Trabajo Práctico de Estudio y ensayo de materiales. Cerámicos Los

Trabajo Práctico de Estudio y ensayo de materiales.
Cerámicos
Los materiales cerámicos son compuestos químicos o soluciones complejas que
contienen elementos metálicos y no metálicos.
Debido a sus enlaces covalentes o iónicos tienen por lo general un alto punto de
fusión, baja conductibilidad eléctrica y térmica, buena estabilidad química y
térmica y elevada resistencia a la compresión. También podemos señalar que por
lo general son duros y frágiles. Esto puede provocar que el material falle por su
fragilidad, debido a que el tamaño y número de las imperfecciones presentes en la
estructura difieren en cada pieza de cerámica individual y las propiedades
mecánicas solo pueden describirse de manera estadística.
Es por eso que decimos que el comportamiento de los materiales cerámicos es
menos predecible que en los metales y es por esto que su uso en aplicaciones
criticas de alta resistencia es muy limitada.
Los cerámicos se pueden dividir en dos clases generales:
1. Tradicionales: como son la vajillas, tejas, losetas cerámicas, alfarería,
entre otros.
2. Cerámicos industriales: también conocidos como cerámicos de ingeniería,
de alta tecnología o cerámicos finos, como los componentes para turbina,
automóviles, intercambiadores de calor, semiconductores, sellos y
herramientas de corte.
Estructura de los cerámicos:
Estructuras de los cerámicos cristalinos:
La estructura de los cristales cerámicos, que contienen varios átomos de tamaño
diferentes, es de las más complejas de todas las estructuras de los materiales. Los
enlaces entre estos átomos son por lo general covalentes o iónicos. Estos enlaces
son muchos más fuertes que los metálicos. En consecuencia las propiedades
como son la dureza o la resistencia térmica y eléctrica son significativamente más
elevadas en los cerámicos que en los metales.
Los cerámicos están disponibles como un monocristal en forma de policristalina;
es decir, con muchos granos. El tamaño del grano tiene gran influencia en la
resistencia y en las propiedades de los cerámicos. Mientras más fino sea el
tamaño del grano más elevada será la resistencia y la tenacidad.
Los materiales cerámicos tanto cristalinos como no cristalinos son muy frágiles,
particularmente a bajas temperatura. El problema con la fractura frágil de los
materiales cerámicos se intensifican por la presencia de imperfecciones como
pequeñas grietas, porosidad, inclusiones extrañas, fases cristalinas o un tamaño
grande de grano que típicamente se introducen en el proceso de manufactura.
Materias Primas con las que se fabrican los cerámicos.
Los productos cerámicos se fabrican a partir del caolín y la arcilla.
El caolín es un polvo blancuzco e insoluble en agua. Arrastrado por las lluvias se
dispersa en forma fina y se mantiene en suspensión. En la desembocadura de un
río sedimenta, acumulándose acompañado de otros silicatos, óxidos de hierro,
piedras calizas y restos orgánicos. El resultado final son las arcillas, silicatos de
aluminio muy impurificados.
Podemos mencionar entonces que entre los materiales más antiguos como
materia prima en la elaboración de cerámicos esta la arcilla, que tiene una
estructura en forma de hoja de grano fino. El ejemplo más común es el caolín. Es
una arcilla blanca, formada por silicato de aluminio con capas alternas débilmente
enlazadas de iones de silicio y aluminio. Cuando a la caolinita se le agrega agua
esta se fija a las capas (absorción), haciéndola resbaladiza, y le imparte a la arcilla
su suavidad conocida y su propiedades prácticas que la hacen moldeables.
Mezclas secas o semi-secas se comprimen en forma “verdes” (sin hornear) con
suficiente resistencia para poder ser manejada. Para una compactación más
uniforme de las formas complejas, se pueden efectuar un prensado isostático, en
el cual los polvos se colocan en un molde de hule y se someten a alta tensión en
un gas o medio líquido. A mayores contenidos de humedad, los polvos son más
plásticos o conformables. Aun los contenidos de humedad superiores permiten la
formación de una pasta. Está se vacía en un molde poroso y el agua que contiene
y que está en contacto con el molde es atraída hacia el mismo, dejando un sólido
blando con un contenido bajo de humedad. Posteriormente, se deja escurrir el
barro o pasta liquida restante y queda una cascara hueca.
Tipos y características generales de los cerámicos.
TIPOS
Cerámicos a base de óxidos
Alúmina
Zirconio
Características Generales
Elevada dureza, resistencia moderada; cerámica
de uso más frecuente; herramientas de corte,
abrasivos, aislamiento eléctrico y térmico.
Alta resistencia y tenacidad; dilatación térmica
parecida a la del hierro fundido; adecuada para
componentes de motor térmicos.
Carburos
Carburo de tungsteno
La dureza, resistencia y resistencia al desgaste
dependen del contenido de aglutinante de cobalto;
de uso común para troqueles y herramientas de
corte.
Carburo de titanio
No tan tenaz como el carburo de tungsteno; utiliza
como aglutinante el níquel y el molibdeno; usado
en herramientas de corte.
Carburo de silicio
Alta resistencia y resistencia al desgaste a
elevadas temperaturas; usado para motores
térmicos y como abrasivo.
Nitruros
Nitruro de boro cúbico
Segunda substancia más dura conocida, después
del diamante, usado como abrasivo y
herramientas de corte.
Nitruro de titanio
De color oro; usado como recubrimiento por su
baja característica de fricción.
Nitruro de silicio
Elevada resistencia a la termofluencia y al choque
térmico; usado en motores térmicos.
Sialon
Formado por nitruros de silicio y otros óxidos y
carburos; usado en herramientas de corte.
Cermets
Formado por óxidos, carburos y nitruros; usado en
aplicaciones de altas temperaturas.
Sílice
Resistencia a la alta temperatura; el cuarzo exhibe
un efecto piezoeléctrico; los silicatos que contienen varios óxidos se usan en aplicaciones no
estructurales a alta temperatura.
Vidrios
Contienen por lo menos 50 por ciento de silica;
estructuras amorfas; disponibles varios tipos con
una gama de propiedades mecánicas y físicas.
Vitrocerámicos
Tienen un elevado componente cristalino en su
estructura; buena resistencia al choque térmico y
resistentes.
Grafito
Diamante
Forma cristalina del carbono; elevada
conductividad eléctrica y térmica; buena
resistencia al choque térmico.
Substancia más dura conocida; disponible como
un monocristal o en forma policristalina; usado co-
mo herramientas de corte y abrasivos y en dados
para el estirado fino de alambres.
Alúmina: También conocida como corindón o su forma impura usada como
esmeril, la alúmina (óxido de aluminio, A1203) es el cerámico a base de oxido de
uso más amplio, ya sea en su forma pura o como materia prima para mezclarse
con otros óxidos. Tiene una elevada dureza y una resistencia moderada. Aunque
la alúmina existe en la naturaleza, contiene cantidades desconocidas de
impurezas y posee propiedades no uniformes. Como resultado su comportamiento
no es confiable. Hoy en día, el óxido de aluminio, el carburo de silicio y muchas
otros cerámicos se manufacturan casi totalmente de manera sintética de modo
que se puede controlar su calidad.
Fabricado por primera vez en 1893, el óxido de aluminio sintético se obtiene por la
fusión de la bauxita fundida (un mineral de óxido de aluminio que es la fuente
principal de este metal), limaduras de hierro y coque en hornos eléctricos. El
producto enfriado se tritura y después se clasifica por tamaño, haciendo pasar las
partículas a través de mallas estándar. Las piezas hechas de óxido de aluminio se
comprimen en frío y se sinterizan (cerámicos blancos). Sus propiedades se
mejoran mediante adiciones menores de otros cerámicos, como el óxido de titanio
y el carburo de titanio.
Las estructuras que contienen alúmina y otros óxidos se conocen como mulita y
espinel; se usan como materiales refractarios para aplicaciones de alta
temperatura. Las propiedades mecánicas y físicas de la alúmina son
particularmente adecuadas en aplicaciones como aislantes eléctricos y térmicos y
en herramientas de corte y en abrasivos.
Zirconio. La zirconia (óxido de zirconio, Zr02, de color blanco) tiene buena
tenacidad, resistencia al choque térmico, al desgaste y a la corrosión, baja
conductividad térmica y bajo coeficiente de fricción. La zirconia parcialmente
estabilizada (PSZ, por sus siglas en inglés) tiene alta resistencia y tenacidad y
más confiabilidad en su rendimiento que la zirconia. Se obtiene dopando la
zirconia con óxidos de calcio, itrio o magnesio.
Este proceso forma un material con partículas finas de zirconia tetragonal en una
red cúbica. Las aplicaciones típicas incluyen dados para la extrusión en caliente
de los metales y las perlas de circo-nia usadas como medio de esmerilado y de
dispersión para recubrimientos para usos aeroespaciales, anticorrosivos, pinturas
automotrices, y para impresiones finas y brillantes en empaques flexibles para
alimentos.
Otras características importantes del PSZ son su coeficiente de dilatación térmica
(sólo 20% por debajo de la del hierro) y su conductividad térmica (alrededor de un
tercio de los otros cerámicos). En vista de estas propiedades el PSZ es muy
adecuado para componentes de motores térmicos, como por ejemplo camisas de
cilindro y bujes para válvulas, a fin de mantener intacto el ensamble del motor de
hierro fundido. Los nuevos desarrollos para mejorar aún más las propiedades de
PSZ incluye la zirconia endurecida por transformación (TTZ, por sus siglas en
inglés), que tiene una tenacidad más elevada en razón a las fases tenaces
dispersas en la matriz cerámica.
Otros cerámicos.
Otros cerámicos de importancia se pueden clasificar como sigue:
Carburos. Los ejemplos típicos de los carburos son los del tungsteno (WC) y del
titanio (TiC), que se utilizan como herramientas de corte y materiales para dados y
troqueles, y el del silicio (SiC), utilizado como abrasivo (especialmente en piedras
de esmeril).
a) El carburo de tungsteno está formado de partículas de carburo de tungsteno
con cobalto como aglutinante. La cantidad de aglutinante tiene una influencia
importante en las propiedades del material. La tenacidad se incrementa con el
contenido de cobalto, en tanto que la dureza, la resistencia mecánica y la
resistencia al desgaste se reducen.
b) El carburo de titanio utiliza el níquel y el molibdeno como aglutinantes y no es
tan tenaz como el carburo de tungsteno.
c) El carburo de silicio tiene una buena resistencia al desgaste, al choque térmico
y la corrosión. Tiene un coeficiente de fricción bajo, y conserva la resistencia
mecánica a temperaturas elevadas. Es adecuado para componentes de alta
temperatura en motores térmicos y también se utiliza como abrasivo. Producido
por primera vez en 1891, el carburo de silicio sintético se manufactura a partir de
la arena de sílice, el coque y pequeñas cantidades de cloruro de sodio y aserrín.
El proceso es similar al de la fabricación del óxido de aluminio sintético.
Nitruros: Otra clase importante de cerámicas es la de los nitruros, particularmente
el nitruro de boro cúbico (CBN), el nitruro de titanio (TiN) y el nitruro de silicio
(Si3N4).
a) El nitruro de boro cúbico, la segunda sustancia más dura conocida (después
del diamante), tiene aplicaciones especiales, como por ejemplo, en herramientas
de corte y como abrasivo en piedras de esmeril. No existe en la naturaleza; se
fabricó sintéticamente por primera vez en los años 1970, utilizando técnicas
similares a las de la manufactura del diamante sintético.
b) El nitruro de titanio se utiliza ampliamente como recubrimiento para
herramientas de corte. Mejora la vida de la herramienta en virtud de sus
características de fricción baja.
c) El nitruro de silicio tiene una elevada resistencia a la termofluencia a
temperaturas elevadas, una dilatación térmica baja y una conductividad térmica
alta; en consecuencia, es resistente al choque térmico. Es adecuado para
aplicaciones estructurales a alta temperatura, como en componentes de motores
de automóvil, turbinas de gas, rodillos de seguidores de leva, cojinetes, toberas de
chorro de arena y en componentes de la industria del papel.
Sialon: El sialon está formado de nitruro de silicio con varias adiciones de óxido
de aluminio, óxido de itrio y carburo de titanio. La palabra sialon se deriva de
silicio, aluminio, oxígeno y nitrógeno. Tiene una resistencia más elevada y una
resistencia al choque térmico más alta que la del nitruro de silicio; hasta ahora, se
ha venido utilizando principalmente como material para herramientas de corte.
Cermets: Los cermets son combinaciones: una fase cerámica unida con una fase
metálica. Introducido en la década de 1960 y también llamado cerámicas negras o
cerámicas prensadas en caliente, combinan la resistencia a la oxidación a alta
temperatura de las cerámicas con la tenacidad, resistencia al choque térmico y
ductilidad de los metales. Una aplicación de los cermets se encuentra en las
herramientas de corte, con una composición de 70% de óxido de aluminio y 30%
de carburo de titanio.
Otros cermets contienen varios óxidos, carburos y nitruros. Han sido desarrollados
para aplicaciones de alta temperatura, como por ejemplo las toberas para los
motores a reacción y los frenos para aeronaves. Se pueden utilizar en varias
combinaciones de cerámicas y de metales aglutinados mediante técnicas de
metalurgia de los polvos.
Sílice: Abundante en la naturaleza, la sílice es un material polimórfico, esto es,
puede tener diferentes estructuras cristalinas. La estructura cúbica se encuentra
en los tabiques refractarios que se utilizan para aplicaciones de hornos de alta
temperatura. La mayor parte de los vidrios contienen más de 50% de sílice. La
forma más común de la sílice es el cuarzo, que es un cristal hexagonal, duro y
abrasivo. Se utiliza ampliamente en aplicaciones de comunicaciones como un
cristal oscilador de frecuencia fija, dado que exhibe el efecto piezoeléctrico.
Los silicatos son los productos de la reacción de la sílice con los óxidos de
aluminio, magnesio, calcio, potasio, sodio y hierro. Los ejemplos son la arcilla, el
asbesto, la mica y los vidrios de silicatos. El silicato de aluminio y litio tiene una
dilatación térmica y conductividad térmica muy bajas y una resistencia al choque
térmico buena. Sin embargo, tiene una resistencia mecánica muy baja y una vida
a la fatiga muy corta. Por lo que sólo es adecuado para aplicaciones no
estructurales, como convertidores catalíticos, regeneradores y componentes de
intercambiadores de calor.
Cerámicos y compuestos nanofase.
A fin de mejorar la ductilidad y las propiedades de manufactura de los cerámicos,
se ha reducido el tamaño de las partículas en los cerámicos utilizando varias
técnicas como es la condensación de gas. Conocidos como cerámicos nanofase,
estos materiales están formados de agrupamientos atómicos que contienen unos
cuantos miles de átomos. En estos cerámicos es importante el control del tamaño
de las partículas, su distribución y contaminación.
Los cerámicos nanofase exhiben ductilidad a temperaturas significativamente
inferiores a las de los cerámicos convencionales. Son más resistentes y más
fáciles de fabricar y de maquinar, con menos defectos. Se encuentran aplicaciones
en la industria automotriz (válvulas, brazos de balancín, rotores de turbocargador y
camisas de cilindro) y componentes de motores a reacción.
Las partículas nanocristalinas de segunda fase mejoran propiedades como la
resistencia a la tensión y la resistencia a la termofluencia.
PROPIEDADES MECANICAS
Fallas mecánicas en los materiales cerámicos.
Los materiales cerámicos tanto cristalinos como no cristalinos son muy frágiles,
particularmente a temperaturas bajas. El problema con la fractura frágil de los
materiales cerámicos se intensifica por la presencia de imperfecciones como
pequeñas grietas, porosidad, inclusiones extrañas, fases cristalinas o un tamaño
grande, que típicamente se introduce en el proceso de manufactura.
Fractura frágil.
Cualquier grieta o imperfección limita la capacidad de un producto cerámico para
resistir un esfuerzo a tensión. Esto es debido a que una grieta concentra y
amplifica el esfuerzo aplicado (defecto de Griffith).
Cuando se aplica un esfuerzo a tensiónσ; el esfuerzo real en el extremo de la
grieta es:
σ REAL ≅ 2σ a r
Donde a muestra una longitud de grieta superior en la superficie de un material
frágil y r el radio de curvatura de la punta de la misma.
Para grieta muy delgadas (r pequeña) o para grietas largas (a grande) la relación
σREAL/σ se hace grande y el esfuerzo se amplifica. Si el esfuerzo amplificado
excede el límite elástico, la grieta crece y finalmente causa la fractura, aún cuando
el esfuerzo real aplicado sea pequeño.
Un esfuerzo aplicado genera una deformación elástica, relacionada con el módulo
de elasticidad E del material. Cuando se propaga una grieta se libera ésta energía
de deformación, reduciendo la energía general.
Los defectos resultan de máxima importancia cuando actúan esfuerzos de tensión
sobre el material. Los esfuerzos a la compresión tienden a cerrar las grietas en
vez de abrirlas: en consecuencia, a menudo los cerámicos tienen excelente
resistencia a la compresión.
Tratamiento estadístico de la fractura frágil.
Debido a que las propiedades de los materiales cerámicos dependen en forma
crítica del tamaño y geometría de los defectos siempre existentes, hay una
dispersión considerable de los valores de resistencia, determinados a partir de
ensayos de tensión, de flexión o a fatiga. Los componentes cerámicos producidos
a partir de materiales idénticos, con métodos de producción idénticos, fallan a
distintas cargas aplicadas. A fin de diseñar componentes estructurales utilizando
cerámicos, debe tomarse en cuenta la probabilidad de que exista un defecto que
pueda causar ruptura bajo cualquier esfuerzo. La distribución de Werbull y el
módulo de Weibull proporcionan un tratamiento estadístico para diseñar piezas de
materiales cerámicos.
La distribución de Weibull describe la fracción de las muestras que fallan a
distintos esfuerzos aplicados. Una pequeña fracción de éstas contiene defectos lo
suficientemente grandes para causar fractura a esfuerzos bajos; la mayor parte de
las muestras fallan con un esfuerzo intermedio y unas cuantas contiene sólo
defectos pequeños y no fallan hasta que se les aplican grandes esfuerzos.
Cuando el esfuerzo aplicado es alto, existe alta probabilidad de que cualquier
muestra falle. Conforme se reduce el esfuerzo, también se reduce la probabilidad
de que las muestras fallen.
Métodos para mejorar la tenacidad.
Un método tradicional para mejorar la tenacidad consiste en rodear las partículas
frágiles del cerámico con un material matriz más suave y tenaz.
Otra alternativa es crear compuestos de matriz cerámica (CMC) introduciendo
fibras o aglomerados cerámicos en dicha matriz. Cuando una grieta intenta
propagarse en la matriz, encuentra la interfase entre matriz y fibra cerámica; la
interfase ayuda a bloquear la propagación de la grieta.
Ciertos materiales cerámicos se pueden endurecer por transformación. En la
circonia, por ejemplo, se puede absorber la energía de una grieta mediante una
fase metaestable presente en la estructura original. Esta absorción de la energía
de la grieta, por la cual efectivamente se reduce su crecimiento, permitiendo que la
fase metaestable se transforme en una forma más estable y al mismo tiempo
ayuda a cerrar la grieta.
El procesamiento del producto cerámico debe ser también crítico para poder
mejorar la tenacidad. Las técnicas de procesamiento que producen cerámicos con
un grano excepcionalmente fino, de alta pureza y completamente densos, mejoran
la resistencia y la tenacidad.
Deformación de los cerámicos a altas temperaturas.
En los cerámicos las dislocaciones no se mueven a bajas temperaturas y no se
observa deformación plástica significativa. A temperaturas más altas, el flujo
viscoso y el deslizamiento de bordes de grano se convierten en mecanismos
importantes de deformación. El flujo viscoso ocurre en los vidrios y en los
cerámicos que contienen una mezcla de fases vítrea y cristalina: el deslizamiento
de bordes de grano ocurre en cerámicos que principalmente son cristalinos.
Termofluencia en los cerámicos
Los cerámicos cristalinos tienen buena resistencia a la termofluencia, por sus altos
puntos de fusión y su elevada energía de activación para la difusión.
La termofluencia en los cerámicos cristalinos frecuentemente ocurre como
resultado del deslizamiento de los bordes de grano. Conforme los granos se
deslizan uno sobre otro, se pueden iniciar las grietas y finalmente causar la falla.
Varios factores facilitan el deslizamiento de los bordes de grano y, en
consecuencia, reducen la resistencia a la termofluencia:
Tamaño de grano: Los tamaños e grano más pequeños incrementan la tasa de
termofluencia.
Porosidad: Al incrementar la porosidad en el cerámico, se reduce su sección
transversal y aumenta el esfuerzo que actúa sobre el producto cerámico para una
carga dada; los poros también facilitan el deslizamiento de los bordes de grano.
En consecuencia la tasa de termofluencia se incrementa.
Impurezas: Diversas impurezas pueden provocar la formación de fases en los
bordes de grano, permitiendo termofluencia debido al flujo viscoso.
Temperatura: Las altas temperaturas reducen la resistencia de los bordes de
grano, incrementan la velocidad de difusión y promueven la formación de fases
vítreas.
Al calentarse el cerámico, el flujo viscoso de la fase vítrea promueve el
deslizamiento de bordes de grano y reduce la resistencia a la termofluencia y a la
temperatura. Si se permite que una fase cristalina precipite dentro de una fase
vítrea, la viscosidad de la fase vítrea se incrementa mejorando la resistencia a la
termofluencia.
Propiedades físicas
La mayor parte de los cerámicos tienen una gravedad específica relativamente
baja, que va desde aproximadamente 3 hasta 5.8 para los cerámicos a base de
óxidos, en comparación con el del hierro de 7.86. Tienen temperaturas de fusión o
de descomposición muy elevadas.
La conductividad térmica en los cerámicos varía tanto como tres órdenes de
magnitud, dependiendo de su composición, mientras que en los metales sólo varía
en un orden. La conductividad térmica de los cerámicos, al igual que la de otros
materiales, se reduce al incrementarse la temperatura y la porosidad, ya que el aire es un mal conductor térmico.
La conductividad térmica k está relacionada con la porosidad por
k = ka{l - P), (8.3)
Donde A: 0 es la conductividad térmica a porosidad cero y P es la porosidad como
una fracción del volumen total. Por lo que, si la porosidad es de 15%, entonces P
= 0.15.
La dilatación térmica y la conductividad térmica inducen esfuerzos que pueden
conducir al choque térmico o a la fatiga térmica. La tendencia hacia el
agrietamiento térmico (llamado descascarado cuando se desprende una porción o
una capa de la superficie) es menor con una dilatación térmica baja y
conductividad térmica alta. Por ejemplo, la sílice fundida tiene una resistencia al
choque térmico elevada, gracias a que su dilatación térmica es virtualmente cero.
Un ejemplo familiar que ilustra la importancia de la dilatación térmica baja es la de
los cerámicos resistentes al calor para utensilios de cocina y estufas. Pueden
soportar elevados gradientes térmicos, de caliente a frío o viceversa. Además la
dilatación térmica similar de los cerámicos y de los metales es una razón
importante para el uso de componentes cerámicos en los motores térmicos. El
hecho que la conductividad térmica de componentes de zirconia parcialmente
estabilizada es muy cercana a la del hierro fundido en los monoblocks es una
ventaja adicional para el uso del PSZ en los motores térmicos.
Una característica adicional es la anisotropía de la dilatación térmica que
presentan los cerámicos a base de óxidos (como las que muestran los metales
hexagonales compactos), la dilatación térmica varía en diferentes direcciones a
través del cerámico (tanto como un 50% en el cuarzo). Este comportamiento
causa esfuerzos térmicos que pueden llevar al agrietamiento del componente
cerámico.
Las propiedades ópticas de los cerámicos se pueden controlar mediante varias
formulaciones y control de la estructura, estos métodos hacen posible impartir
diferentes grados de transparencia y diferentes colores. El zafiro cristalino
individual, por ejemplo es totalmente transparente, la zirconia es blanca, el óxido
de aluminio policristalino de grano fino es de un gris translúcido. La porosidad
tiene influencia sobre las propiedades ópticas de los cerámicos de la misma
manera que el aire atrapado afecta los cubitos de hielo, hace que el material sea
menos transparente, dándole una apariencia blancuzca.
Aunque básicamente los cerámicos son resistivos, se pueden hacer conductores
eléctricos al alearlos con ciertos elementos, a fin de hacer que el cerámico actúe
como un semiconductor e incluso como un superconductor.
Aplicaciones
Propiedades generales y aplicaciones de los cerámicos:
Los cerámicos tienen numerosas aplicaciones en productos de consumo e
industriales. Se utilizan varios tipos de cerámicos en las industrias eléctrica y
electrónica, debido a que tienen una resistividad eléctrica elevada, una resistencia
dieléctrica alta (voltaje requerido para la ruptura eléctrica por unidad de espesor), y
propiedades magnéticas adecuadas para aplicaciones tales como imanes para
bocinas. Un ejemplo es la porcelana, que es una cerámica blanca compuesta de
caolín, cuarzo y feldespato; su mayor uso se encuentra en aparatos domésticos y
sanitarios.
La capacidad de los cerámicos a conservar su resistencia y rigidez a temperaturas
elevadas los hace atractivos para aplicaciones a temperaturas elevadas. Su
resistencia al desgaste elevada, los hace adecuados para aplicaciones como
camisas de cilindro, bujes, sellos y cojinetes. Las mayores temperaturas de
operación posibles gracias al uso de componentes cerámicos significan una
combustión más eficiente del combustible y una reducción en las emisiones de los
automóviles. Actualmente, los motores de combustión interna poseen una
eficiencia aproximada de 30%, pero con el uso de componentes cerámicos el
rendimiento de operación puede mejorar en por lo menos un 30%.
Una cantidad apreciable de investigación se ha llevado a cabo en el desarrollo de
materiales y técnicas para un motor térmico totalmente de cerámico capaz de
operar a temperaturas hasta de 1000°C (1830°F). El desarrollo de un motor de ese
tipo ha sido, sin embargo, más lento de lo esperado debido a problemas tales
como la ineficiencia, carencia de la tenacidad suficiente, dificultad con los
rodamientos de lubricación y componentes sujetos a altas temperaturas, una
necesidad aún no satisfecha de técnicas de evaluación no destructivas confiables,
y una carencia de capacidad de los cerámicos estructurales (como son el nitruro y
el carburo de silicio) para su producción económica en su forma casi final, en
comparación con la necesidad de procesos de maquinado y de acabado
demandados para la precisión dimensional del motor.
En consecuencia no se espera lograr motores totalmente de cerámico hasta el
próximo siglo. Los cerámicos que se están utilizando con éxito, especialmente en
componentes de motor automotriz de turbina de gas (como los rotores), son de
nitruro de silicio, carburo de silicio o de zirconia parcialmente estabilizada.
Otra aplicación es el recubrimiento de metal con cerámico; se puede hacer con la
finalidad de reducir el desgaste, impedir la corrosión o proporcionar una barrera
térmica. Las tejas del transbordador espacial, por ejemplo, están hechas de fibras
de sílice con una estructura celular abierta formada de 5% de sílice. El resto de la
estructura de la teja es aire, por lo que la teja no solamente es muy ligera, sino
también es una barrera térmica excelente. Las tejas (34000 en cada
transbordador) están unidas a la cubierta de aluminio del transbordador espacial
con varias capas de adhesivos a base de siliconas. La temperatura de la cubierta
del transbordador alcanza 1400°C (2550°F), debido al calor por fricción del
contacto con la atmósfera.
Otras propiedades atractivas de los cerámicos son su baja densidad y su elevado
módulo elástico. Permiten que el peso del motor se reduzca y, en otras
aplicaciones permite que las fuerzas de inercia generadas por las partes en
movimiento sean menores. Los turbocargadores cerámicos, por ejemplo, son
aproximadamente 40% más ligeros que los convencionales. Los componentes de
alta velocidad de las máquinas herramientas también son candidatos para los
cerámicos. Además, el elevado módulo elástico de los cerámicos los hace
atractivos para mejorar la rigidez y al mismo tiempo, reducir el peso de las máquinas.
Biocerámicos: Debido a su resistencia mecánica y biocompatibilidad, se utilizan
los cerámicos como biomateriales (biocerámicos) para reemplazar articulaciones
en el cuerpo humano, como prótesis y en trabajo dental. Además los implantes
cerámicos se pueden hacer porosos; el hueso puede crecer en la estructura porosa (igual que con los implantes de titanio poroso) y desarrollar una fuerte unión,
con una elevada integridad estructural entre las partes. Los biocerámicos de uso
común son el óxido de aluminio, el nitruro de silicio y varios compuestos de sílice.
Ensayos:
1) El Ensayo de Flexión:
Frecuentemente se emplea un ensayo de flexión en el cual una probeta en
forma de barra con sección rectangular o circular es flexionada usando una
técnica de tres o cuatro puntos de aplicación de la carga; el esquema de
aplicación de carga se aplica en la siguiente figura:
En el punto de aplicación de la carga, la superficie superior está sometida a un
estado de compresión, mientras que la superficie inferior está sometida a tracción.
La tensión se calcula a partir del espesor de la probeta, el momento de flexión y el
momento de inercia de la sección.
La tensión máxima o tensión a la fractura en este ensayo de flexión, se denomina
modulo de rotura, o resistencia a la flexión, un parámetro mecánico para la
cerámicas frágiles. En el caso de una sección rectangular, el modulo de rotura σmr
es igual a:
σmr= 3FfL/2bd2
Donde Ff es la carga de fractura, L es la distancia entre puntos de apoyo. Cuando
la sección es circular entonces:
σmr= 3FfL/πR3
Siendo R el radio de la probeta.
2) Prueba de Dureza:
La dureza es la capacidad de una sustancia sólida para resistir deformación o
abrasión de su superficie. Se aplican varias interpretaciones al término en función
de su uso. En mineralogía, la dureza se define como la resistencia al rayado de la
superficie lisa de un mineral. Una superficie blanda se raya con más facilidad que
una dura; de esta forma un mineral duro, como el diamante, rayará uno blando,
como el grafito, mientras que la situación inversa nunca se producirá.
En cerámicos se usa la escala Mohs de Dureza Superficial (ensayo habitual de la
comprobación de la dureza de la superficie del material). Se rige por la norma UNI
EN 101 y el ensayo consiste en la utilización de punzones con distintos tipos de
puntas, graduadas según su dureza, determinando cuales son capaces de dejar
su impronta en el material y cuáles no, siendo las superficies más duras
clasificadas con el grado #10, y en forma decreciente las más blandas, hasta el
grado #1. La escala completa de referencia es la siguiente:
Talco
Yeso
Calcita
Fluorita
Apatita
#1
#2
#3
#4
#5
Ortosa
Cuarzo
Topacio
Corindon
Diamante
#6
#7
#8
#9
#10
3) Resistencia a Agentes Químicos: este ensayo permite cuantificar la
resistencia a la agresión de ácidos y bases, utilizando respectivamente ácido
clorhídrico e hidróxido de potasio para esta prueba. Para la prueba se aplican en
superficie, y al cabo de una semana (normas europeas EN 106/122) se observa el
estado de la probeta. Los resultados a esta prueba se clasifican en:
Grado
GRADO AA
GRADO A
GRADO B
GRADO C
GRADO D
Resultado Observado
No se observa alteración alguna.
Leve variación en el aspecto.
Se nota claramente la acción del
químico.
Pérdida parcial de la superficie.
Pérdida total de la superficie.
4) Resistencia a la abrasión:
Consiste en someter a la pieza cerámica sobre la parte vidriada a una
acción abrasiva compuesta de una mezcla de esferas de acero, arena de
Corindón y agua destilada.
Esta muestra de prueba se hace girar por medio de un aparato denominado
Abrasímetro el cual se le deposita la mezcla arriba mencionada y se hace
girar, los giros deseados son programados de acuerdo al tipo de prueba
requerido. A este tipo de prueba se le conoce también como prueba de
(P.E.I.) y se clasifica de la siguiente forma:
GRUPO
NUMERO DE GIROS
OBSERVACIONES
P.E.I. (0)
100 GIROS
DESGASTE VISIBLE
P.E.I. (I)
150 GIROS
DESGASTE VISIBLE
P.E.I. (II)
600 GIROS
DESGASTE VISIBLE
P.E.I. (III)
750 - 1500 GIROS
DESGASTE VISIBLE
P.E.I. (IV)
2100 - 12,000 GIROS
DESGASTE VISIBLE
P.E.I. (V)
> 12,000 GIROS
DESGASTE VISIBLE
5) Absorción de agua: Muchas características de la cerámica dependen o se
definen a partir de su porosidad.
La absorción de agua es la cantidad de agua que una pieza puede
absorber.
Por lo tanto, podemos definir como concepto general, a mayor porosidad,
mayor absorción de agua.
Los productos fabricados por prensado y cocidos a altas temperaturas son
generalmente de baja absorción.
El fabricante suministra la absorción de sus productos, de no contar con
esa información se puede realizar una prueba práctica en obra, que
consiste en mojar la pieza con agua, quedando ésta depositada en la
superficie y observar su absorción.
6) Ensayos no destructivos:
Ultrasonido:
El aprovechamiento del ultrasonido ha ganado espacio importante entre las
técnicas de Ensayos No-destructivos. Se considera ultrasonido aquellas
oscilaciones de presión que poseen frecuencias por encima de la gama audible
(ésto es, superior a 20 000 Hz).
El equipamiento utilizado para la aplicación de estas técnicas es capaz de
generar, emitir y captar haces de ondas muy bien definidas sujetas a las leyes de
reflexión al encontrar en su trayectoria un cambio en las propiedades físicas del
medio en el cual se propagan. Al ser captadas, son analizadas según el objetivo
del equipamiento y con la determinación del tiempo transcurrido desde su emisión
hasta su recepción, puede conocerse la distancia recorrida, al ser la velocidad
previamente establecida.
El ensayo por ultrasonido es un método no destructivo, en el cual un haz sónico de
alta frecuencia (125 KHz a 20 MHz) es introducido en el material a ser
inspeccionado con el objetivo de detectar discontinuidades internas y superficiales.
El sonido que recorre el material es reflejado por las interfaces y es detectado y
analizado para determinar la presencia y localización de discontinuidades.
Definición y naturaleza de las ondas ultrasónicas
Son ondas mecánicas vibratorias o sea para que sea propague el ultrasonido, se
requiere que las partículas del medio ya sea liquido, aire o sólido oscilan alrededor
de sus posiciones de equilibrio.
Diferencia entre sonido y ultrasonido.
Son de la misma naturaleza, lo que la diferencia es su frecuencia así:
- ondas sónicas: frecuencia entre 16 y 20000 ciclos por segundos.
- ondas ultrasónicas: frecuencias mucho mayores de 20000 ciclos por segundos.
Para materiales metálicos: se opera entre 1 y 5 mhz pero se pueden trabajar con
frecuencias mucho mayores.
Para materiales cerámicos, trabajan con frecuencias menores de 1mhz (¼, ½
mhz).
Tipos de ondas ultrasónicas
Se clasifican en:
Ol. Onda longitudinal: se propaga en tres medios.
OT. Onda transversal: se propaga en sólidos únicamente.
OR. Onda Rayleigh: se propaga en sólidos únicamente.
7)
La inspección por líquidos penetrantes es un tipo de ensayo no
destructivo que se utiliza para detectar e identificar discontinuidades presentes en
la superficie de los materiales examinados. Generalmente se emplea en
aleaciones no ferrosas, aunque también se puede utilizar para la inspección de
materiales ferrosos cuando la inspección por partículas magnéticas es difícil de
aplicar. En algunos casos se puede utilizar en materiales no metálicos. El
procedimiento consiste en aplicar un líquido coloreado o fluorescente a la
superficie en estudio, el cual penetra en cualquier discontinuidad que pudiera
existir debido al fenómeno de capilaridad. Después de un determinado tiempo se
remueve el exceso de líquido y se aplica un revelador, el cual absorbe el líquido
que ha penetrado en las discontinuidades y sobre la capa del revelador se delinea
el contorno de éstas.
Las aplicaciones de esta técnica son amplias, y van dese la inspección de piezas
críticas como son los componentes aeronáuticos hasta los cerámicos como las
vajillas de uso doméstico. Se pueden inspeccionar materiales metálicos,
cerámicos vidriados, plásticos, porcelanas, recubrimientos electroquímicos, entre
otros. Una de las desventajas que presenta este método es que sólo es aplicable
a defectos superficiales y a materiales no porosos.
Principales fuentes.
-
Estudio y ensayo de materiales. Donald Askeland.
Estudio y ensayo de materiales. William Callister.