CONAMET/SAM 2006 MATERIALES CERÁMICOS: INFLUENCIA DE LA ZIRCONIA PARCIALMENTE ESTABILIZADA (PSZ) EN LAS PROPIEDADES FRENTE A CARGAS DINÁMICAS L. Gómeza ; F. R. Agüerab, c ; A. Reynosob ; V.E. Fierrob, c ; H.N. Alvarez Villarb, c ; E. S. Ayllónb a CITEFA, Departamento Propulsión, Div. Metalurgia y Pulvimetalurgia. Juan Bautista de La Salle 4397 (B1603ALO), Villa Martelli, Pcia. de Bs. As. Argentina. b CITEFA, Departamento Ciencia y Técnica de Materiales (DEIMAT). Juan Bautista de La Salle 4397 (B1603ALO), Villa Martelli, Pcia. de Bs. As. Argentina. c Universidad de la Marina Mercante(UdeMM-DICyT). Rivadavia 2258 (C1034ACO) Ciudad Autónoma de Bs. As. Argentina e-mail: lgomez@citefa.gov.ar RESUMEN Los materiales cerámicos han estado presentes en la historia del hombre desde hace milenios para fines muy diversos, desde aplicaciones puramente decorativas como las porcelanas, hasta elementos de construcción. No obstante, debido a su fragilidad, nunca se les llega aconsiderar como estructuralmente importantes. Fue en los años cincuenta con la aparición de la cerámica de oxidos (Al203 , ZrO2 , BeO, MgO) cuando los materiales cerámicos empezaron a atraer el interés de investigadores que especularon sobre su aplicación en ambientes de altas temperaturas y corrosivos. En 1975 los trabajos de Garvie y col dan lugar a una nueva familia de cerámicos basados en la adición de óxido de circonio. Sin embargo, para que la ZrO2 actúe como un material de refuerzo del cerámico, debe encontrarse presente en su forma tetragonal ya que se ha documentado que el mecanismo a través del cual la ZrO2 refuerza la matriz cerámica es el de la transformación de ZrO2–tetragonal a ZrO2– monoclínica, que ocurre cuando el material es sometido a esfuerzos, consiguiendo de este modo mejorar sus propiedades mecánicas gracias a una expansión volumétrica (Subbarao 1981. Jiménez y Domínguez 1991) ocurrida durante dicha transformación. La retención de la ZrO2-tetragonal no es sencilla a temperatura ambiente ya que ésta es una fase estable a temperaturas mayores a 1200°C, siendo la forma monoclínica la que persiste a bajas temperaturas. Diversos autores han sugerido el uso de aditivos como estabilizadores de la ZrO2–tetragonal a temperatura ambiente dentro de los cuales se tienen los siguientes: CaO, MgO, CeO e Y2O3 . Los cerámicos de alúmina son materiales de muy alta resistencia mecánica y al impacto que los hacen particularmente aptos para su aplicación en blindajes balísticos. En este trabajo se estudió el efecto de zirconia y alúmina en las propiedades mecánicas y la penetración y fragmentación frente a un impacto balístico, de las losetas obtenidas por sinterización a partir de alúmina y zirconia parcialmente estabilizada con Y2O3 (Y-PSZ). Fueron procesadas diferentes composiciones predominando, volumétricamente, siempre una matriz de alúmina. Además de las experiencias de impacto se evaluaron también las propiedades mecánicas. La caracterización mecánica de las probetas preparadas con las distintas formulaciones se realizó mediante ensayos de: Dureza Rockwell, Flexión en tres puntos para determinar la tensión de fractura “σ” y el módulo elástico “E”, valor de impacto charpy, (CIV), realizado en un charpy (4 Joules) y ensayos balísticos para los que se utilizaron proyectiles calibre 7,62 mm. Se analizaron los resultados obtenidos comparándolos contra formulaciones de alúmina sin el agregado de Zirconia. Palabras Claves: Zirconia, alúmina, propiedades mecánicas, cargas dinámicas. 1. 1.1. INTRODUCCION Introducción a los materiales cerámicos. Los materiales cerámicos son compuestos químicos constituidos por metales y no metales (óxidos, nitruros, carburos, etc.) que incluyen minerales de arcilla, cementos y vidrios. Desde el punto de vista mecánico, son duros y ligeros pero frágiles. Estos materiales tienen dos características importantes, son generalmente más duros, resistentes y ligeros que los metales y además, son capaces de mantener una elevada resistencia a la deformación a altas temperaturas, incluso en ambientes agresivos. Sin embargo, las potenciales aplicaciones de los materiales cerámicos están condicionadas por su fragilidad, que da lugar a fracturas catastróficas repentinas y a una baja resistencia a los choques térmicos. Como la mayoría de los cerámicos la alúmina carece de un valor importante de su tenacidad a la fractura por lo que algunos autores han sugerido el uso de ZrO2 como un material de refuerzo [1]. Sin embargo, para que la ZrO2 actúe como refuerzo debe encontrarse presente en su forma tetragonal ya que se ha documentado que el mecanismo a través del cual la ZrO2 refuerza la matriz cerámica es el de la transformación de ZrO2– tetragonal a ZrO2– monoclínica cuando el material es sometido a esfuerzos. La retención de la ZrO2tetragonal no es sencilla a temperatura ambiente ya que ésta es una fase estable a temperaturas mayores a 1200°C, siendo la forma monoclínica la que persiste a bajas temperaturas. Diversos autores [24] han sugerido el uso de aditivos como estabilizadores de la ZrO2–tetragonal a temperatura ambiente dentro de los cuales se tienen los siguientes: CaO, MgO, CeO e Y2O3 . La transformación ZrO2 -t ZrO2 -m es martensítica [5] y va acompañada de un incremento de volumen del 6 % [6,7]. Estos compuestos se conocen como FSZ “Fully Stabilized Zirconia”. Sin embargo, el material de mayor importancia tecnológica es el PSZ “Partially Stabilized Zirconia” con un 9 % molar de Mg o un 3 a 6 % molar de Y. 1.2. Figura 1: Representación de los tres polimorfismos de la circona: a) cúbico, b) tetragonal, c) monoclínico. 1.3. El sistema ZrO – Y2O3 El diagrama propuesto por Scott [9,10] (figura 2) es el comúnmente aceptado para el sistema Y2O3-ZrO2 . Los límites de la zona de coexistencia de las fases cúbica y tetragonal aún no son conocidos con exactitud lo que puede inducir diferencias de hasta 3% en la proporción de fases presentes . El diagrama de fases de la figura 2 muestra que las regiones de solución sólida de las fases tetragonal y monoclínica están comprendidas entre 1200C (circona pura) hasta un valor poco menor de 600C, según la cantidad de estabilizante. En este caso, FSZ es para valores mayores de 12 % molar (toda la fase es cúbica) y PSZ se da entre 2 y 12 % molar coexistiendo las fases monoclínicas y cúbicas. Además las cerámicas PSZ se “autorreparan” ya que evitan la propagación de microgrietas debido a una transformación de fases de tetragonal a la monoclínica que al aumentar de volumen rellena la grieta e impide que se propague. Este es un mecanismo general que se conoce como aumento de la tenacidad por transformación de fase [11,12]. Microestructura de la circona La circona pura presenta tres formas polimórficas en función de la temperatura: monoclínica, tetragonal y cúbica, las cuales se muestran en la figura 1. Figura 2: Diagrama de fases de Y2O3 –ZrO2 . 1.4. Mecanismos de reforzamiento en materiales cerámicos de circonia. En los materiales cerámicos al no haber un movimiento apreciable de dislocaciones [13,14], al menos a temperatura ambiente, no se crea una zona plastificada en el frente de grieta como sucede en muchos metales. La fractura a temperatura ambiente se producirá por clivaje una vez alcanzada la tensión necesaria para la propagación de defectos. No obstante, hay múltiples mecanismos que aumentan la tenacidad en estos materiales, y crean una zona en proceso de fractura alrededor del fondo de la grieta Hacer una clasificación de estos mecanismos es cuando menos arriesgado ya que existen numerosos trabajos dedicados al estudio de este tema [13,15-17], cada uno de ellos con su propio punto de vista a la hora de clasificar los mecanismos, y de especificar cómo contribuyen al incremento de la tenacidad. Además, varios mecanismos de reforzamiento pueden operar simultáneamente, de forma que separar el efecto de cada uno de ellos en la tenacidad final es difícil. Para aleaciones de circona existen tres mecanismos principales [18-20]: • Aumento de tenacidad por transformación • Aumento de tenacidad por microfisuras inducidas por la transformación. • Aumento de tenacidad por desvío de trayectoria de la fisura. 1.4.1. Mecanismo de transformación de fases La circona tetragonal presenta el mecanismo de transformación de fases t-m en la punta de una fisura, que trae como consecuencia un aumento de volumen entre el 4-6% ocasionando un aumento de la tenacidad. El valor del aumento de tenacidad por transformación, depende de la morfología y dimensiones de la zona transformada, donde se producen efectos diferentes en la zona frontal y en las caras de la fisura. El mecanismo de microfisuración está relacionado con la relajación de las tensiones residuales presentes en el material, y consiste en el surgimiento de microfisuras alrededor de las partículas transformadas. Figura 4: Formación de zona de microfisuración alrededor de la fisura. Figura 5: .Inclusión de microgrietas adicionales durante la propagación del borde de la grieta. 1.4.3. Desvío de la trayectoria de la fisura Los cambios en la trayectoria se deben a obstáculos que impiden el avance de la fisura [21], cuando la fisura intenta superar el obstáculo puede rodearlo, o de otra forma lo puede evitar por inflexión de la fisura o por un giro de su frente (figura 6). Figura 6: Cambios en el camino de la propagación de una fisura. Figura 3a: Distribución de granos transformados. Figura 3b: Zona transformada alrededor de una fisura, zona frontal y zona transformada rodeando a la fisura. 1.4.2 Microfisuración En los cerámicos reforzados con PSZ, la curva-R es resultado de la activación de los distintos micromecanismos de aumento de la tenacidad según va creciendo la grieta [22-27] (el tamaño de la zona cohesiva va creciendo conforme la grieta se propaga en el material) hasta que alcanza un tamaño crítico (un estado estacionario en el que el tamaño de la zona cohesiva se mantiene uniforme, y se desplaza con el frente de grieta) que determina el inicio de la zona de la meseta, o asíntota de la curva-R (Fig.7). Figura. 7:. Curva R-Δa. Para resolver este problema, la idea es poner atrás de la cerámica una capa de material que posea una mayor elasticidad, de manera que frente a un impacto absorberá la energía residual del impacto por deformación de este material soporte. El material usado en este ensayo es aluminio. El proceso que tiene lugar durante el impacto es el siguiente (Figura 8): 1.5. Comportamiento de los materiales frente a un impacto balístico. Frente a un impacto balístico, el comportamiento de los metales y las cerámicas es totalmente diferente. Los materiales cerámicos presentan el comportamiento siguiente : - No poseen una deformación plástica frente a un impacto, mantienen su elasticidad hasta el momento de su fractura (su modulo de elasticidad es muy alto). - Teniendo un punto de fusión muy alto, no sufren efecto de la temperatura en el momento del impacto. No se deforman y conservan todas sus propiedades. - Por el efecto del choque, las cerámicas se fracturan, pero fracturan al mismo tiempo el proyectil por erosión. - Entonces, el proyectil o lo que resta del mismo se detiene. Placa cerámica Placa de aluminio 1 1- En el momento del impacto se produce una onda de choque esférica provocada por la compresión del proyectil sobre la placa cerámica. Por la resistencia del substrato cerámico, el extremo del proyectil se fractura. 2- Las ondas de choque de compresión se propagan a través la placa de cerámica y se reflejan sobre la superficie libre. Las ondas reflejadas son ondas de choque de tracción que fracturan la cerámica hasta la superficie opuesta a la del impacto, pero sobre la línea de trayectoria de la bala. La cerámica en la vecindad de esa trayectoria se fractura en un volumen cuyos limites forman un cono y sus esquirlas cerca de la superficie libre tienden a separarse. 3- El proyectil continúa su penetración en la cerámica fracturada, causando así la deformación plástica de la capa de aluminio trasera. En este proceso, el proyectil se fractura y pierde la mayor parte de su energía cinética, con lo cual pierde su poder de penetración. 4- La capa de aluminio se deforma sin llegar ha ser perforada por los restos del proyectil y de las partículas de la cerámica absorbiendo en esta deformación la energía residual de ese proyectil. Por lo tanto, el proyectil o lo que queda del mismo se detiene. 2 3 4 Dirección del proyectil Figura 8: Proceso de impacto Los materiales cerámicos, utilizados solos, no son eficientes para detener un proyectil. En efecto, un impacto de proyectil rompe la cerámica facilitando así la penetración de otros proyectiles. Pese a no haber encontrado información disponible sobre el comportamiento de cerámicos de alúmina reforzado con PSZ frente a un impacto balístico, cabe esperar que los mecanismos citados en 1.4. contribuyan activamente en el proceso de impacto arriba mencionado para el logro de superiores rendimientos pudiendo así disminuir los espesores de las losetas y con ello el peso total del blindaje. 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Materiales y Métodos. 2.1.1 Preparación de las muestras. Se utilizó alúmina calcinada A-2G (Alcoa) y zirconia en polvo 3%mol Ytria (DynamicCeramic Ltd.). El procesamiento completo para la obtención de las losetas cerámicas comprende las siguientes etapas: 1 2 3 4 5 6 Molienda en molino a bolas. Mezclado con ligas. Agregado de aglutinante orgánico. Secado y pelletizado de la mezcla. Compactación del material. Sinterización de las piezas. Se prepararon y ensayaron diversas formulaciones a los efectos de determinar las mejores propiedades. Después de la sinterización realizada a 1560°C por 2 h, las diferentes probetas se sometieron a ensayos de dureza, flexión e impacto midiendo sus diferentes comportamientos. Se procedió a fabricar tres tipos de piezas : a. Probetas para ensayos de flexión. b. Probetas para ensayos de impacto (Charpy). c. Losetas para ensayo balístico. Las probetas fueron confeccionadas en las siguientes dimensiones: a. 0,5cm × 0,39cm × 5cm. b. 0,95cm × 0,84 cm × 7,31cm. c. 7,28cm × 7,25cm × 0,89cm. 2.2. Ensayos mecánicos . Figura 9: Ensayo de flexión (materiales frágiles) Resistencia a la flexión = 3F·L/(2wh2) (1) El módulo elástico se obtiene en forma indirecta conociendo la pendiente al origen del registro carga – desplazamiento (P/X), a través de la expresión de la viga solicitada en flexión en tres puntos, según la siguiente relación: Módulo en flexión = L3 P/(4wh3X) (2) La máquina usada para este ensayo fue una MTS 810 Universal. La medición de la carga aplicada se efectuó a través de una celda de carga de 5000N en el rango de 2000N y a una velocidad constante de 0.5mm/min. 2.2.3 Ensayo de resiliencia. Los ensayos de resiliencia, se realizaron en un péndulo de Charpy, utilizando una Charpy Impact Testing Machine JIS4J (4 Joules), que es una maquina de baja capacidad usada para cerámicos y plásticos y la norma es la ASTM D 256 - 92.con el objeto de obtener el llamado Valor de Impacto Charpy (CIV : Charpy Impact Value). 2.2.4 Ensayo de impacto. Para los ensayos de impacto, se eligió la norma internacional NIJ (National Institute of Justice) Standard 0108.01. La distancia entre la boca del cañón y el blanco es de 15 m y la velocidad del proyectil se encuentra en un rango de 823-853 m/s. Soporte 2.2.1. Ensayo de dureza. Cañón Los ensayos de dureza, se realizaron sobre todas las piezas con un durómetro Galileo, expresándose la misma en valores de Rockwell “C”. 2.2.2. Ensayos de flexión. Los ensayos de flexión, conocidos como medida del modulo de flexión en tres puntos, se realizaron según la norma MIL-STD 1942ª Cerámica a ensayar 15 m Medidor de velocidad Placa de acero de 3 cm de espesor Figura 10: Polígono de tiro. Estos ensayos fueron llevados a cabo utilizando munición calibre 7,62 mm FMJ y todos los ensayos resultaron satisfactorios. 3. RESULTADOS Fueron producidas cuatro composiciones a partir de diferentes cantidades de ZrO2 que son mostradas en la Tabla I y Tabla II junto con los valores de propiedades físicas medidos después de la sinterización. Las figuras 11 a 14 muestran los valores comparativos para las distintas propiedades medidas. Las micrografías de las figuras 15 a 17 nos muestran la distribución de los granos de alúmina y zirconia en las piezas sinterizadas. En las figuras 16 y 17 se puede apreciar como los granos de zirconia blancos y pequeños están dispersos en la matriz de alúmina. Figura 12: Valor de Impacto Charpy. Reactivos Composición Al2O3 (%) ZrO2 (%) 1 100 0 2 90 10 3 85 15 4 80 20 Tabla I: Composiciones Producidas. Comp 1 2 3 4 δ g/cm3 HRC 45N 3,69 ±0.05 Figura 13: Tensión de rotura. CIV (J/cm2) σ Mpa E Gpa 77 0,31 368 341 ±1 ±0.05 ±35 ±70 3,85 81 0,41 420 317 ±0.04 ±0.8 ±0.05 ±25 ±71 3,94 82 0,42 430 282 ±0.04 ±1.2 ±0.04 ±37 ±30 3,94 82 0,49 493 215 ±0.03 ±0.7 ±0.07 ±28 ±31 Figura 14: Módulo Elástico. Tabla II: Propiedades Físicas Medidas Figura 11: Dureza Rockwell C. Figura 15: Probeta de alúmina pura Figura 19: Probeta impactada (dorso). Figura 16: Probeta de Al2O3 con 10% de ZrO2 Los ensayos balísticos fueron realizados en el polígono de tiro en CITEFA, con un fusil FAL (Fusil Automático Liviano), cuya longitud del cañón es de 53,3 cm. y munición del tipo normal, es decir con un cuerpo de plomo y una camisa de latón cal 7,62 x 51 mm. La distancia entre la boca del cañón y el blanco es de 15 m y la presencia de un medidor de velocidad, permite medir la velocidad del proyectil en la boca del cañón; dado que es un recinto cerrado no hay influencias significativas respecto a la velocidad de impacto. Parámetros Figura 17: Probeta de Al2O3 con 20% de ZrO2 Las figuras 18 y 19 muestran una probeta, cara anterior y posterior, después del impacto balístico. Figura 18: Probeta impactada (frente). Ensayos Balísticos Norma NIJ Masa de la bala Longitud del cañón Velocidad de la bala 9,30 g 9,70 g 53,3 cm 56 cm (sugerido) 845 m/s 838 +/- 15 m/s Temperatura 21°C De 20 hasta 28°C Tabla III: Parámetros de ensayo balístico. 4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS. Los valores de densidad obtenidos corresponden aproximadamente a un 95% de la densidad teórica esperable. Esto es consecuencia de la regularidad y bondad del procedimiento de fabricación de las muestras. La adición de Zr aumenta la dureza del material aunque esta tiende a estabilizarse a partir de un contenido de 10% de Zr. Si bien la dureza se estabiliza, no se aprecia lo mismo en la resistencia a la tracción que continúa aumentando. Esto estaría dando cuenta de la influencia de alguno de los mecanismos de resistencia a la propagación de fisuras antes descriptos. A diferencia de la resistencia a la tracción, los valores de energía de impacto Charpy, no son tan sensibles a las variaciones en el porcentaje de Zr incorporados al material. Aunque respecto al material base alúmina representa un aumento del orden del 25%. Estas mejoras en las propiedades mecánicas de la muestra se deben no sólo al añadido de Zr sino también a un proceso de fabricación correcto reflejado en una distribución homogénea de granos pequeños de Zr como se mostró en las micrografías. En los ensayos balísticos, los resultados preliminares muestran que la deformación en la placa soporte de aluminio que actúa como respaldo de las losetas fue considerablemente menor en las losetas que contenían zirconia que en las de alúmina pura. De manera que se evidencia la actividad de los mecanismos de refuerzo producidos por el agregado de Zr, aún para altas velocidades de deformación. 5. CONCLUSIONES El agregado de zirconia Y-PSZ a la mezcla de alúmina parece haber mejorado notablemente las propiedades del material sinterizado. El proceso de fabricación de las muestras es muy uniforme y adecuado hecho que se pone de manifiesto en las densidades y microestructuras obtenidas. Puede apreciarse un importante aumento en los valores de dureza, energía de impacto Charpy y tensión de rotura. Una mejora en las prestaciones también se manifestó en los ensayos balísticos. Los resultados fueron muy satisfactorios, en una próxima investigación, restaría probar los mismos blancos con un proyectil de tipo perforante o empleando el mismo proyectil, usar blancos mas delgados para aprovechar el aparente aumento de tenacidad en beneficio de restar peso al conjunto. 6. REFERENCIAS 1. R.C. Garvie, R.H. Hannink and R.T. Pascoe, Nature, Vol 258, 1975, p 703. 2. G.M. Wolten. J. Am. Ceram. Soc., 46 (9) 418 (1963). 3. O.K. Bansal y A.H. Heuer, Acta Metalí., 20 1281-1289 (1972). 4. O.K. Bansal y Aif. Heuer, Acta MetaIl., 22 409-417 (1974). 5. C.M. Wayman,”Martensitic transformations”. Science and technology of zirconia.Advances in ceramics. Vol.3, PP 64 Ed. A.H. Heuer and L.W.Hobbs. The Amer. Cer.Soc. Inc. Columbus, Ohio, (1981). 6. O. Ruff and F. Ebert, Z. Anorg. Allg. Chem., 180, 1, 19(1929). 7. 0. Ruff, F.Ebert y E.Stephen, Z Amorg. Allg. Chem. 180 (1) 215 (1929). 8. A.H. Heuer, J. Am. Ceram. Soc. 70 (10) 691 (1987). 9. H.G. Scott, J. Mater. 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