En ciencia de materiales , la superplasticidad es un estado en el que el material cristalino sólido se deforma mucho más allá de su punto de rotura habitual, generalmente más del 400% durante la deformación por tracción. [1] Este estado generalmente se logra a alta temperatura homóloga . Ejemplos de materiales superplásticos son algunos metales y cerámicas de grano fino. Otros materiales no cristalinos (amorfos) como el vidrio de sílice ("vidrio fundido") y los polímeros también se deforman de manera similar, pero no se les llama superplásticos, porque no son cristalinos; más bien, su deformación se describe a menudo como fluido newtoniano . El material deformado superplásticamente se adelgaza de manera muy uniforme, en lugar de formar un "cuello" (un estrechamiento local) que conduce a la fractura. [2] Además, se inhibe la formación de microhuecos, que es otra causa de fractura temprana. [ cita requerida ] La superplasticidad no debe confundirse con la superelasticidad .
En algunos artefactos se ha encontrado alguna evidencia de flujo similar al superplástico en los metales, como en los aceros Wootz en la antigua India, a pesar de que la superplasticidad fue el primer reconocimiento científico en el siglo XX en el informe sobre el 163% de alargamiento en latón realizado por Bengough en 1912. [3] Posteriormente, Jenkins realizó un alargamiento superior del 300% en aleaciones Cd-Zn y Pb-Sn en 1928. [4] Sin embargo, esos trabajos no fueron más allá para establecer un nuevo fenómeno de las propiedades mecánicas de los materiales. Hasta que se publicó el trabajo de Pearson en 1934, se encontró un alargamiento significativo del 1950% en la aleación eutéctica Pb-Sn. [5] Fue fácil convertirse en el informe de elongación más extenso en la investigación científica en este momento. No hubo más interés en la superplasticidad en el mundo occidental durante más de 25 años después del esfuerzo de Pearson. Más tarde, Bochvar y Sviderskaya continuaron con la superplasticidad en la Unión Soviética con muchas publicaciones sobre aleaciones Zn-Al. En 1985 se estableció en la ciudad de Ufa, Rusia, un instituto de investigación centrado en la superplasticidad, el Instituto de Problemas de Superplasticidad de los Metales. Este instituto sigue siendo el único instituto mundial que trabaja exclusivamente en la investigación de la superplasticidad. El interés por la superplasticidad aumentó en 1982, cuando se celebró en San Diego la primera gran conferencia internacional sobre "Superplasticidad en materiales estructurales", editada por Paton y Hamilton. [6] A partir de ahí se han publicado numerosas investigaciones con resultados considerables. La superplasticidad es ahora el trasfondo de la deformación superplástica como técnica de aplicación aeroespacial esencial. [7]
En metales y cerámicas, los requisitos para que sea superplástico incluyen un tamaño de grano fino (menos de aproximadamente 10 micrómetros) y una temperatura de funcionamiento que a menudo es superior a la mitad del punto de fusión absoluto. Varios estudios han encontrado superplasticidad en materiales de grano grueso. [8] Sin embargo, la comunidad científica ha acordado que el umbral de tamaño de grano de 10 micrómetros es la condición previa para activar la superplasticidad. Generalmente, el crecimiento del grano a alta temperatura y, por lo tanto, mantener la estructura de tamaño de grano fino a temperatura homóloga, es el principal desafío en la investigación de la superplasticidad. La estrategia de microestructura típica utiliza una fina dispersión de partículas térmicamente estables, que fijan los límites de los granos y mantienen la estructura de los granos finos a las altas temperaturas y la existencia de múltiples fases necesarias para la deformación superplástica. La microestructura más típica de la aleación para la superplasticidad es la estructura eutéctica o eutectoide, como la que se encuentra en las aleaciones de Sn-Pb o Zn-Alloy. Aquellos materiales que cumplan con estos parámetros aún deben tener una sensibilidad a la tasa de deformación (una medida de la forma en que la tensión sobre un material reacciona a los cambios en la tasa de deformación) de >0,3 para ser considerados superplásticos. La sensibilidad de la tasa de deformación ideal es 0,5, que normalmente se encuentra en aleaciones microdúplex.
Los mecanismos de superplasticidad en los metales se determinan como deslizamiento de límites de grano (GBS). Sin embargo, el deslizamiento del límite de grano (GBS) puede conducir a la concentración de tensiones en la unión triple o en el límite de grano de las fases duras. Por tanto, el GBS en materiales estructurados policristalinos debe ir acompañado de otros procesos de acomodación como la difusión o la dislocación. Los modelos de difusión propuestos por Ashby y Verall explican un cambio gradual en la forma de los granos para mantener la compatibilidad entre los granos durante la deformación. [9] Los cambios en la forma del grano se realizan por difusión. El límite de grano migra para formar una forma equiáxica con una nueva orientación en comparación con los granos originales. El modelo de dislocación se explica porque la concentración de tensión por GBS se relajará mediante el movimiento de dislocación en los granos de bloqueo. La dislocación se acumula y la subida permitiría que se emitiera otra dislocación. Los detalles adicionales del modelo de dislocación aún están en debate, con varios propuestos por el modelo de Crossman y Ashby, Langdon y Gifkins. [10]
En general, la superplasticidad suele producirse a una velocidad de deformación lenta, del orden de 10 −4 s −1 , y puede consumir energía. Además, el tiempo prolongado de exposición a altas temperaturas de funcionamiento también degradaba las propiedades mecánicas de los materiales. Existe una fuerte demanda para aumentar la tasa de deformación en la deformación superplástica al orden de 10 −2 s −1 , lo que se denomina superplasticidad de alta tasa de deformación (HSRS). El incremento de la tasa de deformación en la deformación superplástica generalmente se logra mediante la reducción del tamaño del grano en el rango ultrafino de 100 a menos de 500 µm. Un mayor refinamiento del grano hasta una estructura nanocristalina con un tamaño de grano inferior a 100 nm es ineficaz para aumentar la tasa de deformación o mejorar la ductilidad. [11] El proceso de refinamiento de grano más común para la investigación HSRS utiliza Deformación Plástica Severa (SPD). [12] El SPD puede fabricar un refinamiento de grano excepcional hasta el rango submicrómetro o incluso nanométrico. Entre muchas técnicas de SPD, las dos técnicas más utilizadas son el prensado angular de canales iguales (ECAP) y la torsión de alta presión (HPT). Además de producir un tamaño de grano ultrafino, estas técnicas también proporcionan una alta fracción de límites de ángulo alto. Estos límites de grano de alto ángulo son un beneficio específico para aumentar las tasas de deformación. De la importancia del procesamiento de refinamiento de granos para la investigación de la superplasticidad, ECAP y HPT se han dedicado a posiciones principales en los estudios de superplasticidad en metales.
El proceso ofrece una serie de beneficios importantes, tanto desde el punto de vista del diseño como de la producción. Para empezar, existe la capacidad de formar componentes con doble curvatura y contornos suaves a partir de una sola hoja en una sola operación, con una precisión dimensional y un acabado superficial excepcionales, y sin el "retorno elástico" asociado con las técnicas de conformado en frío . Debido a que sólo se emplean herramientas de una sola superficie, los tiempos de entrega son cortos y la creación de prototipos es rápida y sencilla, porque se puede probar una variedad de espesores de láminas de aleación en la misma herramienta.
Actualmente se utilizan tres técnicas de formación para aprovechar estas ventajas. El método elegido depende de los criterios de diseño y rendimiento, como el tamaño, la forma y las características de la aleación .
Se coloca una pieza en bruto recubierta de grafito en una prensa hidráulica calentada . Luego se utiliza presión de aire para forzar que la lámina entre en estrecho contacto con el molde. Al principio, la pieza en bruto se pone en contacto con la cavidad de la matriz, lo que dificulta el proceso de formación por la fricción de la interfaz en bruto/matriz . Por tanto, las áreas de contacto dividen el abultamiento único en varios abultamientos, que experimentan un proceso de abombamiento libre. El procedimiento permite la producción de piezas con contornos exteriores relativamente exactos. Este proceso de conformado es adecuado para la fabricación de piezas con superficies lisas y convexas.
Se sujeta una pieza en bruto recubierta de grafito sobre una "bandeja" que contiene un molde macho calentado. La presión del aire fuerza al metal a entrar en estrecho contacto con el molde. La diferencia entre este y el proceso de conformación hembra es que el molde es, como se indicó, macho y el metal se fuerza sobre la forma que sobresale. Para la hembra que forma el molde es hembra y el metal se introduce a presión en la cavidad. [ cita necesaria ] La herramienta consta de dos cámaras de presión y un contrapunzón, que es desplazable linealmente. De manera similar a la tecnología de formación de cavidades, al comienzo del proceso, la presión del gas abomba la pieza en bruto firmemente sujeta. [ cita necesaria ]
La segunda fase del proceso implica que el material se forme sobre la superficie del punzón aplicando una presión contra la dirección de formación anterior. Debido al mejor uso del material, que es causado por las condiciones del proceso, se pueden usar piezas en bruto con un espesor inicial más pequeño en comparación con la formación de cavidades. Por tanto, la tecnología de formación de burbujas es especialmente adecuada para piezas con grandes profundidades de formación. [ cita necesaria ]
Se coloca una pieza en bruto recubierta de grafito en una prensa calentada . Se utiliza presión de aire para forzar que el metal adopte la forma de una burbuja antes de empujar el molde macho hacia la parte inferior de la burbuja para hacer una impresión inicial. Luego se utiliza presión de aire desde la otra dirección para dar forma final al metal alrededor del molde macho. Este proceso tiene tiempos de ciclo largos porque las tasas de deformación superplástica son bajas. El producto también sufre un rendimiento deficiente en fluencia debido a los tamaños de grano pequeños y puede haber porosidad por cavitación en algunas aleaciones. Sin embargo, la textura de la superficie es generalmente buena. Con herramientas dedicadas, matrices y máquinas son costosas. La principal ventaja del proceso es que puede utilizarse para producir componentes grandes y complejos en una sola operación. Esto puede resultar útil para mantener la masa baja y evitar la necesidad de trabajos de montaje, una ventaja particular para los productos aeroespaciales. Por ejemplo, el método de formación de diafragma (DFM) se puede utilizar para reducir la tensión de flujo de tracción generada en un compuesto de matriz de aleación específica durante la deformación .
Las aleaciones de aluminio formadas superplásticamente (SPF) tienen la capacidad de estirarse hasta varias veces su tamaño original sin fallar cuando se calientan entre 470 y 520 °C. Estas aleaciones diluidas que contienen circonio , más tarde conocidas con el nombre comercial SUPRAL, se trabajaron intensamente en frío para formar láminas y cristalizaron dinámicamente hasta un tamaño de grano fino y estable, típicamente de 4 a 5 μm, durante las etapas iniciales de deformación en caliente. Además, el conformado superplástico es una tecnología de procesamiento de forma neta que reduce drásticamente los costos de fabricación y ensamblaje al reducir la cantidad de piezas y los requisitos de ensamblaje. Utilizando la tecnología SPF, se anticipó que se puede lograr una reducción de costos de fabricación del 50% para muchos conjuntos de aeronaves, como los conjuntos de cono y cañón de morro. Otros beneficios incluyen la reducción de peso, la eliminación de miles de sujetadores, la eliminación de características complejas y una reducción significativa en el número de piezas. El gran avance para las aleaciones superplásticas de Al-Cu lo lograron Stowell, Watts y Grimes en 1969 cuando la primera de varias aleaciones de aluminio diluidas (Al-6% Cu-0,5% Zr) se volvió superplástica con la introducción de niveles relativamente altos de circonio en solución utilizando técnicas de fundición especializadas y posterior tratamiento eléctrico para crear precipitados de ZrAl 3 extremadamente finos .
Algunas aleaciones comerciales se han procesado termomecánicamente para desarrollar superplasticidad. El esfuerzo principal se ha centrado en las aleaciones de la serie Al 7000, las aleaciones Al-Li, los compuestos de matriz metálica a base de Al y los materiales aleados mecánicamente.
Las aleaciones de aluminio y sus compuestos tienen amplias aplicaciones en la industria automotriz. A temperatura ambiente, los compuestos suelen tener mayor resistencia en comparación con la aleación que los compone. A alta temperatura, la aleación de aluminio reforzada con partículas o bigotes como SiO 2 , Si 3 N 4 y SiC puede tener un alargamiento a la tracción superior al 700%. Los compuestos suelen fabricarse mediante pulvimetalurgia para garantizar tamaños de grano finos y una buena dispersión de los refuerzos. [13] El tamaño de grano que permite que se produzca la deformación superplástica óptima suele ser de 0,5 a 1 μm, menos que el requisito de la superplasticidad convencional. Al igual que otros materiales superplásticos, la sensibilidad a la tasa de deformación m es mayor que 0,3, lo que indica una buena resistencia contra el fenómeno de estricción local. Algunos compuestos de aleaciones de aluminio, como las series 6061 y 2024, han mostrado una superplasticidad con una alta tasa de deformación, lo que ocurre en un régimen de tasa de deformación mucho más alta que otros materiales superplásticos. [14] Esta propiedad hace que los compuestos de aleación de aluminio sean potencialmente adecuados para la conformación superplástica porque todo el proceso se puede realizar en poco tiempo, ahorrando tiempo y energía.
El mecanismo de deformación más común en los compuestos de aleaciones de aluminio es el deslizamiento del límite de grano (GBS) , que a menudo va acompañado de difusión de átomos/dislocaciones para adaptarse a la deformación. [15] El modelo del mecanismo GBS predice una sensibilidad a la tasa de deformación de 0,3, lo que concuerda con la mayoría de los compuestos de aleaciones de aluminio superplásticos. El deslizamiento de los límites de los granos requiere la rotación o migración de granos muy finos a temperaturas relativamente altas. Por lo tanto, es importante refinar el tamaño del grano y prevenir el crecimiento del grano a altas temperaturas.
También se dice que la temperatura muy alta (cerca del punto de fusión) está relacionada con otro mecanismo, el deslizamiento interfacial, porque a altas temperaturas aparecen líquidos parciales en la matriz. La viscosidad del líquido juega el papel principal para permitir el deslizamiento de los límites de los granos adyacentes. La cavitación y la concentración de tensiones causadas por la adición de refuerzos de segunda fase son inhibidas por el flujo de fase líquida. Sin embargo, demasiado líquido produce huecos, deteriorando así la estabilidad de los materiales. Por lo tanto, una temperatura cercana pero no superior al punto de fusión inicial suele ser la temperatura óptima. La fusión parcial podría provocar la formación de filamentos en la superficie de la fractura, lo que se puede observar con un microscopio electrónico de barrido . [16] La morfología y la química de los refuerzos también influyen en la superplasticidad de algunos compuestos. Pero todavía no se ha propuesto ningún criterio único para predecir sus influencias. [17]
Se han sugerido algunas formas de optimizar la deformación superplástica de los compuestos de aleaciones de aluminio, que también son indicativas para otros materiales:
En la industria aeroespacial , las aleaciones de titanio como Ti-6Al-4V encuentran un amplio uso en aplicaciones aeroespaciales, no sólo por su resistencia específica a altas temperaturas , sino también porque un gran número de estas aleaciones exhiben un comportamiento superplástico. El termoformado de láminas superplásticas se ha identificado como una ruta de procesamiento estándar para la producción de formas complejas, especialmente las que son susceptibles de conformado superplástico (SPF). Sin embargo, en estas aleaciones las adiciones de vanadio las hacen considerablemente caras y, por lo tanto, existe la necesidad de desarrollar aleaciones de titanio superplásticas con adiciones de aleación más baratas. La aleación Ti-Al-Mn podría ser un material candidato. Esta aleación muestra una deformación post-uniforme significativa a temperaturas ambiente y casi ambiental.
La aleación Ti-Al-Mn (OT4-1) se utiliza actualmente para componentes de motores aeronáuticos, así como para otras aplicaciones aeroespaciales, mediante su formación a través de una ruta convencional que normalmente requiere mucho costo, mano de obra y equipo. La aleación Ti-Al-Mn es un material candidato para aplicaciones aeroespaciales. Sin embargo, hay prácticamente poca o ninguna información disponible sobre su comportamiento de conformación superplástica. En este estudio, se estudió la formación de abultamientos superplásticos a alta temperatura de la aleación y se demuestran las capacidades de formación superplástica.
El abombamiento de láminas de metal a presión de gas se ha convertido en un método de conformado importante. A medida que avanza el proceso de abombamiento, se hace evidente un adelgazamiento significativo del material laminar. Se realizaron muchos estudios para obtener la altura de la cúpula con respecto al tiempo de formación útil para el diseñador del proceso para la selección del espesor inicial de la pieza en bruto, así como el adelgazamiento no uniforme en la cúpula después de la formación.
La aleación Ti-Al-Mn (OT4-1) estaba disponible en forma de chapa laminada en frío de 1 mm de espesor. La composición química de la aleación. Se utilizó una prensa hidráulica de 35 toneladas para formar el abultamiento superplástico de un hemisferio. Se fabricó y ensambló un conjunto de troquel con el sistema de tuberías que permitió no solo el lavado con gas inerte del conjunto de troquel antes del conformado, sino también el conformado de componentes bajo presión inversa , si fuera necesario. El diagrama esquemático de la configuración de conformado superplástico utilizado para el conformado de abultamientos con todos los accesorios necesarios y la fotografía del troquel superior (izquierda) e inferior (derecha) para SPF.
Se cortó una lámina circular (en blanco) de 118 mm de diámetro a partir de la lámina de aleación y se pulieron las superficies cortadas para eliminar las rebabas. Se colocó la pieza en bruto sobre el troquel y se puso en contacto la cámara superior. El horno se encendió a la temperatura ajustada. Una vez que se alcanzó la temperatura establecida, la cámara superior se bajó aún más para lograr la presión requerida del portapiezas. Se dejaron aproximadamente 10 minutos para el equilibrio térmico. El cilindro de gas argón se abrió gradualmente hasta la presión establecida. Simultáneamente, se configuró el transformador diferencial lineal variable (LVDT), instalado en la parte inferior de la matriz, para registrar el abultamiento de la lámina. Una vez que el LVDT alcanzó los 45 mm (radio del troquel inferior), se detuvo la presión del gas y se apagó el horno. Los componentes formados se retiraron cuando la temperatura del troquel había descendido a 600 °C. En esta etapa fue posible retirar fácilmente el componente. La formación de abultamientos superplásticos de hemisferios se llevó a cabo a temperaturas de 1098, 1123, 1148, 1173, 1198 y 1223 K (825, 850, 875, 900, 925 y 950 °C) a presiones de formación de 0,2, 0,4, 0,6 y 0,87 MPa. . A medida que avanza el proceso de formación de abultamientos, se hace evidente un adelgazamiento significativo del material laminar. Se utilizó una técnica ultrasónica para medir la distribución del espesor en el perfil del componente formado. Los componentes se analizaron en términos de distribución de espesor, deformación de espesor y factor de adelgazamiento. Se realizaron estudios microestructurales post-deformación de los componentes formados para analizar la microestructura en términos de crecimiento de grano, elongación de grano, cavitaciones, etc.
La microestructura del material recibido con un tamaño de grano bidimensional de 14 μm se muestra en la Fig. 8. [ se necesita aclaración ] El tamaño de grano se determinó utilizando el método de intercepción lineal tanto en la dirección longitudinal como en la transversal de la hoja enrollada. .
La formación superplástica exitosa de hemisferios se llevó a cabo a temperaturas de 1098, 1123, 1148, 1173, 1198 y 1223 K y presiones de formación de gas argón de 0,2, 0,4, 0,6 y 0,8 MPa. Se dio un tiempo máximo de 250 minutos para la formación completa de los hemisferios. Este tiempo límite de 250 minutos se fijó por razones prácticas. La figura 9 muestra una fotografía del blanco (muestra) y un componente formado abultado (temperatura de 1123 K y una presión del gas de formación de 0,6 MPa).
Los tiempos de formación de componentes formados con éxito a diferentes temperaturas y presiones de formación. A partir del recorrido del LVDT instalado en la parte inferior de la matriz (que midió la altura/profundidad del abultamiento) se obtuvo una estimación de la velocidad de formación. Se observó que la velocidad de conformación fue rápida inicialmente y disminuyó gradualmente para todos los rangos de temperatura y presión como se informa en la Tabla 2. A una temperatura particular, el tiempo de conformación se redujo a medida que aumentó la presión de conformación. De manera similar, a una presión de formación dada, el tiempo de formación disminuyó con un aumento de la temperatura.
El espesor del perfil abultado se midió en 7 puntos, incluida la periferia (base) y el poste. Estos puntos se seleccionaron tomando como referencia la línea entre el centro del hemisferio y el punto base y desplazándola 15° hasta alcanzar el punto polar. Por lo tanto, los puntos 1, 2, 3, 4 y 5 subtienden un ángulo de 15°, 30°, 45°, 60° y 75° respectivamente con la base del hemisferio como se muestra en la Fig. 10. El espesor se midió en cada de estos puntos en el perfil del abultamiento mediante una técnica ultrasónica. Los valores de espesor para cada uno de los componentes hemisféricos formados con éxito.
La figura 11 muestra el espesor del polo de hemisferios completamente formados en función de la presión de formación a diferentes temperaturas. A una temperatura particular, el espesor del polo se reducía a medida que aumentaba la presión de formación. En todos los casos estudiados, el espesor del poste estuvo en el rango de aproximadamente 0,3 a 0,4 mm respecto al espesor original de la pieza inicial de 1 mm.
La deformación del espesor , donde es el espesor local y el espesor inicial, se calculó en diferentes ubicaciones para todos los componentes formados con éxito. Para una presión particular, la deformación del espesor se redujo a medida que se incrementó la temperatura de formación. La Fig. 12 muestra la deformación del espesor, en función de la posición a lo largo de la sección transversal de la cúpula en el caso de un componente formado a 1123 K a una presión de formación de 0,6 MPa.
La microestructura postformada reveló que no hubo cambios significativos en el tamaño del grano. La figura 13 muestra la microestructura del componente formado abultado en la base y el polo para un componente formado a una temperatura de 1148 K y una presión de formación de 0,6 MPa. Estas microestructuras no muestran cambios significativos en el tamaño de grano.
Se estudió el comportamiento de deformación a alta temperatura y la capacidad de formación superplástica de una aleación de Ti-Al-Mn. La formación exitosa de hemisferios de 90 mm de diámetro utilizando la ruta superplástica se llevó a cabo en un rango de temperatura de 1098 a 1223 K y un rango de presión de formación de 0,2 a 0,8 MPa. Se podrían sacar las siguientes conclusiones:
Principalmente en materiales no calificados, como el acero austenítico de aleación Fe-Mn-Al, que tiene algunos de los parámetros específicos del material estrechamente relacionados con mecanismos microestructurales. Estos parámetros se utilizan como indicadores de la potencialidad superplástica del material. El material se sometió a pruebas de tracción en caliente, dentro de un rango de temperatura de 600 °C a 1000 °C y velocidades de deformación que variaron de 10-6 a 1 s-1. El parámetro de sensibilidad de la velocidad de deformación (m) y el alargamiento máximo observado hasta la ruptura (εr) se pudieron determinar y también obtener a partir de la prueba de tracción en caliente.
Los experimentos indicaron la posibilidad de un comportamiento superplástico en una aleación de Fe-Mn-Al dentro de un rango de temperatura de 700 °C a 900 °C con un tamaño de grano de alrededor de 3 μm (tamaño de grano ASTM 12) y una sensibilidad promedio a la velocidad de deformación de m ~ 0,54. así como un alargamiento máximo a la rotura en torno al 600%.
El comportamiento superplástico de las aleaciones Fe-28Al, Fe-28Al-2Ti y Fe-28Al-4Ti se ha investigado mediante ensayos de tracción, microscopía óptica y microscopía electrónica de transmisión. Las pruebas de tracción se realizaron a 700–900 °C en un rango de velocidad de deformación de aproximadamente 10 −5 a 10 −2 /s. Se encontró que el índice de sensibilidad de la tasa de deformación máxima m era 0,5 y el mayor alargamiento alcanzó el 620%. En Fe3Al y Fe Al, las aleaciones con tamaños de grano de 100 a 600 μm exhiben todas las características de deformación de las aleaciones superplásticas convencionales de tamaño de grano fino.
Sin embargo, se encontró comportamiento superplástico en aluminuros de hierro de grano grande sin los requisitos habituales para la superplasticidad de un tamaño de grano fino y deslizamiento de los límites de grano. Los exámenes metalográficos han demostrado que el tamaño medio de grano de los aluminuros de hierro de grano grande disminuye durante la deformación superplástica.
Las propiedades de los materiales cerámicos, como todos los materiales, están dictadas por los tipos de átomos presentes, los tipos de enlaces entre los átomos y la forma en que los átomos están empaquetados. Esto se conoce como estructura de escala atómica. La mayoría de las cerámicas se componen de dos o más elementos. Esto se llama compuesto. Por ejemplo, la alúmina ( Al 2 O 3 ), es un compuesto formado por átomos de aluminio y átomos de oxígeno .
Los átomos de los materiales cerámicos se mantienen unidos mediante un enlace químico. Los dos enlaces químicos más comunes de los materiales cerámicos son el covalente y el iónico. En el caso de los metales, el enlace químico se llama enlace metálico. El enlace de los átomos entre sí es mucho más fuerte en los enlaces covalentes e iónicos que en los metálicos. Por eso, en general, los metales son dúctiles y las cerámicas frágiles. Debido a la amplia gama de propiedades de los materiales cerámicos, se utilizan para multitud de aplicaciones. En general, la mayoría de las cerámicas son:
Se ha observado superplasticidad con alta tasa de deformación en aleaciones a base de aluminio y magnesio. Pero en el caso de los materiales cerámicos , la deformación superplástica se ha restringido a bajas tasas de deformación para la mayoría de los óxidos y nitruros con la presencia de cavidades que conducen a fallas prematuras. Aquí mostramos que un material cerámico compuesto que consiste en óxido de circonio tetragonal, aluminatos de magnesio en fase espinal y alfa-alúmina exhibe superplasticidad a velocidades de deformación de hasta 1,0 s −1 . El compuesto también exhibe un gran alargamiento por tracción, superior al 1050 % o una velocidad de deformación de 0,4 s −1 . Los metales y cerámicas superplásticos tienen la capacidad de deformarse más del 100% sin fracturarse, lo que permite formar una red a altas temperaturas. Estos interesantes materiales se deforman principalmente por el deslizamiento de los límites de los granos, un proceso que se acelera con un tamaño de grano fino. Sin embargo, la mayoría de las cerámicas que comienzan con un tamaño de grano fino experimentan un rápido crecimiento de grano durante la deformación a alta temperatura, lo que las hace inadecuadas para la conformación superplástica prolongada. Se puede limitar el crecimiento del grano utilizando una segunda fase menor (fijación Zener) o haciendo una cerámica con tres fases, donde se minimiza el contacto grano a grano de la misma fase. Una investigación sobre alúmina-mullita trifásica ( 3Al 2 O 3 ·2SiO 2 )-zirconia de grano fino, con fracciones de volumen aproximadamente iguales de las tres fases, demuestra que velocidades de deformación superplástica tan altas como 10 −2 /s a 1500 °C pueden ser alcanzado. Estas altas tasas de deformación colocan la formación de superplásticos cerámicos en el ámbito de la viabilidad comercial.
La formación superplástica solo funcionará si no se producen cavitaciones durante el deslizamiento de los límites de grano, dejando esas cavitaciones ya sea acomodación por difusión o generación de dislocaciones como mecanismos para acomodar el deslizamiento de los límites de grano. Las tensiones aplicadas durante la formación de superplásticos cerámicos son moderadas, generalmente de 20 a 50 MPa, generalmente no lo suficientemente altas como para generar dislocaciones en cristales individuales, por lo que deberían descartar la acomodación de las dislocaciones. Sin embargo, se revelarán algunas características inusuales y únicas de estas cerámicas superplásticas de tres fases, lo que indica que las cerámicas superplásticas pueden tener mucho más en común con los metales de lo que se pensaba anteriormente.
Como estabilizador se utiliza óxido de itrio. Este material tiene una estructura predominantemente tetragonal. Y-TZP tiene la mayor resistencia a la flexión de todos los materiales a base de circonio. El tamaño de grano fino de Y-TZP se presta para su uso en herramientas de corte donde se puede lograr y mantener un borde muy afilado debido a su alta resistencia al desgaste. Se considera la primera cerámica policristalina verdadera que demuestra ser superplástica con un % de Y-TZP de 3 moles (3Y-TZP), que ahora se considera el sistema cerámico modelo. El tamaño fino da como resultado una cerámica muy densa y no porosa con excelente resistencia mecánica, resistencia a la corrosión, tenacidad al impacto , resistencia al choque térmico y muy baja conductividad térmica. Por sus características Y-TZP se utiliza en piezas de desgaste, herramientas de corte y recubrimientos de barrera térmica .
Las propiedades superplásticas del 3Y-TZP se ven muy afectadas por el tamaño del grano como se desplaza en la Fig. 3, el alargamiento hasta la falla disminuye y la resistencia al flujo aumenta mientras aumenta el tamaño del grano. Se realizó un estudio sobre la dependencia del esfuerzo de fluencia con el tamaño de grano, el resultado –en resumen- muestra que el esfuerzo de fluencia depende aproximadamente del tamaño de grano al cuadrado:
Dónde:
La alúmina es probablemente una de las cerámicas estructurales más utilizadas, pero la superplasticidad es difícil de obtener en la alúmina, como resultado del rápido crecimiento anisotrópico del grano durante la deformación a alta temperatura. Independientemente de esto, se han realizado varios estudios sobre la superplasticidad en Al 2 O 3 de grano fino dopado . Se demostró que el tamaño de grano de Al 2 O 3 que contiene 500 ppm de MgO se puede refinar aún más agregando varios dopantes, como Cr 2 O 3 , Y 2 O 3 y TiO 2 . Se obtuvo un tamaño de grano de aproximadamente 0,66 µm en Al 2 O 3 dopado con Y23 a 500 ppm . Como resultado de este tamaño de grano fino, el Al 2 O 3 presenta un alargamiento de rotura del 65 % a 1450 °C bajo una tensión aplicada de 20 MPa. [19]
