mecanismos de endurecimiento mediante dispersión de los

MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO MEDIANTE
DISPERSIÓN DE LOS MATERIALES COMPUESTOS.
ÍNDICE:
1.- Generalidades
2.- Materiales compuestos particulados
3.- Métodos de endurecimiento
3.1.- Por dispersión
3.2.- Reforzados con partículas
3.2.1.- Carburos cementados
3.2.2.- Abrasivos
3.2.3.- Contactos eléctricos
3.2.4.- Matriz polimérica
3.2.5.- Compuestos con partículas de metales fundidos
1.- GENERALIDADES:
Los materiales compuestos se producen cuando dos materiales se
unen para dar una combinación de propiedades que no pueden ser obtenidas
en los materiales originales.
Se clasifican en:
- Particulados
- Fibrosos
- Laminares
De las propiedades mecánicas de estos materiales podemos destacar
las siguientes (objeto de estudio de este tema):
- Deformación Elástica: al eliminar la tensión aplicada, el
material vuelve a su longitud inicial.
- Deformación Plástica: al eliminar la tensión aplicada, el
material NO recupera sus dimensiones iniciales.
- Dureza: resistencia de un material a la deformación
permanente de su superficie.
La deformación plástica se debe al deslizamiento de las dislocaciones,
al elevado número de éstas y al elevado número de fibras, partículas…
presentes en los materiales compuestos. Sin embargo la presencia de éstas
últimas entorpecen el movimiento de las dislocaciones, aportando l material
dureza.
2.- MATERIALES COMPUESTOS PARTICULADOS:
Son materiales compuestos formados por partículas de un material
duro y otro frágil dispersas discreta y uniformemente, rodeadas por una
matriz más blanda y dúctil.
Los podemos clasificar en:
- Endurecidos por dispersión: pequeño porcentaje de
partículas, de pequeño tamaño.
- Particulados verdaderos: con partículas de gran tamaño y
elevado porcentaje de las mismas.
3.- MÉTODOS DE ENDURECIMIENTO:
3.1.- MATERALES COMPUESTOS REFORZADOS POR
DISPERSIÓN:
Son un grupo de materiales endurecidos por dispersión. Contienen un
tamaño de partícula de 10-250 nm de diámetro. A estas partículas se las
conoce como dispersoides, bloquean el movimiento de las dislocaciones
produciendo un pronunciado efecto de endurecimiento.
Los dispersoides, por lo general son óxidos metálicos.
Las características principales de estos compuestos son las
siguientes:
- La resistencia mecánica disminuye gradualmente al
aumentar la temperatura (el aumento de temperatura hace
que los átomos vibren rompiendo o deformando el enlace)
- El dispersante debe tener baja solubilidad en la matriz y no
reaccionar químicamente con ella.
Ejemplos y aplicaciones de materiales compuestos endurecidos por
dispersión: tabla 16.1
3.2.- MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON
PARTÍCULAS:
Los materiales compuestos reforzados con partículas contienen
grandes cantidades de partículas gruesas, que NO bloquean el deslizamiento
de las dislocaciones con eficacia. Están diseñados para producir
combinaciones de propiedades poco usuales, y no para mejorar la
resistencia.
Regla de las mezclas: puede predecir con exactitud estas
propiedades. Como por ejemplo:
ρc = f1ρ1 + f2ρ2 + …+ fnρn
Donde ρc ≡ densidad del material compuesto
fn ≡ fracciones volumétricas de cada constituyente
ρn ≡ densidades de cada uno de los constituyentes
3.2.1.- Carburos Cementados: También conocidos como
cermets, contienen partículas cerámicas duras dispersas en una
matriz metálica. Son cerámicos duros, rígidos y de alta temperatura
de fusión, pero son extremadamente frágiles.
Un ejemplo de este tipo de materiales lo encontramos en el
Carburo de Wolframio (WC), figura 16.4
Para mejorar su tenacidad las partículas de WC se combinan
con polvo de Co.
Se utilizan principalmente para la fabricación de herramientas
de corte.
Otros carburos, como el TaC y el TiC, también puede
dosificarse como cements.
3.2.2.- Abrasivos: Los más utilizados son la alúmina (Al2O3),
carburo de Si (SiC) y nitruro de B cúbico (BN). Para conseguir su
tenacidad las partículas abrasivas se cementan usando una matriz
vítrea o polimérica, excepto los abrasivos de diamante que se unen
mediante una matriz metálica.
Se usan para la fabricación de discos de rectificado y corte.
3.2.3.- Contactos electrónicos: Los materiales utilizados en
interruptores deben tener una buena combinación de resistencia al
desgaste y conductividad eléctrica. La Ag reforzada con W
proporciona esta combinación de características. La Ag pura conduce
la corriente con eficacia y el W duro aporta resistencia al desgaste.
Como vemos en la figura 16.5 (producción de Ag-W), primero se
comprime el polvo de W (a) para producir un polvo compacto de baja
densidad (b), a continuación se somete el polvo a un proceso de
sinterización (c), que como ya vimos en el tema anterior, es un
proceso térmico a partir del cual de un producto poroso obtenemos
uno compacto y coherente. Los granos de W se conectaran entre sí
debido a la difusión de partículas a través de las fronteras de grano.
Por último la Ag líquida es infiltrada en los poros entre partículas (d).
3.2.4.- Matriz polimérica: Los materiales con matriz
polimérica mejoran la resistencia mecánica, rigidez, dureza,
resistencia al desgaste, resistencia al calor, resistencia a la
termofluencia y conductividad térmica. Para ello se introducen
rellenos, que pueden ser de los siguientes tipos: Carbonato de Ca,
esferas sólidas de vidrio y diversas arcillas. Con estos tipos de
relleno se requiere una menor cantidad de polímero y se reduce el
coste.
El mayor inconveniente que presentan los rellenos es que
reducen la tenacidad y ductilidad del material. Para mejorar la
tenacidad de los polímeros se pueden introducir partículas de
elastómero.
Un ejemplo típico de este tipo de materiales es el negro de
humo en le caucho vulcanizado, formado con partículas esféricas
diminutas de carbono.
3.2.5.- Compuestos con partículas de metales fundidos: Hay
que destacar las fundiciones de Al con partículas de SiC dispersas,
fig 16.7.
En este caso las partículas de refuerzo se han segregado a
las regiones interdentríticas de la fundición.
Una técnica para producir fundiciones reforzadas se basa en el
comportamiento tixotrópico, es el comportamiento que presentan
ciertas mezclas sólido-líquido, al comportarse como un sólido cuando
no se le aplica ningún esfuerzo y fluir como un líquido cuando se le
somete a presión.
Se logra agitando la aleación durante la solidificación, con el fin
de romper la red dendrítica e introducir simultáneamente en ese
estado semisólido el material de refuerzo.
Estos materiales se utilizan principalmente en el sector del
automóvil.