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Compuesto de matriz metálica

En ciencia de materiales , un compuesto de matriz metálica ( MMC ) es un material compuesto con fibras o partículas dispersas en una matriz metálica , como cobre , aluminio o acero . La fase secundaria suele ser una cerámica (como alúmina o carburo de silicio ) u otro metal (como acero [1] ). Normalmente se clasifican según el tipo de refuerzo : fibras cortas discontinuas (bigotes), fibras continuas o partículas. Existe cierta superposición entre las MMC y los cermets , y estos últimos suelen contener menos del 20 % de metal en volumen. Cuando están presentes al menos tres materiales, se denomina composite híbrido . Los MMC pueden tener relaciones resistencia-peso , [2] rigidez y ductilidad mucho más altas que los materiales tradicionales, por lo que a menudo se utilizan en aplicaciones exigentes. Las MMC suelen tener una conductividad térmica y eléctrica más baja y una resistencia deficiente a la radiación [ cita necesaria ] , lo que limita su uso en los entornos más hostiles.

Composición

Las MMC se fabrican dispersando un material de refuerzo en una matriz metálica. La superficie de refuerzo puede recubrirse para evitar una reacción química con la matriz. Por ejemplo, las fibras de carbono se utilizan comúnmente en matrices de aluminio para sintetizar compuestos que muestran baja densidad y alta resistencia. Sin embargo, el carbono reacciona con el aluminio para generar un compuesto frágil y soluble en agua Al 4 C 3 en la superficie de la fibra. Para evitar esta reacción, las fibras de carbono se recubren con níquel o boruro de titanio .

Matriz

La matriz es el material monolítico en el que se incrusta el refuerzo y es completamente continua. Esto significa que hay un camino a través de la matriz hasta cualquier punto del material, a diferencia de dos materiales intercalados. En aplicaciones estructurales, la matriz suele ser un metal más ligero como aluminio , magnesio o titanio , y proporciona un soporte completo para el refuerzo. En aplicaciones de alta temperatura, son comunes las matrices de cobalto y aleaciones de cobalto-níquel.

Reforzamiento

El material de refuerzo está incrustado en una matriz. El refuerzo no siempre cumple una función puramente estructural (reforzar el compuesto), sino que también se utiliza para cambiar propiedades físicas como la resistencia al desgaste , el coeficiente de fricción o la conductividad térmica . El refuerzo puede ser continuo o discontinuo. Las MMC discontinuas pueden ser isotrópicas y pueden trabajarse con técnicas estándar de trabajo de metales, como extrusión, forja o laminación. Además, pueden mecanizarse utilizando técnicas convencionales, pero normalmente necesitarían el uso de herramientas de diamante policristalino (PCD).

El refuerzo continuo utiliza alambres monofilamento o fibras como la fibra de carbono o el carburo de silicio . Debido a que las fibras están incrustadas en la matriz en una dirección determinada, el resultado es una estructura anisotrópica en la que la alineación del material afecta su resistencia. Una de las primeras MMC utilizó filamento de boro como refuerzo. El refuerzo discontinuo utiliza "bigotes" , fibras cortas o partículas. Los materiales de refuerzo más comunes en esta categoría son la alúmina y el carburo de silicio . [3]

Métodos de fabricación y conformado.

La fabricación de MMC se puede dividir en tres tipos: sólido, líquido y vapor.

Métodos de estado sólido

Métodos de estado líquido

Métodos de estado semisólido

Deposición de vapor

Técnica de fabricación in situ.

Estrés residual

Las MMC se fabrican a temperaturas elevadas, lo cual es una condición esencial para la unión por difusión de la interfaz fibra/matriz. Posteriormente, cuando se enfrían a temperatura ambiente, se generan tensiones residuales (RS) en el composite debido al desajuste entre los coeficientes de la matriz metálica y la fibra. Los RS de fabricación influyen significativamente en el comportamiento mecánico de las MMC en todas las condiciones de carga. En algunos casos, las RS térmicas son lo suficientemente altas como para iniciar la deformación plástica dentro de la matriz durante el proceso de fabricación. [8]

Efecto sobre las propiedades mecánicas

La adición de partículas cerámicas en general aumenta la resistencia del material al tiempo que tiene un compromiso en la ductilidad del material. Por ejemplo, un compuesto de Al-Al 2 O 3 puede aumentar el límite elástico de las aleaciones fundidas Al 6061 de 105 a 120 MPa y aumentar el módulo de juventud de 70 a 95 GPa. [9] Sin embargo, el compuesto tuvo efectos negativos sobre la ductilidad, disminuyéndola del 10% al 2%. En última instancia, el aumento del módulo elástico es significativo porque los metales se benefician de la mayor rigidez específica de la cerámica y al mismo tiempo conservan cierta ductilidad . [10] [11] Los compuestos de matriz metálica también pueden aumentar significativamente la resistencia al desgaste y la dureza de las aleaciones de aluminio. Se encontró que las partículas de Al 2 O 3 aumentaban significativamente la resistencia al desgaste de una aleación de Al-Si, y las partículas de SiO 2 aumentaban significativamente la dureza de una aleación de Al-Mg. [12] [13] La aplicación de esto es en aleaciones ligeras y resistentes al desgaste para componentes de desgaste como camisas de pistón en motores de automóviles. Las aleaciones de aluminio actuales son blandas y a menudo requieren revestimientos de hierro fundido pesados ​​y duros, lo que reduce los beneficios de los motores de aluminio livianos.

La tenacidad a la fractura de los compuestos suele estar dominada por las fases metálicas; sin embargo, también puede estar dominado por la fase cerámica o la delaminación dependiendo del sistema material. [14] Por ejemplo, el sistema Cu/Al 2 O 3 tiene un alto desajuste de expansión térmica que causa tensiones localizadas que fomentan la propagación de grietas en forma de delaminación. Esto inhibe significativamente su tenacidad a la fractura en comparación con otras composiciones. En un sistema cocontinuo Al/Al 2 O 3 la grieta se propagó a través de la fase cerámica y se desvió al alcanzar las interfaces con las fases metálicas. Como resultado, se necesitó más energía para desviar la grieta alrededor de las fases y el compuesto se endureció significativamente. En general, la tenacidad a la fractura depende en gran medida de la composición del MMC debido al desajuste térmico y los modos de fisura, pero puede endurecer compuestos con un bajo desajuste térmico.

Las MMC fortalecen los materiales contra la plasticidad por diversas razones. La primera es la transferencia directa de carga a las partículas cerámicas más fuertes. [15] El segundo se debe a la diferencia en la deformación plástica de los dos componentes. Esto hace que una dislocación quede fijada en las partículas más fuertes y se doble alrededor de ellas para continuar moviéndose. Las dislocaciones generalmente provocan deformación plástica debido a la menor energía para moverlas en lugar de mover un plano completo de átomos. Por lo tanto, fijarlos provoca un gran aumento en la energía y la tensión necesarias para la deformación plástica (ver Endurecimiento por precipitación ). El mecanismo final es causado por el estrés causado por el desajuste térmico y de coherencia. [16] Esto crea un campo de tensión que atrapa las dislocaciones creando un choque que inhibe aún más la deformación plástica.

Aplicaciones

Las MMC casi siempre son más caras que los materiales más convencionales a los que reemplazan. Como resultado, se encuentran allí donde las propiedades y el rendimiento mejorados pueden justificar el costo adicional. Hoy en día, estas aplicaciones se encuentran con mayor frecuencia en componentes de aeronaves, sistemas espaciales y equipos deportivos de alta gama o "boutique". Sin duda, el alcance de las aplicaciones aumentará a medida que se reduzcan los costos de fabricación.

En comparación con los compuestos de matriz polimérica convencionales, los MMC son resistentes al fuego, pueden funcionar en un rango más amplio de temperaturas, no absorben la humedad , tienen mejor conductividad eléctrica y térmica, son resistentes a los daños por radiación y no presentan desgasificación . Por otra parte, las MMC tienden a ser más caras, los materiales reforzados con fibras pueden ser difíciles de fabricar y la experiencia disponible en su uso es limitada.

Ver también

Referencias

  1. ^ Gopi Krishna, M.; Praveen Kumar, K.; Naga Swapna, M.; Babu Rao, J.; Bhargava, NRMR (2018). "Compuestos metal-metal: una forma innovadora de fortalecimiento múltiple". Materiales hoy: actas . 4 (8): 8085–8095. doi :10.1016/j.matpr.2017.07.148. ISSN  2214-7853.
  2. ^ Dieter, George E. (1986). Metalurgia mecánica (3ª ed.). Nueva York: McGraw-Hill. págs. 220–226. ISBN 0-07-016893-8. OCLC  12418968.
  3. ^ Ciencia e ingeniería de materiales, una introducción . William D. Callister Jr, 7.a edición, publicación de Wiley and sons
  4. ^ Wu, Yufeng; Brecha; Kim, Yong (2011). "Compuesto de aluminio reforzado con nanotubos de carbono fabricado mediante procesamiento de polvo semisólido". Revista de tecnología de procesamiento de materiales . 211 (8): 1341-1347. doi :10.1016/j.jmatprotec.2011.03.007.
  5. ^ Wu, Yufeng; Yong Kim, Gap; et al. (2010). "Fabricación de compuesto Al6061 con alta carga de partículas de SiC mediante procesamiento de polvo semisólido". Acta Materialia . 58 (13): 4398–4405. doi :10.1016/j.jmatprotec.2011.03.007.
  6. ^ Wu, Yufeng; Yong Kim, Gap; et al. (2015). "Comportamiento de compactación de la mezcla de polvo binario Al6061 y SiC en estado blando". Revista de tecnología de procesamiento de materiales . 216 : 484–491. doi :10.1016/j.jmatprotec.2014.10.003.
  7. ^ Tecnología de deposición de vapor dirigida (DVD) de la Universidad de Virginia
  8. ^ Agdam, MM; Morsali, SR (1 de enero de 2014). Esfuerzos residuales en materiales compuestos . Publicación Woodhead. págs. 233–255. ISBN 9780857092700.
  9. ^ Parque, BG; Crosky, AG; Hellier, Alaska (1 de mayo de 2001). "Caracterización de materiales y propiedades mecánicas de compuestos de matriz metálica Al2O3-Al". Revista de ciencia de materiales . 36 (10): 2417–2426. doi :10.1023/A:1017921813503. ISSN  1573-4803.
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  17. ^ Inserciones de compuesto de matriz de aluminio (AMC) para pinzas de freno reforzadas (Archivado)
  18. ^ Soluciones industriales: compuestos de matriz metálica: material compuesto de matriz metálica de alto rendimiento y alta resistencia (archivado)
  19. ^ Ratti, A.; R. Gough; Sr. Hoff; R. Keller; K. Kennedy; R MacGill; J. Grapas (1999). "El módulo prototipo de SNS RFQ" (PDF) . Actas de la Conferencia sobre aceleradores de partículas de 1999 (n.º de catálogo 99CH36366) . vol. 2. págs. 884–886. Código Bib : 1999pac..conf..884R. doi :10.1109/PAC.1999.795388. ISBN 978-0-7803-5573-6. S2CID  110540693. Archivado desde el original (PDF) el 26 de marzo de 2010 . Consultado el 9 de marzo de 2009 .
  20. ^ Mochizuki, T.; Y. Sakurai; D. Shu; TM Kuzay; H. Kitamura (1998). "Diseño de absorbentes compactos para líneas de luz onduladoras de rayos X de alta carga térmica en SPring-8" (PDF) . Revista de radiación sincrotrón . 5 (4): 1199–1201. doi :10.1107/S0909049598000387. PMID  16687820. Archivado (PDF) desde el original el 26 de julio de 2011.

enlaces externos