2. 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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3. • 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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5. 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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6. 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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7. • 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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8. • 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
F
L/2 L/2
δ = punto medio
de deflección
Sección transversal
R
b
d
rect. circ.
• Determinación del módulo elástico, E:
Comportamiento lineal-elástico
F
x
δ
F
δ
pend. =
E =
F
δ
L3
4bd3
=
F
δ
L3
12πR4
Sección
transversal
rectangular
Sección
transversal
circular
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9. • Prueba de flexión en 3-puntos para medir esfuerzo a T ambiente
Medición del esfuerzo
Adapted from Fig. 12.32,
Callister 7e.
F
L/2 L/2
δ = punto medio
de deflección
Sección transversal
R
b
d
rectangular circular
Punto de tensión máxima
• Resistencia a la flexión: • Valores típicos:
Data from Table 12.5, Callister 7e.
Nitruro de Si
Carburo de Si
Óxido de Al
vidrio (soda)
250-1000
100-820
275-700
69
304
345
393
69
Material σrf (MPa) E(GPa)
x
F
Ff
δfs
δ
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rectangular
σrf =
1.5Ff L
bd2
=
Ff L
πR3
circular
10. 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:
( )2
0 9.09.11 PPEE +−=
Donde E0 es el módulo de elasticidad del material no poroso.
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11. 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
12. Ejercicio
El 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%.
( )2
0 9.09.11 PPEE +−=
( )20
9.09.11 PP
E
E
+−
= = 264 GPa
( )2
0 9.09.11 PPEE +−= = 194 GPa
13. Ejercicio 2
Se 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.
EI
FL
y
48
3
=∆
12
3
bd
I =donde
σfl=101 MPa
∆y=9.4x10-3 mm
14. 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 Productos
de arcilla
Refractarios Abrasivos Cementos Cerámicas
avanzadas
-porcelanas
-óptica
-compuestos
reforzados
-contenedores
-ladrillos
-ladrillos
Para 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
sílice
básico
especial
15. 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
mullita
Liquid
(L)
mullita
+ cristobalita
cristobalita
+ L
alumina + L
3Al2O3-2SiO2
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16. fuerza
de tracción
Ao
Addie
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 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.
Aplicación: Moldes huecos
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17. • Ejemplo: sensor de oxígeno ZrO2
• Principio: produce difusión de iones para
una 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 de
referencia con
contenido de oxígeno
fijo
O2-
difusión
Gas con un
mayor contenido
de oxígeno
-+
Diferencia de voltaje producido
sensor
• Operación:
-- 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.
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18. 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)
19. Métodos de fabricación de vidrios
Masa de vidrio
Molde de
la preforma
operación
de prensado
• Soplado:
Preforma
suspendida
Molde
acabado
comprimido
aire
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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.
20. • 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 vidrio
Rodillo de
cambio direc.
Rodillo de
conformado
Apantallamiento térmico
enfriado 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.
21. • 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
tension
compression
compression
before cooling
hot
surface cooling
hot
cooler
cooler
--Resultado: suprime el crecimiento de grietas en la superficie.
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22. Productos de arcilla
Productos estructurales de arcilla
Porcelanas
Ladrillos de construcción
Baldosas
Tuberías de aguas residuales
Porcelana
Productos de alfarería
Vajillas
Porcelana fina
Artículos 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.
23. • Molienda y tamizado: tamaño de partícula deseado
• Las partículas se mezclan con agua
• secado y calcinado del componente
ram bille
t
container
container
force
die holder
die
Ao
Adextrusion
--Conformación hidroplástica:
Extrusión de una masa espesa a través
del orificio de una matriz que tiene la
geometría de la sección deseada.
Técnicas de conformado de arcillas
Componente sólido
--Moldeo en barbotina:
Es la suspensión
de arcilla y otros
materiales no
plásticos 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
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2 técnicas de conformado: conformación hidroplástica y moldeo en barbotina.
