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ESCUELA DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA DE ZARAGOZA. Proyecto Fin de Carrera ESTUDIO DE LA DUREZA Y TENACIDAD DE FRACTURA EN FIBRAS EUTÉCTICAS Al2O3 – EuAlO3 PROCESADAS POR FUSIÓN ZONAL CON LÁSER. Autor Andrea Lacueva Laborda Director Patricia Oliete Terraz Ingeniería Técnica Industrial de Mecánica Diciembre 2011 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN. ................................................................................... 1 2. MEMORIA DESCRIPTIVA. ............................................................................ 4 2.1 Objeto del proyecto ................................................................................. 4 2.1.1. OBJETIVOS. ................................................................................................ 4 2.2 Antecedentes. .......................................................................................... 5 2.3 Justificación del proyecto. ........................................................................ 7 2.4 Normativa de aplicación. ......................................................................... 7 2.5 Descripción y análisis del proyecto. .......................................................... 8 2.5.1 METODOLOGÍA. .......................................................................................... 8 2.5.1.1 Descripción y preparación del material. .................................................... 8 2.5.1.2 Microestructura de las fibras eutécticas. ................................................. 17 2.5.1.3 Ensayo de microdureza Vickers. .............................................................. 21 2.5.1.4 Determinación de tenacidad de fractura. ................................................ 41 2.5.2 DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS EXPERIMENTALES. ..................................... 62 2.5.3 SECUELAS DE OTRO PROYECTO. ................................................................. 66 2.6 Resumen y conclusiones. ........................................................................ 67 3. BIBLIOGRAFÍA, REFERENCIAS Y AGRADECIMIENTOS. ........................... 71 PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 1 1. INTRODUCCIÓN. La palabra “cerámicos” hoy en día no son sólo los materiales convencionales tales como la porcelana, la loza, la alfarería, etc…sino que incluye una gran cantidad de nuevos materiales, de muy diversas características, los cuales han sido desarrollados durante los últimos treinta y cinco años, y que tienen una aplicación preferente en el sector industrial de prótesis óseas, superconductores, semiconductores, rodamientos, motores… Basta con leer periódicos y artículos de investigación científica para ver que las cerámicas, aún en desarrollo en el mundo, son un tipo de material emergente que permite fabricar motores más eficientes desde el punto de vista térmico, cuchillos más afilados y cojinetes con menor fricción. El ingeniero puede cambiar y mejorar estas propiedades para producir materiales compuestos como los eutécticos, que también ofrecen un conjunto atractivo de propiedades. Las cerámicas son candidatos ideales para sustituir a superaleaciones metálicas en dispositivos que trabajan a temperaturas superiores a 1100ºC, ya que las cerámicas son materiales ligeros con elevado punto de fusión, excelente estabilidad química y elevada resistencia a la fluencia que permiten trabajar en condiciones extremas de temperatura y oxidación. La intención de mejorar la eficiencia energética y la reducción de CO2 y NOx en algunos casos como en la turbina de gas y en sistemas de generación de potencia térmica, requieren el uso de nuevos materiales con alta temperatura estructural, y con elevada resistencia a la fluencia a temperaturas rondando alrededor de 1500ºC. El uso de superaleaciones a temperaturas cercanas a 1500ºC, será difícil a pesar de los diversos estudios realizados para aumentar su resistencia al calor. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 2 Las propiedades de las cerámicas están ligadas a su estructura atómica. El fuerte enlace iónico o covalente de los compuestos cerámicos es la causa de su alto punto de fusión y elevada resistencia térmica. Sin embargo, presentan valores muy bajos de tenacidad a fractura. La resistencia a la fractura de las cerámicas se puede mejorar mediante un cuidadoso control de su microestructura para crear intercaras blandas y campos de tensiones residuales que por deflexión, multiplicación o división de grietas mejoran la tenacidad. Por ejemplo, los materiales cerámicos compuestos reforzados con fibras cerámicas (CMCs), combinan excelentes propiedades de matrices cerámicas a alta Tª con fractura dúctil asociada a unidades débiles entre fibras y matriz. Los compuestos basados en Al2O3 reforzada en fibras SiC se usa en ingeniería espacial y en herramientas de corte aunque las propiedades no se mantienen por encima de 1200ºC. Actualmente se está investigando muy activamente en crear CMCs con fibras oxihídricas que tengan comportamiento plástico y permitan mejorar la tenacidad. La solidificación unidireccional de sistemas de óxidos eutécticos normalmente conduce a compuestos que presentan una organización microestructural de fibras o láminas, dependiendo de la fracción volumétrica de fases del eutéctico. Estos materiales fabricados “in situ” pueden dar lugar a cerámicas con una mejora de las propiedades mecánicas. En las aplicaciones con materiales cerámicos a elevadas temperaturas, uno de los mejores candidatos corresponde a los eutécticos solidificados direccionalmente basados en Al2O3, (LLorca y Orera, 2006; Waku et al., 1998; Sayir et al., 1995), debido a una excelente resistencia mecánica a la fluencia junto con una buena estabilidad microestructural y resistencia a la degradación ambiental a elevadas temperaturas. La solidificación de estos eutécticos permite controlar la microestructura y, con ello, las propiedades del material. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 3 Algún dato a destacar, en sistemas de materiales cerámicos basados en Al2O3 como el sistema ternario Al2O3 - Y2O3 - ZrO2 que a temperatura ambiente se han conseguido valores de resistencia a flexión superiores a 4GPa en fibras eutécticas solidificadas direccionalmente (Oliete et al, 2007). En el caso del sistema binario Al2O3 - Y2O3, las fibras eutécticas obtenidas han mantenido una resistencia a la flexión de 1,5GPa a una temperatura de 1900K (Pastor et al, 2005). PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 4 2. MEMORIA DESCRIPTIVA. 2.1 Objeto del proyecto 2.1.1. OBJETIVOS. En el desarrollo de este proyecto fin de carrera se pretende alcanzar los siguientes objetivos: Caracterización mecánica de fibras eutécticas Al2O3-EuAlO3 solidificadas direccionalmente, a partir de la determinación de la dureza y tenacidad a fractura de fibras crecidas a diversas velocidades de procesado y utilizando el método de microindentaciones Vickers. Estudio del efecto de la velocidad de procesado, y por tanto, de la microestructura en ambas propiedades. 2.1.2 IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACIÓN. Este proyecto aportará información muy importante y valiosa en el estudio de este tipo de materiales cerámicos eutécticos, los cuales hasta el momento destacan por sus magníficas propiedades mecánicas. Y será muy útil la investigación debido a que es un compuesto eutéctico nuevo y del que poseemos poca información, pero este tipo de materiales se quieren usar para aplicarlo en la mejora de los procesos industriales y la obtención de energía, así como aplicaciones funcionales en el campo óptico. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 5 2.2 Antecedentes. Los materiales cerámicos han estado presentes en nuestra vida humana desde hace milenios para diversos usos, desde aplicaciones decorativas, hasta para elementos de construcción. Al contrario con lo que ocurrió con los metales, los materiales cerámicos no fueron en un principio considerados materiales estructurales importantes. Pero a partir de principios del siglo XX, con la necesidad de la industria eléctrica de mejorar ciertas propiedades mecánicas de las cerámicas, Kingery (1989), comenzó el interés. Fue en los años 50, con la aparición de los óxidos Al2O3, ZrO2, BeO o MgO, cuando los materiales cerámicos empezaron a atraer especial interés de la investigación y especulación en motores para aviones a elevada temperatura y ambientes corrosivos. Este hecho coincidió con el descubrimiento de muchos materiales cerámicos que se podían obtener en forma de “whiskers”, pequeñas fibras libres de defectos que soportan cargas extremadamente altas. Con estas ideas se empezó en los setenta a desarrollar las bases necesarias para obtener materiales cerámicos de alta resistencia reforzados por fibras. Los materiales compuestos eutécticos solidificados direccionalmente basados en óxidos cerámicos, son y han sido objeto de numerosos estudios por sus buenas propiedades mecánicas y gran estabilidad térmica y microestructural. En este proyecto nos centraremos en el análisis del sistema binario Al2O3 – Eu2O3, prácticamente sin explorar y con la posibilidad de aplicaciones estructurales y funcionales. A. Yoshikawa et al. (2000) llevaron a cabo un estudio sistemático de las características de varios tipos de fibras eutécticas basadas en Al2O3 y óxidos de tierras raras, entre ellos el Eu2O3. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 6 A través de ello pudieron crecer fibras a velocidades superiores a 15mm/h y obtener fibras muy finas, del orden de 100µm debido a la gran estabilidad durante el crecimiento que muestra el eutéctico Al2O3-EuAlO3. Las fibras se crecieron en una atmósfera de argón. Para investigar las características mecánicas llevaron a cabo ensayos para medir resistencia a flexión en fibras crecidas a 15 mm/h y obtuvieron 315 MPa para las fibras eutécticas del sistema mencionado. L. Mazerolles et al. (2008) realizaron diversos experimentos con óxidos cerámicos eutécticos, incluyendo el formado por el sistema Al2O3 - Eu2O3 solidificado direccionalmente. La solidificación direccional se hizo en aire a velocidad constante en el rango 2 a 20 mm/h. En este rango el tamaño medio de cada fase no varía al añadir óxido de tierra rara y la microestructura no cambia al aumentar a velocidad de crecimiento. Aylagas (2010), amplió el rango de velocidades de crecimiento en este sistema hasta 750 mm/h, estudiando su microestructura y resistencia a la flexión. En este proyecto ampliaremos la caracterización mecánica de las fibras eutécticas Al2O3-EuAlO3, analizando la dureza y la tenacidad a fractura de las fibras crecidas a 25, 100, 350 y 750 mm/h. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 7 2.3 Justificación del proyecto. Este trabajo de investigación nos permite descubrir un conjunto atractivo de propiedades mecánicas sobre estos valiosos y emergentes materiales cerámicos eutécticos. Partiendo como base del Proyecto fin de carrera de “Fabricación, procesado y análisis de fibras eutécticas Al2O3 – EuAlO3” anteriormente realizado por M. Aylagas, proseguimos a realizar nuevos estudios, para una posible futura aplicación de estos materiales para la mejora de procesos industriales o la obtención de energía, así como su uso en dispositivos ópticos. Además, se realiza este proyecto para que la autora del mismo reciba el título de Ingeniera Técnica Industrial. 2.4 Normativa de aplicación. En el presente proyecto hemos seguido la normativa de uso de laboratorio y trabajo experimental del Área de ciencias de Materiales e Ingeniería Metalúrgica del Departamento de Ciencia y Tecnología de Materiales y Fluidos, en la Universidad de Zaragoza. Todos los ensayos de dureza los he llevado a cabo siguiendo la norma C 1327-99, “Standard Test Method for Vickers Hardness of Advanced Ceramics”, y también hemos seguido la normativa de uso de los equipos para la observación microscópica de las muestras. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 14  Punto eutéctico E3: - Tª Eutéctica: 1712 ºC - Composición eutéctica: 75% Al2O3 – 25% Eu2O3 - Fases sólidas eutécticas: EuAlO3 – Al2O3. De los tres sólidos eutécticos nuestro interés está centrado en el obtenido a partir de las reacción eutéctica 3, en el que se obtiene como fase el óxido de aluminio, responsable de las excelentes propiedades a alta temperatura de los eutécticos cerámicos. PREPARACIÓN Y PROCESADO DEL MATERIAL El material investigado en este proyecto fue preparado y procesado previamente por Aylagas (2010), a través de las siguientes etapas de la mezcla eutéctica: PREPARACIÓN. En primer lugar se tuvo que cambiar la composición por la aparición en la fase experimental de fases proeutécticas y se tomó una composición experimental de 76% Al2O3 y 24 % Eu2O3 (%mol) L.Mazerolles et al., (2008). Las materias primas empleadas en polvo comercial fueron Eu2O3 (Aldrich 99,99%) y Al2O3 (Sigma-Aldrich 99,99%). Se pesan, y se mezclan agitándose bien para conseguir una mezcla homogénea. Luego se trituran los polvos con un mortero, añadiendo aglutinante (PVA: polyvinyl alcohol), para mejorar su compactación. CONFORMACIÓN. En esta etapa se conforman los preparados cerámicos mediante, prensado. Por compactación isostática en una prensa hidráulica, aplicando una presión (200 MPa) de compactación del polvo uniforme en todas las direcciones y durante 3 minutos, con fundas cilíndricas. Se obtienen barras compactadas cilíndricas de 2,4 mm de diámetro y 30 mm de longitud. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 15 SINTERIZADO. En esta etapa unimos por difusión en estado sólido en un horno las partículas a elevadas temperaturas y se produce una conexión entre granos individuales. Así se cierran los poros, incrementando su densidad y obteniendo una granulometría adecuada. Se calentó a velocidad de 3 ºC/min desde 500ºC manteniéndola 1 hora para eliminar el aglutinante. Después calentar hasta 1350ºC a la misma velocidad y se mantiene esa Tª durante 12 horas. Y finalmente se reduce la temperatura a la ambiente a 5ºC/min. SOLIDIFICACIÓN. Etapa más crítica y de gran importancia por su función de sintetizar, para determinar la microestructura final del material, caracterizando las propiedades de las fibras. Fue realizado mediante el método de zona flotante asistido por láser CO2. El método “Laser Floating Zone”, consiste en traslada la fuente energía laser a lo largo del eje de la muestra cilíndrica de mayor dimensión de la barra introducida, por ello la denominamos solidificación direccional. La fuente de energía permanece inmóvil moviéndose la barra introducida, a través de un sistema mecánico. Para llevar a cabo la solidificación direccional disponemos de una cámara de crecimiento con cierre hermético y con un sistema de vacío con entrada de aire para controlar la atmosfera de crecimiento en su interior en aire, vacío o nitrógeno, además posee dos agarres por mordazas controlados a través de un sistema informático permitiendo el movimiento vertical y de rotación de los mismos para una correcta alineación de las fibras, y también hay unos espejos planos, un reflexicono y un espejo parabólico que concentran el haz del láser formando un anillo por alrededor de la barra del material, concentrándose el calor en la periferia de la barra y se transfiere al centro de la misma por convección y radiación. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 16 El proceso consiste en la colocación vertical de las barras obtenidas en la etapa anterior y fijarla por uno de sus extremos mediante una mordaza en contacto con otra barra más corta, actuando de semilla. Una vez conseguida la alineación, se calienta la zona de contacto de cada barra mediante el láser llegando a fundir cada extremo uniéndose entre sí y manteniéndose unido por tensión superficial. Completamos el proceso desplazando la zona fundida a lo largo de toda la fibra, y así conseguiremos la solidificación direccional, y a gran variedad de velocidades por su gran gradiente térmico de la interfase líquido sólido y la posibilidad del control microestructural para gran variedad de parámetros de crecimiento, evitando engrosamientos y roturas. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 17 2.5.1.2 Microestructura de las fibras eutécticas. Hemos estudiado fibras procesadas a distintas velocidades de crecimiento 25 mm/h, 100mm/h, 350mm/h y 750 mm/h, para ver la influencia de la microestructura en sus propiedades mecánicas. El análisis microestructural con el microscopio electrónico de barrido (SEM), de donde se obtienen micrografías con información microestructural. Para todas las velocidades, las fibras estaban libres de poros y de fases proeutécticas. A) B) Figura 5. AEu25, sección transversal (Figura A) y sección longitudinal (Figura B). En la figura 5 se observan microfotografías de fibras crecidas a 25mm/h siendo la figura 5.A, sección transversal y la figura 5.B, sección longitudinal las dos se muestran con los mismos aumentos, siendo de microestructura homogénea en toda la sección en los dos casos, tanto la sección transversal como la longitudinal, tienen microestructuras eutécticas irregulares con configuración tridimensional interpenetrada de las dos fases eutécticas: Al2O3 (contraste oscuro) y EuAlO3 (contraste claro) y esta microestructura suele recibir el nombre de “Chinese Script”. Se puede ver direccionalidad de las fases, las fases son más alargadas en la dirección del eje de la fibra. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 18 A) B) Figura 6. AEu100, sección transversal (Figura A) y sección longitudinal (Figura B). Al aumentar la velocidad a 100mm/h (AEu100) empieza aparecer una microestructura fibrilar en las zonas periféricas que se mezcla con la “Chinese Script”, siendo esta última la dominante y más representativa en toda la fibra, como se ve en las figuras 6.A y 6.B. A) B) Figura 7. AEu350 (zona fibrilar), sección transversal (figura A) y sección longitudinal (Figura B). A la velocidad de crecimiento de 350mm/h (AEu350), la presencia de la estructura fibrilar se hace más evidente como en la figura 7.B sección longitudinal, con microestructura interpenetrada, zonas fibrilares y zonas en la que se mezcla la tipo “Chinese Script” con colonias de tipo fibrilar como se observa en la figura 7.A. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 19 A) B) Figura 8. AEu750, Sección transversal (Figura A) y sección longitudinal (Figura B). A medida que aumenta la velocidad de crecimiento, la microestructura fibrilar va ganando terreno a la “Chinese Script”, ya que para velocidad de 750mm/h se observa como casi en su totalidad se representa en las dos figuras 8.A y 8.B estructura fibrilar. Para finalizar, en todas las muestras hemos medido la distancia interlaminar λ, usando varias micrografías SEM. Como la microestructura es irregular, la distancia interlaminar no es trivial. La hemos definido como la distancia desde el centro de las fases claras hasta el centro de la siguiente fase clara. Para la determinación de λ hemos empleado un programa informático, DigitalMicrograph donde hemos medido sobre las micrografías realizando un trazado mínimo de siete líneas al azar que intersecten con un número elevado de interfases, y luego hemos realizado una media de todas. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 20 Los resultados obtenidos después de medir las distancias interlaminares representados en la figura 9: v (mm/h) Tipo de estructura λ (µm) 25 Interpenetrada 2,47±0,34 100 Interpenetrada 0,98±0,075 350 Interpenetrada 0,64±0,058 Fibrilar 0,43±0,061 750 Fibrilar 0,33±0,063 Figura 9. Tabla de distancia interlaminar en función de las velocidades de crecimiento. En la figura 9 se comprueba la disminución del espaciado interfásico conforme la velocidad de crecimiento aumenta y sigue la ley de Hunt- Jackson ecuación [1], de Aylagas (2010). Realizando el ajuste a de dicha ecuación se puede estimar el valor de la constante C. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 21 2.5.1.3 Ensayo de microdureza Vickers. Usamos el ensayo de dureza por penetración estática para calcular la dureza y la tenacidad de fractura (analizada en el punto posterior 2.5.1.4) del eutéctico Al2O3 – EuAlO3. Se entiende por dureza la que presenta un cuerpo a la penetración por otro. En una interpretación más específica, puede entenderse por dureza la resistencia superficial de un cuerpo sometido a un esfuerzo fuertemente localizado. La resistencia se determina introduciendo un cuerpo de forma esférica, cónica o piramidal, por el efecto que produce una fuerza determinada durante cierto tiempo en el cuerpo a ensayar. Como indicador de dureza se emplea la deformación permanente (plástica). Existen distintos métodos para determinar la dureza en materiales, para metales disponemos de los ensayos Brinell, Vickers y Rockwell. En el caso de las cerámicas, debido a su fragilidad se utilizan ensayos de microdureza, con cargas de aplicación igual o menores a 1Kg. Los más utilizados son el ensayo Vickers y Knoop. ENSAYOS DE MICRODUREZA El término 'microdureza' es realmente erróneo. No hay nada de 'micro' sobre la dureza de los materiales que se ensayan. Solo el tamaño que resulta de las huellas es 'micro'. El término 'micro-identación' de dureza sería quizás una mejor descripción. Desde hace tiempo, se considera microdureza cuando se emplean cargas de 1Kg o menos. Hay dos tipos predominantes de ensayos de microdureza. El primero, Vickers, que fue introducido en Inglaterra en 1925. El segundo método más popular de ensayo de microdureza es el Knoop. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 22 DUREZA VICKERS El ensayo Vickers surge como consecuencia de la limitación que tiene el ensayo de dureza Brinell para materiales duros. El ensayo de dureza Vickers se hace mediante un penetrador de diamante, en forma de pirámide de base cuadrada con ángulos entre caras de 136º. Una máquina calibrada aplicada a una carga determinada, perpendicularmente a la superficie del material. Figura 10. Indentador piramidal vickers. Este ángulo se eligió para las bolas del Brinell quedasen circunscritas en el borde de la huella. El número de dureza Vickers (HV) se define, relacionando la carga aplicada con la superficie de la huella. Desarrollando la fórmula, sabiendo que S es la superficie de la huella, se obtiene: HV = 1,8544 · [2] Donde d es la semisuma de las diagonales de la huella: [3] PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 23 Figura 11. Indentador piramidal Vickers (Figura izda.), Impronta piramidal Vickers (Figura dcha.). En el caso de microdureza, con cargas que van de 1gr a 1000gr, las huellas que dejan son muy pequeñas, del orden de las micras, por lo que el equipo utilizado debe ser distinto, se llama microdurómetro y actúa por un lado como durómetro para la aplicación de la carga y realización de la huella y, por otro lado, como microscopio metalográfico, para poder ver la huella y calcular la longitud de las diagonales. El método Vickers se puede utilizar para materiales de todo tipo, tanto duros como blandos. El penetrador al ser de diamante no se va a deformar ni si quiera con los materiales más duros. Además, al poder aplicar cargas desde 1gr a 1000gr, se puede elegir el valor más adecuado para cada tipo de material. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 30 5·C = 5 · (agrieta más larga + ) [6] Según la norma: C 1327-99, tal y como se observa en la figura 16A. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 31 RESULTADOS Y DISCUSIÓN. Hemos realizado ensayos de microdurezaVickers en las fibras eutécticas Al2O3 – EuAlO3, siguiendo la norma C 1327-99. Las tablas de la figura 17, presentan los datos obtenidos para la dureza de las muestras procesadas a las distintas velocidades, tanto en la sección transversal como en la sección longitudinal. Podemos observar que las durezas, entre 13 y 15GPa dependen sólo ligeramente de la velocidad de procesado, con la excepción de la crecida a 750 mm/h que presentan unos valores inferiores al resto de las muestras. Respecto al error se observa cómo la de 25 mm/h presenta menor error que el resto, dato coherente con su mayor homogeneidad microestructural. Sección longitudinal Sección transversal Figura 17. Tablas de la dureza de cada muestra crecida a una velocidad de crecimiento en sección longitudinal y transversal. v (mm/h) Hv(MPa) 25 14,23±0,38 100 14,79±0,94 350 15,7±0,73 750 13,024±0,57 v (mm/h) Hv(MPa) 25 14,8±0,43 100 14,77±0,54 350 15±0,43 750 13,56±0,64 PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 32 12 12,5 13 13,5 14 14,5 15 15,5 16 16,5 0 200 400 600 800 Dureza (GPa) Velocidad de crecimiento mm/h Dureza (HV) frente v Longitudinales Figura 18. Al2O3 – EuAlO3 Dureza frente a velocidad de crecimiento de fibras. En la figura 18, se observa un ligero incremento de la dureza con la velocidad de procesado desde la fibra procesadas a 25mm/h hasta la de 350mm/h, esto puede ser debido a la reducción del tamaño de las fases con la velocidad de procesado, lo que da lugar a una mayor resistencia a la deformación plástica al aumento del número de fases. En el caso de 750 mm/h, a pesar de tener una estructura fibrilar más fina, presenta fases muy groseras que pueden dar lugar a un empeoramiento de las propiedades. 12,5 13 13,5 14 14,5 15 15,5 16 0 200 400 600 800 Dureza (GPa) Velocidad de crecimiento (mm/h) Dureza (HV) frente v en Transversales Figura 19. Al2O3 – EuAlO3 Dureza frente a velocidad de crecimiento de las fibras. En la figura 19 no se observa una dependencia tan clara, aunque la muestra crecia a 750mm/h sigue presentando un valor más bajo que el resto. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 33 A continuación en las figuras 20, 21, 22 y 23, se muestra la variación de la dureza respecto al lugar donde se han tomado las medidas, para observar si existe mucha diferencia de tomar el valor de la dureza cerca del borde o más cercana al centro. Como se trata de secciones transversales, hemos cogido como distancia, la distancia entre el punto central de la muestra y el punto que se realizó para realizar la medida. Figura 20. Dureza frente a Distancia de sección transversal a 25mm/h. Figura 21. Dureza frente a Distancia de sección transversal a 100 mm/h. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 34 Figura 22. Dureza frente a Distancia de sección transversal a 350 mm/h. Figura 23. Dureza frente a Distancia de sección transversal a 750 mm/h. Debido a la homogeneidad microestructural de las fibras no se ve clara la dependencia de la dureza con la distancia al centro. Aunque en el caso de 750 mm/h, como se muestra en la figura 23, sí que existe una disminución de la dureza en el centro, posiblemente debido a una mayor cantidad de fases groseras en el centro de la fibra. Puntos centrales PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 35 ESTUDIO DE LA DUREZA EN FUNCIÓN DE LA CARGA APLICADA. Tras el estudio de la dureza en función de la velocidad de procesado, pasaremos a analizar los resultados de nuestro segundo estudio de cómo depende la dureza de la carga aplicada. Según los materiales, se observa distinta dependencia de la dureza con la carga. En la literatura podemos encontrar para diversos materiales hasta ahora investigados, informan de que la microdureza:  Es independiente de la carga.  Crece y decrece con la carga.  Demuestra una complicada variación frente a la carga aplicada.  Crece cuando disminuye la carga y decrece cuando aumenta la carga. Es interesante, por lo tanto, ver cómo se comporta nuestro material bajo distintas cargas aplicadas. La figura 24, presenta la dureza medida en la muestra procesada a 100mm/h en función de la carga aplicada en el rango de 100grf – 1000grf en la sección longitudinal, estando relacionado el nivel de dependencia de la carga con la dureza y la fuerza del ensayo, P: Figura 24. Dureza frente a carga aplicada en fibra a 100mm/h. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 36 La curva de la figura 24 nos muestra que a medida que aumenta la carga aplicada disminuye la dureza de una manera no lineal. La variación de la dureza con la carga en este material no es muy elevada, decreciendo desde 16GPa para la aplicación de 100grf de carga hasta 14,8GPa para 1000grf. No hemos encontrado hasta la fecha estudios de dependencia de la microdureza con la carga aplicada para eutécticos basados en Al2O3. El único trabajo relacionado corresponde a estudios sobre monocristales de SmAlO3 (Bamzai et al, 2010). En la investigación de la perovskita SmAlO3 la dependencia con la carga fue mayor, de 16,7 a 12,5GPa de un rango de aplicación de cargas de 0,098-0,98N. En este caso el rango de 0,098 a 0,68N la variación es muy pronunciada, en cambio a partir de la de 0,68N, la dureza empieza a estabilizarse. La disminución de la dureza al aumentar la carga aplicada puede ser debida a la profundidad de penetración, que a menores cargas aplicadas el penetrador penetra la capa más cercana a la superficie de exposición siendo sometidos a esfuerzos pequeños volúmenes de muestra, presentando más alta dependencia con la penetración. En cambio al aplicar cargas superiores la penetración es mayor y el efecto de las capas internas es más significativo, siendo mayores los volúmenes afectados por el esfuerzo. La dureza decrece más lentamente hasta llegar a estabilizarse a una carga determinada donde es constante. La grafica de la figura 24, sigue la forma de la siguiente figura 25, este efecto establece que la dureza aparente está en función de la carga aplicada, pronunciándose en mayor forma bajo las cargas bajas de indentación. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 37 Figura 25. Representación teórica de las dos regiones de dependencia e independencia de la dureza con la carga. A la hora de interpretar los datos, debemos recordar que la dureza Hv se calcula con la ecuación [5], y en esta observamos como la carga, P, es proporcional al cuadrado de la diagonal, d2, de la huella siguiendo la siguiente ecuación [7], llamada ley de Kick: P = K1·d2 [7] Siendo K1, una constante respecto a la dureza y n=2 el índice logaritmico. Esto supone que la dureza es independiente de la carga, como hemos visto en la figura 24, nuestro material no sigue esta ley. La ley de Kick se modifica de la siguiente manera, llamada esta la ley de Hall-Kendall, que desarrolla el concepto de nivel mínimo de la carga de indentación, W, por debajo de la deformación plástica. P = K1·dn [8] Por lo tanto esto nos indica que si comparamos la dureza HV con la carga, tendremos una relación potencial próxima a 2, cuanto más se aproxime “n” a 2 más fácil será saber a qué carga la dureza se estabiliza. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 38 Para el cálculo de la n en nuestro sistema, debemos representar el logaritmo de P, log P, frente al logaritmo de la diagonal, log d, y la pendiente de esa representación lineal, será el valor de n, índice logaritmico, debibo a: log P = log K1 + nw log d [9] A continuación, vamos a representar el logaritmo decimal de la carga frente al logaritmo decimal de la diagonal, para cada carga determinada, en la figura 25, bajo esta representación el índice logarítmico, n, y es el exponente que nos da 1,9 muy próximo a 2, dada la poca dependencia de la dureza con la carga observada en el eutéctico estudiado en este trabajo. En el caso del monocristal de SmAlO3 la dependencia con la carga fue mayor, y esto se reflejó en el valor de n=1,75, menor que el aquí encontrado. El ajuste presentado en la figura 25 permite predecir el comportamiento del material cuando cambias la carga de ensayo. Figura 26. Aproximación de Hays Kendall para la determinación de la carga para inicial la deformación plástica. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 39 Por tanto, la dureza varía con la carga aplicada hasta alcanzar un valor constante, generando un problema añadido en cuanto a la selección de la carga que se debe aplicar para obtener la KIC correcta deducidas en valores de durezas constantes. El ajuste presentado en la figura 25 permite predecir el comportamiento del material cuando cambias la carga de ensayo. La utilización de la ecuación de Hays-Kendall, relacionando la carga aplicada con el tamaño de indentación: P – W = K2d2 [10] Permite obtener el valor de la dureza de la carga cuando se estabiliza. Siendo (P-W) la carga de indentación efectiva, siendo P la carga aplicada, W representa la mínima carga que causa una indentación.; K2 es una constante. La representación de P frente a d2 permite obtener el valor de K2, de la pendiente de la recta, y W, del corte con la ordenada. El valor de microdureza independiente de la carga vendrá dado por Hv = 1.8544 (P-W)/ d2 = 1.8544 K2 [11] y = 0,8033x + 12,323 0 200 400 600 800 1000 1200 0 500 1000 1500 P d2 Carga frente d2 Figura 27. Aproximación de Hays Kendall para la determinación K2 y W. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 46  Rechazamos todos los resultados en que las grietas no se ajustan al patrón definido en la figura 29. En la figura 30 se presentan ejemplos de indentaciones no aceptadas.  Se hacen como mínimo 10 indentaciones en cada muestra. Figura 30. Indentaciones inaceptables según la norma C1327-99. Y en comparación con la ecuación [8], calcularemos también la tenacidad a fractura con la expresión que se encuentra en el artículo de K.K.Bamzai, V. Singh, Nidhi, P.N.Kotru, and B.M.Wanklyn, (2010). KIC = P/β0· c3/2 [12] En la sección longitudinal, siendo β0 igual a 7, cuando se trata del indentador de Vickers. La ecuación [12] no tiene en cuenta el valor de E del eutéctico, así pues valoraremos si existen similitudes o diferencias en los resultados con las dos expresiones. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 47 CÁLCULO DEL MÓDULO DE ELASTICIDAD DEL EUTÉCTICO Al2O3 – EuAlO3. Para la determinación de la tenacidad de fractura utilizando la ecuación [10] y [11], y es necesario conocer el valor del módulo elástico del eutéctico Al2O3 – EuAlO3. Para calcular el módulo del eutéctico vamos a utilizar la regla de las fases para materiales compuestos, tal como aparece en la ecuación [13]: EAl2O3 – EuAlO3 = [VA· EA]+ [VE · EE] [13] Siendo “A” la alúmina Al2O3 y “E” el EuAlO3, VA y VE las fracciones volumétricas de Al2O3 y EuAlO3 del eutéctico correspondiente. El valor de EA es conocido como 390GPa, podemos obtener G Eu Al O3 =114 GPa y KEu Al O3 = 203 GPa de la bibliografía Liebermannet Al (1997) y con ello podemos calcular EEuAlO3 y ν EuAlO3, teniendo en cuenta que:     12 E G [14] y K    213  E [15] Siendo módulo elástico (E) y coeficiente de poisson (ν) característico de cada material. Por lo tanto, tenemos un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas para calcular EEuAlO3 y νEuAlO3: 114 = GEuAlO3 = ( )  EEuAlO3 = 114 · (2· (1+ν)) 203 = KEuAlO3 = ()  EEuAlO3 = 203 · (3(1-2ν)) A través de la resolución del sistema obtenemos: νEuAlO3= 0,28 y sustituyendo obtenemos el valor que nos interesa: E EuAlO3 = 292 GPa PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 48 Para obtener las fracciones volumétricas de Al2O3 y EuAlO3, acudimos al Diagrama de fases. A través de la regla de la palanca y el diagrama de fases del sistema binario Al2O3-Eu2O3 figura 4 conoceremos el porcentaje molar de cada fase. A través del siguiente BRAZO DE PALANCA, determino: % molar Al2O3 = x 100 = 52% % molar EuAlO3= x 100 =48% Conocido el peso molecular y la densidad de la Al2O3 y del EuAlO3, podemos calcular el volumen que ocupa cada mol de Al2O3 y de EuAlO3 y de ahí las fracciones volumétricas. Densidad (gr/cm3) MOLES Peso molecular VOLUMEN (cm3 Eu Al O3 226,95gr · 0,48moles 7,246 gr/ cm3= 15,0339cm3 Al2 O3 101,96 gr · 0,52 moles 3,96 gr/ cm3= 13,389cm3 A continuación calcularemos el % en volumen: Si el volumen total de Eu Al O3 y Al2 O3 es 28,43 cm3, siendo VEu Al O3 = 15,034 cm3y V Al2 O3 = 13,39 cm3. 28,43 100% 15,034 x % Eu Al O3 % = 53% y Al2 O3 % = 47% PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 49 Comparándolo con % de volumen experimental, calculando con el programa informático DigitalMicrograph, a través de las micrografías obtenidas con el SEM, también podemos obtener el valor aproximado del tanto por ciento en volumen, sabiendo que la fase oscura corresponde a Al2O3 y la fase clara Eu Al O3. La fracción volumétrica que hemos estimado a través del porcentaje de superficie: 55,4 ± 2,5 % Eu Al O3 44,6 ± 2,5 % Al2 O3 Resultados muy similares a los obtenidos teóricamente del diagrama de fases. Finalmente, utilizando la ecuación [13] y teniendo = 390 GPa y EEu Al O3 = 292 GPa, obtenemos el módulo elástico: EEutéctico= [(Volumen)Al2 O3 · ]+ [(Volumen) Eu Al O3 · EEu Al O3] EEutéctico= 344 GPa PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 50 ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS. Hemos determinado la tenacidad a fractura para fibras procesadas a distintas velocidades de crecimiento, con microindentación Vickers (IF). La medición de tenacidad a fractura KIC en materiales frágiles por métodos convencionales es bastante dispendiosa y sólo obtendríamos un resultado por probeta, por eso usamos la determinación de tenacidad a fractura por indentación, con ecuaciones derivadas de la mecánica de la fractura elástica lineal y en el contacto de cuerpos elastopásticos. Aplicando una carga, P, con el indentador Vickers en un material frágil además de producir la huella con diagonales d1 y d2, produce una serie de grietas a1, a2, a3 y a4, en los vértices de las huella, como se refleja en la figura 31, y aprovechadas por el método de IF para la estimación de KIC. Como hemos tomado los valores, para el cálculo de la tenacidad a fractura con la expresión [11], de la diagonal d1 y las grietas a1 y a3, que son paralelas a la dirección del crecimiento de las fibras y los valores de la diagonal d2 y las grietas a2 y a4, siendo perpendiculares a la dirección de crecimiento de las fibras, también debemos calcular dos valores de tenacidad a fractura. La tenacidad a fractura con grietas y diagonal paralelas direccionalmente la expresaremos: KIC//, y con grietas y diagonal perpendiculares a la dirección de las fibras, KIC┴. Figura 31. Huella de indentación con diagonales y grietas. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 51 A continuación, comparamos los valores obtenidos para la tenacidad a fractura a partir de la ecuación [12] de mucho mayor simplicidad e independiente del módulo elástico del material. Sección longitudinal. v (mm/h) KIC˔(MPa· ) KIC //(MPa· ) KIC = P/β0· c3/2 25 2,56±0,60 2,15±0,40 2,43 100 2,93±0,53 2,61±0,6 3,68 350 2,77±0,55 2,37±0,70 3,26 750 1,97±0,29 1,57±0,33 1,24 Figura 32. KIC //, KIC ┴ y KC en función de la velocidad de crecimiento en la sección longitudinal. Sección transversal. v (mm/h) KIC˔(MPa· ) KIC //(MPa· ) KIC = P/β0· c3/2 25 2,64±0,74 2,97±0,54 4,39 100 2,16±0,69 2,28±0,63 3,27 350 1,78±0,29 2,05±0,54 4,06 750 1,46±0,29 1,65±0,42 1,28 Figura 33. KIC // y KIC ┴ en función de la velocidad de crecimiento en sección transversal. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 52 En la ecuación [12], con la que calculamos KC, que es la tenacidad a fractura calculada con esta última expresión, no es necesario conocer los valores de E y ν, por lo tanto la variación de resultados respecto al uso de la ecuación [11], es que esta ecuación no tiene en cuenta propiedades mecánicas como el módulo de poisson, efecto de fricción en el contacto y en qué forma fluye un material bajo el indentador que no obedece un solo patrón, depende de cuánto de rígido sea el material y de cómo se aplique la carga lo que influye directamente en cómo se formarán las grietas alrededor de la zona de contacto. Y la variación de resultados puede ser debido al haber obviado estos factores bastante importantes en el cálculo de la tenacidad a fractura. En cualquier caso, reproduce de forma cualitativa los valores obtenidos, siendo muy próximos a los estudiados con la ecuación de Niihara para la muestra crecida a 25mm/h. Figura 34. Tenacidad a fractura, KIC , frente a las velocidades de crecimiento de fibras en sección longitudinal. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 53 Figura 35. KIC frente a velocidad de crecimiento de la sección transversal. Tras el cálculo de la media de todas las medidas de KIC tomadas en las muestras a 25, 100, 350 y 750 mm/h, podemos representar en la figura 34 y 35, la KIC frente a la velocidad de crecimiento. En el caso de la sección longitudinal, podemos observar que los valores de KIC┴ son en todos los casos superiores a KIC//. Este resultado puede entenderse desde un punto de vista microestructural. Debemos recordar que las fases están orientadas a lo largo de la dirección de crecimiento, por lo tanto en la dirección transversal, la grieta, al propagarse se va a encontrar con numerosas interfaces que van a dificultar su propagación. Este efecto de refuerzo no aparece, obviamente, en la KIC//. En la sección transversal se observa que no existe una diferencia clara entre la KIC// y KIC┴, siendo esto debido a que en esta sección no existe direccionalidad de las fibras, por lo tanto existe refuerzo similar tanto en la dirección lonitudinal, como la transversal. Si comparamos las figuras 34 y 35, podemos observar que el error de la tenacidad a fractura es mayor que el de la microdureza. Ya que la medición de los extremos de las grietas para el cálculo de la tenacidad a fractura es difícil, por la dificultad de determinar el extremo y depende de la agilidad del observador de medir la longitud de las grietas, en cambio la medición de la dureza es más exacta aunque también dependa de la PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 54 medición del observador de las diagonales de las huellas necesarias para determinar la dureza están bien definidas. Figura 36. KIC frente a la Posición en x de fibra crecida a 25 mm/h. Figura 37. Gráfica de valores medios de KIC frente a la Posición en x de fibra crecida a 100 mm/h. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 55 Figura 38. Gráfica de valores medios de KIC frente a la Posición en x de fibra crecida a 350 mm/h. Figura 39. KIC frente a la Posición en x de fibra crecida a 750 mm/h. Existe bastante dispersión de tenacidad a fractura dependiendo de la posición, no hay una continuidad que nos saque una conclusión clara, para ninguna de las velocidades utilizadas en el procesado. Lo que si se demuestra es que, en todos los casos los valores de la tenacidad a fractura en la dirección perpendicular son mayores que en la dirección transversal. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 62 2.5.2 DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS EXPERIMENTALES. MICRODURÓMETRO (MXT 70Matsuzawa). El ensayo de microdureza Vickers se realizará con un microdurómetro (MXT 70Matsuzana). El microdurómetro permitirá la aplicación de la carga e indentación en el material y, además, dado el tamaño del orden de micras de la huella, actuará como microscopio para poder ver la huella y medir las diagonales. Nuestro microdurómetro consta de dos objetivos: de 10 aumentos y 40 aumentos la observación se hace a través del ocular de 10 aumentos, lo que hace que los aumentos sean finalmente 100 y 400, respectivamente. También dispone de dos tornillos micrométricos que permiten la selección del punto de indentación en la superficie de la probeta. Figura 48. MICRODURÓMETRO (MXT 70 Matsuzawa). MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO. La observación llevada a cabo mediante un microscopio electrónico de barrido (SEM) marca JEOL modelo JSM 6400 (Tokio, Japón), que se muestra en la figura 47 del Servicio de Microscopia Electrónica de la universidad de Zaragoza, permite observar y estudiar la microestructura de las muestras utilizando un haz de electrones en lugar de un haz de luz para formar una imagen. Tiene una gran profundidad de campo, la cual permite que se enfoque a la vez una gran parte de la muestra. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 63 También produce imágenes de alta resolución, que significa que características espacialmente cercanas en la muestra pueden ser examinadas a una alta magnificación. La preparación de las muestras es relativamente fácil pues la mayoría de SEMs sólo requieren que estas sean conductoras. Este equipo puede dar una señal de electrones secundarios que es la que se emplea para obtener una imagen más real de la superficie de la muestra que estudiamos y estos electrones emergen de la superficie de la muestra con energía inferior a 50eV, y también puede dar una señal de electrones retrodispersados, estos emergiendo de la muestra a una energía superior a 50 Ev, acelerados ambos con tensiones desde 0,2 a 40 Kv. La intensidad de los retrodispersados, para una energía dada del haz, depende del número atómico del material (a mayor número atómico mayor intensidad). Este hecho permite distinguir fases de un material de diferente composición química. También permite observaciones hasta 3,5nm de resolución. Además posee un sistema computerizado de análisis de la energía de rayos X dispersados INCA 300 X-Sight de Oxford Instruments con resolución de 133 eV a 5,9Ev. Además posee otro sistema para registrar y analizar diagramas de difracción de electrones retrodispersados EBSD (Electron Back Scatter Diffraction). Antes de introducir el portamuestras en el microscopio debemos recubrir la muestra con una capa de carbón para darle propiedades conductoras a la muestra; en nuestro caso se realiza un recubrimiento de carbono con evaporación de vacío para hacer las muestras conductoras y asegurar una buena observación. Figura 49. Microscopio electrónico de barrido (SEM). PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 64 PULIDORA ELÉCTRICA (DAP-V). Figura 50. PulidoraDap - V deStrueers. Antes de medir la dureza, se preparó superficie de la probeta con un pulido de las muestras con la pulidora Dap-V de la marca Strueersen dos fases: Primer pulido: Desbaste con las lijas de agua P320, P600, P800, P1200.10 minutos. Para eliminar las huellas realizadas con carga de 1Kgf y poder realizar indentaciones con cargas inferiores. Segundo pulido: Pulido con diamante. 5 minutos cada una. Figura 51. Lijas de pulidora. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 65 BAÑO ULTRASONIDOS. Figura 52. Ultrasonidos. Para poder eliminar las partículas que quedan del proceso anterior realizamos la limpieza del portamuestras con baño por ultrasonidos, para ello lo introducimos en un recipiente con alcohol etílico y se lleva a la máquina de baño de agua por ultrasonidos, como podemos observar en la figura 52. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 66 2.5.3 SECUELAS DE OTRO PROYECTO. En el presente proyecto hemos utilizado las muestras preparadas por el anterior proyecto fin de carrera de Aylagas (2010). Hemos analizado las muestras empastilladas en un portamuetras el cuál posee las cerámicas eutécticas Al2O3 – EuAlO3, crecidas a 25, 100, 350 y 750 mm/h. Y hemos analizado la microestructura, la dureza y la tenacidad a fractura de estas muestras tanto en sección longitudinal como la transversal. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 67 2.6 Resumen y conclusiones. En este proyecto se ha caracterizado mecánicamente fibras eutécticas Al2O3 – EuAlO3 solidificadas direccionalmente procesadas por fusión zonal con láser a distintas velocidades de crecimiento, y a continuación vamos a presentar resultados de los experimentos realizados en los laboratorios del Área de ciencias de Materiales e Ingeniería Metalúrgica del Departamento de Ciencia y Tecnología de Materiales y Fluidos, en la Universidad de Zaragoza. La microestructura está directamente relacionada con la velocidad de crecimiento. Las cerámicas eutécticas crecidas a 25mm/h y 100mm/h tienen microestructura homogénea interpenetrada, en cambio la de 350mm/h coexisten zonas fibrilares y zonas “Chinese Script” y la crecida a 750mm/h presenta dominios fibrilares con engrosamientos de fase separando los dominios. Hemos comprobado a través de un análisis microestructural un afinamiento microestructural con el aumento de la velocidad de crecimiento predicho por la ley de Hunt-Jackson. Hemos pasado de poseer microestructuras con tamaños de fases en torno a 2,81µm para fibras procesadas a 25mm/h, hasta 0,34 µm para fibras procesadas a 750mm/h. La caracterización mecánica de las fibras de este eutéctico, se ha realizado a partir de la microdureza y la tenacidad a fractura utilizando el ensayo de indentación Vickers siguiendo la norma C 1327-99. El método de indentación Vickers es fácil de ejecutar, pero requiere de una cuidadosa puesta a punto para la ejecución sus diferentes etapas, y no es sencillo de lograr, ya que depende de la habilidad de la persona que realice el ensayo. Para la microdureza Vickers hemos observado cómo al aumentar la velocidad de crecimiento de procesado de las fibras en la sección longitudinal, va aumentando la dureza linealmente de 14,2 GPa desde las PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 68 fibras procesadas a 25mm/h, hasta 15,7GPa para las procesadas a 350mm/h, atribuido al afinamiento de las fases cuando se crece a mayor velocidad. En las fibras crecidas a 750mm/h se observa un descenso brusco de la dureza hasta 13 GPa, probablemente debido a su microestructura no homogénea con fases gruesas intercaladas entre los dominios fibrilares. En la sección transversal ocurre cualitativamente lo mismo, con dependencias más suaves. Hemos realizado un estudio de cómo varía la dureza con la carga aplicada en la muestra crecida a 100mm/h. Observando que a medida que aumentamos la carga disminuye la dureza de una manera no lineal. Se han analizado los resultados con la ley de Hays-Kendall, obteniendo un valor del índice de Mayer de 1,9, muy próximo a 2. El análisis de los datos ha permitido obtener el valor de microdureza independiente de la carga para este material en la región de independencia de la dureza con la carga aplicada. Y a partir de la dureza límite Hv de 14,55GPa, la cual se mantendrá constante apliquemos la carga que apliquemos superior a la aplicada para alanzar esa dureza. A continuación, hemos calculado la tenacidad de fractura y estudiado la influencia con la velocidad de procesado. Para el cálculo de la tenacidad hemos utilizado la ecuación de Niihara para grietas media-radiales. Para resolver esta ecuación hemos necesitado calcular el módulo de elasticidad del eutéctico EAl2O3-EuAlO3, a través de las fracciones volumétricas del diagrama de fases y los valores de EAl2O3 y EEu Al O3, obteniendo un valor de 344GPa. Tanto en la sección transversal como la sección longitudinal, obtenemos valores medios de tenacidad a fractura alrededor de 2,5 MPa m1/2. No hay una tendencia clara en función de las velocidades de procesado. Pero si existe un ligero descenso de la tenacidad a fractura en las fibras crecidas a 750 mm/h, debido a la inhomogeneidad de la microestructura y la existencia de fases groseras separando los dominios fibrilares. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 69 En las secciones longitudinales se observó un ligero incremento de la tenacidad calculada a partir de las grietas que se propagan perpendicular a la dirección de crecimiento de la fibra, KIC┴, con respecto a la calculada con las grietas paralelas, KIC//. Este resultado es coherente con la microestructura del material. La solidificación direccional del eutéctico produce una orientación preferente de las fases a lo largo de la fibra presentando por tanto, más interfases, es decir, más obstáculos a la propagación de la grieta en la dirección perpendicular, dando lugar a esa mayor tenacidad. En las secciones transversales donde la microestructura no presenta esa orientación preferente el efecto no se observó. El último estudio de tenacidad a fractura que hemos realizado ha sido el análisis de la propagación de las grietas, siendo transgranular si las grietas se propagan atravesando las fronteras de fase, o intergranular si se propagan a través de las fronteras de fase. En los compuestos eutécticos normalmente las grietas son trangranulares, por las fuertes intercaras que presentan. En nuestro compuesto eutéctico en las fibras crecidas a 25 y 100 mm/h hemos observado una propagación transgranular. En el caso de las muestras con dominios fibrilares se han observado pequeñas deflexiones de las grietas en las intercaras, pero que no han sido suficientes para producir un incremento de KIC. En la sección longitudinal, podemos observar que la tenacidad a fractura varía si se mide en la dirección paralela o la dirección perpendicular a la dirección de crecimiento de las fibras, los valores en la dirección perpendicular, KIC┴ , son superiores a lo de la dirección paralela KIC//, debido a que las fases están orientadas a lo largo de la dirección de crecimiento y en la dirección perpendicular las grietas se encontrarán numerosas interfases que impidirán su propagación y ello aumentará su tenacidad. Para terminar, si comparamos los valores de dureza HV y tenacidad de fractura KIC obtenidos en el presente proyecto con otros compuestos cerámicos eutécticos que se muestran en la siguiente tabla de la figura 53. PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 70 Sistema HV (GPa) KIC(MPa· ) Al3O2-Er3Al5O12 16 1,8 Al3O2-Y3Al5O12 15-16 2 Al2O3 – EuAlO3 15 2,5 Figura 53. Dureza Vickers (HV) y tenacidad de fractura (KIC) para varios eutécticos investigados. Podemos observar que la perovsquita aumenta considerablemente la tenacidad a fractura del Al2O3 – EuAlO3 alrededor de un 30%, sin que se produzca una disminución significativa de la dureza, entorno a un 6% aproximadamente. Por lo tanto podemos concluir que el estudio de eutécticos que incorporan estructuras perovskitas frente a granates pueden resultar de gran interés ya que producen microestructuras con mayor tenacidad a la fractura. Asimismo, ha resultado fundamental el estudio con la velocidad de procesado, descartando la utilización de fibras crecidas a mayor velocidad de procesado ya que la inhomogeneidad en tamaño y forma de las fases ha producido las microestructuras menos duras y tenaces. GRANATE PEROVSQUITA PFC Estudio de la dureza y tenacidad a fractura de Al2O3 – EuAlO3 71 3. BIBLIOGRAFÍA, REFERENCIAS Y AGRADECIMIENTOS. - Mario Aylagas. “Fabricación, procesado y análisis de fibras cerámicas eutécticas Al2O3-Eu2O3” Proyecto fin de carrera, 2010. Ingeniería técnica mecánica (Universidad de Zaragoza). - K. K. Bamzaia, V. Singha, Nidhia, P.N Kotrua, and B. M. Wanklynb. “Micromechanical characteristics of flux-grow (SmAlO3) single crystal” Journal of Crystal Growth, 4 (2010) 387-395 - A. Yoshikawa, K. Hasegawa, J. H. Lee, S. D. Durbin, B. M. Epelbaum, D. H. Yoon, T. Fukuda, Y. Waku. “Phase identification of Al2O3/RE3Al5O12 and Al2O3/REAlO3 (RE = Sm – Lu, Y) eutectics” Journal of Crystal Growth, 218 (2000) 67-73 - J. Martín Sanjosé, M. A. Madre Sediles y J. M. Franco Gimeno. “Ingeniería de materiales para industria y construcción” Mira Editores, 2004 - L. Mazerolles, L. Perriere, S. Lartigue-Korinek, N. Piquet, M. 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