tema iii ceramicos
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UNET Ciencia de Materiales II CERMICAS
CERMICOS y VIDRIOS
Profesor Dr Jos J. Fuentes
E-mail: [email protected]
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UNET Ciencia de Materiales II CERMICAS
Al finalizar este tema el estudiante debe:
1. Definir y clasificar los materiales cermicos;
2. Describir las propiedades mecnicas de los cermicos y los mecanismos
correspondientes de deformacin, endurecimiento y falla;
3. Describir las propiedades trmicas de los cermicos;
4. Nombrar diversos tipos de vidrios y, para cada tipo, sus aplicaciones
tpicas;
5. Cite los requerimientos que deben reunir los cermicos refractarios y los
cermicos abrasivos
Objetivos de aprendizaje
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Los cermicos son materiales cristalinos inorgnicos no metlicos, constituidos por
elementos metlicos y no metlicos enlazados principalmente mediante enlaces
totalmente o predominantemente inicos, teniendo algn carcter covalente.
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Hasta los ltimos 60 aos los materiales ms importantes de esta clase fueron
denominados cermicos tradicionales, es decir, aquellos en que la materia
prima principal es la arcilla. Ejemplos: porcelana china, ladrillos, losetas,
vidrios, cermicos refractarios.
En los ltimos tiempos, avances en la comprensin de estos materiales han
permitido que una nueva generacin de cermicos haya evolucionado. Estos
nuevos materiales tienen un efecto bastante dramtico en nuestra vidas;
electrnica, informtica, comunicaciones, aeroespacial, y una serie de otras
industrias, dependen de su uso.
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Ejemplos de materiales cermicos estructurales de alto rendimiento
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Alta estabilidad qumica Gran resistencia a las condiciones
ambientales
Alta dureza Materiales abrasivos (o resistencia al desgaste)
Altas temperaturas de fusin Materiales refractarios
Buenos aislantes trmicos y elctricos
Fragilidad Propiedad ms desfavorable
Baja tenacidad y ductilidad Pocas aplicaciones estructurales
Propiedades tpicas
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Diagrama de barras de rigidez a temperatura ambiente de materiales de ingeniera
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Diagrama de barras de resistencia mecnica a temperatura ambiente de
materiales de ingeniera
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Diagrama de barras de resistencia a fractura a temperatura ambiente de
materiales de ingeniera
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Diagrama de barras de conductividad elctrica a temperatura ambiente de
materiales de ingeniera
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Abrasivos
Ladrillos refractarios
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Porcelana elctrica
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Cermicos cristalinos: Incluyen silicatos y, compuestos oxdicos
y no oxdicos
Vidrios: Slidos no cristalinos con composiciones comparables a
las de los cermicos cristalinos. Se subdividen en silcicos y no
silcicos
Vitrocermicas: Se conforman inicialmente como vidrios, y
posteriormente cristalizan de un modo controlado
Categoras
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Cermico cristalino Vidrio -no cristalino-
Estructura a escala atmica
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1.Silicatos
Son materiales compuestos principalmente de tomos de Si y O. Dado que
estos son los elementos ms abundantes de la corteza terrestre la mayor
parte de suelos, rocas, arcillas y arenas estn bajo la clasificacin de
silicatos.
Los cermicos tradicionales pertenecen a esta categora. Productos de
arcilla cocida cermicas blancas, p.ej. porcelana china-, vajillas; productos
estructurales arcillosos como el ladrillo, la teja, losetas, retretes, baeras;
productos de ingeniera como aislantes elctricos, esmaltes, abrasivos,
refractarios; productos de construccin como cemento, etc.
Cermicos Cristalinos
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Abundancia
relativa de los
elementos en la
corteza terrestre
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Composiciones de algunas formaciones minerales de silicato
Slice
Cuarzo SiO2
Tridimita SiO2
Cristobalita SiO2 Silicato de almina
Caolinita Al2O3 2SiO2 2H2O
Pirofilita Al2O3 4SiO2 H2O
Metacaolinita Al2O3 2SiO2
Silimanita Al2O3 SiO2
Mullita 3Al2O3 2SiO2
Silicatos de almina e
iones alcalinos
Feldespato de potasio K2O Al2O3 6SiO2
Feldespato de sodio Na2O Al2O3 6SiO2
Mica K2O 3Al2O3 6SiO2 2H2O
Leucita K2O Al2O3 4SiO2
Silicatos de magnesio
Cordierita 2MgO 5SiO 2Al2O3
Esteatita 3MgO 4SiO
Talco 3MgO 4SiO H2O
Crisotilo asbestos- 3MgO 2SiO 2H2O Forsterita 2MgO SiO
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Composicin de algunos cermicos de silicatos
Composicin (% en peso)
Cermico SiO2 Al2O3 K2O MgO CaO Otros
Slice refractaria 96 4
Ladrillo refractario 50-70 45-25 5
Mullita refractaria 28 72 -
Porcelana
elctrica 61 32 6 1
Porcelana 64 5 30 1
Cemento portland 25 9 64 2
Refractarios: Materiales estructurales resistentes a las altas temperaturas
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Cul es la unidad estructural bsica de los silicatos?
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tomo de Si con una
valencia de 4 puede
establecer hasta 4
enlaces covalentes
tomo de O con una
valencia de 6 puede
establecer hasta 2
enlaces covalentes
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Estructura tetradrica de slice, con enlaces covalentes entre tomos de Si y O
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Unidad bsica
estructural (SiO4-4)
En esta estructura cuatro tomos de oxgeno rodean un tomo central de silicio.
Cada tomo de oxgeno tiene un electrn para enlazar con otro tomo. Diversas
estructuras de silicatos surgen de las distintas formas en las que las unidades SiO4-4
pueden combinarse en arreglos de una, dos y tres dimensiones.
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1.1 Nesosilicatos (ortosilicatos). Son las estructuras ms simples que comprenden
tetraedros SiO4-4 individuales. Ejemplos de minerales: granates, olivino, topacio y
circn. Los tetraedros SiO4-4 permanecen unidos entre s por medio de cationes
intersticiales (Na+, Ca2+, Fe2+, Al+3, K+, Mg2+, etc.), cuyos tamaos relativos y cargas
determinan la estructura de los compuestos.
Mineral Olivino
(Mg,Fe)2SiO4. En azul
los cationes Mg2+ y
Fe2+. Fuente: wikipedia
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Olivino: se utiliza en procesos metalrgicos para purificar el acero produciendo escoria.
Normalmente, se usa olivino con alto contenido en Mg (forsterita), que se aade a los
altos hornos. El olivino tambin se ha usado como material refractario: ladrillos
refractarios y arenas para fundicin. Y, como piedras preciosas.
Olivino (Carolina del Norte) Peridoto (variedad de olivino)
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1.2 Sorosilcatos: Se forman cuando dos tetraedros comparten un mismo oxgeno,
con frmula [Si2O7]6. Ejemplos: hemimorfita, epidota, zoisita o tanzanita. Los
tetraedros unidos por un vrtice permanecen unidos con otros por medio de cationes
intersticiales (Na+, Ca2+, Fe2+, Al+3, K+, Mg2+, etc.) cuyos tamaos relativos y cargas
determinan la estructura de los compuestos.
Modelo polidrico.
Fuente: wikipedia
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Hemimorfita: Industrialmente se extrae de
las minas como mena del cinc, siendo de
gran rentabilidad econmica su
explotacin, pues contiene ms de un
54% de cinc.
Frmula qumica: Zn4Si2O7(OH)2.H2O
Hemimorfita
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1.3 Ciclosilicatos: Cada tetraedro est unido a dos o ms tetraedros de SiO4-4 por
sus vrtices, formando un anillo cerrado, simple o doble, el cual puede tener
enlaces inicos con cationes muy diversos (Na+, Ca2+, Fe2+, Al+3, K+, Mg2+, etc.).
Ejemplos: turmalina, cordierita, rubelita, benitota, dioptasa, etc.
Estructura de la
cordierita. tomos de
Mg en verde, tomos
de O en azul y
tomos de Si y Al en
amarillo. Fuente:
wikipedia
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Cordierita: Los convertidores catalticos son
comnmente fabricados con cermicos que
contienen una gran proporcin de cordierita
sinttica. El proceso de fabricacin
deliberadamente alinea los cristales de
cordierita para hacer uso de la muy baja
dilatacin trmica vista en un eje. Esto evita
el choque trmico que tiene lugar cuando el
convertidor cataltico es usado.
Frmula qumica: (Mg,Fe)2Al4Si5O18 Cordierita
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1.4 Inosilicatos: Cada tetraedro tiene dos de sus vrtices unidos covalentemente a
otros tetraedros, constituyendo as largas cadenas de tetraedros unidos por vrtices,
y que pueden ser cadenas simples o dobles. Esta estructura dota a estos minerales
de hbito fibroso. Las cadenas estn unidas entre s por enlaces inicos con iones
metlicos (Na+, Ca2+, Fe2+, Al+3, K+, Mg2+, etc.). Ejemplos: Espodumena,
Hedenbergita. Wollastonita, etc.
Inosilicato
de cadena
simple.
Fuente:
wikipedia
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Wollastonita: Usos, sustituto del asbesto de
fibra corta; fundentes metalrgicos;
refuerzos en polmeros; industria cementera;
industria de papel; aditivo en pinturas;
cermica refractaria, etc
Formula qumica: (Mg,Fe)2Al4Si5O18
Wollastonita
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Inosilicato de cadena doble. Fuente: wikipedia
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1.5 Filosilicatos: Tres vrtices en el mismo plano de un tetraedro se enlazan a los
vrtices de otros tres tetraedros, formando una red plana que se extiende en un plano
de dimensiones indefinidas. Esta estructura dota a estos silicatos de hbito foliado,
hojoso o escamoso. Son blandos y de bajo peso especfico. Tipos: arcillas, mica,
serpentina, y clorita.
Modelo
polidrico de la
lmina de
tetraedros de
silicato.
Fuente:
wikipedia
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Mina de caoln en Bulgaria. El caoln es una arcilla blanca muy pura que
se utiliza en la fabricacin de porcelanas, refractarios, relleno de
plsticos, agroqumicos, construccin y muchos ms. Fuente: wikipedia
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El talco es el mineral ms blando. En la escala de Mohs se le asigna
el valor 1. Se utiliza como aditivo de plsticos, relleno de papel,
pinturas, cosmtica, industria de cermicos, etc. Fuente: wikipedia
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Las micas se caracterizan por su fcil exfoliacin en delgadas lminas flexibles,
elsticas y muy brillantes. Usos: aplicaciones de alta responsabilidad como
aislamiento de mquinas de alta tensin y gran potencia, turbogeneradores,
motores elctricos, condensadores, etc.
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1.6 Tectosilicatos: Se producen cuando todos los vrtices de cada tetraedro
comparten tomos de oxgeno con otros, produciendo una malla de extensin
tridimensional compleja. La sustitucin de Si por Al en algunos tetraedros permite que
en la malla se coloquen cationes (K+, Na+, Ca2+) para compensar las cargas negativas
resultantes. Tipos: cuarzo, tridimita, cristobalita, feldespatos, zeolita y escapolita.
Constituyen aprox. el 64% de los minerales de la corteza terrestre.
Esquema
tridimensional de la
estructura de un
cuarzo (cuarzo-). Fuente: wikipedia
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Slice (silica)
Es el silicato qumicamente ms simple, denominado tambin dixido de silicio
(SiO2). Estructuralmente es una red tridimensional que se genera cuando los
tomos de oxgeno de cada tetraedro son compartidos por tetraedros adyacentes,
as, el material es elctricamente neutro. Si los tetraedros estn dispuestos de una
manera ordenada y regular se forma una estructura cristalina. Existen tres formas
bsicas cristalinas, no reversibles, de la slice: Cuarzo, cristobalita y tridimita.
La slice es el cermico ms ampliamente usado, p. ej., aislantes trmicos,
refractarios abrasivos, en compuestos reforzados con fibra, vidrio de laboratorio,
etc. En la forma de fibras largas continuas se usa para hacer fibra ptica.
Partculas finas de slice se usan en neumticos, pinturas, etc.
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Arena de alta pureza de SiO2
Fuente: wikipedia
Fibras pticas (slice
de alta pureza)
Fuente: wikipedia
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Arreglo de tomos
de O y Si en una
celda unidad de la
cristobalita.
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2. Cermicos de xidos no silicatos
Composicin principal Nombre comn de los productos
Al2O3 Almina, almina refractaria
MgO Magnesia, magnesia refractaria, magnesita refractaria,
periclase refractaria
MgAl2O4 (=MgO.Al2O3) Espinela
BeO xido de berilio
ThO2 xido de torio
UO2 xido de uranio
ZrO2 (estabilizada con
CaO) Circona estabilizada (total o parcialmente)
BaTiO3 Titanato de bario
NiFe2O4 Ferrita de nquel
La tabla contiene algunos de los materiales cermicos ms avanzados. El costo de
la separacin qumica y el procesado de estos materiales supone un fuerte
contraste con la economa de los cermicos de silicato
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Oxido de aluminio (Al2O3)
Se usa para contener metal lquido o en aplicaciones en las que un material debe
operar a altas temperaturas con alta resistencia. Tambin se usa como un
sustrato de constante dielctrica baja para el embalaje electrnico que alberga
los chips de silicio. Una aplicacin clsica es en aisladores de bujas. Algunas
aplicaciones nicas se encuentran en uso dental y mdico. La almina dopada
con cromo se usa para la fabricacin de lseres.
Dixido de titanio (TiO2)
Se usa para fabricar cermicos elctricos como BaTiO3. Pigmento blanco para
hacer pinturas y como blanqueador de la leche. Como agente nucleante de
ciertas vitrocermicas. Finas partculas de TiO2 se usan para hacer cremas
bronceadoras.
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3. Cermicos no xidos
Composicin principal Nombre comn de los productos
SiC Carburo de silicio
Si3N4 Nitruro de silicio
TiC Carburo de titanio
TaC Carburo de tntalo
WC Carburo de wolframio
B4C Carburo de boro
BN Nitruro de boro
C Grafito
El nitruro de silicio junto a la circona parcialmente estabilizada representan el
extremo ms avanzado de la tecnologa de los cermicos. Est previsto que contine
el uso cada vez mayor de los cermicos estructurales, especialmente, en
aplicaciones en automocin
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Carburo de silicio (SiC)
El SiC provee una destacable resistencia a la oxidacin a temperatura por arriba del
punto de fusin del acero. El SiC se usa como recubrimiento de metales, compuestos
carbono-carbono y otros cermicos para proveerles proteccin a temperaturas
extremas. Tambin se usa como abrasivo en ruedas de desbaste. Como refuerzo en
formas de fibra o partculas tanto en compuestos de matriz metlica como
compuestos de matriz cermica. Asimismo, se usa para fabricar elementos de
calefaccin para hornos. Y tiene ms aplicaciones.
Nitruro de silicio (Si3N4)
Tiene propiedades similares al del SiC, aunque su resistencia a la oxidacin y
resistencia a alta temperatura son algo ms bajas. Tanto el Si3N4 como el SiC son
candidatos para componentes de automvil y turbinas de gas, permitiendo operar a
ms altas temperaturas y mejor eficiencia, con menos peso que los metales
tradicionales.
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Es un producto inorgnico de fusin que se ha enfriado hasta una condicin rgida,
sin cristalizacin. Al igual que la slice cristalina, el tetraedro SiO4-4 es la unidad
bsica, pero ms all de esta estructura existe un considerable desorden
Vidrios Materiales No Cristalinos
Esquema bidimensional de la estructura de (a) Slice cristalina, (b) Slice no
cristalina
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Estructura de los vidrios
xidos formadores de red: SiO2, B2O3, GeO2, P2O5 . Son xidos que
pueden conectarse con la red de tetraedros de SiO44- asociados a la
slice vtrea.
xidos modificadores de red: Na2O, K2O, CaO, MgO, BaO, PbO. Son
xidos que rompen la continuidad de la red. Reducen la viscosidad del
vidrio, bajan la temperatura de fusin, permitiendo moldearlos ms
fcilmente.
xidos intermedios: Al2O3, TiO2, ZrO2. Son xidos que ayudan a
estabilizar la red, y permiten obtener propiedades especiales.
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Representacin
esquemtica de la
estructura de un vidrio
de silicato de sodio
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Composicin, propiedades y aplicaciones de algunos vidrios de silicato
Vidrio SiO2 Na2O K2O CaO B2O3 Al2O3 MgO Otros Observaciones
Slice vtrea 100
Expansin; Resistencia al choque trmico; Difcil de
fabricar. Crisoles de alta temperatura, ventanas de horno.
Slice 96 por 100 96,3
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Materiales cermicos sofisticados. Combinan la naturaleza de los
cermicos cristalinos y los vidrios.
Comienzan por obtenerse como un producto de vidrio
capacidad de ser conformados a medida, y a bajo costo.
El producto se somete a T. T. controlado. Cristaliza cerca del 90%
del material vtreo. El vidrio residual rellena el volumen entre los
distintos granos estructura libre de poros.
El producto vitrocermico posee una resistencia al impacto y al
choque trmico muy superior a las de los cermicos
convencionales
Vitrocermicas
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Cocina vitrocermica
Fuente: wikipedia
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Composicin de algunas vitrocermicas
Composicin (% en peso)
Vitrocermica SiO2 Li2O Al2O3 MgO ZnO B2O3 TiO2 P2O5
Sistema Li2O-Al2O3-SiO2 74 4 16 6
Sistema MgO- Al2O3-SiO2 65 19 9 7
Sistema Li2O-MgO-SiO2 73 11 7 6 3
Sistema Li2O-ZnO-SiO2 58 23 16 3
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Fractura frgil
En la Fig. se aprecia la naturaleza frgil de la fractura de los cermicos. En (a) la
resistencia a rotura en un ensayo de traccin es 280MPa. En (b) La resistencia a
rotura en un ensayo de compresin es 2100MPa.
Los cermicos son muy dbiles en traccin, pero relativamente resistentes en
compresin
Propiedades Mecnicas de los Cermicos y Vidrios
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Mdulo de rotura, MOR
Ensayo de flexin permite determinar el mdulo de rotura. El MOR es de la misma
magnitud que la resistencia a traccin, puesto que el modo de fallo en un proceso de
doblado es traccin
22
3
bh
FLMOR
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Mdulo de elasticidad y resistencia (MOR) de diversos cermicos y vidrios
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Modelo de grieta de Griffith (Materiales frgiles)
Material KIC (MPa m1/2)
Circona parcialmente estabilizada 9
Porcelana elctrica 1
Almina (Al2O3) 3-5
Magnesia (MgO) 3
Cemento/hormign, sin reforzar 0,2
Carburo de silicio (SiC) 3
Nitruro de silicio (Si3N4) 4-5
Vidrio sdico (Na2O-SiO2) 0,7-0,8
Valores tpicos de la tenacidad de fractura (KIC) de diversos cermicos y vidrios
Nota: La mayora de los valores de KIC son menores que los de los metales ms frgiles
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Choque Trmico
El choque trmico se define como la fractura (parcial o completa) del material
como resultado de un cambio de temperatura (normalmente un enfriamiento
brusco) El choque trmico es consecuencia de los valores del coeficiente de
dilatacin trmica, , y de la conductividad trmica, , desde dos puntos de vista:
Puede producirse un fallo tensional si se impide la expansin trmica
uniforme.
Los cambios bruscos de temperatura producen temporalmente
gradientes de temperatura en el material, que originan tensiones
residuales internas.
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Choque trmico debido al hecho de impedir la dilatacin trmica del material.
El proceso es equivalente a permitir la expansin libre del material para
seguidamente devolverlo a su dimensin inicial mediante la aplicacin de una
compresin mecnica
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Choque trmico
resultado de los
gradientes de
temperatura debidos
a una conductividad
trmica finita. El
enfriamiento rpido
origina tensiones
superficiales de
traccin.
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UNET Ciencia de Materiales II CERMICAS
Lectura recomendada: Ejemplo 1 de Cermicos avanzados
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UNET Ciencia de Materiales II CERMICAS
Lectura recomendada: Ejemplo 2 de Cermicos avanzados
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Lectura recomendada: Ejemplo 2 de Cermicos avanzados
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UNET Ciencia de Materiales II CERMICAS
Lectura recomendada: Ejemplo 3 de Cermicos avanzados
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1. Smith, W. y Hashemi J. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniera de
Materiales, 4ta Edicin, McGraw-Hill, 2006. Captulo 11.
2. Shackelford, J. Introduccin a la Ciencia de Materiales para Ingenieros, 6ta
Edicin, Pearson Prentice Hall, 2005. captulo 19.
3. Callister, W. Introduccin a la Ciencia e Ingeniera de los Materiales, 5ta
Edicin, Editorial Revert, 1995. Captulo 18.
Bibliografa