Resumen de Contact Damage on Ceramic Laminates
Luca Ceseracciu
La difusión de los materiales cerámicos en muchos campos de la industria es amplia y está en fuerte expansión, debido a las excelentes propiedades de estos materiales, ya sean mecánicas, térmicas, tribológicas o biológicas. Sin embargo, su fragilidad intrínseca y falta de fiabilidad limitan una mayor difusión en esas aplicaciones donde se precisa alta resistencia estructural. La producción de composites multilaminares es un camino prometedor para aumentar la fiabilidad de los cerámicos. Los cerámicos multicapa permiten que las propiedades mecánicas sean mejores que las de los componentes, debido a la presencia en la superficie de tensiones residuales de compresión provocadas diferencias de expansión térmica entre las capas.Las aplicaciones óptimas de estos materiales son las que están relacionadas con las propiedades superficiales; por eso la respuesta a las cargas por contacto son especialmente importantes para caracterizar las propiedades mecánicas y para mejorar el diseño de cerámicos composites avanzados.Las técnicas de indentación Hertziana son herramientas muy útiles para estudiar este tipo de carga, que por otro lado es difícil de caracterizar por ensayos mecánico tradicionales. El daño por contacto en materiales frágiles aparece principalmente como grietas anillo en la superficie, que pueden desarrollarse como grietas cono, características de este tipo de carga. Este agrietamiento es perjudicial para la funcionalidad del material, y puede llevar al fallo de la pieza. Las cerámicas tenaces, por otro lado, pueden presentar un daño, cuasi-plástico, que se genera debajo la superficie en forma de microagrietamento, y que es causa de deformación inelástica.En esta tesis, se caracteriza la resistencia al daño por contacto materiales cerámicos en base alúmina, incluyendo todos los aspectos de ese daño, desde la aparición de fisuras superficiales, a la propagación de grietas frágiles en la primera capa y su influencia sobre la resistencia del material, hasta el fallo inducido por carga de contacto. Se comparan medidas experimentales con análisis a los Elementos Finitos de los parámetros involucrados en cada caso, lo que permite formular pautas para una correcta caracterización y diseño de cerámicas multicapas avanzados.Se vio que la presencia de tensiones residuales es efectiva en mejorar la resistencia a la formación de grieta anillo, sea generada por cargas monotónicas, cíclicas o estáticas.La alta resistencia frente a este último tipo de carga revela que existen mecanismos de puenteo intergranular que se oponen a la formación de grietas, lo que era inesperado por el tamaño de grano fino, y que se atribuye a un efecto de grieta corta, comparada con la microestructura. Ensayos cíclicos de larga duración mostraron, por otro lado, que en los materiales multicapas aparece daño superficial más severo que en los monolíticos, lo que sugiere un cambio del daño predominante hacía una degradación superficial producida por cuasi-plasticidad.Las tensiones residuales afectan tanto la longitud como el ángulo de la grieta cono. Se modeló el problema mediante Elementos Finitos y algoritmos de propagación de grieta, lo que permitió predecir el crecimiento de grieta en función tanto de las tensiones residuales, como de otros parámetros microestructurales, y determinar del ángulo de la grieta cono en materiales policristalinos.La respuesta a cargas remotas de materiales indentados, en otras palabras la degradación de la resistencia, se ve afectada por la geometría de la grieta cono, y por otros factores que son consecuencia de la estructura laminar, tales como las tensiones residuales y la redistribución de carga por el desajuste elástico entre capas. Asimismo, la resistencia por contacto, o sea la resistencia a compresión roma localizada, se ve mejorada en materiales laminares, como consecuencia de las tensiones residuales. Sin embargo, se evidenció que existe el riesgo de que se genere tensión elevada en las capas interiores bajo ambos tipos de carga, y se propusieron consideraciones generales sobre el diseño de materiales laminares.En definitiva, se consiguió una caracterización exhaustiva de las propiedades de contacto mecánico de los materiales estudiados, y se amplió y mejoró el conocimiento de la propagación de grieta en materiales frágiles policristalinos.
