Generalidades
Área: Ciencia de Materiales, Control de Calidad e Investigación.
Dirigido a: Personal de la industria y estudiantes con interés en las capacidades de caracterización de materiales cerámicos.
Instructores: Oscar Vega, Alonso Concha, Nayely Pineda, Julio Rivera, Miguel Esneider, Victor Luna.
Responsables de los Laboratorios de Servicios Generales CIMAV S.C. Subsede Monterrey
Objetivos
Objetivo general
Los materiales cerámicos tienen una gran fracción de enlaces iónicos o covalentes. Esto da como resultado un comportamiento especial y, en consecuencia, algunos problemas especiales con su uso confiable en ingeniería. El objetivo del curso, es comprender por qué fallan los materiales cerámicos y explorar los antecedentes prácticos de la mecánica de fractura necesarios para comprender la falla por fragilidad y describir algunas de las características únicas de los materiales cerámicos que deben tenerse en cuenta en su diseño y uso.
Objetivos específicos
- Comprender la definición de propiedades físicas de los materiales cerámicos (densidad, capacidad calorífica, conductividad térmica, dilatación térmica) y describir de qué parámetros dependen estas propiedades.
- Explicar conceptos relacionados con las propiedades mecánicas de los materiales cerámicos (elasticidad, módulo de Young, resistencia a la tracción, resistencia a la compresión y tenacidad a la fractura) y comprender la relación entre la resistencia a la fractura y los defectos del material.
- Comprender cómo se comportan los materiales cerámicos cuando se utilizan a temperaturas elevadas (resistencia a la fluencia y al choque térmico).
- Explicar los principios que se deben utilizar para diseñar y caracterizar los materiales cerámicos.
Alcance
Este curso proporciona una descripción general de los materiales cerámicos y las técnicas de caracterización disponibles para entender el análisis de fractura.
Contenido del curso
Curso teórico
Tema 1. Aspectos generales de los materiales cerámicos
- Tipos de materiales cerámicos
- Propiedades químicas y termo-físicas
- Fundamentos de la falla frágil
- Procesamiento e historial térmico
- Características de los materiales cerámicos que deben tenerse en cuenta para su diseño
Tema 2. Mecánica de Fractura
- Antecedentes prácticos de la mecánica de fractura
- Análisis fractográficos
- Determinación del esfuerzo de fractura
- Efectos de los ambientes externos sobre el crecimiento de grietas
- Resistencia de los materiales cerámicos en alta temperatura y choque térmico
Tema 3. Aspectos relevantes para la caracterización de fracturas
- Principios básicos de la caracterización estructural
- Caracterización de estructuras policristalinas
- Caracterización por Microscopia Electrónica de Barrido y Espectroscopia dispersiva de Rayos-X (SEM-EDS)
- Caracterización superficial por Microscopia de Fuerza Atómica (AFM)
- Estudio estructural por Difracción de Rayos-X (DRX)
Tema 4. Evaluación de propiedades mecánicas y tribológicas enfocadas en cerámicos
- Principios básicos de la caracterización mecánica en compresión
- Evaluación tribológica por técnica de perno en disco
- Determinación de la resistencia máxima por técnicas de rayado
Sesiones prácticas de laboratorio
| Título | Enfoque de la práctica |
|---|---|
| 1. Caracterización por Microscopía de Fuerza Atómica y Nanoindentación | La superficie de un material cerámico y una fractura en material cerámico se caracterizarán morfológicamente usando microscopía de fuerza atómica (AFM). En esta sesión práctica, se mostrarán métodos para evaluación de la rugosidad y topografía superficial de los materiales cerámicos, así como la interpretación de los resultados. La práctica se realizará sobre un substrato de vidrio para cuantificar la dureza (H) y Módulo Elástico Reducido (Er) mediante el criterio de Oliver & Pharr y conocer el fundamento para la determinación de la tenacidad a la fractura (KIc) mediante pruebas de Nanoindentación. |
| 2. Microscopía Electrónica de Barrido (SEM-EDS) | Mediante un microscopio electrónico de barrido (SEM, por sus siglas en inglés) se caracterizarán algunos materiales cerámicos, con énfasis en la fractografía, se analizarán la superficie de fractura, se obtendrán micrografías y análisis químico semi-cuantitativo. Se reconocerán las partes del equipo y su operación general. Se realizarán análisis morfológico de los materiales cerámicos, utilizando los detectores disponibles. Análisis de composición química de muestras mediante EDS (Espectroscopia de Energía Dispersiva de Rayos-X). |
| 3. Evaluación de Propiedades Mecánicas y Tribológicas | Se explicarán las preparaciones correctas de las probetas y se realizarán los ensayos de las propiedades mecánicas en compresión de los materiales cerámicos siguiendo las normas ASTM (Sociedad Americana para Pruebas y Materiales). Se analizarán e interpretarán resultados. La práctica también será dedicada para la evaluación de las propiedades tribológicas en las cuales se utilizarán las técnicas de perno en disco para la evaluación de la resistencia al desgaste de los materiales cerámicos, así como la evaluación de la resistencia al rayado de con aplicación de cargas progresivas para conocer la resistencia a la fractura de los materiales. |
| 4. Evaluación de la cristalinidad mediante Difracción de Rayos-X | Se realizarán preparaciones correctas de muestras para la caracterización enfocada en cristalinidad de materiales cerámicos. Se explicarán casos específicos de los participantes del Módulo. Se otorgará una explicación para la selección de los parámetros experimentales, análisis de resultados y explicación sobre el reporte de resultados experimentales. Se estudiarán temas como, identificación de fases cristalinas en cerámicos, y se realizarán análisis semi-cuantitativos y de celda unitaria por método Rietveld. |
