Cerámicos Laminares

Cerámicos Laminares que exhiben una fuerza de umbral

Delgadas capas de compresión (o compresivas) dentro de un cerámico laminar detiene largas grietas (sean superficiales o internas) y producen una fuerza de umbral. Este fenómeno incrementa la tolerancia al daño y permitirá a los ingenieros rediseñar componentes cerámicos seguros para aplicaciones estructurales. El factor de intensidad de tensiones derivado para un agrietamiento “emparedado” entre dos capas compresivas sugiere que la fuerza de umbral es proporcional a la tensión compresiva residual y al grosor de las capas compresivas, siendo inversamente proporcional a la distancia entre las capas compresivas. Laminados compuestos de capas gruesas de alúmina (605 + 11 micrómetros) y capas compresivas delgadas de mullita (porcelanita)/alúmina (37 + 1.4 micrómetros) fabricadas para este estudio tienen una fuerza de umbral de 482 + 20 MPa, en acuerdo justo con la teoría.

La fuerza de materiales frágiles, incluyendo cerámicos y vidrios, debe ser descrita mediante parámetros estadísticos (como aquellos de Weibull) porque tienen una variedad desconocida de grietas y fallas (defectos) parecidas a grietas (“cracklike”) que son inadvertidamente introducidas durante la transformación y maquinado superficial. Fallas típicas son encontradas en los orígenes de fractura incluyendo vacíos producidos por inclusiones orgánicas (como el cabello humano) e inorgánicas (como partículas de polvo o aglomerados de partículas). Estas fallas se originan en los polvos cerámicos usados para hacer los componentes. Fracasos de estos tipos de fallas no son generalmente una cuestión de materiales dúctiles, como los metales, porque éstos exhiben deformaciones plásticas que desensibilizan la relación entre pequeñas fallas y fuerza. La deformación plástica de igual manera absorbe trabajo del sistema de carga para incrementar la resistencia del metal a la extensión de grietas largas. Sin embargo, la ausencia de deformación plástica provoca que la fuerza de los cerámicos sea inversamente dependiente del tamaño de grietas muy pequeñas, las cuales generalmente no pueden ser detectadas excepto por el fracaso mismo. Por esta misma razón, un componente cerámico específico puede presentar una alta probabilidad de fracaso.

Deben realizarse ensayos de resistencia cuando se supera la sensibilidad del consumidor. La prueba de resistencia está diseñada para emular las tensiones mecánicas y térmicas experimentadas por el componente bajo servicio severo (trabajo duro, etc.) La prueba de resistencia define una tensión de umbral, y los componentes debajo de ésta son eliminados por fracaso antes del servicio. Eliminando heterogeneidades del polvo cerámico que es lo que provoca un aumento en fallas es otra forma de estar cada vez más cerca de garantizar la fiabilidad. Otro método para remover inclusiones y aglomerados mayores a cierto tamaño es el dispersar el polvo en un líquido y pasar el “lodo líquido” a través de un filtro. Si las heterogeneidades no son reintroducidas en fases de transformación subsecuentes y si las grietas superficiales introducidas durante el maquinado no son una cuestión crítica, la filtración determina una fuerza de umbral por la definición de la falla más grande que pudiese estar presente en el polvo y, así, dentro del componente cerámico terminado. Métodos para la formación de formas ingenieriles con lodos filtrados están siendo actualmente desarrolladas.

Aunque otros han mostrado que las tensiones superficiales residuales de compresión obstaculizarán el crecimiento de grietas superficiales, Greenetal ha propuesto recientemente que la tensión compresiva debería ser localizada a una distancia específica debajo de la superficie. Ellos sugieren que la tensión compresiva detendrá las grietas superficiales y resultar en mayores tensiones de falla/fracaso y reducir la variabilidad de fuerza. Sin embargo, las tensiones compresivas, ya sea en la superficie o sólo debajo de ésta, no impedirán efectivamente grietas internas y fallas, ni podrán producir una fuerza de umbral. (Como se discute abajo) Una fuerza de umbral puede sólo ascender cuando capas compresivas delgadas son colocadas a través del cuerpo para interactuar con las grietas superficiales y con grietas internas y fallas.

Una tensión compresiva biaxial asciende en capas alternas de grosor t1, sean internas o superficiales, cuando están comprimidas en relación a una segunda serie de capas alternas de grosor t2. Un esfuerzo de compresión biaxial divergente ε asciende cuando las capas t1 o bien tienen un coeficiente de expansión térmica menor, sufren un incremento de volumen debido a una transformación de fase cristalográfica, o incrementan su volumen molar por una reacción química. Para un plato laminado compuesto de capas compresivas t1, alternadas entre capas de extensión (tracción) t2, las tensiones biaxiales están dadas por (1)

(vienen ecuaciones, explicar Módulo de Young)

La inspección de ambas relaciones muestra que las capas de compresión delgadas son deseadas porque cuando t1/t2 0, la tensión compresiva es maximizada y el esfuerzo de tracción disminuye a cero en las capas más gruesas.

La hipótesis de que múltiples capas de compresión delgadas pudiese de resultar en una fuerza de umbral tiene su génesis (origen) en experimentos realizados para un mayor entendimiento de la bifurcación de grietas, que es, el cambio de 90° en la dirección de la grieta conforme penetra y se extiende a lo largo de la línea central de una capa de compresión. En estos experimentos, se observó el inicio y detención de una grieta entre dos capas de compresión. Esta observación puso en marcha un análisis de mecánicas de fractura para determinar las condiciones de la detención de la grieta y la quiebra subsecuente (failure: fracaso, falla, etc.), y experimentos para probar el análisis.

El análisis asume que una grieta preexistente de una longitud de 2a abarca la capa gruesa t2, emparedada por las capas de compresión delgadas de un grosor t1, (como se muestra en la figura uno). La magnitud de la tensión compresiva residual biaxial dentro de las capas delgadas está dada por σc, y el esfuerzo residual de tracción opuesto dentro de la capa gruesa está dado por σt El análisis determina el factor de intensidad de tensión para una grieta de longitud 2a cuando se extiende en las capas de compresión (t2 < 2ª < t2 + 2t1); debajo de una tensión σa que es paralela a las capas. El factor de intensidad de tensión es usado para determinar la tensión aplicada, σthr, necesaria para extender la grieta a través de las capas de compresión para producir una quiebra catastrófica.

El factor de intensidad de tensión k es determinado por la superposición de los dos campos de tensión mostrados

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