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MODOS DE FALLA DE MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ CERAMICA

Juan Felipe Meja8102507

Carlos Mario Ramrez71779880

MATERIAMATERIALES COMPUESTOSModulo: Matriz Cermica

PROFESORMaryory Gmez

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIAFACULTAD DE INGENIERIAINGENIERIA DE MATERIALESMEDELLIN

MATERIALES COMPUESTOS

Se definen los materiales compuestos como los formados por dos o ms componentes no miscibles que, manteniendo su identidad bien diferenciada incluso a nivel microscpico, dan lugar a un material macroscpicamente homogneo. Es condicin necesaria que esta asociacin de diferentes componentes confiera al conjunto unas propiedades superiores a las de los componentes por separado llamada esta condicin efecto sinrgico.

Se emplea la denominacin de matriz para designar al elemento ms abundante, y refuerzo para designar al elemento que est en menor proporcin. El objetivo que se persigue con este tipo de materiales es la mejora, fundamentalmente, de las propiedades mecnicas del compuesto (resistencia mecnica, flexibilidad, dureza, etc.) en relacin con las de sus componentes, matriz y refuerzo, combinando su morfologa y su distribucin.

MATERIALES COMPUESTOS CON MATRIZ CERMICA

Las interesantes propiedades de las cermicas (resistencia a altas temperaturas, rigidez mecnica, buena estabilidad qumica) hacen que estos materiales sean muy apreciados en aplicaciones industriales con requerimientos extremos. En este caso, la matriz cermica es muy resistente y rgida, pero frgil y poco tenaz. Para remediar esta falta de tenacidad se recurre a las fibras, para que bloqueen la propagacin de las posibles grietas que pueda contener la matriz, as como implementar su resistencia a altas temperaturas y a los choques trmicos.

Aunque originalmente fueron pensados en aplicaciones aeroespaciales y maquinas trmicas, estos tambin resultan atractivos en la construccin debido a las caractersticas antifuego y en elementos de proteccin trmica que deba estar bajo cargas mecnicas.

La incorporacin del refuerzo no es trivial ya que en la fabricacin del material compuesto siempre hay que tener en cuenta las altas temperaturas necesarias para la fase de sinterizacin de las cermicas, que pueden llegar a degradarla.

Un aspecto importante a tener en cuenta en estos materiales son los diferentes coeficientes de expansin trmica de fibra y matriz.

Si el coeficiente de expansin de la matriz es mayor que el de las fibras, puede tener lugar la rotura de la matriz durante el enfriamiento.

Si el coeficiente de expansin de la matriz es menor que el de las fibras, disminuye la adhesin fibra-matriz debido a que las fibras encogen.

Tipos de fibras

Fibras metlicasA la hora de elegir un metal se debe tener en cuenta la compatibilidad qumica con la matriz cermica y los coeficientes de expansin. La utilizacin de fibras metlicas tiene las siguientes desventajas:

Facilidad de oxidacin

Elevada densidad (comparando con fibra de vidrio y carbono), lo que da lugar a valores bajos de la resistencia y el mdulo especficos.

La principal ventaja de este tipo de refuerzo es que aumenta la resistencia al choque trmico (quebraduras como resultado del rpido cambio de temperatura).

Fibras de carbonoLa utilizacin de fibra carbono mejora la rigidez, resistencia y la energa de fractura del material. Tienen baja densidad y resisten altas temperaturas en atmsfera inerte Sin embargo, se oxidan fcilmente en presencia de oxgeno.

Fibras cermicasLa fibra ms utilizada es la de carburo de Silicio (SiC) Estas fibras tienen mejor resistencia a la oxidacin que los metales y la fibra de carbono.

FALLAS EN MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ CERAMICA

Es conocido que prcticamente todos los materiales sufren degradacin de sus propiedades mecnicas a lo largo del tiempo por la aplicacin de cargas cclicas o simplemente como consecuencia a su exposicin a condiciones ambientales. La mayora de elementos de materiales compuestos son sensibles a la fatiga por cargas cclicas lo que puede conducir al fallo del elemento estructural en cuestin.

El comportamiento a fatiga de cualquier material, no solo depende del nivel mximo de tensin a que est sometido sino tambin del tipo de tensin cclica que recibe. De todos los parmetros que definen la evolucin temporal de la tensin cclica se admite comnmente que los valores de tensin mxima y mnima (max y min) y su cociente (el cual se define como ndice de reversin, R= min/ max) son los valores imprescindibles para su caracterizacin.

La mayora de estudios realizados sobre este tipo de materiales se ha generado por ensayos destructivos, como ensayos mecnicos de flexin, para analizar el dao inducido por el material por el choque trmico. Estos permiten realizar una caracterizacin macroscpica de la degradacin de las propiedades mecnicas del material, sin embargo, no son los mtodos lo suficientemente sensibles para detectar el dao a escala micro de su estado inicial, es decir, la incipiente formacin de microgrietas en la matriz o la interfaz matriz/fibra.

Por otra parte, la observacin de la microestructura usando superficies pulidas no permite un adecuado estudio del dao inducido, debido a que en el caso de microgrietas incipientes, estas pueden desaparecer como consecuencia del procesamiento de pulido ya que son muy finas o de poca profundidad. Adems, debido a sus pequeas dimensiones estas son difcil de detectar usando microscopia ptica y en microscopia electrnica su deteccin es solo posible si el contraste es adecuado.

El desarrollo de un dao microestructural es debido a la formacin de superficies internas nuevas, las cuales presentan como resultado de la degradacin de la interfase. El desarrollo progresivo de microgrietas en la matriz puede esperarse debido al efecto acumulativo de las tensiones trmicas generadas por los choques trmicos.

Los compuestos de matriz cermica-fibra cermica han obtenido una mejor resistencia y tenacidad a la fractura en comparacin con productos cermicos convencionales. Los refuerzos de fibra mejoran de varias maneras la tenacidad de la matriz cermica.

Al producirse una grieta que se mueva a travs de la matriz y encuentra una fibra; si la unin entre la matriz y la fibra no es lo suficiente buena, la grieta se ve obligada a propagarse alrededor de la fibra, a fin de continuar el proceso de fractura. Adems, una mala unin permite que la fibra empiece a separarse de la matriz. Ambos procesos consumen energa, incrementando, por lo tanto, la tenacidad a la fractura.

Una de las principales causas de fallo de los materiales compuestos es una mala adhesin refuerzo carga. Es necesario usar procedimientos o tratamientos de las fibras o de la matriz que aseguren una buena adhesin.

Otro problema es la unin matrizrefuerzo; el diferente coeficiente de dilatacin lineal de matrices y refuerzos, as como los ciclos trmicos inherentes a la fabricacin de las cermicas, que pueden tener como consecuencia algunas deficiencias en la adhesin entre ambos componentes.

ENSAYOS PARA LA IDENTIFICACION DE FALLA

Para identificar los modos de falla de los materiales compuestos de matriz cermica, es necesario realizar diferentes ensayos para su identificacin. Entre los ensayos ms utilizados se encuentran:

Ensayos de choque trmicoConsiste en calentar las muestras a 650 grados durante 20 minutos, y luego sumergirlas bruscamente en un bao de agua fra, originando tensiones de traccin en la superficie y de compresin en el interior.

Despus de cada ensayo las probetas fueron secadas en un horno a 100 grados por 10 minutos, se mide la masa y dimensiones, as como un anlisis superficial para detectar la aparicin de dao macroscpico, como delaminacin, astillado, etc.

Cuando las tensiones de traccin alcanzan un valor crtico se forman microgrietas primero en las zonas perifricas de las probetas y luego se propagan hacia el interior con sucesivos choques trmicos.

Ensayos de indentacin de fibrasEstos ensayos se llevan a cabo para determinar si el dao por choque trmico tambin se manifiesta en forma de cambio de propiedades de la interface fibra/matriz. Se realiza a travs de la indentacin con un microscopio electrnico de barrido, el cual ofrece alta exactitud en el posicionamiento de la punta, permitiendo que el proceso se ejecute sin daos a la fibra. Se determina la tensin de corte de unin de la interface, resistencia al rozamiento de la interface.

El diferente comportamiento de las fibras sometidas a choque trmico genera un campo residual e irregular en el material como consecuencia de choques trmicos. La presencia de tensiones residuales tiene una fuerte influencia en las propiedades.

Bibliografa

Estudio constitutivo de materiales compuestos laminados sometidos a cargas cclicas. Capitulo 2: Fatiga en Materiales Compuestos, comportamiento y mecanismos de degradacin.

Assessment of thermal shock induced damage in silicon carbide fibre reinforced glass matrix composites. A. R. Boccaccini , D. N. Boccaccini , D. H. Pearce , J. Janczak-Rusc. IRC in Materials, The University of Birmingham, Reino Unido. 1998.

Ceramics and ceramic matrix composites for heat exchangers in advanced thermal systems. A. Sommers, Q. Wang, X. Han, C. T'Joen, Y. Park, A. Jacobi. 2010

http://www.ipm.virginia.edu/process/Con/Pubs/thesis21/chapter8.pdf

http://machinedesign.com/article/ceramic-matrix-composites-1115

https://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r61394.PDF