BOLSOC.ESP.CERAM.VIDR. 30 (1991) 3, 157-164
Re isión
Ma e iales ce ámicos enaces a base de Z 02:
Mic oes uc u a y p opiedades mecánicas
M. JIMENEZ MELENDO, A. DOMÍNGUEZ RODRIGUEZ
Dp o.
de Física de la Ma e ia Condensada, Ins i u o de Ciencia de Ma e iales. Ap do. 1065. 41080 SEVILLA
RESUMEN.—Ma e iales ce ámicos enaces a base de
Z 02:
Mic oes uc u a y p opiedades mecánicas.
El desa ollo de los ma e iales ce ámicos es uc u ales
es á pe mi iendo disminui la agilidad inhe en e á los
ma e iales ce ámicos. En los compues os enaces a base
de Z 02, se ap o echa la ans o mación ma ensí ica
e agonal -^ monoclínica como mecanismo de aumen o
de la esis encia del ma e ial a la p opagación de isu as
(compo amien o de cu a-R). El obje i o es diseña mi-
c oes uc u as con ase e agonal me aes able capaces de
nuclea la ans o mación ma ensí ica bajo la acción de
un campo de ensiones ex e no, e i ando al mismo iem-
po la ans o mación asis ida é micamen e. El amaño
de las pa ículas e agonales de Z 02 juega el papel más
impo an e en es e mecanismo de aumen o de enacidad.
En es e abajo se e isan las ca ac e ís icas mic oes uc-
u ales de es e ipo de ma e iales, y su in luencia sob e
las p opiedades mecánicas.
ABSTRACT.—Z Oj ough ce amics: mic os uc u e
and mechanical p ope ies.
The de elopmen o new ce amics componen s has
allowed dec ease he b i leness associa e o he adi ional
ce amic ma e ials. In Z 02-con aining ce amics, he
ma ensi ic e agonal o monoclinic phase ans o ma-
ion is he mechanism con olling he « esis ence-cu e»
beha io , whe ein he c ack esis ence inc eases du ing
he cou se o c ack p opaga ion. The e agonal pa icles
size play an impo an ole in he mechanical p ope ies
o such ans o ma ion oughened ce amics. The goal is
o design mic os uc u es wi h me as able e agonal
Z 02 pa icles, which ans o m o monoclinic in he
p esence o a s ess ield. The mic oes uc u al aspec s
and mechanical p ope ies o hese ce amic ma e ials a e
e iewed in his wo k.
1.
INTRODUCCIÓN
Jun o a sus aplicaciones adicionales, los ma e iales ce-
ámicos es án siendo ampliamen e u ilizados en la ac uali-
dad en campos muy di e sos, debido a sus buenas p opie-
dades:
es abilidad dimensional y química, du eza, esis encia
a la co osión/e osión, compa ibilidad biológica, anspa en-
cia, dis in as ca ac e ís icas eléc icas y magné icas, e c. Es as
p opiedades de i an de sus enlaces químicos, de ipo iónico-
co alen e, ue es y di eccionales. Además, las especies quí-
micas que cons i uyen es os ma e iales son de los más abun-
dan es en la na u aleza, lo que hace muy compe i i a a es a
clase de ma e iales, al menos en el aspec o de ma e ias p i-
mas necesa ias pa a su ab icación.
Sin emba go, la na u aleza de los enlaces químicos con-
ie e a los ma e iales ce ámicos una desa o unada p opie-
dad, que a la ez es su p incipal ca ac e ís ica: la agilidad.
Aunque pueden sopo a al as ensiones sin de o ma se plás-
icamen e, se ompen cuando se alcanza una ensión c í ica
(la ensión de ac u a o^, po la p opagación ca as ó ica
de isu as. En un ma e ial ágil, la ue za mo iz pa a la
p opagación de una isu a de longi ud inicial c iene dada
po la ecuación de G i i h:
Ki = Ya C' [1]
Recibido el 14-12-90 y acep ado el 30-1-91.
MAYO-JUNIO, 1991
donde K, es el ac o de in ensidad de ensiones aplicado,
G
el campo de ensiones ex e no e Y una cons an e adimen-
sional p óxima a la unidad, y cuyo alo exac o depende de
la geome ía de la isu a. Pa a la ensión de ac u a o^, la
isu a se p opaga de o ma ca as ó ica, eniéndose:
KT =Ya.c'' [2]
donde Kic es el ac o de in ensidad de ensiones c í ico,
que co esponde a la enacidad de ac u a del ma e ial.
Di e en es impe ecciones en la es uc u a del ma e ial si -
en de pun os de iniciación a es as isu as, bien o iginados
du an e su ab icación y p ocesado (p ecipi ados, de ec os
pun uales, on e as de g ano, po os, e c.), bien desa olla-
dos du an e su u ilización (con ac os mecánicos, deg adación
a al a empe a u a). La g an sensibilidad a la mic oes uc u-
a de los ma e iales ce ámicos con as a con la de los me a-
les,
que pueden sopo a isu as mac oscópicas an es de ac-
u a se. La agilidad de los ce ámicos ha limi ado su
u ilización en aplicaciones de al o iesgo, en a o de los me-
ales y aleaciones me álicas.
Dos soluciones di e en es es án pe mi iendo disminui la
agiligad (y mejo a , en gene al, el compo amien o mecá-
nico) de los ce ámicos.
L La iden i icación de los de ec os que o iginan las isu-
as,
y su eliminación median e el pe eccionamien o y desa-
157
M.
JIMENEZ MELENDO, A. DOMÍNGUEZ RODRIGUEZ
ollo de nue as écnicas de ab icación y p ocesado. Es a
solución ha enido un éxi o ela i o, debido al pequeño a-
maño de los de ec os de in e és (no malmen e <
1
/im), lo
que di icul a su de ección.
IL El diseño de mic oes uc u as que sean capaces de
aumen a la esis encia a la ac u a del ma e ial. Es a idea
ha pe mi ido, en la úl ima década, desa olla ma e iales e-
naces,
capaces de aumen a la ole ancia del ma e ial a la
p esencia de de ec os en su mic oes uc u a. Es e ipo de ma-
e iales o man pa e de los denominados «ma e iales ce á-
micos es uc u ales», diseñados pa a sa is ace y/o mejo a
una p opiedad ísica de e minada.
Se pueden dis ingui undamen almen e dos clases de ma-
e iales ce ámicos enaces: los compues os a base de Z 02
(ZTC:
zi conia- oughened ce amics) y los ma e iales com-
pues os (composi es). En el p ime caso, se ap o echa la
ans o mación e agonal -^ monoclínica de pa ículas de
Z 02 pa a aumen a la enacidad. En el caso de los compo-
si es,
se e ue za una ma iz ágil median e la adición de
e o zan es.
Ambos mecanismos c ean una egión de p o ección al e-
dedo de la isu a que se es á p opagando, disminuyendo las
ensiones espec o de las espe adas a pa i del ac o de in-
ensidad de ensiones aplicado (ec. 1). La esis encia a la p o-
pagación de la isu a aumen a de o ma pa abólica a medida
que és a se p opaga, desde un alo inicial c^, has a que se
alcanza el alo c í ico C a pa i del cual la isu a se p o-
paga ya de o ma ines able. Es e compo amien o de los ma-
e iales ce ámicos enaces se denomina de «cu a esis en-
cia a la p opagación de isu as» (cu a-R), y con as a con
el de los ma e iales ce ámicos adicionales. En es e a ícu-
lo se e isan las ca ac e ís icas de es e nue o ipo de ma e-
iales a base de Z 02, y la in luencia de la ans o mación
ma ensí ica en sus p opiedades mecánicas.
2.
ESTRUCTURA CRISTALINA
Y TRANSFORMACIÓN
MARTENSÍTICA
DEL Z 02
Desde el descub imien o de la ans o mación e agonal
-^
monoclínica del Z 02 (1), un g an es ue zo se ha di i-
gido al desa ollo de los compues os a base de Z 02, como
lo e idencian los dis in os cong esos especí icos (2-4) y mo-
nog a ías (5, 6) sob e es a clase de ma e iales.
El óxido de ci conio pu o p esen a es polimo ismos, de-
pendiendo de la empe a u a. La ase cúbica (Fm3m) es es-
able en e la empe a u a de usión (-2.680°C y 2.370°C).
Desde es a empe a u a has a LOOO°C, el Z 02 es e ago-
nal (P42/nmc). Y po debajo de es a empe a u a iene si-
me ía monoclínica (P2,/c).
El Z 02 se puede es abiliza a empe a u a ambien e en
las ases cúbica y e agonal median e la adición de di e sos
óxidos, p incipalmen e MgO, CaO, Y2O3 y Ce02. La ase
es abilizada depende de la concen ación de dopan e y del
a amien o é mico del ma e ial. La igu a
1
mues a la pa e
ica en Z 02 de los diag amas de ase de los sis enas
Z 02-MgO y Z 02-Y203. Se pueden dis ingui es zonas,
que pe mi en clasi ica el ma e ial esul an e:
L Z 02 o almen e es abilizado en la ase cúbica (FSZ:
158
ully-s abilized Z 02), ob enido pa a adiciones ele adas de
es abilizan e. Ha sido ampliamen e in es igado debido a su
uso ex ensi o en joye ía (especialmen e el sis ema Z 02-
Y2O3), pe mi iendo ob ene monoc is ales de g an amaño
y pe ección c is alina. También encuen a aplicación como
senso es de oxígeno y p oducción de hid ógeno, debido a
su al a conduc i idad iónica.
IL Z 02 pa cialmen e es abilizado (PSZ: pa ially-
s abilized Z 02), ob enido pa a concen aciones meno es de
dopan e po sin e ización en la zona (cúbico-h e agonal)
( ig. 1) y emplado a empe a u a ambien e. Cons a p inci-
palmen e de una ma iz cúbica con pa ículas e agonales
p ecipi adas ( ig. 2a), cohe en es con la ma iz.
IIL Z 02 e agonal (TZP: e agonal zi conia polyc ys-
als),
ob enido pa a concen aciones pequeñas de dopan e
( ig. 1). Es un ma e ial mono ásico polic is alino ( ig. 2b),
de g ano muy pequeño (<
1
¡xm).
O
10 20
%
mol MgO
5
10
%
mol Y2O3
Fig.
.—Diag amas
de ase de los sis emas Z 02-MgO y Z 02-Y20j
(c= ase
cúbica, = e agonal, m=monoclínica).
Jun o a es os ma e iales, pa ículas de Z 02 e agonal
pueden añadi se como ase dispe sa a una ma iz ce ámica
(AI2O3,
3AI2O3
•
2SÍO2, e c.) (7, 8) pa a aumen a la ena-
cidad de la misma. Es os ma e iales se denominan en gene-
al como «ma e iales compues os de Z 02 dispe sa» (ZDC:
zi conia-dispe sed ce amics), y en pa icula con el nomb e
de la ma iz (ZTA: zi conia- oughened alumina, e c.)
Es os compues os, PSZ, TZP Y ZDC, cons i uyen unda-
men almen e la amilia de ma e iales ce ámicos enaces a base
de Z 02, ya que disponen de ase e agonal me aes able
suscep ible de su i la ans o mación ma ensí ica a la ase
monoclínica. Es a es una ans o mación de p ime o den
po mo imien o co po a i o de los iones del c is al (adi u-
sional), acompañada de un aumen o de olumen AV de
^4%
(9). La igu a 3 mues a un ejemplo de es a ans o -
mación y de su po encial aplicación: el cie e de una isu a.
El campo de ensiones en la pun a de la isu a (que se p o-
paga desde el é ice supe io de echo de la o og a ía hacia
el é ice opues o) induce la ans o mación del p ecipi ado
e agonal (zona ayada oblicua) a la ase monoclínica (zona
ayada e ical). El aumen o de olumen asociado a es a
ans o mación desa olla ue zas de comp esión sob e las
supe icies lib es de la isu a, de eniendo su a ance y aumen-
ando, po an o, la enacidad del ma e ial.
BOL.SOC.ESP.CERAM.VIDR.
VOL. 30 - NUM. 3
Ma e iales ce ámicos enaces
a
base
de
Z 02
AKig"'=AeiV Eh'«/(l-i,)
[3]
Fig.
2.—a)
P ecipi ados e agonales
en una
ma iz cúbica, monoc is al
de Z 02 dopado con
3,5
mol%
de
Y2O3
(Y-PSZ).
b)
Polic is al e agonal
de Z 02-2 mol%
Y20^
(Y-TZP).
las
lechas
indican
ases i eas en pun-
os iples.
La máxima enacidad AKJ^^'' se alcanza cuando la isu a
ha pene ado comple amen e en la zona ans o mada. En
el modelo más simple (10), es e máximo se iene pa a Ac/h
>5,
siendo h la anchu a de la zona ans o mada ( ig. 4),
y ale (11):
Fig. 3 .—T ans o mación ma ensí ica
( enaz)
de
un
p ecipi ado e agonal
a la ase monoclínica
po la
acción
del
campo
de
ensiones
en la
pun a
de
una
isu a. Monoc is al
de
Z 02-3,5 mol%
de Y20^.
MAYO-JUNIO,
1991
siendo A=0,22, e¡ (eii +
e22
+
e33=AV)
las componen es de
dila ación del enso de de o mación de la ans o mación,
V la acción olumé ica de las pa ículas ans o madas
en la zona de ans o mación, y E y u el módulo de Young
y el coe icien e de Poisson del compues o bi ásico. El ac-
o numé ico A de la ec. 2 aumen a has a 0,38 si se conside-
an ambién los e ec os de cizalladu a de la ans o mación
(6,
12).
AK
max
IC ZONA EXTENDIDA
ZONA
TRANSFORMADA
isu a
Fig. 4.—Dibujo esquemá ico
de la
cu a
de
esis encia
a
la p opagación
de isu as
en un
ma e ial ce ámico enaz (cu a-R) y o ma
de la
zona
de
ans o mación asociada.
El
alo asin ó ico
de la
enacidad
es
AKj ^
(ec.
3). (De
e . 11).
La igu a
4
mues a
las
di e en es e apas
de
p opagación
de
la
isu a
en la
zona
de
ans o mación.
La
isu a,
de a-
maño inicial Co, comienza
a
c ece
de
o ma es able cuan-
do
el
ac o
de
in ensidad
de
ensiones aplicado
K,
alcanza
el alo
de la
enacidad
de
ac u a
de la
ma iz ágil
K,^
( alo
de
G i i h,
ec. 2
pa a c=Co). Pa a
que la
isu a con-
inúe c eciendo
es
necesa io
que la
ensión aplicada aumen-
e,
ya que la
esis encia
del
ma e ial aumen a
con la
dis an-
cia
de
p opagación
de la
isu a.
La
ac u a ca as ó ica
ocu e cuando
Ki se
hace angen e
a la
cu a-R
( ig. 5); a
pa i
de
es e pun o,
la
isu a,
que ha
c ecido
en AC se
p o-
paga
ya de
o ma ines able.
La
condición
de
ac u a es, pues:
Kic=Ki^+AKic
(Ac)
[4]
donde AKic
(Ac) es el
aumen o
de
esis encia
a la
p opaga-
ción
de la
isu a
a
pa i
del
momen o
en que
és a
se
p opa-
ga
de
o ma es able ( ig.
5). En los
ma e iales ce ámicos
con
espues a
de
cu a-R,
la
ensión
a la
cual ocu e
el
allo
no
iene con olada únicamen e
po la
enacidad
del
ma e ial,
sino
que es la
o ma exac a
de la
cu a-R, AKjc (Ac),
y el
amaño
de
isu a inicial
Co
las que
de e minan
la
ensión
de
ac u a
(13).
159
M. JIMENEZ MELENDO, A. DOMÍNGUEZ RODRIGUEZ
O
Q
<
O
_J
<
<
9
(/)
z
UJ
O
Q
<
LL_
o
Û
<
O
<
ÜJ
LONGITUD FISURA C
Fig.
5.—Cu a-R
de con ol de la ac u a en un ma e ial ce ámico enaz.
La isu a de amaño inicial c^ se p opaga de o ma es able cuando el ac-
o de in ensidad de ensiones aplicado Kj iguala a la enacidad de la ma-
iz,
KYQ
La enacidad del ma e ial aumen a has a el pun o de angencia
en e la cu a-R y el ac o de in ensidad
K¡;
a pa i de es e pun o, la i-
su a se p opaga de o ma ines able, ac u ándose el
ma e ial.
3.
MORFOLOGÍA
DE LOS
PRECIPITADOS
TETRAGONALES
La mo ología de las pa ículas e agonales depende del
óxido es abilizan e. En el PSZ dopado con CaO (Ca-PSZ),
los p ecipi ados ienen o ma de cubos i egula es, con los
ejes <001> e agonales pa alelos a los ejes <001> de
la ma iz cúbica ( ig. 6a); los planos de macla son del ipo
{101 ). En el Mg-PSZ, los p ecipi ados son elipsoides, am-
bién con sus ejes c*" pa alelos a los ejes <001> cúbicos
( ig. 6b); los planos de macla son del ipo {001 ). El Y-PSZ
mues a una mo ología o almen e di e en e a los an e io-
es compues os. Los p ecipi ados, en o ma de discos
( ig. 2), ienen sus ejes "^pa alelos a los ejes <001 > cúbi-
cos;
p ecipi ados con ejes c^pe pendicula es se ag upan al-
e na i amen e, con planos de macla del ipo (110), o man-
do colonias a lo la go de di ecciones < 110> de la ma iz
( ig. 6c), que a su ez se unen en e sí o mando ib as de
a ias mie as de longi ud en di ecciones <001> cúbicas
(14,15).
La di e encia en las mo ologías de los es sis emas PSZ
puede se debida a la di e encia en la o ien ación de los pla-
nos de macla en los p ime os es ados de la p ecipi ación (16).
La aplicación de la eo ía gene al de Kha cha u yan (17) no
pe mi e p edeci la o ma de los p ecipi ados (excep uando
el caso de Mg-PSZ), debido p incipalmen e al hecho de no
conoce las ene gías de in e ca a (16).
4.
ESTABILIDAD DE LOS PRECIPITADOS
TETRAGONALES
Ya se ha indicado que, pa a consegui un aumen o de e-
nacidad, el ma e ial debe con ene pa ículas e agonales sus-
160
Fig.
6.—Mo ología
de los p ecipi ados e agonales en los sis emas
Z 02-MgO (a), Z 02-CaO (b) y Z 02-Y20j (c). Los p ime os es ados de
p ecipi ación pa a el Z 02-Y20^ se mues an en la igu a 2.
BOL.SOC.ESP.CERAM.VIDR. YOL. 30 - NUM. 3
Ma e iales ce ámicos enaces a base de Z 02
cep ibles de ans o ma se en monoclínicas. La es abilidad
de es a ase e agonal es la que de e mina la ensión nece-
sa ia pa a inicia la ans o mación y, en consecuencia, la
enacidad esul an e.
Si To es la empe a u a de equilib io e modinámico de
las dos ases pa a una concen ación de dopan e dada ( ig. 1),
se necesi a un sob een iamien o del sis ema a la empe a u-
a Mj, ( empe a u a de inicio de la ans o mación di ec a)
pa a nuclea la ans o mación ma ensí ica, a in de supe-
a las ene gías elás icas asociadas al p oceso; la ans o -
mación se comple a a la empe a u a M ( empe a u a inal
di ec a). La ene gía de de o mación ex e na AU necesa ia
pa a nuclea la ans o mación iene dada po (18, 19):
AU
= aj6Í=(T-M,)AS [5]
donde al es la ensión c í ica de ans o mación aplicada ex-
e namen e y AS el cambio de en opía asociado a la ans-
o mación.
El alo de M^ depende de la concen ación de dopan e
pa a un sis ema; y pa a una concen ación dada, depende muy
ue emen e del amaño de las pa ículas e agonales (e ec-
o amaño): a medida que el amaño c ece, M^ aumen a. La
igu a 7 mues a la a iación de M^ y M con el amaño de
los p ecipi ados en el sis ema Z 02-CaO (20). Pa a p eci-
pi ados supe io es a 100 nm, M^ supe a a la empe a u a
ambien e, y la ans o mación ocu e espon áneamen e (AU
es nega i a, ec. 5), inu ilizando al ma e ial pa a su uso pos-
e io debido al desa ollo de las isu as o iginadas po el
aumen o de olumen de la ase monoclínica. Las empe a-
u as inicial y inal A^ y A de la ans o mación in e sa
monoclínica e agonal du an e el calen amien o dependen
igualnien e del amaño de pa ícula.
donde B es un pa áme o de ensión. Es deci , cuan o me-
no sea aj, mayo es el adio h de la zona ans o mada, y
mayo el aumen o de enacidad del ma e ial. El aumen o de
enacidad po ans o mación se puede esc ibi aho a (ees.
3,
5 y 6):
AK,c= A B»/2 E/(l-
V)
(eí)2V K c/(T-M,)AS [7]
Po an o, el obje i o es consegui ma e iales con un a-
maño de pa ículas dispe sas óp imo al que: (1) su M^ que-
de po debajo, pe o p óxima a la empe a u a ambien e, pa-
a que no se ans o men espon áneamen e du an e el en iado
del ma e ial; y (ii) sean capaces de su i la ans o mación
bajo la acción de un campo de ensiones pequeño.
Es e obje i o se consigue median e a amien os é micos
adecuados (en ejecimien o o ecocido) del ma e ial, de o -
ma que el núme o de pa ículas e agonales con el amaño
óp imo sea máximo. Si el amaño d es excesi amen e pe-
queño (suben ejecimie í o), M^ se á meno que T, pe o la
ensión necesa ia pa a que se ans o me se á excesi amen-
e al a (ec. 5), sin consegui un aumen o e ec i o de la ena-
cidad. Si d es demasiado g ande (sob een ejecimien o), M^
se á mayo que T, y el ma e ial se ans o ma espon ánea-
men e (ec. 5), pe diendo sus p opiedades.
La máxima enacidad conseguida median e el mecanismo
de ans o mación es de 20 MPa
•
m'''^ en un ma e ial de
Z 02 — 9 mol% MgO en ejecido 24 ho as a
1.100°C
(6).
Es e a amien o desa olla p ecipi ados de
—
200 nm de a-
maño, con una empe a u a M^ in e io , pe o muy p óxima,
a la empe a u a ambien e, lo que p o oca la ans o mación
pa a ni eles de ensión an bajos como 300 MPa.
5. PROPIEDADES MECÁNICAS
o 1000
^ 800
o
o
00
<
in
<
e
Z)
Oí
lü
CL
600
400 [
200
50,
100 150 200 250 300
TAMAÑO PRECIPITADO (nm)
Fig. 1 .—Va iación de las empe a u as de ans o mación di ec a e ago-
nal -^ monoclínica inicial y inal (M^, M C in e sa monoclínica e ago-
nal inicial y inal
(A^,
Aß en iínción del amaño de los p ecipi ados e a-
gonales en el sis ema Z 02-CaO. (De e i 20).
En el caso con a io, cuan o T>M,, se necesi a una en-
sión ex e na pa a inicia la ans o mación. El alo de la
ensión c í ica aj disminuye cuando T—M^. (ec. 5), y es á
elacionado con el adio h de la zona ans o mada a a és
de (18, 19):
H=B (K^lalY [6]
MAYO-JUNIO, 1991
El amaño y la me aes abilidad de las pa ículas e ago-
nales en un compues o a base de Z 02 se e leja undamen-
almen e en sus p opiedades mecánicas. Es as dependen de
la concen ación de dopan e, amaño de los p ecipi ados y
a amien o é mico. Los esul ados más sob esalien es e
mues an a con inuación.
El sis ema más es udiado es el Mg-PSZ, que p esen a el
mayo aumen o de enacidad po el mecanismo de ans o -
mación. La igu a 8 mues a la a iación de Kic y
cT
con la
composición, medidas a empe a u a ambien e (21). El má-
ximo se encuen a pa a la concen ación de =
3 %
en peso
de MgO, que co esponde a una acción de
—
50%
de ase
e agonal en el ma e ial. A medida que aumen a la concen-
ación de dopan e disminuye la empe a u a de inicio de la
ans o mación ma ensí ica M^ (18), lo que p o oca una
mayo es abilidad de la ase e agonal en e a la ensión
ex e na y, en consecuencia, una disminución de la enaci-
dad ( ig. 8).
Pa a una composición de aleación ija, el compo amien-
o mecánico es á con olado po la empe a u a y iempo de
en ejecimien o ( ecocido), ya que las pa ículas e agona-
les c ecen po p ocesos de di usión. Es os p ecipi ados c e-
cen has a un alo óp imo (que co esponde a una M^ p ó-
xima a la empe a u a ambien e), pa a el que la enacidad
p esen a un máximo ( ig. 9). Cuando las pa ículas supe an
es e alo óp imo, su M^ aumen a po encima de la empe-
a u a ambien e y la enacidad K,c disminuye ( ig. 9) (22).
El mismo compo amien o se ob iene pa a un amaño de pa -
ícula dado (Mg ija) al aumen a la empe a u a del ensayo
(23).
161

M. JIMENEZ MELENDO, A. DOMÍNGUEZ RODRIGUEZ
<
ce:
o
O
ID
2 3 4 5 6
CONCENTRACIÓN {% peso MgO)
Fig.
%.—Dependencia
de la enacidad y la ensión de ac u a con
¡a c<
cen ación de dopan e pa a
Mg—PSZ.
(De e . 21.)
Z 02 - 9.5 m/o MgO
1 10 100
TIEMPO DE ENVEJECIMIENTO (ho as)
Fig. 9 .—Va iación de la enacidad a la ac u a con la empe a u a y iem-
po de en ejecimien o en el compues o Z 02-9,5 mol% MgO. (De e . 22.)
2 ho as a 1100 ° C
I I 1 ^—
Z Oz - 9.5 m/o MgO
1.0 2.0 3.0 4.0
LONGITUD DE FISURA (mm)
Fig. 0.—Tenacidad en e a la
longi ud de
p opagación de isu a pa a Mg-
PSZ (9,5 mol%) en ejecido 2 y 8 ho as a
1.100°C.
La mues a en ejecida
8 ho as p esen a un compo amien o de cu a-R. (De e . 13.)
Cuando los p ecipi ados ienen el amaño idóneo, el c e-
cimien o de isu as en el ma e ial es es able du an e los en-
sayos ( ig. 10), indicando un compo amien o de cu a-R
(13),
mien as que el ma e ial sob een ejecido mues a un
compo amien o ágil con encional. Es de señala que la
162
esis encia a la p opagación de isu as en es e ma e ial ( ig.
10) con inúa aumen ando incluso as a ios milíme os de
p opagación de las mismas, compa able ya al caso de los
me ales. Los máximos de K^^ con el iempo de en ejeci-
mien o se desplazan con la empe a u a de ecocido ( ig. 9),
ya que a
1.400°C
el c ecimien o de las pa ículas e agona-
les es más ápido, alcanzándose pa a iempos meno es el a-
maño óp imo pa a la ans o mación asis ida po ensión.
Medidas expe imen ales po espec oscopia Raman de la
anchu a de la zona ans o mada h al ededo de la isu a en
es os c is ales ( ig. 11) (24) con compo amien o de cu a-
R ( ig. 10) han pues o de mani ies o la alidez de la elación
K,cah'/2 (ec. 3).
Q
<
Q
O
<
ÜJ
15
12 •./^
9
6
3
n Z Oz - 9.5 m/o MgO [
1 — 1 . 1
Fig.
0 1 2 3 4 5 6
RADIO ZONA TRANSFORMADA h'^^ (jjm)'/^
11
.—Aumen o de la enacidad con la anchu a de la zona de ans o -
mación monoclínica pa a Z 02-9,4 mol% MgO. (De e . 24.)
El compo amien o del Ca-PSZ es simila al del Mg-PSZ,
pe o con alo es máximos de Kic y
o^
in e io es. La ena-
cidad p esen a un máximo pa a un amaño de p ecipi ado de
—100 nm (25), que co esponde a una M^ p óxima, pe o
in e io a la empe a u a ambien e ( ig. 7).
El sis ema Z 02-Y203 mues a la mayo ensión a la ac-
u a den o de los ce ámicos enaces a base de Z 02, alcan-
zando un alo supe io a los 2 GPa pa a la concen ación
de —4% en peso ( ig. 12) (6). Sin emba go, el mecanismo
de ans o mación no es capaz de explica po sí solo los a-
0 2 4 6 8 10 12
CONCENTRACIÓN Y2O3 {% mol)
Fig. 2.—Va iación de la enacidad y la ensión de ac u a con la concen-
ación de dopan e pa a Z Oi pa cialmen e, es abilizado con YiO^.
(De e 6.)
BOL.SOC.ESP.CERAM.VIDR. VOL. 30 - NUM. 3
Ma e iales ce ámicos enaces
a
base
de
Z 02
lo es expe imen ales
de
Kjc,
ya
que
a
empe a u as supe io-
es
a la
empe a u a
de
equilib io e modinámico
de las a-
ses e agonal
y
monoclínica ( ig.
1),
pa a
las que no
iene
luga
la
ans o mación enaz,
Kjc es
doble pa a
el
Y-PSZ
espec o del Y-FSZ, que es o almen e cúbico (26). Un com-
po amien o simila se ha ob enido pa a la ensión de ac u-
a
y
pa a
la
mic odu eza (27). Es os esu ados sugie en que
la dispe sión de p ecipi ados e agonales en la ma iz limi a
ue emen e
la
plas icidad del ma e ial
a
al as empe a u as,
siendo
un
mecanismo
muy
e ec i o
de
endu ecimien o
del
ma e ial.
Medidas de la ensión de lími e elás ico
a
al as empe a u-
as
en
unción
del
iempo
de
ecocido
a
1.600°C
en
Z 02-4,5 mol%
de
Y2O3 (15, 28) mues an alo es so p en-
den emen e al os,
con un
máximo
de
=^550 MPa pa a
150
ho as de en ejecimien o ( ig. 13).
El
mecanismo de in e ac-
ción dislocación-p ecipi ado
no
es á bien comp endido hoy
en
día, y
es á siendo in es igado (28).
Sin
emba go,
es de
esal a
la
al a es abilidad
de los
p ecipi ados e agonales
en e
al
en ejecimien o
en
es e compues o:
se
ob ienen
i-
b as de has a
10
imác longi ud pa a 1.000 ho as de ecoci-
do
a
1.600°C,
sin que se ans o men espon áneamen e du-
an e
el
en iado
(28).
150 ho as
24 ho as
4 ho as
•2 ho as
4.5
mol%
Y2O3
Fig.
2
3 4
DEFORMACIÓN
(%)
[3.—Cu as ensión-de o mación pa a monoc is ales
de
Z 02-4,7
mol%
Y20^
ecocidos
a
di e en es
a
L600°C.
(De e 15.)
Es e compo amien o con as a
con el de los
o os com-
pues os
a
base
de
Z 02,
que
ienen limi ado
su uso a
em-
pe a u as in e io es
a
1.100°C
debido al excesi o c ecimien o
de
los
p ecipi ados,
con el
consiguien e aumen o
de
M^
so-
b e la empe a u a ambien e. Es os esul ados pa ecen seña-
la
al
Z 02-Y203 como
un
ma e ial idóneo pa a
su
u iliza-
ción
a
al as empe a u as.
AGRADECIMIENTOS
Es e es udio
ha
sido pa cialmen e inanciado
po el
p o-
yec o CICYT num. MAT/88-0181-CO2-01
del
Minis e io
de Educación
y
Ciencia (España).
6.
BIBLIOGRAFÍA
1.
GARVIE,
R. C,
HANNINK,
R. H. y
PASCOE,
R. T.:
Ce amic s eel? Na u e,
258
(1975), 703-704.
2.
Ad ances
in
Ce amics,
ol. 3:
Science
and
Techno-
MAYO-JUNIO,
1991
logy
o
Zi conia. Edi ado po A.
H.
Heue and
L. W.
Hoobs.
The
Ame ican Ce amic Socie y, Columbus,
Ohio,
1981.
3.
Ad ances
in
Ce amics, ol. 12: Science and Techno-
logy
o
Zi conia II. Edi ado po N. Claussen, M. Ruble
y
A. H.
Heue . The Ame ican Ce amic Socie y,
Co-
lumbus, Ohio,
1983.
4.
Ad ances
in
Ce amics, ol.
24:
Science and Techno-
logy
o
Zi conia III. Edi ado
po S.
Somiya,
N. Ya-
mamo o
y H.
Hanagida.
The
Ame ican Ce amic
So-
cie y. Wes e ille, Ohio,
1989.
5.
RÜHLE,
M. y
EVANS,
A. G.:
High oughness and ce-
amic composi es. P og ess
in
Ma .
Sei., 33
(1989),
85-167.
6.
GREEN,
D. J.,
HANNINK,
R. H. J. y
SWAIN,
M. V.:
T ans o ma ion oughening
o
ce amics. CRC P ess,
Flo ida (1989).
7.
RINCÓN,
J. Ma.:
Analy ical elec on mic oscopy
o
muUi e alumina/Z 02/spinel ough ce amics. Analy i-
cal elec on mic oscopy. Edi ado po G.
W.
Lo ime .
The Ins i u e
o
Me als, Manches e , 1987, 67-70.
8. RINCÓN,
J. Ma.,
THOMAS,
G. y
MOYA,
S. J.:
Reac-
ion sin e ed zi conia-mulli e composi es wi h CaO.
/.
de Physique, Colloque
CI, 47
(1986), 423-427.
9. SAKUMA,
T.:
O e iew: Phase ans o ma ion and mi-
c os uc u e o pa ially-s abilized zi conia. T ans.
Ja-
pan Ins ,
o
Me als,
29
(1988), 879-893.
10.
MCMEEKING,
R. y
EVANS,
A. G.:
Mechanics
o
ans-
o ma ion oughening
in
b i le ma e ials.
/. Am. Ce-
am.
Soc., 65
(1982), 242-246.
11.
EVANS,
A. G.:
Toughening mechanism
on
zi conia
alloys. Ad .
in
Ce amics, ol. 12. The Ame ican Ce-
amic Socie y, Columbus, Ohio,
1983,
193-212.
12.
EVANS,
A. G. y
CANNON,
R. M.:
Toughening
o
b i -
le solids
by
ma ensi ic ans o ma ion. Ac a me all.,
34 (1986) 761-800.
13.
HEUER,
A. H.:
T ans o ma ion oughening
in
Z 02-con aining ce amics.
/. Am.
Ce am.
Soc, 70
(1987), 689-698.
14.
HEUER,
A. H.,
CHAIM,
R. y
LANTERI,
V.:
Re iew:
Phase ans o ma ions and mic os uc u al cha ac e i-
za ion
o
alloys in he sys em Y203-Z 02. Ad .
in Ce-
amics, ol. 24. The Ame ican Ce amic Socie y, Wes-
e ille, Ohio, 1989,
3-20.
15.
HEUER,
A. H.,
LANTERI,
V. y
DOMÍNGUEZ-
RODRÍGUEZ,
A.:
High empe a u e p ecipi a ion ha -
dening
o
Y2O3
pa ially-s abilized Z 02 (Y-PSZ) sin-
gle c ys als. Ac a Me all,
2>1
(1989), 559-567.
16.
LANTERI,
V.,
MITCHELL,
T. E. y
HEUER,
A. H.:
Mo phology
o
e agonal p ecipi a es
in
pa ially-
s abilized Z 02.
/. Am.
Ce am.
Soc, 69
(1986),
564-569.
17.
KHATCHATURIAN,
A. G.:
Theo y
o
s uc u al ans-
o ma ion
in
solids. Wiley and Sons, New Yo k, 1983.
18.
BECHER,
P. P.,
BEGUN,
G. y
FUNKENBUSCH,
E. F.:
T ans o ma ion oughening beha io in ce amics. Ad .
in Ce amics, ol. 24. The Ame ican Ce amic Socie y,
Wes e ille, Ohio, 1989,
645-651.
19.
BECHER,
P. F.:
Toughening beha io
in
ce amics as-
socia ed wi h
he
ans o ma ion
o
e agonal Z 02.
Ac a Me all,
34
(1986), 1885-1891.
163
M. JIMENEZ MELENDO, A. DOMÍNGUEZ RODRIGUEZ
20.
HANNICK, R.H.J., JOHNSTON, K. A., PASCOE, R. T.
y GARVIE, R. C: Mic os uc u al changes du ing iso-
he mal aging o a calcia pa ially s abilized zi conia
alloy. Ad . in Ce amics, ol. 3. The Ame ican Ce a-
mic Socie y, Wes e ille, Ohio, 1981, 116-136.
21.
DWORAK, U., OLAPNSKI, H. y THAMERUS, G.: Me-
chanical s enghening o alumina and zi conia-ce amics
h ough he in oduc ion o seconda y phases. Sei. Ce .,
9 (1977), 543-549. .
22.
HANNINK, R. H. J. y SWAIN, M. V.: Pa icle oughe-
ning in pa ially s abilized zi conia. In luence o he -
mal his o y. Ma , Sc. Resea ch, ol. 20. Plenum P ess.
New Yo k, 1983, 259-279.
23. BECHER, P. F., SWAIN, M. V. y FERBER, M. K.: e-
la ion o ans o ma ion empe a u e o he ac u e
oughness o ans o ma ion oughened ce amics. /.
Ma e . Sei., 22 (1987), 76-84.
24.
SWAIN: Inelas ic de o ma ion o Mg-PSZ and i s sig-
ni icance o s engh- oughness ela ion ship o zi co-
nia oughened ce amics. Ae a Me all, 33 (1985)
2083-2091.
25. SWAIN, M. V., HANNING, R. H. J. y GARVIE, R. C:
F ac u e oughness o ce amics, ol. 6. Ed. by R. C.
B ad , D. P. Hasselman and F. F. Lange. Plenum
P ess,
New Yo k, 1983, 339-349.
26. INGEL, R. P., LEWIS, D., BENDER, B. A. y RICE, R.
W.: Tempe a u e dependence o s eng h and ac u e
oughness o Z 02 single c ys als. Comm. o
Am.
Ce-
am.
Soe., 65 (1982), C150-C152.
27. MARTÍNEZ-FERNÁNDEZ, J., JIMENEZ-MELENDO, M.,
DOMÍNGUEZ-RODRÍGUEZ, A. y HEUER, A. H.: Mi-
c oinden a ion ans o ma ion in 3.5 m/o Y-PSZ sin-
gle c ys als. Acep ado pa a publicación en /. Am. Ce-
am.
Soe. (1991).
28.
MARTÍNEZ FERNANDEZ, J.: Mic oes uc u a y p opie-
dades mecánicas del sis ema Z 02-Y203. Tesis de
Doc o ado. Uni e sidad de Se illa, ma zo de 1991.
AVISO A NUESTROS LECTORES
Aunque el Comi é de edacción de es a Re is a ealiza un g an
es ue zo
pa a
que las no icias de es a Sección se comuniquen con an e-
lación su icien e, lamen ablemen e en algunas con oca o ias, las echas
son supe adas en el momen o de la publicación.
No obs an e, conside amos in e esan e su publicación, ya que el
lec o in e esado puede es a in o mado pa a u u as con oca o ias, po-
niéndose en con ac o di ec o con las di ecciones indicadas.
164 BOL.SOC.ESP.CERAM.VIDR. VOL. 30 - NUM. 3