materiales compuestos

Deterioro y fallaDeterioro y fallaConsideraciones de diseConsideraciones de diseññoo

Estabilidad ambiental y reciclajeEstabilidad ambiental y reciclaje

MATERIALES COMPUESTOSMATERIALES COMPUESTOS

ModuloModuloMateriales Compuestos de Matriz MetMateriales Compuestos de Matriz Metáálicalica

LOS MMCLOS MMC

Los MMC han sido diseLos MMC han sido diseññados principalmente para ados principalmente para aplicaciones estructurales y son usados aplicaciones estructurales y son usados fundamentalmente por la industria automotriz, fundamentalmente por la industria automotriz, aeronaeronááutica, aeroespacial, militar y elutica, aeroespacial, militar y elééctrica.ctrica.

Estas industria necesitan materiales que posean una Estas industria necesitan materiales que posean una alta resistencia, rigidez y un alto modulo especifico y alta resistencia, rigidez y un alto modulo especifico y que tengan un buen comportamiento a altas que tengan un buen comportamiento a altas temperaturas.temperaturas.

Las propiedades mecLas propiedades mecáánicas de los nicas de los MMCsMMCs

estestáán n influenciadas por:influenciadas por:

La ruta de procesamiento que se haya utilizado para La ruta de procesamiento que se haya utilizado para su obtencisu obtencióónn

Materiales Compuestos de Matriz MetMateriales Compuestos de Matriz Metáálica (lica (MMCsMMCs) ) –– Deterioro y fallaDeterioro y falla

El comportamiento mecEl comportamiento mecáánico de los materiales nico de los materiales compuestos esta influenciado por:compuestos esta influenciado por:

La matriz: En el caso de la matriz es importante su La matriz: En el caso de la matriz es importante su microestructura, composicimicroestructura, composicióón qun quíímica, tamamica, tamañño de grano o de grano y defectos de la red cristalina y defectos de la red cristalina

El refuerzo: en el caso del refuerzo es importante la El refuerzo: en el caso del refuerzo es importante la

fraccifraccióón del refuerzo, su tipo, taman del refuerzo, su tipo, tamañño, distribucio, distribucióón, n, orientaciorientacióón y forman y forma

La interfase: la interacciLa interfase: la interaccióón entre la matriz y el refuerzo n entre la matriz y el refuerzo (adhesi(adhesióón)n)

Otro factor que puede incidir es la diferencia en los Otro factor que puede incidir es la diferencia en los coeficientes de expansicoeficientes de expansióón tn téérmica entre la matriz y el rmica entre la matriz y el refuerzo. refuerzo.


En MMCEn MMC

El modulo elEl modulo eláástico stico de un material compuesto esta en de un material compuesto esta en funcifuncióón de la fraccin de la fraccióón volumn voluméétrica de las parttrica de las partíículas, del culas, del modulo elmodulo eláástico del refuerzo y la forma de las partstico del refuerzo y la forma de las partíículas.culas.

TambiTambiéén lo afecta la distribucin lo afecta la distribucióón de los refuerzos n de los refuerzos

El modulo elEl modulo eláástico de los materiales compuestos siempre stico de los materiales compuestos siempre aumenta con la adiciaumenta con la adicióón del refuerzo.n del refuerzo.

La adiciLa adicióón de los refuerzo produce un incremento notable n de los refuerzo produce un incremento notable en el limite elen el limite eláástico y de la velocidad de endurecimiento stico y de la velocidad de endurecimiento por deformacipor deformacióónn

Una de las mayores limitaciones de los estos materiales Una de las mayores limitaciones de los estos materiales compuestos es su baja ductilidad debido al alto modulo compuestos es su baja ductilidad debido al alto modulo eleláástico stico


modulo elmodulo eláásticosticoMateriales Compuestos de Matriz MetMateriales Compuestos de Matriz Metáálica (lica (MMCsMMCs) ) –– Deterioro y fallaDeterioro y falla

El Material en funciEl Material en funcióón del modulo eln del modulo eláásticosticoMateriales Compuestos de Matriz MetMateriales Compuestos de Matriz Metáálica (lica (MMCsMMCs) ) –– Deterioro y fallaDeterioro y falla

A –

A359 + 0.2Vf SiC

Particulate

T6 Stir

Cast

B –

A339 + 0.2Vf SiC

Particulate

T6 Stir

Cast

C –

AA6061 + 0.2Vf Al2O3

Particulate

T6 Stir

Cast

+ Extrude

D –

AA2124 + 0.25Vf SiC

Particulate

T4 PM

E –

AA6061 + 0.4Vf SiC

Particulate

T6 PM

F –

Commercial Purity

Al + 0.2Vf SaffilTM Short Fibre

T6 Melt

Infiltration

G –

AA6061 + 0.2Vf SaffilTM Short Fibre

T6 Melt

Infiltration

H –

Commercial Purity

Al + 0.6Vf Nextel

610TM Continuous

Fibre

T6 Melt

Infiltration

(Longitudinal Properties)

I –

Ti-6Al-4V + 0.35Vf SiC

Monofilament

Vapour

Phase Process


El Material en funciEl Material en funcióón del modulo especificon del modulo especificoMateriales Compuestos de Matriz MetMateriales Compuestos de Matriz Metáálica (lica (MMCsMMCs) ) –– Deterioro y fallaDeterioro y falla

A –

A359 + 0.2Vf SiC

Particulate

T6 Stir

Cast

B –

A339 + 0.2Vf SiC

Particulate

T6 Stir

Cast

C –

AA6061 + 0.2Vf Al2O3

Particulate

T6 Stir

Cast

+ Extrude

D –

AA2124 + 0.25Vf SiC

Particulate

T4 PM

E –

AA6061 + 0.4Vf SiC

Particulate

T6 PM

F –

Commercial Purity


T6 Melt

Infiltration

G –


T6 Melt

Infiltration

H –

Commercial Purity

Al + 0.6Vf Nextel

610TM Continuous

Fibre

T6 Melt

Infiltration


I –


Monofilament

Vapour

Phase Process


En MMCEn MMC

La resistencia La resistencia la incorporacila incorporacióón del refuerzo produce un n del refuerzo produce un incremento notable en el limite elincremento notable en el limite eláástico y en la velocidad stico y en la velocidad de endurecimiento por deformacide endurecimiento por deformacióón n

Las fases tienen coeficientes de dilataciLas fases tienen coeficientes de dilatacióón muy distintos n muy distintos por lo que al enfriarse, se generan tensiones en los bordes por lo que al enfriarse, se generan tensiones en los bordes de grano que producen deformaciones plde grano que producen deformaciones pláásticas de los sticas de los mismos mismos

A temperatura ambiente, los granos que componen el A temperatura ambiente, los granos que componen el material se encuentran tensionados por esfuerzos de gran material se encuentran tensionados por esfuerzos de gran magnitud que pueden producir fluencia de los mismosmagnitud que pueden producir fluencia de los mismos


En MMCEn MMC

La resistencia La resistencia Ante la aplicaciAnte la aplicacióón de cualquier esfuerzo n de cualquier esfuerzo externo, el material va a responder con una deformaciexterno, el material va a responder con una deformacióón n plpláástica y una elstica y una eláástica. stica.

Cuando se elimina el esfuerzo el material se encuentra Cuando se elimina el esfuerzo el material se encuentra con una densidad de dislocaciones debido a: con una densidad de dislocaciones debido a:

Las dislocaciones que se produjeron durante el Las dislocaciones que se produjeron durante el enfriamientoenfriamiento

Las que se produjeron durante la deformaciLas que se produjeron durante la deformacióón n posterior posterior

Alta velocidad de endurecimiento Alta velocidad de endurecimiento


En MMCEn MMC

La resistencia La resistencia

La resistencia del material compuesto esta altamente La resistencia del material compuesto esta altamente influenciada por la calidad de la interfase metalinfluenciada por la calidad de la interfase metal--refuerzorefuerzo

Si esta es dSi esta es déébil el material compuesto fallarbil el material compuesto fallaráá

sin un sin un aumento importante de la resistencia respecto a la aumento importante de la resistencia respecto a la matriz sin reforzarmatriz sin reforzar

Si es fuerte la resistencia, la resistencia del material Si es fuerte la resistencia, la resistencia del material compuesto aumentara notablemente compuesto aumentara notablemente


En MMCEn MMC


El tamaEl tamañño de grano o de grano

Polvos: granos pequePolvos: granos pequeñños se obtiene alta resistenciaos se obtiene alta resistencia

Metal fundido: granos grandes, no mejoran la Metal fundido: granos grandes, no mejoran la

resistenciaresistencia

Tratamientos tTratamientos téérmicos y endurecimiento por deformacirmicos y endurecimiento por deformacióón n si las partsi las partíículas son >5culas son >5mm

La resistencia dependerLa resistencia dependeráá

fundamentalmente de la fundamentalmente de la fraccifraccióón volumn voluméétrica, tamatrica, tamañño de grano, el o de grano, el endurecimiento de la matriz y tener una endurecimiento de la matriz y tener una intercaraintercara

fuertefuerte


En MMCEn MMC



Resistencia Resistencia VsVs

deformacideformacióón para un material compuesto n para un material compuesto reforzado con fibras continuareforzado con fibras continuas s

En MMCEn MMC



Fabricado por metalurgia de polvosFabricado por metalurgia de polvos


Efecto de la fracción volumétrica de refuerzo y del ángulode aplicación de la fuerza en la resistencia

En MMCEn MMC



En MMCEn MMC



La resistencia a alta temperatura de La resistencia a alta temperatura de MMCsMMCs

A356/15SiC

A356

En MMCEn MMC



La resistencia a alta temperatura de La resistencia a alta temperatura de MMCsMMCs


Efecto del refuerzo y del tamaño del refuerzo en el limite elástico


Efecto del % de refuerzo y del tamaño del refuerzo en el limite elástico

En MMCEn MMCLa resistencia La resistencia


Con el aumento en la fracciCon el aumento en la fraccióón volumn voluméétrica trica Altos mAltos móódulos eldulos eláásticossticosAlta resistencia a la tensiAlta resistencia a la tensióón y baja ductilidad n y baja ductilidad

Para partPara partíículas grandes hay un detrimento culas grandes hay un detrimento de la resistencia. Alrededor de 20 de la resistencia. Alrededor de 20 µµm la m la resistencia y la ductilidad ambas se resistencia y la ductilidad ambas se incrementan con una disminuciincrementan con una disminucióón del n del tamatamañños de partos de partíículacula

El Material en funciEl Material en funcióón de la resistencia a la tensin de la resistencia a la tensióónnMateriales Compuestos de Matriz MetMateriales Compuestos de Matriz Metáálica (lica (MMCsMMCs) ) –– Deterioro y fallaDeterioro y falla

A –

A359 + 0.2Vf SiC

Particulate

T6 Stir

Cast

B –

A339 + 0.2Vf SiC

Particulate

T6 Stir

Cast

C –

AA6061 + 0.2Vf Al2O3

Particulate

T6 Stir

Cast

+ Extrude

D –

AA2124 + 0.25Vf SiC

Particulate

T4 PM

E –

AA6061 + 0.4Vf SiC

Particulate

T6 PM

F –

Commercial Purity


T6 Melt

Infiltration

G –


T6 Melt

Infiltration

H –

Commercial Purity

Al + 0.6Vf Nextel

610TM Continuous

Fibre

T6 Melt

Infiltration


I –


Monofilament

Vapour

Phase Process


El Material en funciEl Material en funcióón de la resistencia especifican de la resistencia especificaMateriales Compuestos de Matriz MetMateriales Compuestos de Matriz Metáálica (lica (MMCsMMCs) ) –– Deterioro y fallaDeterioro y falla

A –

A359 + 0.2Vf SiC

Particulate

T6 Stir

Cast

B –

A339 + 0.2Vf SiC

Particulate

T6 Stir

Cast

C –

AA6061 + 0.2Vf Al2O3

Particulate

T6 Stir

Cast

+ Extrude

D –

AA2124 + 0.25Vf SiC

Particulate

T4 PM

E –

AA6061 + 0.4Vf SiC

Particulate

T6 PM

F –

Commercial Purity


T6 Melt

Infiltration

G –


T6 Melt

Infiltration

H –

Commercial Purity

Al + 0.6Vf Nextel

610TM Continuous

Fibre

T6 Melt

Infiltration


I –


Monofilament

Vapour

Phase Process


En MMCEn MMC

Alargamiento Alargamiento

La mayor limitaciLa mayor limitacióón de estos materiales compuestos es su n de estos materiales compuestos es su baja ductilidad debido a su alto modulo elbaja ductilidad debido a su alto modulo eláástico stico

La falla de estos La falla de estos MMCsMMCs

se puede deber a la formacise puede deber a la formacióón de n de huecos en el interior del huecos en el interior del MMCsMMCs. La formaci. La formacióón de estos n de estos huecos tiene tres posibles mecanismos. huecos tiene tres posibles mecanismos.

Rotura de partRotura de partíículas culas

DecohesiDecohesióónn

interfacial interfacial

NucleaciNucleacióón de huecos en la matriz. n de huecos en la matriz.


En MMCEn MMC


La La decohesidecohesióónn

es un problema comes un problema comúún en este tipo de n en este tipo de MMCsMMCs

y puede deberse a varios factores:y puede deberse a varios factores:

InteracciInteraccióón qun quíímica entre la matriz y el refuerzo mica entre la matriz y el refuerzo (que genera capas d(que genera capas déébiles) biles)

Un mal mojado del refuerzo por parte de la matriz Un mal mojado del refuerzo por parte de la matriz


En MMCEn MMC


En cuanto a la nucleaciEn cuanto a la nucleacióón de huecos en la matriz n de huecos en la matriz

Dificultades para lograr una distribuciDificultades para lograr una distribucióón uniforme n uniforme

del refuerzo en la matriz. Esto genera zonas con del refuerzo en la matriz. Esto genera zonas con altas concentraciones de partaltas concentraciones de partíículas que actculas que actúúan an como grandes concentradores de tensiones.como grandes concentradores de tensiones.

Se originan huecos que se unen y dan comienzo a Se originan huecos que se unen y dan comienzo a un mecanismo de fractura un mecanismo de fractura


En MMCEn MMC



La limitaciLa limitacióón mn máás importante de los s importante de los MMCsMMCs: La : La ductilidad con el partductilidad con el partíículas y el tiempo culas y el tiempo de tratamientode tratamiento

En MMCEn MMC

La ductilidad La ductilidad


La ductilidad con el partLa ductilidad con el partíículas y el culas y el tiempo de tratamientotiempo de tratamiento

Los RefuerzosLos Refuerzos

El efecto sobre tenacidad se ve reflejada en alguna El efecto sobre tenacidad se ve reflejada en alguna medida en el alargamiento. Por tanto, se puede medida en el alargamiento. Por tanto, se puede decir que decrece con el aumento del contenido de decir que decrece con el aumento del contenido de partpartíículas culas


En MMCEn MMC

Tenacidad Tenacidad

La tenacidad disminuye sensiblemente para fracciones La tenacidad disminuye sensiblemente para fracciones volumvoluméétricas superiores al 10% tricas superiores al 10%

Es menos sensible que la elongaciEs menos sensible que la elongacióón a los n a los T.TT.T

La adiciLa adicióón de partn de partíículas grandes podrculas grandes podríía mejorar la a mejorar la tenacidad tenacidad

--FracciFraccióón de volumen del refuerzo n de volumen del refuerzo

--Espaciamiento y resistencia entre partEspaciamiento y resistencia entre partíículas culas

--DistribuciDistribucióón espacial entre partn espacial entre partíículas culas

--Microestructura de la matrizMicroestructura de la matriz


TenacidadTenacidad MMCsMMCs ↓↓

FracciFraccióón volumn voluméétrica de refuerzo trica de refuerzo > 10%.> 10%.

ReducciReduccióón taman tamañño del refuerzo. o del refuerzo.

IncrementoIncremento

de la de la Resistencia de la Resistencia de la matriz (matriz (T.TT.T).).


En MMCEn MMC

FatigaFatiga

Con respecto a la fatiga experimentalmente se ha Con respecto a la fatiga experimentalmente se ha encontrado que el comportamiento a fatiga es encontrado que el comportamiento a fatiga es comparable al de la matriz sin reforzar o incluso comparable al de la matriz sin reforzar o incluso mejor, excepto a altas tensiones o grandes mejor, excepto a altas tensiones o grandes amplitudes.amplitudes.

En este caso el comportamiento se ve afectado por En este caso el comportamiento se ve afectado por la perdida de ductilidad del la perdida de ductilidad del MMCsMMCs


En MMCEn MMC

FatigaFatiga


6061

6061/15Al2

O3

Resistencia a fatigaResistencia a fatiga ↓↓

Aumento fracciAumento fraccióón volumn voluméétrica refuerzo.trica refuerzo.

Aumento del tamaAumento del tamañño de refuerzo.o de refuerzo.

Incremento de la Resistencia de la Incremento de la Resistencia de la matriz (matriz (T.TT.T).).


En MMCEn MMC

Fluencia en caliente Fluencia en caliente

Una elevada fracciUna elevada fraccióón volumn voluméétrica de parttrica de partíículas finas culas finas mejora la resistencia a la fluencia en caliente hasta mejora la resistencia a la fluencia en caliente hasta 350 350 ººCC..

Por encima de esta temperatura las partPor encima de esta temperatura las partíículas no culas no restringen la plasticidad de la matrizrestringen la plasticidad de la matriz

El comportamiento es similar al de la matriz sin El comportamiento es similar al de la matriz sin reforzar.reforzar.


Coeficiente de Coeficiente de expansiexpansióón tn téérmicarmica ↓↓

Aumento fracciAumento fraccióón volumn voluméétrica trica refuerzo.refuerzo.


El Material en funciEl Material en funcióón de la falla por elongacin de la falla por elongacióónnMateriales Compuestos de Matriz MetMateriales Compuestos de Matriz Metáálica (lica (MMCsMMCs) ) –– Deterioro y fallaDeterioro y falla

A –

A359 + 0.2Vf SiC

Particulate

T6 Stir

Cast

B –

A339 + 0.2Vf SiC

Particulate

T6 Stir

Cast

C –

AA6061 + 0.2Vf Al2O3

Particulate

T6 Stir

Cast

+ Extrude

D –

AA2124 + 0.25Vf SiC

Particulate

T4 PM

E –

AA6061 + 0.4Vf SiC

Particulate

T6 PM

F –

Commercial Purity


T6 Melt

Infiltration

G –


T6 Melt

Infiltration

H –

Commercial Purity

Al + 0.6Vf Nextel

610TM Continuous

Fibre

T6 Melt

Infiltration


I –


Monofilament

Vapour

Phase Process


El Material en funciEl Material en funcióón del coeficiente de expansin del coeficiente de expansióón tn téérmicarmicaMateriales Compuestos de Matriz MetMateriales Compuestos de Matriz Metáálica (lica (MMCsMMCs) ) –– Deterioro y fallaDeterioro y falla

A –

A359 + 0.2Vf SiC

Particulate

T6 Stir

Cast

B –

A339 + 0.2Vf SiC

Particulate

T6 Stir

Cast

C –

AA6061 + 0.2Vf Al2O3

Particulate

T6 Stir

Cast

+ Extrude

D –

AA2124 + 0.25Vf SiC

Particulate

T4 PM

E –

AA6061 + 0.4Vf SiC

Particulate

T6 PM

F –

Commercial Purity


T6 Melt

Infiltration

G –


T6 Melt

Infiltration

H –

Commercial Purity

Al + 0.6Vf Nextel

610TM Continuous

Fibre

T6 Melt

Infiltration


I –


Monofilament

Vapour

Phase Process


Modo de fallaModo de falla

DETERIORO Y FALLA DE LOS DETERIORO Y FALLA DE LOS MMCsMMCs

Factores determinantesFactores determinantes

Microestructura de la matrizMicroestructura de la matriz

CaracterCaracteríísticas del refuerzosticas del refuerzo

AdhesiAdhesióón de la interfasen de la interfase

Ciclos tCiclos téérmicos y oxidacirmicos y oxidacióónn

Defectos, productos de reacciDefectos, productos de reaccióón y n y

esfuerzos residualesesfuerzos residuales

Proceso de fabricaciProceso de fabricacióónn

Procesos de adaptaciProcesos de adaptacióónn

FracturaFractura

FluenciaFluencia

CorrosiCorrosióónn

DesgasteDesgaste


En MMCEn MMC

Rotura bajo carga de los Rotura bajo carga de los MMCsMMCs

La rotura de un La rotura de un MMCsMMCs

tiene lugar bajo un proceso tiene lugar bajo un proceso de nucleacide nucleacióón, crecimiento y coalescencia de n, crecimiento y coalescencia de huecos.huecos.

La nucleaciLa nucleacióón de cavidades en el material se puede n de cavidades en el material se puede producir por fractura dproducir por fractura dúúctil de la matriz, por dectil de la matriz, por de--

cohesicohesióón en la n en la intercaraintercara

matriz refuerzo, o por matriz refuerzo, o por ruptura frruptura fráágil del refuerzo cergil del refuerzo ceráámico. mico.


En MMCEn MMC

Rotura bajo carga de los Rotura bajo carga de los MMCsMMCs


En MMCEn MMC

Rotura bajo carga cRotura bajo carga cííclica clica

La rotura se produce a valores de tensiLa rotura se produce a valores de tensióón inferiores a n inferiores a a los que provocan la rotura bajo carga mona los que provocan la rotura bajo carga monóótonatona

Cuando el Cuando el MMCsMMCs

se somete a ciclos de deformacise somete a ciclos de deformacióón n elevada, la rotura se produce bruscamente: rotura elevada, la rotura se produce bruscamente: rotura ddúúctil de la matriz, dectil de la matriz, de--cohesicohesióón de la n de la intercaraintercara

matriz matriz

refuerzo y rotura frrefuerzo y rotura fráágil del refuerzo cergil del refuerzo ceráámico. mico.


En MMCEn MMC

Fractura Fractura

La etapa La etapa controlantecontrolante

del mecanismo de fractura en del mecanismo de fractura en los materiales compuestos es la nucleacilos materiales compuestos es la nucleacióón de n de defectos, mientras que el crecimiento y defectos, mientras que el crecimiento y coalecenciacoalecencia

de huecos no requieren de gran energde huecos no requieren de gran energíía adicional. a adicional.

Los factores que mLos factores que máás influyen en la fractura son los s influyen en la fractura son los relacionados con la nucleacirelacionados con la nucleacióón. n.


En MMCEn MMC

Rotura del refuerzo Rotura del refuerzo

Si el refuerzo, contiene defectos, las zonas daSi el refuerzo, contiene defectos, las zonas daññadas adas actactúúan como an como nucleadoresnucleadores

de grietas. de grietas.

La ductilidad y el tipo de fractura dependen del La ductilidad y el tipo de fractura dependen del tamatamañño de la forma del refuerzo.o de la forma del refuerzo.

La probabilidad de que los refuerzos cerLa probabilidad de que los refuerzos ceráámicos se micos se rompan es mayor en refuerzos gruesos (20rompan es mayor en refuerzos gruesos (20m) que en m) que en los finos (3los finos (3--10 10 mm), tienen mayor cantidad de fallos y ), tienen mayor cantidad de fallos y defectos de bordedefectos de borde

Las partLas partíículas con elevada relaciculas con elevada relacióón de espectro n de espectro frecuentemente se fracturan internamente, mientras las frecuentemente se fracturan internamente, mientras las partpartíículas culas equiaxialesequiaxiales

tienden a formar huecos por tienden a formar huecos por

descohesidescohesióónn

interfacial. interfacial.


En MMCEn MMC

FormaciFormacióón de huecos en la matriz y n de huecos en la matriz y descohesidescohesióónn

interfacialinterfacial

La nucleaciLa nucleacióón de huecos tiene lugar en la zona n de huecos tiene lugar en la zona prpróóxima al refuerzo debido a alto nivel de tensiones en xima al refuerzo debido a alto nivel de tensiones en esta zona.esta zona.

La La intercaraintercara

matriz partmatriz partíícula es muy importante en el cula es muy importante en el comportamiento a fractura del material, porque es la comportamiento a fractura del material, porque es la zona mzona máás esfuerzos sufre en el proceso de deformacis esfuerzos sufre en el proceso de deformacióónn

En el caso de una interfase fuerte, la formaciEn el caso de una interfase fuerte, la formacióón de los n de los huecos se producirhuecos se produciráá

en la matriz en las proximidades en la matriz en las proximidades

del refuerzo del refuerzo


En MMCEn MMC



Los defectos en la Los defectos en la intercaraintercara

pueden provocar pueden provocar delaminacidelaminacióónn::

••

La formaciLa formacióón de una capa de n de una capa de óóxido continua, se xido continua, se produce produce descohesidescohesióónn

y la fractura se inicia en ese y la fractura se inicia en ese

punto.punto.

••

La presencia de una fractura dLa presencia de una fractura déébilmente unida bilmente unida produce rotura por produce rotura por ““pullpull--outout””

••

La presencia en la superficie del refuerzo de cierta La presencia en la superficie del refuerzo de cierta rugosidad lo inhibe.rugosidad lo inhibe.


En MMCEn MMC



Las puntas del refuerzo son otra zona donde se Las puntas del refuerzo son otra zona donde se favorece la iniciacifavorece la iniciacióón de grietas.n de grietas.

La alta densidad de dislocaciones existente en esta La alta densidad de dislocaciones existente en esta zona puede actuar como un lugar de nucleacizona puede actuar como un lugar de nucleacióón de n de grietas. grietas.


En MMCEn MMC

Factores que influyen en la formaciFactores que influyen en la formacióón de huecosn de huecos

••Gran tamaGran tamañño del refuerzo o del refuerzo

••AcumulaciAcumulacióón de tensiones residuales n de tensiones residuales

•• LocalizaciLocalizacióón del refuerzo en los limites de granon del refuerzo en los limites de grano

••

FormaciFormacióón de clusters. Son lugares preferentes de n de clusters. Son lugares preferentes de fallo, ya en estas zonas se generan elevadas tensiones fallo, ya en estas zonas se generan elevadas tensiones a las que son muy sensibles los mecanismos de a las que son muy sensibles los mecanismos de nucleacinucleacióón y crecimiento de grietas. n y crecimiento de grietas.

••Baja adhesiBaja adhesióónn

••

Microestructura de la matriz. Un tamaMicroestructura de la matriz. Un tamañño de grano o de grano pequepequeñño favorece la formacio favorece la formacióón de huecos. n de huecos.


En MMCEn MMC

FormaciFormacióón de huecos en materiales compuestos de refuerzo n de huecos en materiales compuestos de refuerzo esfesféérico rico


En las partículas angulares la rotura puede en algunos casos transcurrir a través de la partícula, mientras que en el caso de partículas esféricas el mecanismo es por nucleación, crecimiento ycoalescencia de huecos en la matriz cercana al refuerzo

Niveles de impurezas o porosidad en la matriz.Niveles de impurezas o porosidad en la matriz.Forma, tamaForma, tamañño, fraccio, fraccióón volumn voluméétrica y distribucitrica y distribucióón del refuerzo.n del refuerzo.Naturaleza de la uniNaturaleza de la unióón interfacial matrizn interfacial matriz--refuerzo.refuerzo.FormaciFormacióón de fases frn de fases fráágiles en la interfase.giles en la interfase.

DistribuciDistribucióón n inhomoginhomogééneanea

→→

ClusteringClustering

(zonas (zonas enriquecidas y empobrecidas en cerenriquecidas y empobrecidas en ceráámico), afectando mico), afectando propiedades mecpropiedades mecáánicas.nicas.

En los En los MMCsMMCs, las causas y los efectos de cambios en , las causas y los efectos de cambios en propiedades mecpropiedades mecáánicas son poco claras anicas son poco claras aúún. Efectos n. Efectos del tamadel tamañño del refuerzo, grado de apilamiento o del refuerzo, grado de apilamiento ((clusteringclustering), resistencia de la uni), resistencia de la unióón interfacial, n interfacial, distribucidistribucióón de esfuerzos residuales, ductilidad y n de esfuerzos residuales, ductilidad y tenacidad de la matriz.tenacidad de la matriz.

Control de la microestructuraControl de la microestructuraMateriales Compuestos de Matriz MetMateriales Compuestos de Matriz Metáálica (lica (MMCsMMCs) ) –– Deterioro y fallaDeterioro y falla

La presencia de partLa presencia de partíículas cerculas ceráámicas influye en la microestructura micas influye en la microestructura de los de los MMCsMMCs..

ReducciReduccióón del taman del tamañño de grano medio o de grano medio

Una densidad de dislocaciones superior a la Una densidad de dislocaciones superior a la encontrada en ausencia de refuerzoencontrada en ausencia de refuerzo

La presencia de refuerzo tambiLa presencia de refuerzo tambiéén ocasiona cambios en n ocasiona cambios en los procesos de precipitacilos procesos de precipitacióón n

Efecto del refuerzo en la microestructura de la matriz Efecto del refuerzo en la microestructura de la matriz Materiales Compuestos de Matriz MetMateriales Compuestos de Matriz Metáálica (lica (MMCsMMCs) ) –– Deterioro y fallaDeterioro y falla

Refuerzos finos, distribuciRefuerzos finos, distribucióón uniforme, unin uniforme, unióón interfacial n interfacial fuerte, aumentan resistencia a la fractura.fuerte, aumentan resistencia a la fractura.

El endurecimiento y resistencia a fractura se explican El endurecimiento y resistencia a fractura se explican cualitativamente los caminos de grietas y absorcicualitativamente los caminos de grietas y absorcióón de n de energenergíía debida a deformacia debida a deformacióón pln pláástica de la matriz. Los stica de la matriz. Los refuerzos fibrosos pueden contribuir a la absorcirefuerzos fibrosos pueden contribuir a la absorcióón de n de energenergíía. a.

El estudio efecto de esfuerzos residuales en la matriz y la El estudio efecto de esfuerzos residuales en la matriz y la distribucidistribucióón del taman del tamañño de parto de partíícula.cula.



Matriz(TiAl, Ti3

Al, MoSi2

, NiAl, Ni3

Al)

Refuerzo frágiles Refuerzo Dúctiles

Mono filamentos

SiCAl2

O3

BTiB

Fibras

Al2

O3

SiC

Partículas

SiCAl2

O3

TiB2

Er2

O3

Y2

O3

Alambres

MoNbW

Steel

Partículas

MoNbW

Tipo y naturaleza del refuerzo

Marices y refuerzos usados en los sistemas IMC


Tipo y propiedades del refuerzo y la matriz

ApiApiññamiento (amiento (clusteringclustering)):: Se inicia durante el proceso Se inicia durante el proceso de fabricacide fabricacióón. Es funcin. Es funcióón del taman del tamañño relativo y o relativo y fraccifraccióón volumn voluméétrica del refuerzo. Es influenciado por trica del refuerzo. Es influenciado por procesos de fabricaciprocesos de fabricacióón y modificacin y modificacióón .n .


actactúúa como concentrador de esfuerzos a como concentrador de esfuerzos →→ fractura.fractura.


no afecta modulo de no afecta modulo de YoungYoung, pero si la , pero si la

resistencia y la ductilidad. resistencia y la ductilidad.


Falla por carga compresivaFalla por carga compresiva:: ocurre cuando la matriz es ocurre cuando la matriz es mmáás ds dúúctil que el refuerzo. Influenciada por dictil que el refuerzo. Influenciada por diáámetro y metro y fraccifraccióón volumn voluméétrica del refuerzo.trica del refuerzo.

CompresiCompresióón axialn axial CompresiCompresióón transversaln transversal


CompresiCompresióón n axialaxial

Modos de fallaModos de falla::

doblado, rotura e inestabilidad doblado, rotura e inestabilidad global.global.

FactoresFactores::

Resistencia, distribuciResistencia, distribucióón y geometrn y geometríía a del refuerzo, resistencia de la interfase, y del refuerzo, resistencia de la interfase, y comportamiento de la matriz.comportamiento de la matriz.

CompresiCompresióón n transversaltransversal

Modos de fallaModos de falla::

esfuerzos de corte en la matriz.esfuerzos de corte en la matriz.

FactoresFactores::

Resistencia de la interfase, arreglo Resistencia de la interfase, arreglo espacial del refuerzo y comportamiento de la espacial del refuerzo y comportamiento de la matriz.matriz.

FracciFraccióón volumn voluméétrica 35% mejora resistencia al trica 35% mejora resistencia al corte de la matriz en 1.15 y 55% en 3 veces.corte de la matriz en 1.15 y 55% en 3 veces.


Falla interfacialFalla interfacial:: Se produce por mecanismos de Se produce por mecanismos de cavitacicavitacióón o desprendimiento.n o desprendimiento.

La cavitaciLa cavitacióón, se origina en la matriz cerca de bordes n, se origina en la matriz cerca de bordes del refuerzo (fibras cortas o partdel refuerzo (fibras cortas o partíículas) por esfuerzos de culas) por esfuerzos de traccitraccióón. Es una falla dn. Es una falla dúúctil por nucleacictil por nucleacióón, n, crecimiento y coalescencia de cavidades. crecimiento y coalescencia de cavidades.

El desprendimiento ocurre a lo largo de la interfase El desprendimiento ocurre a lo largo de la interfase matrizmatriz--refuerzo (fibras) debido a desplazamiento por refuerzo (fibras) debido a desplazamiento por corte. corte.


El desprendimiento, ocurre a lo largo de la interfase El desprendimiento, ocurre a lo largo de la interfase

matrizmatriz--refuerzo (fibras) debido a desplazamiento por refuerzo (fibras) debido a desplazamiento por corte. Se debe a unicorte. Se debe a unióón mecn mecáánica dnica déébil, formacibil, formacióón de n de fase frfase fráágil por reaccigil por reaccióón qun quíímica, estrmica, estréés residual o s residual o porosidad debida al proceso de fabricaciporosidad debida al proceso de fabricacióón. n.


Resistencia de la Resistencia de la interfaceinterface


a)a)

MMCsMMCsb)b)

Agrietamiento de la matrizAgrietamiento de la matriz

c)c)

DesuniDesunióón de la interfasen de la interfased)d)

Agrietamiento por dobladoAgrietamiento por doblado

e)e)

Fractura de la fibra Fractura de la fibra f)f)

Fibra Fibra pullpull--outout

Alta Resistencia de la Alta Resistencia de la interfaceinterface

La grieta se propaga La grieta se propaga rráápidamente en la pidamente en la matriz .matriz .Alta resistencia pero Alta resistencia pero pobre tenacidad y pobre tenacidad y ductilidad ductilidad


a) Cuando la resistencia de la interfase es mayor que la resistea) Cuando la resistencia de la interfase es mayor que la resistencia dencia delas partlas partíículas.culas.

b) La resistencia de la interfase es menor que la de las partb) La resistencia de la interfase es menor que la de las partíículas culas

Efecto de los ciclos tEfecto de los ciclos téérmicos: rmicos:

En procesos con ciclos tEn procesos con ciclos téérmicos, la diferencia de coeficiente de rmicos, la diferencia de coeficiente de expansiexpansióón de los constituyentes induce esfuerzos tn de los constituyentes induce esfuerzos téérmicos. Se rmicos. Se generan grietas y microgeneran grietas y micro--cavidades que conducen a severo cavidades que conducen a severo desprendimiento en la interfase.desprendimiento en la interfase.


La oxidaciLa oxidacióón a alta temperatura se inicia en los extremos de fibras n a alta temperatura se inicia en los extremos de fibras metmetáálicas y progresa al interior formando productos de reaccilicas y progresa al interior formando productos de reaccióón en n en la interfase. El cambio en volumen de estos productos inducen la interfase. El cambio en volumen de estos productos inducen esfuerzos de corte y grietas, provocando desprendimiento. esfuerzos de corte y grietas, provocando desprendimiento.

Varias matrices son susceptibles a sufrir ataque corrosivo por Varias matrices son susceptibles a sufrir ataque corrosivo por picado en presencia de sales en especial con picado en presencia de sales en especial con ionion

ClCl--. El efecto se . El efecto se

acentacentúúa a alta temperatura.a a alta temperatura.

Efecto de la oxidaciEfecto de la oxidacióónn::

En medio acuoso y en presencia de iones ClEn medio acuoso y en presencia de iones Cl--

y SOy SO44

22--

en en

concentraciones superiores al 3.5%, se origina corrosiconcentraciones superiores al 3.5%, se origina corrosióón n galvanicagalvanica localizada o corrosilocalizada o corrosióón por hendidura.n por hendidura.

La resistencia a la corrosiLa resistencia a la corrosióón se ve mejorada por n se ve mejorada por adiciones de Nb, Si, adiciones de Nb, Si, MoMo

y W. y W.


El desgaste en El desgaste en MMCsMMCs:: es de dos tipos, por deslizamiento es de dos tipos, por deslizamiento o por abrasio por abrasióón. n.

Velocidad de desplazamiento de las Velocidad de desplazamiento de las superficies.superficies.

AplicaciAplicacióón de presiones externas.n de presiones externas.

Dureza de los cuerpos abrasivos.Dureza de los cuerpos abrasivos.

Estado superficial de la matriz.Estado superficial de la matriz.

CaracterCaracteríísticas del refuerzo.sticas del refuerzo.

Condiciones atmosfCondiciones atmosfééricas y de ricas y de temperatura.temperatura.

Factores determinantes. Factores determinantes.


ASPECTOS DE DISEASPECTOS DE DISEÑÑOO

Costo

MaterialMaterialInformaciInformacióónn

TiempoTiempoEnergEnergííaaCapitalCapital

Técnicos

PropProp. Material. MaterialRequisitos de diseRequisitos de diseññooDesempeDesempeñño mo méétricotrico

Valor añadido

ReducciReduccióón costosn costosAumento vida Aumento vida úútiltilMejor desempeMejor desempeññoo

Viabilidad del MMCs

Materiales Compuestos de Matriz MetMateriales Compuestos de Matriz Metáálica (lica (MMCsMMCs) ) –– Aspectos de diseAspectos de diseññoo

Requisitos de diseRequisitos de diseñño.o.Condiciones de servicio (aplicaciCondiciones de servicio (aplicacióón).n).Disponibilidad tecnolDisponibilidad tecnolóógica (gica (““Know HowKnow How””, equipos y materia prima). , equipos y materia prima). Costo (tipo de elemento, proceso y recursos econCosto (tipo de elemento, proceso y recursos econóómicos). micos). Optimization Optimization procesos (posibilidadprocesos (posibilidad

de modification).de modification).

DesempeDesempeñño mo méétricotrico:: Medida del desempeMedida del desempeñño de un o de un material en una aplicacimaterial en una aplicacióón particular.n particular.

En materiales ligeros, es la mEn materiales ligeros, es la míínima masa para cumplir con nima masa para cumplir con propiedades como rigidez, resistencia, etc.propiedades como rigidez, resistencia, etc.En elementos protectores que deberEn elementos protectores que deberíían romperse a determinada an romperse a determinada

carga, es la energcarga, es la energíía absorbida antes de fallar.a absorbida antes de fallar.En diseEn diseñños para reducir perdidas de calor, es el flujo tos para reducir perdidas de calor, es el flujo téérmico por rmico por

unidad de superficie.unidad de superficie.En diseEn diseñño o ecoeficienteecoeficiente, es la carga ambiental relacionada a la , es la carga ambiental relacionada a la

fabricacifabricacióón, uso y disposicin, uso y disposicióón del material.n del material.


DesempeDesempeñño es limitado, por una combinacio es limitado, por una combinacióón de n de propiedades propiedades ““Indices del materialIndices del material””, que permiten , que permiten escalar el desempeescalar el desempeñño mo méétrico.trico.

En materiales para tensores, alta En materiales para tensores, alta ““rigidez especificarigidez especifica””

E/E/ρρ, , donde E donde E es el modulo de es el modulo de YoungYoung

y y ρρ

la densidadla densidad..

En materiales para resortes, alto valor de En materiales para resortes, alto valor de σσff

22/E, /E, donde donde σσff

el el esfuerzo de falla.esfuerzo de falla.

En En materiales de alta resistencia al choque tmateriales de alta resistencia al choque téérmico, alto valor rmico, alto valor σσff

//EEαα, donde , donde αα

es el coeficiente de expansies el coeficiente de expansióón tn téérmica.rmica.



Para seleccionar un refuerzo se debe considerar el tipo de aplicación:

Estructural: Alto módulo y resistencia Baja densidad

Forma de la partícula (si es angulosa,

concentración de tensiones)

Térmica:

Coeficiente de expansión y conductividad (tensiones residuales y distorsiones)

Requisitos de diseRequisitos de diseñño.o.


Ruta de fabricación

Metalurgia de polvos

Mezcla homogénea: relación entre tamaño de partículas

(SiC/Al, 0.7/1,Al=20-40 mm, partículas=3-20 mm)) Fractura partículas (relación de forma, densidad de defectos)

Metal fundido

Reacción matriz-partícula: SiC inestable en Al y estable en

Mg, Al2 O3 al contrario

Tamaño partícula: las grandes se segregan por gravedad, las

finas incrementan la viscosidad dificultando el proceso. Se emplean partículas 10-20 mm

Costo. Disponibilidad en cantidad, tamaño y forma. además para seleccionar un refuerzo se debe considerar el tipo de aplicación:

Requisitos de diseRequisitos de diseñño.o.

DesempeDesempeñño to téécnico depende cnico depende bbáásicamente de las sicamente de las especificaciones de diseespecificaciones de diseñño o (requisitos) y la selecci(requisitos) y la seleccióón de n de materiales.materiales.

SelecciSeleccióón final depende de la n final depende de la disponibilidad local de materiales.disponibilidad local de materiales.

Costos significativos cuando la Costos significativos cuando la matriz es una aleacimatriz es una aleacióón especial o el n especial o el refuerzo de alta especificacirefuerzo de alta especificacióón.n.

Altas producciones mejor hacerlas Altas producciones mejor hacerlas por procesos de fusipor procesos de fusióón que por n que por procesos procesos pulvimetalpulvimetalúúrgicosrgicos..


ESTABILIDAD AMBIENTAL Y RECICLAJEESTABILIDAD AMBIENTAL Y RECICLAJE

InterInteréés en factores como.s en factores como.GeneraciGeneracióón de subproductos durante procesos de fabricacin de subproductos durante procesos de fabricacióón.n.DegradaciDegradacióón durante el servicio.n durante el servicio.RecuperaciRecuperacióón y reciclaje de desechos de n y reciclaje de desechos de MMCsMMCs..Costos asociados a la producciCostos asociados a la produccióón.n.

Estabilidad ambiental de Estabilidad ambiental de MMCsMMCs

bastante similar a la de bastante similar a la de metales.metales.Durante procesamiento Durante procesamiento →→

AlAl44

CC33

higroschigroscóópico que pico que causa degradacicausa degradacióón en medio acuoso. En otros casos n en medio acuoso. En otros casos existen efectos galvexisten efectos galváánicos que producen corrosinicos que producen corrosióón n acuosa.acuosa.OxidaciOxidacióón y degradacin y degradacióón superficial a alta n superficial a alta temperatura.temperatura.

Materiales Compuestos de Matriz MetMateriales Compuestos de Matriz Metáálica (lica (MMCsMMCs) ) –– Estabilidad ambientalEstabilidad ambiental

Reacciones quReacciones quíímicas interfaciales a alta temperatura, micas interfaciales a alta temperatura, por penetracipor penetracióón de especies del entorno. n de especies del entorno.

La matriz metLa matriz metáálica es recuperada por fusilica es recuperada por fusióón, pero es n, pero es poco viable recuperar partpoco viable recuperar partíículas o fibras cerculas o fibras ceráámicas micas para su reutilizacipara su reutilizacióón. n.


MMCsMMCs

reforzados con partreforzados con partíículasculas..

MMéétodos convencionales de recuperacitodos convencionales de recuperacióónn

FusiFusióón o molienda del n o molienda del MMCsMMCs

para producir un segundo para producir un segundo MMCsMMCs. . Molienda del Molienda del MMCsMMCs

para utilizarlo como refuerzo particulado.para utilizarlo como refuerzo particulado.

La matriz metLa matriz metáálica se extrae por fusilica se extrae por fusióón como material n como material convencional y el refuerzo segregado a la escoria se muele.convencional y el refuerzo segregado a la escoria se muele.MMCsMMCs

con refuerzo discontinuo se usa para fabricar espumas con refuerzo discontinuo se usa para fabricar espumas

metmetáálicas.licas.

Posibilidades de reutilizar el refuerzo particulado.Posibilidades de reutilizar el refuerzo particulado.

Factores crFactores crííticos.ticos.Reactividad del refuerzo aumenta con la temperatura.Reactividad del refuerzo aumenta con la temperatura.Baja tendencia del refuerzo a ser mojado limita la aplicaciBaja tendencia del refuerzo a ser mojado limita la aplicacióón de n de

mméétodos convencionales de limpieza por fusitodos convencionales de limpieza por fusióón.n.Posibilidad que el material recuperado incorpore defectos (griePosibilidad que el material recuperado incorpore defectos (grietas tas

o o inhomogeneidadesinhomogeneidades

en distribucien distribucióón del refuerzo).n del refuerzo).


MMCsMMCs

reforzados con fibras.reforzados con fibras.

Preformas de fibras cortas conservan su estabilidad hasta 860 Preformas de fibras cortas conservan su estabilidad hasta 860 °°CC →→

no se recuperan fibras.no se recuperan fibras.

Fundiendo la matriz se puede recuperar la preforma para un Fundiendo la matriz se puede recuperar la preforma para un nuevo nuevo MMCsMMCs..

Posibilidades de reutilizar el refuerzo particulado.Posibilidades de reutilizar el refuerzo particulado.

Factores crFactores crííticos.ticos.

Control de la temperatura, pues se puede originar reactividad Control de la temperatura, pues se puede originar reactividad durante la refusidurante la refusióón.n.RecuperaciRecuperacióón de monofilamentos son difn de monofilamentos son difííciles de manipular y ciles de manipular y

podrpodríían resultar degradados.an resultar degradados.


materiales compuestos

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