Materiales cerámicos

Los materiales cerámicos vienen encontrando mas y mas aplicaciones en ingeniería y se esta dedicando mucho esfuerzo a la creación de nuevos compuestos de ese tipo. Los cerámicos están entre los mas antiguos materiales de ingeniería; por ejemplo, los ladrillos de arcilla son materiales cerámicos. Aunque todavía se utiliza ampliamente en la construcción, la arcilla ya no se considera como material cerámico de ingeniería. Los materiales cerámicos de ingeniería suelen ser compuestos de elementos metálicos y no metálicos. Pueden ser únicamente un 6xido de un metal, mezclas de óxidos metálicos, carburos, boruros, nitruros y otros compuestos como el Al203, el MgO, el SiC y el Si3N4. Las propiedades principales de los materiales cerámicos son elevada dureza y fragilidad, alta resistencia a la temperatura y a productos químicos, elevada resistencia a la compresión y superior resistencia dieléctrica, así como costo y peso reducidos. Los materiales cerámicos son demasiado duros para maquinar mediante técnicas convencionales, y por lo general son formados por compactaci6n de polvos y después quemados o sinterizados para formar enlaces entre partículas, lo que incrementa su resistencia. La compactación de polvos se efectúa con troquel o mediante presión hidrostática. Algunas veces se mezcla polvo de vidrio con el material cerámico y el resultado se quema, con lo que se funde el vidrio y se incorporan ambos.

En aplicaciones como bloques fundidos para motor, pistones y otras piezas de motor, se han hecho intentos para reemplazar los metales tradicionales por productos cerámicos. En estas aplicaciones, puede resultar un problema el bajo punto de resistencia a la tensión, baja porosidad y baja tenacidad ala fractura de la gran mayoría de los productos cerámicos. A menudo se utilizan compuestos cerámicos rociados por plasma como recubrimiento duro sobre sustratos metálicos, a fin de obtener superficies resistentes al desgaste y a la corrosión.

Materiales compuestos

La mayor parte de los materiales compuestos son artificiales, aunque algunos, como la madera, ocurren de manera natural. La madera es un compuesto de largas fibras de celulosa, sujetas en una matriz resinosa de lignina. Los compuestos artificiales suelen ser una combinación de algún material resistente y fibroso, como el vidrio, el grafito o las fibras de boro, cementado en una matriz de resina, como un epoxi o un poliéster. El material de fibra de vidrio utilizado en barcos y otros vehículos es un ejemplo común de un compuesto de poliéster reforzado con fibra de vidrio (GFRP). Las propiedades direccionales del material compuesto se pueden adecuar a cada aplicación mediante la organización de las fibras en distintas yuxtaposiciones, paralelas, entrelazadas de manera aleatoria o en ángulos específicos, o enrolladas alrededor de un mandril.

Los compuestos especiales cada vez tiene mayor uso en aplicaciones de alto esfuerzo, como estructuras de aeronaves, dadas sus elevadas razones resistencia/peso en comparación con metales estructurales mas comunes. Además, en ciertos materiales compuestos es posible diseñar cierta resistencia ala temperatura y ala corrosión. Estos compuestos no son homogéneos ni isotrópicos.

Es interesante observar que si se calcula la resistencia teórica de cualquier mate~ rial cristalino elemental «puro» según sus enlaces interatómicos, las resistencias previstas son superiores en ordenes de magnitud a las que se observan en cualquier material probado en la realidad. Las enormes diferencias en resistencia real, en comparación con la teórica, se atribuyen a la destrucción de los enlaces atómicos por defectos cristalinos en el material real.

Esto es, se considera como imposible fabricar «nada puro» a una escala superatómica realista. Se supone que si pudiéramos fabricar un «alambre» de hierro puro de solo un átomo de diámetro, se mostraría su «superresistencia teórica». Se han fabricado «bigotes» de cristal de algunos materiales elementales, que presentan val ores de resistencia a la tensión muy elevados, que se acercan a sus valores teóricos.

Otra prueba empírica de esta teoría proviene del hecho que las fibras de cualquier material fabricadas en diámetros muy pequeños presentan resistencias a la tensión mucho mas elevadas de lo que se esperaría en pruebas esfuerzo-deformación de muestras mas grandes de ese mismo material. Supuestamente, las secciones transversales muy pequeñas se van acercando a un estado del material «mas puro». Por ejemplo, es bien sabido que el vidrio tiene una pobre resistencia a la tensión. Sin embargo, las fibras de vidrio de diámetro muy reducido muestran una resistencia a la tensión mucho mas elevada que la del vidrio de hoja, haciendo que se conviertan en una fibra practica (y poco costosa) para su uso en cascos de botes, que en su vida útil están sujetos a elevados esfuerzos a la tensión. Las fibras de grafito y boro de diámetro reducido presentan resistencias a la tensión aun superiores a las de las fibras de vidrio, lo que explica su uso en compuestos para aplicación en aeronaves espaciales y militares, en las que su relativa-mente alto costo no resulta un obstáculo.

Hay muchos tipos de resistencias de materiales. En situaciones particulares de carga es importante comprender cuales son importantes. Las resistencias mas comunes medidas y publicadas son la resistencia máxima a la tensión S ut y el limite de cedencia a la tensión Sy. La Sut indica cual es el esfuerzo mayor que el material aceptara antes de fractura, y la Sy indica el esfuerzo mas allá del cual el material sufrirá una deformaci6n permanente. Muchos materiales tienen resistencias a la compresión casi iguales a su resistencia a la tensión, y se conocen como materiales uniformes. La ·mayor parte de los materiales de forja son de la categoría uniforme. En algunos materiales su resistencia a la compresión es distinta a su resistencia a la tensión, y estos. se conocen como materiales no uniformes. Los metales fundidos casi todos son de clase no uniforme, con una resistencia a la compresión mucho mas elevada que su resistencia a la tensión. La resistencia al cortante de los materiales uniformes tiene tendencia a ser mas o menos la mitad de su resistencia a la tensión, en tanto que la resistencia al cortante de los materiales no uniformes tienden a quedar entre su resistencia a la tensión y a la compresión, respectivamente.

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