4.3 Resultados de la caracterización mecánica de los compuestos de
matriz cerámica, y polímero (resina epóxica o poliéster)
reforzada con jales, y ceniza volcánica
Por muchos motivos los materiales compuestos se han utilizados en diseños de ingeniería; entre los cuales se puede mencionar que estos productos se emplean como elementos estructurales y en la manufactura de piezas y componentes de maquinaria. Por estas razones, en este estudio se han determinado y analizado las principales propiedades mecánicas con las que se pretende cubrir los factores fundamentales en la selección de cualquiera de estos nuevos materiales para aplicaciones industriales bajo condiciones de servio.
La resistencia a la compresión, flexión, fatiga, dureza y al impacto son las propiedades mecánicas que se determinaron, conjuntamente con el exponente de Hurst. Sus valores se dan a conocer a continuación. Además, en las representaciones se presenta el valor del coeficiente de correlación (R2) de las dos variables graficadas, ya que juega un papel importante en el análisis de estos datos y para saber que también se asocian estas variables entre sí; el valor de este coeficiente se encuentra entre 0 y 1 (R2 = 1 hay correlación perfecta, R2 = 0 no hay correlación y si el valor negativo indica que la línea de correlación es de pendiente negativa) [24, 25, 26].
4.3.1 Resultados del ensayo de dureza
En la figura 4.18 se muestra el microdurómetro Shimadzu, en la cual se puede ver como se lleva a cabó el ensayo de microdureza para determinar el número de dureza Vickers del compuesto Jalarc, de acuerdo a los lineamientos planteados en la norma ASTM 849 – 88 [27].
Figura 4.18 Fotografía ~ 8x, Espécimen indentado en el ensayo de microdureza Vickers en Jalarc, al cual se le está aplicando
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Para producir la deformación plástica en este material se ejecutó a través de este tipo de penetrador una carga externa de 0.49 N (figura 4.18) [27].
En cada uno de los compuestos, después de presionar la superficie de los mismos, aplicando la carga especificada en la norma americana ASTM 849 – 88 [27], se produjo en primer lugar una deformación elástica, y posteriormente, una plástica [3, 7]. Entonces, se midieron las diagonales resultante de la profundidad y a partir de éstas se determinó el número de dureza Vickers de cada material, tales valores se pueden ver en la tabla 4.9 (ver ecuación en sección)
Tabla 4.9 Número de dureza Vickers para los materiales compuestos de matriz cerámica (arcilla) y polímero (resina poliéster y epóxica) reforzada con residuos sólidos mineros y ceniza volcánica.
Tipo de Compuesto Número de dureza Vickers
(HV) Jalarc 398.15±7.881263 Jalepo 411.853333±6.969576 Jalpol 389.446667±8.874906 Cenarc 391.96±8.349834 Cenepo 377.426667±2.487893 Cenpol 385.946667± 7.450329
El número de dureza Vickers se obtuvo siguiendo las indicaciones de la norma americana ASTM 849 – 88 [].
Estos recientes compuestos son materiales muy duros en comparación con los índices de dureza de los materiales que se presentan en la tabla A2 del apéndice A [12, 18, 19, 23], ya que sus números de dureza se encuentran entre 374 y 418 de la escala Vickers, tal como se indican en la tabla 4.9, y estos valores son proporcionales a cada una de las huellas producidas por el indentador, en cada uno de los compuestos. Las huellas de deformación tienen forma piramidal.
Jalepo (resina epóxica reforzada con jales) es el compuesto que ofreció mayor resistencia a la indentación ocasionada por el penetrador Vickers, en ese mismo orden siguieron: Jalarc, Cenarc, Jalpol, Cenpol y Cenepo, respectivamente (tabla 4.9), (figura 4.19). Sin embargo, al intercambiar el refuerzo por ceniza volcánica, bajo el mismo proceso y condiciones de fabricación, se produjo el compuesto más blando (Cenepo) Esto se debe a la variedad del
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tamaño de partícula, y al efecto de la incorporación de silicio y carbono en éstas, dentro de la matriz epóxica [7, 8, 15, 23]. El comportamiento de cada uno de estos materiales tiende describir una línea recta cuya proporción de la varianza del número de dureza que puede atribuirse a la varianza del tamaño de partícula.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 1 2 3 4 5 Tamaño de partículas (um). N úmer o de dur ez a V ic ke rs ( H V ). Jalarc Jalepo Jalpol Cenarc Cenepo Cenpol
Figura 4.19 Diagrama del número de dureza Vickers en función del tamaño de partículas para los materiales compuestos:
Jalarc, Jalepo, Jalpol, Cenarc, Cenepo y Cenpol.
La dureza de estos nuevos productos se incrementa por medio del tamaño de grano. Mientras menor es el tamaño de partículas, y además de que estén bien distribuidas en la estructura de cada compuesto, mayor es el número de dureza del mismo, esto se puede ver en la figura 4.19. La dureza de estos compuestos depende también del tipo de fuerzas de enlace entre los átomos, iones o moléculas que poseen en su estructura (tabla 4.4 y tabla 4.5) y aumenta, en forma semejante a la resistencia, con la magnitud de dichas fuerzas, situación que se verifica en los otros materiales frágiles [3, 7, 8, 12, 13, 28]. De este modo, los materiales compuestos de matriz polímero con la excepción de Jalepo, son, relativamente, más blandos que los de matriz de arcilla, debido al hecho de que los primeros tienen un solo enlace (covalente) y los segundos poseen un doble vínculo (iónico-covalente) [7, 12].
Por otro lado, al emplear la técnica de vitrificación en los materiales de matriz cerámica (Jalarc y Cenarc), posterior a la sinterización; produjo en éstos una disminución del tamaño de partícula y de la porosidad, lo que trajo como consecuencia el incremento de su dureza.
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