1. 1. Materiales cermicos Introduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez
2. 2. 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. Introduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez
3. 3. Enlace: -- Principalmente inico, un poco covalente. -- % de carcter inico aumenta con la diferencia en electronegatividad. Carcter de enlace inico: grande vs pequeo Enlace Cermico SiC: pequeo CaF2: grande Introduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez
4. 4. Estructuras cristalinas de cermicos ZnS (blenda de zinc) NaCl (Cloruro de sodio) BaTiO3 Perovskita Introduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez
5. 5. Diagramas de fase de cermicos Diagrama MgO-Al2O3 Son similares a los de metales Los sistemas binarios frecuentemente comparten un elemento en comn: el oxgeno Introduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez
6. 6. Propiedades mecnicas Son inferiores a las de los metales 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. Se rompen Introduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez
7. 7. 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: aYKIc = Donde: -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. Propiedades mecnicas 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 < metales Introduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez
8. 8. Prueba de flexin en 3-Puntos (flexin pura) --Las pruebas de traccin son difciles para materiales frgiles. Adapted from Fig. 12.32, Callister 7e. Medicin del mdulo elstico F L/2 L/2 = punto medio de defleccin Seccin transversal R b d rect. circ. Determinacin del mdulo elstico, E: Comportamiento lineal-elstico F x F pend. = E = F L3 4bd3 = F L3 12R4 Seccin transversal rectangular Seccin transversal circular Introduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez
9. 9. Prueba de flexin en 3-puntos para medir esfuerzo a T ambiente Medicin del esfuerzo Adapted from Fig. 12.32, Callister 7e. F L/2 L/2 = punto medio de defleccin Seccin transversal R b d rectangular circular Punto de tensin mxima Resistencia a la flexin: Valores tpicos: Data from Table 12.5, Callister 7e. Nitruro de Si Carburo de Si xido de Al vidrio (soda) 250-1000 100-820 275-700 69 304 345 393 69 Material rf (MPa) E(GPa) x F Ff fs Introduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez rectangular rf = 1.5Ff L bd2 = Ff L R3 circular
10. 10. 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: ( )2 0 9.09.11 PPEE += Donde E0 es el mdulo de elasticidad del material no poroso. Introduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez
11. 11. La 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): ( )nPrf = exp0 Influencia de la porosidad Introduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez 0 y n son constantes experimentales
12. 12. Ejercicio El 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%. ( )2 0 9.09.11 PPEE += ( )20 9.09.11 PP E E + = = 264 GPa ( )2 0 9.09.11 PPEE += = 194 GPa
13. 13. Ejercicio 2 Se 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 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. EI FL y 48 3 = 12 3 bd I =donde fl=101 MPa y=9.4x10-3 mm
14. 14. 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 -- otras cermicas no pueden moldearse. Vidrios Productos de arcilla Refractarios Abrasivos Cementos Cermicas avanzadas -porcelanas -ptica -compuestos reforzados -contenedores -ladrillos -ladrillos Para alta T (hornos) -lijas -corte -pulido -compuestos -estructurales mquinas -rotores -vlvulass -bearings -sensores Clasificacion de materiales cermicos Introduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez vidrios vitrocer -micos Productos estructurales de arcilla porcelanas Arcilla refractaria slice bsico especial
15. 15. Se 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. Aplicacin: Refractarios Composition (wt% alumina) T(C) 1400 1600 1800 2000 2200 20 40 60 80 1000 alumina + mullita mullite + L mullita Liquid (L) mullita + cristobalita cristobalita + L alumina + L 3Al2O3-2SiO2 Introduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez
16. 16. fuerza de traccin Ao Addie die Moldes huecos (dados): Necesita propiedades de resistencia al desgaste 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. Courtesy Martin Deakins, GE Superabrasives, Worthington, OH. Used with permission. Courtesy Martin Deakins, GE Superabrasives, Worthington, OH. Used with permission. Aplicacin: Moldes huecos Introduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez
17. 17. Ejemplo: sensor de oxgeno ZrO2 Principio: produce difusin de iones para una respuesta rpida. Aplicacin: 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 difusin de O2- Gas de referencia con contenido de oxgeno fijo O2- difusin Gas con un mayor contenido de oxgeno -+ Diferencia de voltaje producido sensor Operacin: -- se produce una diferencia de voltaje cuando los iones de O2- se difunden de la parte externa de la superficie del sensor hacia el gas de referencia. Introduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez
18. 18. 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. Mtodos de fabricacin de vidrios -Prensado -Soplado -Estirado -Formacin de fibras Introduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez Cuarzo (SiO2 cristalino) Si4+ Na+ O2- Vidrio (amorfo)
19. 19. Mtodos de fabricacin de vidrios Masa de vidrio Molde de la preforma operacin de prensado Soplado: Preforma suspendida Molde acabado comprimido aire Introduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez Prensado: Para fabricacin de piezas con paredes gruesas como placas o platos. Se aplica presin en un molde de fundicin recubierto con grafito. 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.
20. 20. Fiber drawing: wind up Mtodos de fabricacin de vidrios Introduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez Estirado: Para lminas, barras, tubos y fibras con seccin constante. Quemador Vidrio fundido Lmina de vidrio Rodillo de cambio direc. Rodillo de conformado Apantallamiento trmico enfriado por agua 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.
21. 21. 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. Tratamientos trmicos del vidrio further cooled tension compression compression before cooling hot surface cooling hot cooler cooler --Resultado: suprime el crecimiento de grietas en la superficie. Introduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez
22. 22. Productos de arcilla Productos estructurales de arcilla Porcelanas Ladrillos de construccin Baldosas Tuberas de aguas residuales 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 Las arcillas son aluminosilicatos, formados por almina (Al2O3) y slice (SiO2), que contienen agua enlazada qumicamente.
23. 23. Molienda y tamizado: tamao de partcula deseado Las partculas se mezclan con agua secado y calcinado del componente ram bille t container container force die holder die Ao Adextrusion --Conformacin hidroplstica: Extrusin de una masa espesa a travs del orificio de una matriz que tiene la geometra de la seccin deseada. Tcnicas de conformado de arcillas Componente slido --Moldeo en barbotina: Es la suspensin de arcilla y otros materiales no plsticos en agua. Componente hueco Se vierte en molde Se drena el molde pieza terminada Se vierte en molde El molde absorbe el agua Pieza terminada Introduccin a la Ciencia de Materiales M. Bizarro F. M. Snchez 2 tcnicas de conformado: conformacin hidroplstica y moldeo en barbotina.