8/16/2019 Imperfecciones en Las Estructuras Ceramicas

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IMPERFECCIONES EN LAS ESTRUCTURAS CERAMICAS

Defectos atómicos puntuales.

En los compuestos cerámicos pueden existir defectos atómicos que

involucran a los átomos disolventes. Tal como ocurre en los metales,

pueden existir tanto vacantes iónicas como iones intersticiales; sin

embargo, puesto que los materiales cerámicos contiene iones de dos

tipos, pueden existir defectos con cada tipo de iones. Por ejemplo, en

el Nal pueden existir átomos intersticiales ! vacantes de Na !

átomos intersticiales ! vacantes de l.

"n tipo de defecto está formado por una vacante catódica ! un catión

intersticial, esto se denomina un defecto de Frenkel.

Impue!as en ce"micas.

Puesto que #a! tanto cationes como aniones, una impure$a sustituirá

al átomo disolvente que sea más similar en comportamiento el%ctrico;

si el átomo de impure$a forma normalmente un catión en un material

cerámico, lo más probable es que sustitu!a al catión disolvente. Por

ejemplo, en el cloruro sódico, las impure$as iónicas a&' ! (&)

sustituirán probablemente a los iones Na' ! l), respectivamente.

Para que en el estado sólido #a!a una solubilidad apreciable de los

átomos de impure$as sustitucionales, los tama*os iónicos u la carga

deben ser casi iguales a los de los iones disolventes.

+i una impure$a iónica tiene una carga distinta de la del ion

disolvente al cual sustitu!e, el cristal debe compensar esta diferencia

de carga de manera que la electroneutralidad del sólido se mantenga.

"na manera de conseguirlo es mediante la formación de defectos

puntuales de la red vacantes iónicas o iones intersticiales de ambostipos.

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Dislocaciones.

En algunos materiales cerámicos, inclu!endo el -i, el /a0ro 12l&(34,

! el 5g( se observan dislocaciones. +in embargo, %stas no se

mueven con facilidad por los siguientes factores que in6u!en

• 7ebido a un vector de 8urgers grande, a la presencia de

relativamente pocos sistemas de desli$amiento, ! a la necesidad de

romper enlaces iónicos fuertes para despu%s obligar a los iones a

desli$arse frente a los de carga opuesta.

• 7ebido a que no ocurre desli$amiento las grietas no se redondean por

la deformación del material que se encuentra en la punta de la grieta

!, en consecuencia, su propagación contin9a. El material cerámico es

frágil.

2unque las dislocaciones se mueven con ma!or facilidad a

temperaturas elevadas, es más probable que ocurra deformación

mediante mecanismos como el desli$amiento de bordes de grano ! el

6ujo viscoso de las fases v:treas.

Defectos supe#ciales.-os cerámicos con un grano de tama*o 0no tienen ma!or resistencia

que los cerámicos de grano más grueso. -os granos más 0nos a!udan

a reducir los esfuer$os que se desarrollan en sus bordes debido a la

alta expansión ! la contracción anisotrópica. Normalmente, se

produce un tama*o de grano 0no utili$ando desde el principio

materias primas cerámicas de part:culas más 0nas.

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Fallas mec"nicas en los mateiales ce"micos.

-os materiales cerámicos tanto cristalinos como no cristalinos son

mu! frágiles, particularmente a temperaturas bajas. El problema con

la fractura frágil de los materiales cerámicos se intensi0ca por la

presencia de imperfecciones como peque*as grietas, porosidad,

inclusiones extra*as, fases cristalinas o un tama*o grande, que

t:picamente se introduce en el proceso de manufactura.

Factua f"$il.

ualquier grieta o imperfección limita la capacidad de un producto cerámico

para resistir un esfuer$o a tensión. Esto es debido a que una grieta concentra !

ampli0ca el esfuer$o aplicado 1defecto de ri<t#4.

uando se aplica un esfuer$o a tensión; el esfuer$o real en el extremo de la

grieta es

σ real≡2σ √a

r

Para grieta mu! delgadas 1r peque*a4 o para grietas largas 1a grande4 larelación real se #ace grande ! el esfuer$o se ampli0ca. +i el esfuer$o

ampli0cado excede el l:mite elástico, la grieta crece ! 0nalmente causa la

fractura, aun cuando el esfuer$o real aplicado sea peque*o.

"n esfuer$o aplicado genera una deformación elástica, relacionada con el

módulo de elasticidad E del material. uando se propaga una grieta se libera

%sta energ:a de deformación, reduciendo la energ:a general.

Tatamiento esta%&stico %e la factua f"$il.

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7ebido a que las propiedades de los materiales cerámicos dependen en forma

cr:tica del tama*o ! geometr:a de los defectos siempre existentes, #a! una

dispersión considerable de los valores de resistencia, determinados a partir de

ensa!os de tensión, de 6exión o a fatiga.

-os componentes cerámicos producidos a partir de materiales id%nticos, con

m%todos de producción id%nticos, fallan a distintas cargas aplicadas. 2 0n de

dise*ar componentes estructurales utili$ando cerámicos, debe tomarse en

cuenta la probabilidad de que exista un defecto que pueda causar ruptura bajo

cualquier esfuer$o. -a distribución de =erbull ! el módulo de =eibull

proporcionan un tratamiento estad:stico para dise*ar pie$as de materiales

cerámicos.

-a distribución de Weibull describe la fracción de las muestras que fallan adistintos esfuer$os aplicados. "na peque*a fracción de %stas contiene defectos

lo su0cientemente grandes para causar fractura a esfuer$os bajos; la ma!or

parte de las muestras fallan con un esfuer$o intermedio ! unas cuantas

contiene sólo defectos peque*os ! no fallan #asta que se les aplican grandes

esfuer$os.

uando el esfuer$o aplicado es alto, existe alta probabilidad de que cualquier

muestra falle. onforme se reduce el esfuer$o, tambi%n se reduce la

probabilidad de que las muestras fallen.

M'to%os paa me(oa la tenaci%a%.

"n m%todos tradicional para mejorar la

tenacidad consiste en rodear las part:culas

frágiles del cerámico con un material matri$

más suave ! tena$.

(tra alternativa es crear compuestos de

matri$ cerámica 154 introduciendo 0bras

o aglomerados cerámicos en dic#a matri$.

uando una grieta intenta propagarse en la

matri$, encuentra la interfase entre matri$ !

0bra cerámica; la interfase a!uda a

bloquear la propagación de la grieta.

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iertos materiales cerámicos se pueden endurecer por 

transformación. En la circonia, por ejemplo, se puede absorber la

energ:a de una grieta mediante una fase metaestable presente en la

estructura original. Esta absorción de la energ:a de la grieta, por la

cual efectivamente se reduce su crecimiento, permitiendo que la fase

metaestable se transforme en una forma más estable ! al mismo

tiempo a!uda a cerrar la grieta.

El procesamiento del producto cerámico debe ser tambi%n cr:tico para

poder mejorar la tenacidad. -as t%cnicas de procesamiento que

producen cerámicos con un grano excepcionalmente 0no, de alta

pure$a ! completamente densos, mejoran la resistencia ! latenacidad.

Defomación %e los ce"micos a altas tempeatuas.

En los cerámicos las dislocaciones no se mueven a bajas

temperaturas ! no se observa deformación plástica signi0cativa. 2

temperaturas más altas, el ujo viscoso ! el desli$amiento de bordes

de grano se convierten en mecanismos importantes de deformación.

El 6ujo viscoso ocurre en los vidrios ! en los cerámicos que contienen

una me$cla de fases v:trea ! cristalina el desli$amiento de bordes de

grano ocurre en cerámicos que principalmente son cristalinos.

Temo)uencia en los ce"micos

-os cerámicos cristalinos tienen buena resistencia a la termo6uencia,

por sus altos puntos de fusión ! su elevada energ:a de activación para

la difusión.

-a termo 6uencia en los cerámicos cristalinos frecuentemente ocurre

como resultado del desli$amiento de los bordes de grano. onforme

los granos se desli$an uno sobre otro, se pueden iniciar las grietas !

0nalmente causar la falla.

>arios factores facilitan el desli$amiento de los bordes de grano !, enconsecuencia, reducen la resistencia a la termo 6uencia

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•  Tama*o de grano -os tama*os e grano más peque*os

incrementan la tasa de termo 6uencia.

• Porosidad 2l incrementar la porosidad en el cerámico, se

reduce su sección transversal ! aumenta el esfuer$o que act9a

sobre el producto cerámico para una carga dada; los poros

tambi%n facilitan el desli$amiento de los bordes de grano. En

consecuencia la tasa de termo 6uencia se incrementa.

• ?mpure$as 7iversas impure$as pueden provocar la formación

de fases en los bordes de grano, permitiendo termo 6uencia

debido al 6ujo viscoso.

•  Temperatura -as altas temperaturas reducen la resistencia de

los bordes de grano, incrementan la velocidad de difusión !promueven la formación de fases v:treas.

2l calentarse el cerámico, el 6ujo viscoso de la fase v:trea promueve

el desli$amiento de bordes de grano ! reduce la resistencia a la

termo6uencia ! a la temperatura. +i se permite que una fase

cristalina precipite dentro de una fase v:trea, la viscosidad de la fase

v:trea se incrementa mejorando la resistencia a la termo6uencia.