Tema113

Tema 3. PROPIEDADES MECANICAS
Elasticidad
Dureza
Resistencia Mecánica
Fiabilidad
Tenacidad
Curva R
Choque Térmico

1

Propiedades mecánicas: Elasticidad

Importantes para aplicaciones estructurales. Si3N4, SiC, Al2O3, ZrO2...
Fiabilidad: Elevada resistencia – fragilidad
Importante diseño. E, MOR, KIC, Weibul m

Elasticidad
Deformación elástica (reversible).
Energía de Enlace
Tensión de Tracción:σ=

E·ε

E = módulo de elasticidad o módulo de Young

Tensión de cortadura

τ = G·γ

G = módulo de cortadura o rigidez

Característica de las Cerámicas: fractura frágil

2

Propiedades mecánicas: Elasticidad

Módulo de elasticidad
Enlaces covalentes fuertes valores de E altos

El módulo elástico E
disminuye con la temperatura
 − G0 
E = E0 − bT exp 

 kT 

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Propiedades mecánicas:Elasticidad

Dos métodos para medir E:
Cálculo de la pendiente de la parte elástica del gráfico

σ vs ε

Frecuencia de resonancia, medidas por ultrasonidos
E = 2(1 + ν )ρc t 210− 6

ν =1−

1
  c 2 
2 1 −  t  
  cl  

cl, ct = velocidad de la onda
longitudinal y transversal

Módulo de Poisson
Relación de los cambios dimensionales
en longitud y espesor
∆d / d

ν=−

∆l / l

En las cerámicasel valor de ν varía
entre 0.1-0.4

E = 2G (1 + ν)

4

Propiedades mecánicas: Dureza

2.4.2 Dureza
Propiedad característica de la mayoría de los materiales cerámicos
Especialmente importante para aplicaciones como válvulas, sellos,
herramientas de corte...
Método: Indentación estática: Distintos tipos indentadores:
Brinell: bola (φ =10 mm), 500 Kg
Rockwell: bola acero (1/16”) o cono diamanteKnoop: Diamante piramidal, dos ángulos 172.5º, y otro de 130º
Berkovich: Pirámide de base triangular: 65º
Vickers: pirámide base cuadrada, 136º entre caras opuestas

Knoop

Vickers

5

Propiedades mecánicas: Dureza
Dureza Vickers

HV = 1.854

P
d2

P = carga (Kg), 5-10 Kg
d = longitud media diagonales (mm)
Valor medio de 5 indentaciones
Unidades: GPa = 1/9.8 Kg/mm2

d
d2

1

TiB2 = 2700-3800 Kg/mm26

Propiedades mecánicas: Resistencia a la fractura

Resistencia teórica, resistencia a la tracción (TS), resistencia a la
flexión (FS), compresión, compresión biaxial (BC), Módulo de Ruptura
(MOR)

Resistencia teórica

E ⋅ γ 

σ t = 
 a0 
γ = energía superficial de fractura
a0 = espaciado interatómico

Teoría de Griffith
1
 E ⋅ γ 2

σ t = A

c



c = Tamaño crítico de defectoDefectos en cerámicas: poros, inclusiones
aglomerados, defectos superficiales

7

Propiedades mecánicas: Resistencia a la fractura

Medición de la resistencia
Ensayo de tracción (tensile strength)
Caracterización de metales
En cerámicos no: alto coste de las probetas,
alineación extrema, sujeción mordazas
Ensayo de compresión
Rara vez en metales
En cerámicas es muy común: los valores
obtenidos muchomayores que en tracción.
Compresión biaxial
Ensayo flexión
La más empleada en materiales cerámicos.
Ensayos en 3 ó 4 apoyos

8

Propiedades mecánicas: Resistencia a la fractura

Ensayo de compresión
“Crushing strength”
Aparente relación entre dureza y resistencia a la compresión
Resistencia es función de defectos, tamaño de grano...

Compresión biaxial
En situaciones donde existe una zona decontacto entre cerámico-metal, cerámicocerámico y movimiento relativo
La probeta está sometida simultáneamente
a tensiones de tracción y cortadura
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Propiedades mecánicas: Resistencia a la fractura

Ensayo de Flexión
Resistencia a la Flexión (FS), Módulo de Ruptura (MOR).
Para una barra rectangular:

FS = MOR =

M·c
I

I = momento de inercia
M = momento
c = distancia eje neutro a la superficie
3puntos

E=

P·L3
3·d 3 ·b·δ

4 puntos

11·P·L3
E=
64·d·b·δ
10

Propiedades mecánicas: Resistencia a la fractura
El valor de resistencia medido varía con las dimensiones de las barras y si el
sistema que se utiliza es de 3 ó 4 puntos.

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Propiedades mecánicas: Resistencia a la fractura
Resistencia a la flexión para distintos materiales cerámicos

Material
SiO2 fundida
cordierita
MgO
Al2O3
ZrO2...