1. Materiales cermicos Introduccin a la Ciencia de Materiales
M. Bizarro F. M. Snchez
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.
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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.
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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. 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
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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
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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.
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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. 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. 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
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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. 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. 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. 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. 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.
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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. 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.
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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
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Cuarzo (SiO2 cristalino) Si4+ Na+ O2- Vidrio (amorfo)
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. Fiber drawing: wind up Mtodos de fabricacin de vidrios
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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. 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
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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. 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.