9 materiales ceramicos

Materiales cerámicos

Introducción a laCiencia de Materiales

M. BizarroF. M. Sánchez

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.



• 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



Estructuras cristalinas de cerámicos

ZnS(blenda de zinc)

NaCl(Clorurode sodio)

BaTiO3Perovskita



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



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



• 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



• 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

FL/2 L/2

δ = punto mediode deflección

Sección transversal

Rb

d

rect. circ.

• Determinación del módulo elástico, E:

Comportamiento lineal-elástico

Fx

δ

Fδ

pend. =

E = F

δ

L3

4bd3= F

δ

L3

12πR4

Seccióntransversalrectangular

Seccióntransversal

circular



• Prueba de flexión en 3-puntos para medir esfuerzo a T ambiente

Medición del esfuerzo

Adapted from Fig. 12.32, Callister 7e.

FL/2 L/2

δ = punto mediode deflección

Sección transversal

Rb

d

rectangular circular

Punto de tensión máxima

• Resistencia a la flexión: • Valores típicos:

Data from Table 12.5, Callister 7e.

Nitruro de SiCarburo de SiÓxido de Alvidrio (soda)

250-1000100-820275-700

69

30434539369

Material σrf (MPa) E(GPa)

xFFf

δfsδ



rectangular

σrf =1.5Ff L

bd2=

Ff L

πR3

circular

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:

( )20 9.09.11 PPEE +−=

Donde E0 es el módulo de elasticidad del material no poroso.



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



σ0 y n son constantes experimentales

EjercicioEl 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%.

( )20 9.09.11 PPEE +−=

( )20 9.09.11 PPEE+−

= = 264 GPa

( )20 9.09.11 PPEE +−= = 194 GPa

Ejercicio 2Se 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.

EIFLy

48

3

=∆12

3bdI =donde

σfl=101 MPa

∆y=9.4x10-3 mm

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 Productosde arcilla

Refractarios Abrasivos Cementos Cerámicasavanzadas

-porcelanas-óptica-compuestos

reforzados-contenedores -ladrillos

-ladrillosPara alta T (hornos)

-lijas-corte-pulido

-compuestos-estructurales

máquinas-rotores-válvulass-bearings-sensores

Clasificacion de materiales cerámicos



vidrios vitrocerá-micos

Productos estructurales de arcilla

porcelanas

Arcilla refractaria

sílicebásico

especial

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

mullitaLiquid

(L)

mullita+ cristobalita

cristobalita+ L

alumina + L

3Al2O3-2SiO2



fuerzade tracción

AoAddie

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 cementadode carburo de tungsteno.

-- el diamante policristalino ayuda a controlarla fractura y da dureza uniforme en todasdirecciones.

Courtesy Martin Deakins, GE Superabrasives, Worthington, OH. Used with permission.

Courtesy Martin Deakins, GE Superabrasives, Worthington, OH. Used with permission.

Aplicación: Moldes huecos



• Ejemplo: sensor de oxígeno ZrO2• Principio: produce difusión de iones parauna 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 dereferencia con contenido de oxígenofijo

O2-difusión

Gas con un mayor contenidode oxígeno

-+Diferencia de voltaje producido

sensor• Operación:

-- se produce una diferenciade voltaje cuando los ionesde O2- se difunden de laparte externa de la superficiedel sensor hacia el gas de referencia.



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



Cuarzo(SiO2 cristalino)

Si4+Na+

O2-

Vidrio(amorfo)


Masa de vidrio

Molde de la preforma

operaciónde prensado

• Soplado:

Preformasuspendida

Moldeacabado

comprimidoaire



• 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.

• Fiber drawing:

wind up




• Estirado:

Para láminas, barras, tubos y fibras con sección constante.

Quemador Vidrio fundido

Lámina de vidrioRodillo de cambio direc.

Rodillo de conformado

Apantallamiento térmicoenfriado 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.

• 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

tensioncompression

compression

before cooling

hot

surface cooling

hotcooler

cooler

--Resultado: suprime el crecimiento de grietas en la superficie.



Productos de arcilla

Productos estructurales de arcilla

Porcelanas

Ladrillos de construcciónBaldosasTuberías de aguas residuales

PorcelanaProductos de alfareríaVajillasPorcelana finaArtículos 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.

• Molienda y tamizado: tamaño de partícula deseado• Las partículas se mezclan con agua

• secado y calcinado del componente

ram billetcontainer

containerforce die holder

die

Ao

Adextrusion

--Conformación hidroplástica:Extrusión de una masa espesa a travésdel orificio de una matriz que tiene la geometría de la sección deseada.

Técnicas de conformado de arcillas

Componente sólido

--Moldeo en barbotina:

Es la suspensiónde arcilla y otrosmateriales no plásticos en agua.

Componente hueco

Se vierteen molde

Se drenael molde

“piezaterminada”

Se vierteen molde

El moldeabsorbe el agua

Piezaterminada



2 técnicas de conformado: conformación hidroplástica y moldeo en barbotina.

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