Microfisuración de entallas en cerámicas mediante mecanizado por ablación con pulsos láser ultra cortos

Abstract

La tenacidad a fractura (KIC) es un parámetro determinante en el comportamiento mecánico de materiales frágiles y se define como la resistencia de un sólido a la propagación de grietas en su interior. Generalmente, en su determinación se emplea la mecánica de fractura elástica lineal (LEFM), que se basa en la suposición de que los materiales son homogéneos, continuos e isótropos, así como en la existencia de grietas con radio nulo en su punta. Sin embargo, su aplicación en materiales reales presenta ciertas limitaciones, ya que en la mayoría de casos las hipótesis señaladas no se cumplen y, por tanto, los resultados obtenidos no suelen corresponder con los valores experimentales. En el caso particular de materiales cerámicos, la determinación experimental de KIC se puede realizar mediante diversas técnicas, como son el método IM (Identation Microfracture), SENB (Single-edge Notched Beam), SEPB (Single-Edge Precracked beam) o SEVNB (Single-edge V-notched Beam), entre otros. En todos los casos (excepto el IM), la muestra se somete a un estado de flexión hasta alcanzar su rotura. No obstante, estos métodos presentan diversos inconvenientes que hacen que su utilización en este tipo de materiales sea limitada. De todos ellos, el que ha demostrado una mayor fiabilidad en la obtención de la tenacidad es el SEVNB. En él, una entalla es ejecutada según el procedimiento convencional (SENB) y, posteriormente, se afila su punta mediante diversas pasadas con una cuchilla altamente afilada. Esta técnica permite obtener radios en punta realmente pequeños, pudiendo emplear la teoría LEFM en el cálculo de la tenacidad, pero aún así puede presentar ciertas limitaciones en materiales de tamaño de grano micrométrico. Para este último caso existen, actualmente, otro tipo de técnicas de mecanizado que permiten obtener entallas con radios en punta muy reducidos y que, por tanto, permitirían emplear en el cálculo de la tenacidad la teoría clásica. Una de estas técnicas es el mecanizado láser, tecnología muy extendida en diversos ámbitos científicos e industriales, que permite fabricar entallas con radios prácticamente nulos en su punta y, por tanto, conseguir una mayor aproximación a las hipótesis de partida de la mecánica de fractura lineal. No obstante, esta tecnología puede producir microfisuración en el frente de entalla, pudiendo alterar los resultados de tenacidad obtenidos. El propósito del presente proyecto es realizar un estudio y caracterización de la región microfisurada en el frente de entallas realizadas mediante mecanizado femtoláser con pulsos ultra cortos en una probeta de circona dopada con itria (3Y-TZP), con tamaño de grano micrométrico (330nm), variando parámetros como el número de pasadas de láser, la velocidad de aplicación y/o la energía aportada durante el proceso. Asimismo, se tratará de evaluar y discutir la posible influencia que esta microfisuración puede tener en la determinación de la tenacidad de fractura. El estudio de la región microfisurada se llevará a cabo empleando tomografías obtenidas mediante tecnología FIB, así como el software AVIZO para el posterior tratamiento, modelizado 3D y análisis de los datos obtenidos.