con la fracción volumétrica de porosidad (P):
( )nPrf −= exp0σσ
Influencia de la porosidad
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σ0 y n son constantes experimentales
EjercicioEl módulo de elasticidad para la espinela (MgAl2O4) que tiene el 5% de porosidad volumétrica es 240 GPa.
• (a) Calcule el módulo de elasticidad para el material no poroso
• (b) Calcule el módulo de elasticidad para una porosidad del 15%.
( )20 9.09.11 PPEE +−=
( )20 9.09.11 PPEE+−
= = 264 GPa
( )20 9.09.11 PPEE +−= = 194 GPa
Ejercicio 2Se realiza una prueba de flexión en 3 puntos a una espinela(MgAl2O4) que tiene una sección transversal rectangular de altura d=3.8 mm, y ancho b= 9mm; la distancia entre los puntos de apoyo es de 25 mm.
• Calcule la resistencia a la flexión si la carga a la fractura es de 350N.El punto de máxima deflexión ∆y ocurre en el centro de la muestra y está descrita por
donde E es el módulo de elasticidad e I es el momento de inercia de la sección transversal.
• Calcule ∆y a una carga de 310 N.
EIFLy
48
3
=∆12
3bdI =donde
σfl=101 MPa
∆y=9.4x10-3 mm
Propiedades:-- Tm del vidrio es moderada, pero alta para otros cerámicos.-- Poca tenacidad, ductilidad; módulo grande y resistencia a la cedencia.
Aplicaciones:-- alta T, resistencia al desgaste, usos novedosos para neutralidad de
carga.Fabricación
-- algunos vidrios se moldean fácilmente-- otras cerámicas no pueden moldearse.
Vidrios Productosde arcilla
Refractarios Abrasivos Cementos Cerámicasavanzadas
-porcelanas-óptica-compuestos
reforzados-contenedores -ladrillos
-ladrillosPara alta T (hornos)
-lijas-corte-pulido
-compuestos-estructurales
máquinas-rotores-válvulass-bearings-sensores
Clasificacion de materiales cerámicos
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vidrios vitrocerá-micos
Productos estructurales de arcilla
porcelanas
Arcilla refractaria
sílicebásico
especial
Se necesitan materiales para hornos de alta temperatura.• Por ejemplo el sistema Silica (SiO2) - Alúmina (Al2O3) •El diagrama de fase muestra:
mullita, alúmina, y cristobalita como refractarios candidatos.
Aplicación: Refractarios
Composition (wt% alumina)
T(°C)
1400
1600
1800
2000
2200
20 40 60 80 1000
alumina+
mullita
mullite + L
mullitaLiquid
(L)
mullita+ cristobalita
cristobalita+ L
alumina + L
3Al2O3-2SiO2
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fuerzade tracción
AoAddie
die
• Moldes huecos (dados):Necesita propiedades de resistencia al desgaste
• superficie del molde:-- partículas de 4 µm de diamante policristalino
que se sinterizan en un substrato cementadode carburo de tungsteno.
-- el diamante policristalino ayuda a controlarla fractura y da dureza uniforme en todasdirecciones.
Courtesy Martin Deakins, GE Superabrasives, Worthington, OH. Used with permission.
Courtesy Martin Deakins, GE Superabrasives, Worthington, OH. Used with permission.
Aplicación: Moldes huecos
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• Ejemplo: sensor de oxígeno ZrO2• Principio: produce difusión de iones parauna respuesta rápida.
Aplicación: Sensores
Una impureza deCa2+
remueve un ion de Zr4+y un ion de O2-
Ca2+
• Proceso:Se agregan impurezas de Ca al ZrO2:-- aumenta las vacancias de O2-
-- aumenta la tasa de difusión de O2-
Gas dereferencia con contenido de oxígenofijo
O2-difusión
Gas con un mayor contenidode oxígeno
-+Diferencia de voltaje producido
sensor• Operación:
-- se produce una diferenciade voltaje cuando los ionesde O2- se difunden de laparte externa de la superficiedel sensor hacia el gas de referencia.
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Vidrios• Los vidrios son silicatos no cristalinos
que contienen otros óxidos (CaO, Na2O, K2O y Al2O3).
• No solidifican igual que los materiales cristalinos. Al enfriar, el vidrio se hace cada vez más viscoso de forma continua.
• La temperatura a la cual ocurre un cambio en la pendiente (volumen específico vs. T) se denomina temperatura de transición vítrea Tg.
Métodos de fabricación de vidrios
-Prensado
-Soplado
-Estirado
-Formación de fibras
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Cuarzo(SiO2 cristalino)
Si4+Na+
O2-
Vidrio(amorfo)
Métodos de fabricación de vidrios
Masa de vidrio
Molde de la preforma
operaciónde prensado
• Soplado:
Preformasuspendida
Moldeacabado
comprimidoaire
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• Prensado: Para fabricación de piezas con paredes gruesas como placas o platos.
Se aplica presión en un molde de fundición recubierto con grafito.
Producción de jarros, botellas y bombillas de luz.
Preforma temporal por prensado mecánico en un molde. La pieza se coloca en el molde final y es forzado a adquirir la forma del molde por la presión de aire inyectado.
• Fiber drawing:
wind up
Métodos de fabricación de vidrios
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• Estirado:
Para láminas, barras, tubos y fibras con sección constante.
Quemador Vidrio fundido
Lámina de vidrioRodillo de cambio direc.
Rodillo de conformado
Apantallamiento térmicoenfriado por agua
El vidrio fundido está en una cámara caliente. Las fibras se forman haciendo pasar el vidrio a través de pequeños orificios en la base de la cámara.
• Recocido:--remueve los esfuerzos internos causados por enfriamientos disparejos.
• Templado:--introduce tensiones residuales superficiales de compresión para
aumentar la resistencia.--suprime el crecimiento de grietas en la superficie.
Tratamientos térmicos del vidrio
further cooled
tensioncompression
compression
before cooling
hot
surface cooling
hotcooler
cooler
--Resultado: suprime el crecimiento de grietas en la superficie.
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Productos de arcilla
Productos estructurales de arcilla
Porcelanas
Ladrillos de construcciónBaldosasTuberías de aguas residuales
PorcelanaProductos de alfareríaVajillasPorcelana finaArtículos sanitarios
Propiedades -Hidroplasticidad: se hacen muy plásticos cuando se añade agua-Funde en un amplio intervalo de temperaturas
Las arcillas son aluminosilicatos, formados por alúmina (Al2O3) y sílice (SiO2), que contienen agua enlazada químicamente.
• Molienda y tamizado: tamaño de partícula deseado• Las partículas se mezclan con agua
• secado y calcinado del componente
ram billetcontainer
containerforce die holder
die
Ao
Adextrusion
--Conformación hidroplástica:Extrusión de una masa espesa a travésdel orificio de una matriz que tiene la geometría de la sección deseada.
Técnicas de conformado de arcillas
Componente sólido
--Moldeo en barbotina:
Es la suspensiónde arcilla y otrosmateriales no plásticos en agua.
Componente hueco
Se vierteen molde
Se drenael molde
“piezaterminada”
Se vierteen molde
El moldeabsorbe el agua
Piezaterminada
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2 técnicas de conformado: conformación hidroplástica y moldeo en barbotina.