Caracterización mecánica de materiales cerámicos avanzados

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  • UNIVERSIDAD POLITCNICA DE MADRID

    ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS

    AERONUTICOS

    CARACTERIZACIN MECNICA DE MATERIALES

    CERMICOS AVANZADOS A ALTAS VELOCIDADES DE

    DEFORMACIN

    TESIS DOCTORAL

    FRANCISCO GLVEZ DAZ-RUBIO

    INGENIERO AERONUTICO

    1999

  • DEPARTAMENTO DE MOTOPROPULSIN Y FLUIDODINMICA

    ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS

    AERONUTICOS

    CARACTERIZACIN MECNICA DE MATERIALES

    CERMICOS AVANZADOS A ALTAS VELOCIDADES DE

    DEFORMACIN

    POR

    FRANCISCO GLVEZ DAZ-RUBIO

    INGENIERO AERONUTICO

    DIRECTORES DE TESIS

    VICENTE SNCHEZ GLVEZ

    DOCTOR INGENIERO DE CAMINOS CANALES Y PUERTOS

    Y

    JESS RODRGUEZ PREZ

    DOCTOR EN CIENCIAS FSICAS

    1999

  • TRIBUNAL ENCARGADO DE JUZGAR LA TESIS DOCTORAL

    Presidente:

    Vocales:

    Vocal Secretario:

    CALIFICACIN:

  • A mis Padres

  • Agradecimientos

    Deseo expresar mi agradecimiento a mis directores de tesis, D. Vicente

    Snchez Glvez y D. Jess Rodrguez Prez por su tiempo y dedicacin

    durante todo el desarrollo de la tesis.

    A todos y cada uno de los miembros del Departamento de Ciencia de

    Materiales de la Universidad Politcnica de Madrid, por su colaboracin en

    todo momento. En especial a Antonio Pintor por su ayuda, a Oscar de Benito

    por su apoyo en las simulaciones numricas, a Sidney Chocrn y Javier

    Gmez por su cooperacin. A Pedro Poza, Ygnacio Pastor y Luis Caballero

    por la preparacin de las muestras y la microscopa. A Iaki Arbilla y Jess

    Ruz. A Andrs Valiente y Jaime Planas por sus ideas en el diseo del

    dispositivo experimental. A los miembros del taller mecnico, Pascual Cols

    y Toms Belea por su estimable ayuda en la fabricacin, a Fernando

    Navarrete por su colaboracin. A Jose Miguel Martnez por sus ideas en el

    diseo electrnico y en la fotografa. A Rosa Mara Morera y Ana Flores. Y al

    Profesor Manuel Elices.

    A Charlie Anderson, del SouthWest Research Institute de San Antonio por

    su hospitalidad durante mi estancia en Texas.

    A la Fundacin Agustn de Bethencourt por su beca de Investigacin

    durante el primer ao.

    Al Ministerio de Educacin y Ciencia por su beca de Formacin de Personal

    Investigador que ha hecho posible la realizacin de este trabajo.

    Y en especial a Marimar.

  • Resumen.

    Debido a la dificultad para determinar la resistencia a traccin de

    materiales frgiles mediante la realizacin de ensayos de traccin uniaxial,

    no existe en la actualidad una tcnica definida. En esta Tesis se aporta una

    nueva tcnica experimental, los ensayos de traccin dinmica por spalling

    en barras cilndricas alargadas. Se ha llevado a cabo un programa de

    ensayos con probetas instrumentadas y fotografa de alta velocidad. Esta

    tcnica se ha estudiado a fondo y se ha aplicado a diversos materiales

    cermicos avanzados como son alminas de distintos grados de pureza,

    almina reforzada con zirconia, carburo de silicio y carburo de boro. Para

    determinar la resistencia a traccin en condiciones de carga no uniaxial, se

    suele recurrir a mtodos indirectos como los ensayos de compresin

    diametral de cilindros (ensayos brasileos). En esta Tesis se aporta un

    amplio programa experimental con los materiales cermicos mencionados.

    La experimentacin se ha realizado a bajas velocidades de deformacin

    mediante mquinas servohidrulicas convencionales y a altas velocidades de

    deformacin mediante una barra Hopkinson. Finalmente se presenta una

    comparacin de los valores de resistencia a traccin obtenidos con los

    distintos tipos de ensayos, mostrando la influencia de la velocidad de

    deformacin en los valores de la resistencia a traccin.

  • Abstract.

    Due to the difficulty to determine the tensile strength of brittle materials

    using uniaxial tensile tests, no well-defined technique exists. In this Thesis

    a new experimental approach is defined, the dynamic uniaxial tests by

    spalling in long rods. A test programme with instrumented specimens and

    high-speed photography has been carried out. This technique has been well

    studied, and it has been applied to several materials such as alumina of

    different purity grades, a composite of alumina and zirconia, silicon carbide

    and boron carbide. To measure the tensile strength under not uniaxial

    conditions is usual to utilise indirect methods like the splitting tests

    (brazilian tests). In this Thesis an experimental work on the ceramic

    materials mentioned before has been carried out. The tests have been

    performed both at low strain rates in conventional servo-hydraulic machines

    and at high strain rates with a Hopkinson bar. In this investigation a

    comparison of the results of tensile strength using the different kind of tests

    is presented, showing the influence of the strain rate on the values.

  • CONTENIDO

    1 INTRODUCCIN Y OBJETIVOS..................................................................... 1

    1.1 Introduccin. ............................................................................................. 3

    1.2 Objetivos ................................................................................................... 6

    1.3 Contenido de la Tesis................................................................................ 7

    2 MATERIALES CERMICOS AVANZADOS ...................................................... 9

    2.1 Estructura y comportamiento mecnico de los materiales cermicos

    avanzados................................................................................................ 11

    2.1.1 Introduccin ................................................................................................................ 11

    2.1.2 Estructura de los materiales cermicos avanzados.................................................. 12

    2.1.3 Propiedades mecnicas............................................................................................... 14

    2.1.4 Aplicaciones................................................................................................................. 18

    2.2 Comportamiento balstico de los materiales cermicos avanzados...... 20

    2.2.1 Impacto balstico. ........................................................................................................ 20

    2.2.2 Modelos de comportamiento balstico de los materiales cermicos ......................... 26

    2.3 Aspectos microestructurales de la rotura dinmica de materiales

    cermicos................................................................................................ .35

    2.4 Tcnicas de caracterizacin dinmica de materiales. ........................... 39

    2.4.1 Tcnicas de ensayo de materiales cermicos a velocidades de deformacin........... 41

    2.4.2 Tcnicas de ensayo a velocidades de deformacin altas. .......................................... 47

  • 2.4.3 Tcnicas de ensayo a velocidades de deformacin muy altas...................................50

    2.5 Tcnicas de simulacin numrica...........................................................53

    3 METODOLOGA DE ENSAYOS ....................................................................57

    3.1 Introduccin. ...........................................................................................59

    3.2 Ondas elsticas unidimensionales en slidos. .......................................61

    3.3 La barra Hopkinson ...............................................................................70

    3.4 Ensayos de compresin ...........................................................................77

    3.4.1 Ensayos estticos de compresin. ..............................................................................77

    3.4.2 Ensayos dinmicos de compresin. ............................................................................78

    3.5 Ensayos de traccin indirecta por compresin diametral. ....................81

    3.5.1 Ensayos estticos de traccin indirecta por compresin diametral. ........................84

    3.5.2 Ensayos dinmicos de traccin indirecta por compresin diametral.....................100

    3.6 Ensayos de traccin directa por "spalling".............................................92

    3.6.1 Principios del ensayo...................................................................................................92

    3.6.2 Dispositivo experimental. ...........................................................................................95

    3.6.3 Anlisis del proceso...................................................................................................100

    3.6.4 Procedimiento de clculo de la resistencia a traccin.............................................116

    3.7 Excitacin por impulsos. .......................................................................121

    3.8 Fotografa de alta velocidad..................................................................123

    3.8.1 Sistema de adquisicin de imgenes........................................................................124

    3.8.2 Sistema de iluminacin.............................................................................................126

  • 4 RESULTADOS EXPERIMENTALES ............................................................ 131

    4.1 Materiales ............................................................................................. 133

    4.2 Ensayos de traccin indirecta por comp