9-Materiales ceramicos

Materiales cermicos

Introduccin a la Ciencia de Materiales

M. Bizarro F. M. Snchez

Materiales cermicos Son compuestos inorgnicos formados por elementos metlicos y no metlicos cuyos enlaces interatmicos pueden ser de carcter totalmente inico predominantemente inico con algn carcter covalente. Iones metlicos Cationes: carga + Iones no metlicos Aniones: carga Los cermicos estn compuestos por al menos dos elementos, por lo tanto su estructura es ms compleja que la de los metales.



Enlace Cermico Enlace:-- Principalmente inico, un poco covalente. -- % de carcter inico aumenta con la diferencia en electronegatividad.

Carcter de enlace inico: grande vs pequeo CaF2: grande SiC: pequeo



Estructuras cristalinas de cermicos

NaCl (Cloruro de sodio) ZnS (blenda de zinc)Introduccin a la Ciencia de Materiales

BaTiO3 Perovskita


Diagramas de fase de cermicosSon similares a los de metales Los sistemas binarios frecuentemente comparten un elemento en comn: el oxgeno

Diagrama MgO-Al2O3



Propiedades mecnicas Son inferiores a las de los metalespe e rom S n

Su principal desventaja es la tendencia a la fractura catastrfica de forma frgil con muy poca absorcin de energa. A T= ambiente las cermicas cristalinas y no cristalinas se rompen antes de la deformacin plstica en respuesta a carga de traccin. La fractura frgil es la formacin y propagacin de fisuras a travs de la seccin de un material en direccin perpendicular a la carga aplicada. El crecimiento de grietas ocurre a travs de los granos y a lo largo de determinados planos cristalogrficos (planos de clivaje) los cuales son de alta densidad atmica.



Propiedades mecnicas La capacidad de una cermica de resistir la fractura cuando una grieta est presente se especifica en trminos de la tenacidad de fractura. La tenacidad de fractura (KIc) en deformaciones planas se define como:

K Ic = Y aDonde: -Y es un parmetro adimensional y es funcin de la geometra de la probeta y de la grieta, es la tensin aplicada y a es la longitud de una grieta superficial o bien la mitad de la longitud de una grieta interna. La propagacin de la grieta no ocurrir en tanto que el miembro de la derecha de la ecuacin sea menor que la tenacidad de fractura en deformaciones planas del material. Kic en cermicos ~ 10 MPa/m2 < metalesIntroduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez

Medicin del mdulo elstico Prueba de flexin en 3-Puntos (flexin pura)--Las pruebas de traccin son difciles para materiales frgiles.Seccin transversal

L/2

F

L/2

drect.

Adapted from Fig. 12.32, Callister 7e.

Rcirc. = punto medio de defleccin

b

Determinacin del mdulo elstico, E:

Fxpend. =

E= F

F

L3

4bd 3Seccin transversal rectangular

=

F

L3

12 R4Seccin transversal circularM. Bizarro F. M. Snchez

Comportamiento lineal-elsticoIntroduccin a la Ciencia de Materiales

Medicin del esfuerzo Prueba de flexin en 3-puntos para medir esfuerzo a T ambienteSeccin transversal

L/2

F

L/2

d b

R

Adapted from Fig. 12.32, Callister 7e.

rectangular circular

= punto medio de defleccin

Punto de tensin mxima

Resistencia a la flexin:

Valores tpicos:

rf =Ff

1.5Ff L bd 2rectangular

=

Ff L R3circular

Material

F

xfs

rf (MPa) E(GPa) Nitruro de Si 250-1000 304 Carburo de Si 100-820 345 xido de Al 275-700 393 vidrio (soda) 69 69

Data from Table 12.5, Callister 7e.



Influencia de la porosidad Algunas de las tcnicas de fabricacin de cermicas usan precursores en forma de polvo. Al compactar el polvo quedan espacios huecos entre las partculas. La porosidad puede eliminarse con tratamientos trmicos, sin embargo siempre queda porosidad remanente. La porosidad deteriora las propiedades mecnicas

La magnitud del mdulo elstico E, disminuye con la fraccin volumtrica de porosidad P:

E = E0 1 1.9 P + 0.9 P 2

(

)

Donde E0 es el mdulo de elasticidad del material no poroso.



Influencia de la porosidadLa porosidad deteriora la resistencia a la flexin 1. Los poros reducen el rea de la seccin transversal a travs de la cual se aplica la carga. 2. Actan como concentradores de esfuerzos (el esfuerzo se amplifica por un factor de 2).

La resistencia a la flexin disminuye exponencialmente con la fraccin volumtrica de porosidad (P):

rf = 0 exp( nP )

0 y n son constantes experimentalesIntroduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez

EjercicioEl mdulo de elasticidad para la espinela (MgAl2O4) que tiene el 5% de porosidad volumtrica es 240 GPa. (a) Calcule el mdulo de elasticidad para el material no poroso (b) Calcule el mdulo de elasticidad para una porosidad del 15%.

E = E0 1 1.9 P + 0.9 P 2E E0 = 1 1.9 P + 0.9 P 2

(

)

(

E = E0 1 1.9 P + 0.9 P 2

(

)

= 264 GPa

)

= 194 GPa

Ejercicio 2Se realiza una prueba de flexin en 3 puntos a una espinela (MgAl2O4) que tiene una seccin 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 flexin si la carga a la fractura es de 350N. El punto de mxima deflexin y ocurre en el centro de la muestra y est descrita por 3 3

FL y = 48 EI

donde

I=

bd 12

donde E es el mdulo de elasticidad e I es el momento de inercia de la seccin transversal. Calcule y a una carga de 310 N. fl=101 MPa y=9.4x10-3 mm

Clasificacion de materiales cermicosVidrios Productos Refractarios Abrasivos Cementos Cermicas de arcilla avanzadasArcilla slice bsico refractaria especial

vidrios vitrocer Productos estructurales -micosde arcilla

-ptica porcelanas -compuestos -porcelanas reforzados -ladrillos -contenedores

-ladrillos Para alta T (hornos)

-lijas -corte -pulido

-compuestos -estructurales

mquinas -rotores -vlvulass -bearings -sensores

Propiedades: -- Tm del vidrio es moderada, pero alta para otros cermicos. -- Poca tenacidad, ductilidad; mdulo grande y resistencia a la cedencia. Aplicaciones: -- alta T, resistencia al desgaste, usos novedosos para neutralidad de carga. Fabricacin -- algunos vidrios se moldean fcilmente Introduccin a la-- otras cermicas no pueden moldearse. M. BizarroCiencia de Materiales F. M. Snchez

Aplicacin: RefractariosSe necesitan materiales para hornos de alta temperatura. Por ejemplo el sistema Silica (SiO2) - Almina (Al2O3) El diagrama de fase muestra:mullita, almina, y cristobalita como refractarios candidatos.2200 T(C) 2000 1800cristobalita +L

3Al2O3-2SiO2 Liquid (L) mullita alumina + L mullite +L mullita + cristobalita

1600 1400 0

alumina + mullita

20

40 60 80 100 Composition (wt% alumina)M. Bizarro F. M. Snchez


Aplicacin: Moldes huecos Moldes huecos (dados):Necesita propiedades de resistencia al desgasteAo dieCourtesy Martin Deakins, GE Superabrasives, Worthington, OH. Used with permission.

die

Ad

fuerza de traccin

superficie del molde:-- partculas de 4 m de diamante policristalino que se sinterizan en un substrato cementado de carburo de tungsteno. -- el diamante policristalino ayuda a controlar la fractura y da dureza uniforme en todas direcciones.Introduccin a la Ciencia de Materiales

Courtesy Martin Deakins, GE Superabrasives, Worthington, OH. Used with permission.


Aplicacin: Sensores Ejemplo: sensor de oxgeno ZrO2 Principio: produce difusin de iones parauna respuesta rpida.Ca 2+

Proceso:Se agregan impurezas de Ca al ZrO2:-- aumenta las vacancias de O2-- aumenta la tasa de difusin de O2Una impureza deCa 2+ remueve un ion de Zr 4+ y un ion de O2 sensor Gas con un mayor contenido de oxgeno Gas de referencia con O2contenido de oxgeno difusin fijo

Operacin:-- se produce una diferenciade voltaje cuando los iones de O2- se difunden de la parte externa de la superficie del sensor hacia el gas de referencia.

Diferencia de voltaje producido

+

-



Vidrios Los vidrios son silicatos no cristalinos que contienen otros xidos (CaO, Na2O, K2O y Al2O3). No solidifican igual que los materiales cristalinos. Al enfriar, el vidrio se hace cada vez ms viscoso de forma continua. La temperatura a la cual ocurre un cambio en la pendiente (volumen especfico vs. T) se denomina temperatura de transicin vtrea Tg. -Prensado Mtodos de fabricacin de vidrios -Soplado -Estirado -Formacin de fibras

Cuarzo (SiO2 cristalino)

Vidrio (amorfo)

+ Na Si4+ 2O



Mtodos de fabricacin de vidrios Prensado:Masa de vidrio Molde de la preforma operacin de prensado

Para fabricacin de piezas con paredes gruesas como placas o platos. Se aplica presin en un molde de fundicin recubierto con grafito.

Soplado:Preforma suspendida Molde acabado

aire comprimido

Produccin de jarros, botellas y bombillas de luz. Preforma temporal por prensado mecnico en un molde. La pieza se coloca en el molde final y es forzado a adquirir la forma del molde por la presin de aire inyectado.M. Bizarro F. M. Snchez


Mtodos de fabricacin de vidrios Estirado:Rodillo de Rodillo de conformado Lmina de vidrio cambio direc. Apantallamiento trmico enfriado por agua Para lminas, barras, tubos y fibras con seccin constante. Quemador

Vidrio fundido

Fiber drawing:El vidrio fundido est en una cmara caliente. Las fibras se forman haciendo pasar el vidrio a travs de pequeos orificios en la base de la cmara.

wind upIntroduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez

Tratamientos trmicos del vidrio Recocido:--remueve los esfuerzos internos causados por enfriamientos disparejos.

Templado:--introduce tensiones residuales superficiales de compresin para aumentar la resistencia. --suprime el crecimiento de grietas en la superficie.before cooling surface cooling further cooledcompression tension compression

hot

cooler hot cooler

--Resultado: suprime el crecimiento de grietas en la superficie.



Productos de arcillaLas arcillas son aluminosilicatos, formados por almina (Al2O3) y slice (SiO2), que contienen agua enlazada qumicamente.Ladrillos de construccin Baldosas Tuberas de aguas residuales

Productos estructurales de arcilla

Porcelanas

Porcelana Productos de alfarera Vajillas Porcelana fina Artculos sanitarios

Propiedades -Hidroplasticidad: se hacen muy plsticos cuando se aade agua-Funde en un amplio intervalo de temperaturas

Tcnicas de conformado de arcillas2 tcnicas de conformado: conformacin hidroplstica y moldeo en barbotina.

Molienda y tamizado: tamao de partcula deseado Las partculas se mezclan con agua--Conformacin hidroplstica:Extrusin de una masa espesa a travs del orificio de una matriz que tiene la geometra de la seccin deseada. Ao forcecontainer

die holderextrusion

ram

bille t container

Ad

die

--Moldeo en barbotina:Es la suspensin de arcilla y otros materiales no plsticos en agua.Se vierte El molde en molde absorbe el agua Pieza terminada

Se vierte en molde

Se drena pieza el molde terminada

Componente slidoIntroduccin a la Ciencia de Materiales

Componente huecoM. Bizarro F. M. Snchez

secado y calcinado del componente

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