Influencia de la microestructura en el ángulo de la grieta cono

Abstract

Los materiales cerámicos están presentes a nivel industrial por sus buenas propiedades de dureza, térmicas y tribológicas; pero presentan fragilidad intrínseca. Esta fragilidad es una limitación, en particular para aplicaciones que implican cargas localizadas. Bajo contacto, la generación y propagación de la grieta puede comprometer la integridad estructural de la pieza. Así, la geometría de la grieta producida por contacto (longitud, ángulo) tiene influencia directa en la fiabilidad del componente. Es, por eso, crítico conocer la variación de este ángulo con la microestructura, al fin de poder mejorar le vida en uso de los materiales cerámicos. El objetivo de este proyecto es observar la influencia de la microestructura de las cerámicas avanzadas sobre la trayectoria de una grieta producida bajo indentación Hertziana. Se estudió la variación de ángulo y de longitud de la grieta cono formada por indentación en vidrios con varios coeficientes de Poisson, alúmina con varios tamaños de grano y compuestos gradiente alúmina/vidrio. Uno de los materiales gradiente fue producido por percolación, los otros dos fueron procesados por plasma spray con diferentes tratamientos térmicos. Se estableció un protocolo experimental de pulido y preparación superficial con el fin de tener la misma cantidad de defectos en todas las muestras y así reducir la dispersión de resultados, y se hizo un estudio de convergencia de resultados para optimizar el pulido para cada material. Con el objeto de observar la grieta cono, la muestra cortada fue desbastada transversalmente hasta el centro del cono. Así mismo se efectuó un estudio numérico sobre la influencia del ángulo de la cara desbastada en la medida del ángulo de la grieta cono, demostrandose que no existe un error apreciable en las medidas para pequeñas desviaciones. Con el objeto de interpretar mejor los resultados, se caracterizaron mecánicamente los materiales, midiéndose el módulo de Young, el coeficiente de Poisson, la tenacidad y la dureza. Estos parámetros permitieron calcular la carga crítica para generación de grieta cono y realizar las indentaciones con la carga óptima. Los ensayos se efectuaron con una carga ligeramente superior a la crítica calculada para tener una grieta cono y evitar la fractura. Así se pudo ver que el daño casi-plástico aparece después de la formación de grieta. También se ha observado la aparición de doble cono para cargas más elevadas. Los resultados demostraron que la propagación de grieta en el vidrio depende del coeficiente de Poisson, tal y como se ha propuesto recientemente en la literatura. En el caso de la alúmina se vio que el ángulo de la grieta no sólo depende del módulo de Poisson, sino que también existen fenómenos de apantallamiento que modifican la trayectoria y longitud de la grieta. También se observó que para tamaños de grano grandes aparece una zona de deformación casi-plástica que puede modificar el campo de tensiones. Una vez caracterizado el comportamiento de los materiales frágiles bajo indentación Hertziana se efectúan los mismos ensayos para los materiales gradientes, observándose que presentan daño tipo cono para cargas comparables a la de la alúmina. Sin embargo, los mecanismos de deformación eran diferentes para el caso de los materiales producidos por spray de plasma debido a la microestructura en capas.