By ANALES DE MECANICA DE LA FRACTURA Vol. 12 (1995) 19 FA IGA DE MATERIALES CERÁMICOS M. Anglada Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingenier[a Metalúrgica ETS de ngenieros Industriales de Barcelona, Universidad Politécnica de Cataluña Avda. Diagonal 547. Resumen. En este art investigación de la d materiales cerámicos PACE 1 to View nut*ge lo ces recientes en la tes. En primer lugar, se describen algunas de las técnicas más utilizadas para la foml ación de la fisura inicial, ya que a menudo éste es el proceso crítico en la preparación de las probetas para el análisis experimental de la ropagaclón de fisuras.
Se describen después las principales observaciones realizadas en fatiga así como los mecanismos propuestos para su explicación que se clasifican en dos tipos distintos: a) mecanismos intrínsecos, los cuales engloban a mecanismos únicos al modo de carga cíclica; b) mecanismos extrínsecos, los cuales incluyen a todos los mecanismos que degradan el apantallamiento de la punta de la grieta responsable del aumento de la tenacidad del material. También se analiza la propagación de materials under fluctuating loads. Firstly, tlle main techniques for ue formation of fue inicial crack are described since iliis is usually the critica!
Step in tlle preparation of specimens for measuring crack growth. Then, the main obsewations of fatigue as well as tlle main mechanisms proposed in arder to explain the observed behaviour. These are of two different types: a) intrinsic mechanisms which involve a fracture mode unique to cyclic loading, and b) extrinsics mechanisms which include processes which result in degradation of the crack tip shielding mechanism used to toughen the ceramic. The crack growth from notches under compression-compression loading IS lso analized and it is associated to tlle inelastic deformation of a microcracked zone in front oftlle notch ti p.
Finally, the application of ilie results of crack growth to mechanical design are discussed. l. INTRODUCCIÓN En los últimos años se ha puesto de manifiesto que los materiales cerámicos policristalinos y los materiales compuestos de matriz cerámica pueden degradarse cuando son sometidos a cargas fluctuantes. Este fenómeno es diferente de la degradación que tiene lugar por interacción con el medio bajo una carga constante (fatiga estática). Es un efecto relacionado con la carga descarga de la grieta y se denomina fatiga cíclica, fatiga o bien, simplemente fatiga.
El término c(cllca en cierta manera es redundante pero a veces se utiliza por contraposición al témüno «fatiga estática» que es utilizado en la literatura ceramista. El efecto se pone clarame sto por el hecho que el literatura El efecto se pone claramente de manifiesto por el hecho a la rotura bajo cargas cíclicas es menor que bajo cargas estáticas y también porque bajo cargas fluctuantes existe propagación de grietas bajo factores de intensidad de tensiones inferiores al umbral de propagación bajo cargas constantes.
El fenómeno de fatiga ha sido estudiado en los metales desde hace mucho tiempo. En estos materiales ductiles se ha puesto de manifiesto que la causa de la fatiga es la formación de una grieta y su propagación debido al movimiento irreversible de las dislocaciones durante las etapas de carga y descarga del ciclo de fatiga. En materiales frágiles con fuertes enlaces covalentes o iónicos, por el contrario, existe muy poca tendencia al movimiento de dislocaciones, de manera que la plasticidad de los materiales cerámicos a temperatura ambiente es prácticamente inexistente.
Por esta razón, urante mucho tiempo se ha supuesto que estos materiales no pueden degradarse por fatiga. Sin embargo, en los últin10s años se han investigado ANALES DE MECANICA DE LA FRACWRA 20 diversos materiales cerámicos y se ha puesto de relieve la existencia de fatiga tanto en cerámicas monolíticas como en cerámicas reforzadas con fibras cerámicas. Uno de los trabajos pioneros en este campo fue realizado p9r Guiu [1], aunque la existencia del fenómeno de fatiga había ada en algunos trabajos anteriores [2-3]. nos pocos materiales y todavía en un menor número se han puesto de relieve de forma clara os mecanismos de fatiga. En este artículo se presenta una revisión centrada fundamentalmente en las cerámicas estructurales avanzadas tales como alúmina, soluciones sólidas. de circona y nitruro de silicio, las cuales han sido las más estudiadas. Se destacan las técnicas experimentales especiales utilizadas para. el estudio de la fatigq de estos materiales así como mecanismos que han sido propuestos para explicar la prcl paJ-ac10n estable de la grieta a temperatura ambiente. . EXPERIMENTALES Para la realización de ensayos de fatiga en probetas el ensayo más adecuado en principio es el mismo ue se utiliza en metales, es decir, ensayos de traccióncmnprestón bajo control de carga en probetas cilíndricas con una superficie perfectamente pulida. No obstante, a causa del coste de mecanlzación de estos materiales así como de las dificultades de sujeción de las probetas en de ensayo no es ampliamente utilizado. Además es necesario un buen alineamiento de la con el de carga ya que, las fuerzas de flexión incontroladas influir en el resultado.
Estas son las cuales los ensayos de realizado fundamentalme necesaria para su P es difícil utilizar esta vol. 12 propuesto por Ewart y Suresh [41. En principio, no es osible conocer la tensión necesaria para nuclear la. grieta ni tampoco ajustar la magnitud de la fuerza según la longitud de la entalla y su radio de curvatura. Por otra parte, la longitud de las grietas en ambas superficies de la probeta a menudo tienen valores distintos aunque la diferencia suele ser despreciable comparada con la longitud total de la entalla más grieta.
La causa de la propagación de la grieta bajo cargas cíclicas de compresión se analiza en el apartado 4. b) Puente de carga. Este método fue propuesto para prefisurar aleaciones de metal duro y ha sido utilizado también en cerámicas ara preparar grietas en probetas de flexión [5]. Mediante un penetrador Vickers se practica una indentación o se mecaniza una entalla en la superficie de la probeta. Después se sitúa en un dispositivo y se somete a flexión con la fisura Vickers o entalla situada en la superficie sometida a tracción. Al aumentar la carga se forma una grieta la cual se propaga hacia la zona de donde se detiene.
Las condiciones de carga para producir la grieta no son conocidas a ya que de las dimensiones y características del material, de la fuerza durante la indentación, etc. A menudo es útil detectar la eneración de la por emisión s OF entalladas. Se mecaniza una entalla en forma de «chevron» y la probeta es fatigada a frecuencias altas una onda con R 0. 1 hasta que se detecta la El proceso de durar días y el de elevado. También se generar la una carga constante durante un si el material es sensible a la estática en el medio del laboratorio. e) d) Fisuras El método material cerámico es mediante un pel aetrac! r contacto de la del peiu:u•awJr sistemas de al retirar sometida al campo modela como por entalladas. indentación ANALES DE MECANICA DE tamaño de la zona inelástica en la punta de la ea pequeño comparado con el tamaño de la grieta y del Un parámetro importante es el valor umbral de II. K para la propagacwn (il. K0), el cual se define convencionalmente como el valor correspondiente a velocidades de propagación de m/ciclo. En la Fig. I se representan las curvas da/dN frente a b. K para algunos metales y cerámicas. 21 decir, tiene un valor que es aproximadamente un orden de magnitud inferior a la tenacidad de fractura.
Sin embargo, en los materiales cerámicos que presentan fatiga, este umbral suele ser de alrededor de la mitad de la tenacidad a fractura del material. En el régimen de París, es decir, para valores intennedios de II. K, la velocidad de propagación suele ser simplemente proporcional a una potencia de II. K: da/dN donde C y m son constantes . En el caso de los metales los valores de m están comprendidos entre 2 y 5, mientras que en las cerámicas varían entre 10 y 30. La velocidad de propagación es afectada por diversos mecanismos que se discuten en el 4.
MECANISMOS prinleros producen una zona deteriorada delante de la punta de la grieta y el avance de ésta podría producirse de forma similar al caso de metales, es decir, por nromamiento y aguzamiento de la punta de la misma. Por otra parte, en los mecanismos extrínsecos la fisura puede avanzar por los mecanismos propios de la fractura bajo carga constante. En este segundo caso, la influencia de la carga cíclica está restringida a una disminución del apantallamiento de la grieta y, por tanto, puede aumentar el factor de intensidad de tensiones en la punta de la misma. 4. 1. Cerámicas no transformables . 10 Velocidad de propagación en función del factor de intensidad de tensiones es sensible al cociente entre los valores extremos del factor intensidad de tensiones n cada ciclo el valor En materiales máximo de Ken el umbral de Es del orden de 10 El primer intento de explicar la degradación de las cerámicas por cargas cíclicas fue realizado por Williams [ 1] quien propuso que el calentamiento por fricción en la punta de la grieta podrí producir la rotura de la fase vítrea int la alúmina Localizad MicroplasticiW/Microcracking Mode 11 and 111 Crack Propagation on Unloading Degradation of Transformation Toughening degrea of ravarsability of transformation cyclic accommodation oftransformation strain cyclic modification of zona morphology /J– Crack np Blunting/Resharpening a) Damage to Bridging Zona friction and waar dagradation af: unbraken ligaments Continuum de un efecto de cuña en la pn::cí:sarnel Ite al contacto entre Este mecanismo induce deslizamiento en de la grieta y, por consiguiente, el material cargado adicionalmente en modo II y en modo m. Sin embargo, es interesante mencionar que no se observaron diferencias entre la cargas estáticas. Sin in-situ de la en SEM cíclicos de tracción han existencia de acumulación de 1 de de nitruru de silicio permanecen entre las caras de la produciendo el efecw de cuila Indicado antaiormente. 23
