4.2 Tenacidad de los materiales cerámicos.

Los materiales cerámicos, tal como se ha visto, debido a su combinación de enlaces iónico-covalentes, tienen inherentemente una baja tenacidad. Utilizando proceso industriales bastante sofisticados, como la presión isostática en caliente, se han conseguido cerámicos con una mayor tenacidad.
Es posible la realización de ensayos de fractura, como los estudiados en la unidad 2, con muestras de materiales cerámicos para determinar valores del factor de intensidad de tensiones KIC de modo similar al ensayo de tenacidad a la fractura en metales. La ecuación que representa la tenacidad a la fractura se expresa como:

(14.7)

que relaciona valores KIC de tenacidad a la fractura con los esfuerzos, s, y las dimensiones de grieta, a.
Uno de los mecanismos aplicados recientemente para aumentar la tenacidad de los materiales cerámicos es la transformación de fases. En concreto, debido a los mecanismos de transformación de fases de la circonia combinada con algún otro óxido refractario, como CaO, MgO e Y2O3, resulta un tipo de material cerámico con una resistencia a la fractura excepcionalmente alta.
La circonia pura, ZrO2, existe en tres estructuras cristalinas diferentes: monoclínica, desde temperatura ambiente hasta 1170°C, tetragonal de 1170 a 2370°C y cúbica por encima de los 2370°C. La transformación de ZrO2 de estructura tetragonal a monoclínica, es de tipo martensítico ya que puede inhibirse por enfriamiento rápido. Además, esta transformación se acompaña de un incremento de volumen de alrededor del 9%, y por ello es imposible fabricar artículos de circonia pura. Sin embargo, por la adición de alrededor de un 10% de otros óxidos, la forma cúbica de la circonia se estabiliza, gracias a lo cual puede existir a temperatura ambiente en estado metaestable, y se pueden fabricar artículos en este tipo de material. La forma de ZrO2 cúbica combinada con óxidos estabilizantes, gracias a los cuales retiene la estructura cúbica a temperatura ambiente se denomina circonia completamente estabilizada, SZ.

Figura 14.24. a) Diagrama de fases binario ZrO2 - MgO con alto contenido en ZrO2. B) Micrografía de ZrO2 parcialmente estabilizada con MgO tratado a 1400°C, mostrando la estructura tetragonal. C) Esquema del avance de grieta frenado por la transformación de la estructura tetragonal a monoclínica.

 

Sin embargo, se han desarrollado igualmente materiales cerámicos de óxido de circonio refractario con tenacidad mejorada utilizando contenidos de otros óxidos que estabilicen parcialmente la estructura cúbica, tal es el caso de la circonia parcialmente estabilizada, PSZ, la cual contiene un 9% de MgO, cuyo diagrama de fases aparece en la figura 14.24a. Si una mezcla de ZrO2 - 9% MgO se lleva a una temperatura de 1800°C y después se enfría rápidamente hasta temperatura ambiente, se encontrará una estructura cúbica totalmente metaestable. Sin embargo, si este material es calentado de nuevo a 1400°C durante el tiempo suficiente, se formará un precipitado submicroscópico estable con estructura tetragonal tal como se muestra en la figura 14.24b.
Bajo la acción de esfuerzos que originan pequeñas grietas en el material cerámico, la fase tetragonal pasa a monoclínica, causando una expansión o aumento de volumen del precipitado que retarda la propagación de la grieta al cerrar la misma. La cerámica se "endurece" dificultando el avance de las grietas, figura 14.24c.
Otra forma de mejorar la tenacidad en los materiales cerámicos es mediante el refuerzo de los mismos, con fibras o partículas, dando origen a los nuevos materiales denominados compuestos de matriz cerámica.
Los refuerzos mayormente utilizados son fibras cerámicas de pequeño diámetro, entre 30 y 150 mm, de carburo de silicio, SiC, o alúmina, Al2O3, para este caso de extraordinaria pureza.
Los compuestos responden a uno de los tres tipos, dependiendo del tipo de refuerzo: de fibras largas o continuas, utilizado en aplicaciones muy especiales por su dificultad de procesado y elevado costo; de fibra corta o monocristales (whiskers), quizás los más ampliamente utilizados; y finalmente las partículas, sobre todo de SiC, que aunque sea el refuerzo de más fácil aplicación produce un efecto endurecedor menor.
El refuerzo con monocristales, fibras de 1 a 3 mm de diámetro y unas 200 mm de longitud, figura 14.25, puede incrementar significativamente la tenacidad de las cerámicas monolíticas. La adición de un 20% en volumen de fibras monocristalinas de SiC a alúmina, puede incrementar la tenacidad del material desde 4.5 a 8.5 MPaÖm. Estos materiales compues-tos pueden o deben fabricarse por procesos de prensado isostático en caliente. En la tabla 14.5 se observa las propiedades a flexión y de tenacidad de materiales compuestos con distintas cantidades de fibras de refuerzo.

Figura 14.25. Micrografía de fibras monocristalinas de carburo de silicio, de 1 a 3 mm de diámetro. Microscopía electrónica X2500.

 

Tabla 14.5. Propiedades mecánicas de compuestos de matriz cerámica reforzados con fibras monocristalinas de SiC a temperatura ambiente.

Los mecanismos que hacen aumentar la tenacidad de estos materiales son, principalmente, tres:

1.	Desviación de la grieta. Encontrado el refuerzo, la grieta es desviada, haciendo su camino de propagación más sinuoso. De esta manera se incrementa el nivel de esfuerzo necesario para propagar la grieta.
2.	Rotura de la fibra. Las fibras siguen manteniendo el material unido hasta que un incremento de la carga produce la rotura de las mismas y permite que la grieta prosiga, figura 14.26.
3.	Extracción de las fibras. La fricción originada por las fibras que están siendo arrancadas de la matriz agrietada absorbe energía y así tendrán que aplicarse esfuerzos más altos para producir un agrietamiento posterior. Por lo tanto resulta de enorme importancia contar con una interfase fibra-matriz adecuada para absorber energía mediante este mecanismo.

Figura 14.26. Esquema del mecanismo de inhibición del avance de las grietas por las fibras monocristalinas.