Materiales laminados con las capas externas sometidas a compresión

Los diseños laminados en los que las capas externas están sometidas a compresión resultan en un aumento de la tensión de rotura (σf), tenacidad

El primer trabajo sobre materiales cerámicos con tensiones residuales de compresión en las capas externas para mejorar las propiedades mecánicas fue publicado por Brubaker y Russell en el año 1967 [50]. Dichos autores utilizaban un sistema de dos capas con distintas composiciones, no descritas en el trabajo. Las tensiones residuales eran causadas por la diferencia entre los coeficientes de expansión térmica. Como consecuencia de las tensiones residuales de compresión formadas en la superficie de las muestras observaron un aumento en la resistencia al impacto.

Chartier y col. [13, 41] fabricaron unos materiales laminados (hasta 21 capas de 100-300 µm) con distintos niveles (0-10 %vol.) de ZrO2 sin estabilizar

en la matriz de Al2O3. El control en el tamaño de grano de la ZrO2 permitía

mantener su forma tetragonal a temperatura ambiente y obtener el reforzamiento microestructural por transformación martensítica en el frente de la grieta, mientras que el reforzamiento macroestructural se debía a las tensiones residuales de compresión en la capa exterior debido a las diferencias entre los coeficientes de expansión de las capas. Los valores máximos de tenacidad aparente de hasta 8 MPa·m1/2, y de tensión de fractura de hasta 560 MPa, fueron obtenidos combinando laminas externas de Al2O3 con 5 %vol.

ZrO2 e internas de Al2O3 con 10 %vol. ZrO2. Teniendo en cuenta que la capa

con más alto nivel de ZrO2 (reforzamiento microestructural) presentaba los

valores de KICAP = 5.4 MPa·m1/2 y σf = 444 MPa, el incremento de tenacidad

aparente debido a la estructura laminada es muy significativo.

Trabajando con el mismo sistema Al2O3 / ZrO2 pero generando las

diferencias entre los cambios volumétricos por transformación martensítica t→m de la circona y con distintas distribuciones de capas, Chartier y col. [42]

obtuvieron valores de σf y KICAP en rangos parecidos, es decir entre 1.5 y 2

veces superiores a las de los materiales constituyentes de las capas.

Basados en el mismo concepto de obtención de cambios volumétricos por transformación de la circona, Virkar y col. [43, 44] obtuvieron un sistema trilaminado con la capa central formada por Al2O3 / YTZP (donde YTZP es

circona tetragonal policristalina estabilizada con un 3 %mol. de Y2O3) y con las

capas externas formadas por Al2O3 / ZrO2 (circona sin estabilizar). Durante el

enfriamiento tras la sinterización, la circona de la capa central continúa estabilizada en forma tetragonal, mientras que en las capas externas se transforman completamente a la fase monoclínica. Este cambio volumétrico provoca la aparición de tensiones residuales de compresión hasta 400 MPa en las capas externas y como consecuencia se obtuvieron aumentos de la tensión de fractura y de la tenacidad de fractura frente las de materiales monolíticos de las mismas composiciones de partida que las utilizadas en estructuras laminadas. Es interesante mencionar que en este sistema, donde las tensiones residuales se obtuvieron por transformación de fases, el envejecimiento a alta temperatura (>900 ºC) no supuso la degradación de las propiedades a temperatura ambiente.

Laksminarayanan y col. [45] observaron, para el mismo sistema desarrollado por Virkar [43, 44], una fuerte dependencia del refuerzo con el tamaño de grieta. Las tensiones residuales de compresión (≈500 MPa) en la capa externa con el espesor de 1 mm resultaron en un aumento de la tenacidad de fractura por un factor de 7.5 para defectos planos de tamaño menor que el espesor de la capa externa. Dichos autores afirman que este

sistema, con la compresión de las capas externas, es muy efectivo para desarrollar resistencia a los defectos de superficie.

Sbaizero y Lucchini [46, 47] obtuvieron materiales en los que las tensiones residuales eran causadas por la diferencia entre los coeficientes de expansión térmica. Como se muestra en la figura 1.7.a, el material estaba formado por 3 capas de distinto espesor y con varios niveles de alúmina e YTZP. Las tensiones residuales en la capa central (sometida a tracción) causaban la aparición de defectos tipo grietas transversales. La posterior modificación de la estructura laminada (disminución de las tensiones residuales

Figura 1.7. Influencia de las tensiones residuales de compresión en la capa

externa de una estructura laminada sobre el comportamiento mecánico según Sbaizero y Lucchini [46, 47].

a) Estructura del laminado utilizado en el estudio.

a)

en la capa central) permitió obtener materiales laminados sin este tipo de defectos. El análisis de los resultados obtenidos mostró el incremento de tensión de fractura con el aumento del espesor de la capa central (espesor total del sistema fijo) tal como se muestra en el figura 1.7.b. Este resultado confirmó la eficacia de las tensiones residuales (de compresión) en superficie para aumentar los valores de tensión de fractura.

Green y col. [48, 49] estudiaron el sistema de Al2O3 / Ce-TZP (Ce-TZP es

circona tetragonal policristalina estabilizada con CeO2), donde las tensiones

residuales son causadas por la diferencia entre los coeficientes de expansión

Figura 1.8. Influencia de las tensiones residuales de compresión en la capa

externa de una estructura laminada sobre el comportamiento mecánico según Green y col. [48, 49].

a) Estructura de laminado tipo multicapa utilizado en el estudio. b) Comportamiento curva R observado.

a)

térmica. Para el estudio se utilizaron materiales laminados con un número máximo de 23 capas (espesor de capas ≈150 y ≈300 µm) y con varios contenidos en Ce-TZP (figura 1.8.a). Los resultados, obtenidos a partir de los ensayos de flexión de las probetas con indentaciones (figura 1.8.b), demostraron un aumento de la resistencia de propagación de las grietas (comportamiento curva R) y un incremento de la tensión de fractura. El mayor incremento de tenacidad de fractura fue obtenido con las indentaciones a bajas cargas (<100 N), mientras que se observó un descenso de la tenacidad de fractura para cargas de ≈200 N. Este comportamiento fue explicado por la propagación de la grieta de indentación a través de la capa interna sometida a tracción. Como solución a este descenso propusieron el diseño de un sistema laminado con las capas externas sometidas a tensiones residuales mayores, lo que resultaría en la insensibilidad total a las indentaciones (defectos superficiales).

Los resultados de los diferentes autores demuestran de manera concluyente la eficacia del diseño de laminados con tensiones residuales de