Materiales compuestos de matriz metalica

 Materiales compuestos de matriz metálica

 Bajo el epígrafe "material compuesto de matriz metálica (MMC)", podrían incluirse dos grandes familias de materiales: aquellos materiales destinados para aplicaciones de corte y desgaste (carburos cementados, aceros reforzados con carburos, etc.) y aquellos materiales de alta rigidez, resistencia y módulo específico, normalmente destinados para aplicaciones estructurales en la industria automotriz o aeronáutica. El primer grupo de materiales se basa en matrices de metales de transición (Co, Fe, Ni) y el segundo en aleaciones ligeras (base Al, Ti, Mg). Pese a que en buena ortodoxia, ambas familias caen bajo el paraguas de los MMCs, en la mayoría de tratados y revisiones únicamente se considera como tales los materiales pertenecientes a esta última familia, considerando a casi todos los materiales del primer grupo bajo la definición de "metal duro".

 Siguiendo esta línea, el objeto de esta revisión serán aquellos materiales normalmente utilizados por su alta resistencia y módulos específicos y no por su extrema dureza o resistencia al desgaste. Los MMCs forman un grupo de materiales de los más estudiados en las dos últimas décadas. Una de las causas por la que se desarrollaron los materiales compuestos es la obtención de propiedades imposibles de conseguir con un material monolítico. El diseño óptimo de un componente demanda un conjunto de propiedades, como por ejemplo, una alta rigidez o resistencia con mínimo peso o mínimo coste; o bien en el diseño de propiedades termomecánicas una máxima transferencia de calor junto con una mínima distorsión térmica, o todas estas propiedades juntas. Por ello, el mejor material es el que posee el perfil de propiedades que más se acerca a las definidas por el diseño. El material que optimice estas combinaciones es el que merece la pena fabricar

MATRICES UTILIZADAS PARA LA FABRICACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA

 Las funciones que tiene la matriz metálica en los materiales compuestos son las siguientes

- Proteger las fibras o partículas del ambiente exterior (aire, humedad,...)

 - Propiciar la unión solidaria de los elementos que constituyen el refuerzo: unir las fibras entre ellas, pero separarlas para evitar la transmisión de grietas a través del compuesto, sobre todo en el caso de un refuerzo con fibras continuas.

- Repartir y transmitir las cargas de los elementos de refuerzo. En general, para que la transmisión sea óptima, la matriz debe deformarse plásticamente para tensiones netamente inferiores a las que está sometido el compuesto, y que su deformación sea inferior a la correspondiente a la rotura. La matriz no deberá tener un módulo de elasticidad demasiado elevado.

- Por último, las condiciones de utilización particulares del compuesto pueden exigir que la matriz presente buena resistencia a la corrosión o a la oxidación, o una buena resistencia mecánica en caliente. Es prácticamente imposible nombrar todos los metales o aleaciones que se emplean en la fabricación de MMCs, bien en estado de desarrollo o bien industrialmente.

Así, las aleaciones más comúnmente empleadas en materiales compuestos de matriz metálica son las ligeras: del aluminio (principalmente de las series 2000, 6000, 7000 y 8000). El titanio y sus aleaciones (aunque en algunos casos presentan el problema de reacción química con el refuerzo durante el procesado a temperaturas elevadas, lo que deteriora las propiedades del compuesto obtenido) y el magnesio y sus aleaciones (que presentan graves problemas de corrosión). Destacar que en los últimos años, la posible utilización de intermetálicos y superaleaciones como matrices está siendo objeto de intensas investigaciones. El mayor inconveniente que presentan estos materiales para su uso es la baja ductilidad. En la tabla I se muestran propiedades relativas entre distintos metales ligeros empleados habitualmente como matrices en MMCs.

REFUERZOS EMPLEADOS EN MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA

 Las funciones que tiene un material de refuerzo en MMCs son las siguientes

- Soportar las tensiones que se ejercen sobre el compuesto.

- Aumentar las características mecánicas de la matriz, su dureza y resistencia al desgaste (sobre todo en el caso del refuerzo con partículas).

- Mitigar los fallos de estas características con el aumento de temperatura. - Frenar o detener la propagación de grietas a través del compuesto y el desarrollo de las fisuras. Las fases de refuerzo se pueden clasificar en tres categorías; fibras continuas, whiskers y partículas. Generalmente, se habla de la gran mejora que, desde el punto de vista de las propiedades mecánicas, pueden obtenerse mediante fibras continuas, reforzando en la dirección de la tensión aplicada, mientras que con whiskers y partículas, se experimenta una disminución de resistencia, pero se tiene una gran isotropía en el material

INTERFASE MATRIZ REFUERZO

La interfase matriz-refuerzo condiciona las propiedades mecánicas finales de los compuestos. La transmisión y reparto de las cargas aplicadas al material compuesto se efectúa por la unión existente entre matriz y refuerzo. Si la unión no es buena, la matriz soportará la mayor parte de las tensiones y la función de los refuerzos será nula. La interfase es, pues, una región de composición química variable, que constituye la unión entre la matriz y el refuerzo, y que asegura la transferencia de las cargas aplicadas entre ambos.

Los principales parámetros necesarios para obtener una interfase "ideal" son:

- El mojado (entendiendo como mojado la aptitud de un líquido a extenderse sobre un sólido, propiedad de alto interés cuando el conformado pasa por la infiltración de una preforma-refuerzo por un fundido-matriz) entre la matriz y el material de refuerzo debe ser bueno.

 Aquí interviene la naturaleza termodinámica de los diferentes elementos y, en especial, sus energías superficiales.

- Deben existir fuerzas de unión suficientes para transmitir los esfuerzos de la matriz al refuerzo.

 - Las uniones deben ser estables en el tiempo y sobre todo en el rango de temperaturas de utilización del compuesto.

- Las zonas de reacción entre la matriz y el refuerzo deben ser reducidas y no afectar a los elementos de refuerzo.

- Los coeficientes de dilatación térmica de la matriz y de los refuerzos deben ser similares para limitar los efectos de tensiones internas a través de la interfase, sobre todo al utilizar el compuesto a altas temperaturas. Es difícil clasificar los distintos tipos de uniones, aunque se puede realizar una clasificación según el tipo de reacción química que se desarrolla entre la matriz y los refuerzos:

 - La matriz y los materiales de refuerzo son no reactivos e insolubles.

 - La matriz y los materiales de refuerzo son no reactivos pero solubles.

- La matriz y los elementos de refuerzo reaccionan para formar un tercer componente en la interfase. En primer lugar, se deben considerar las uniones de tipo mecánico, en las que no tiene lugar ninguna reacción química. Este tipo de unión puede existir en el caso de refuerzos que tengan la superficie rugosa. La ausencia de unión química conduce a un material compuesto con propiedades mecánicas mediocres. La unión con mojado y con disoluciones tiene lugar en los compuestos reforzados por casi cualquier elemento, excepto con los óxidos. La matriz moja y/o disuelve parcialmente los elementos del refuerzo, sin que se forme ningún compuesto entre ambos, existiendo interacciones electrónicas a corta distancia (distancias atómicas).

En las uniones en las que se producen reacciones químicas, estas pueden ser simples, que hacen intervenir las transferencias de átomos de uno o ambos compuestos, formándose un nuevo compuesto químico en la interfase, o bien reacciones más complejas, que se pueden representar mediante una secuencia de reacciones. Existen factores que pueden afectar a la estabilidad de la interfase como son las inestabilidades debido a la disolución, cuyo inconveniente principal es la pérdida parcial de refuerzo, produciéndose cavidades debido al efecto Kirkendall, principalmente en el caso de refuerzos metálicos; inestabilidades debido a reacciones interfaciales, que degradan las propiedades del compuesto; e inestabilidades debido a la descomposición de la interfase, que se producen básicamente en compuestos sujetos a ciclos térmicos.