Materiales Compuestos de Matriz Metalica

Podemos identificar dos fases: una continua, constituida por la matriz, y otra fase discontinua denominada

refuerzo (fase dispersa).

Aluminio

El aluminio es ligero, que es el primer requisito en la mayor parte delas aplicaciones de los MMCs actuales. Adicionalmente, es barato en comparación con otros metales ligeros, como el titanio y el magnesio.También se debe a que las aleaciones de aluminio convencionales se utilizan en grandes cantidades, principalmente en la industria de automoción y aeronáutica.Su resistencia, ductilidad y comportamiento frente a la corrosión son bien conocidos y pueden modificarse para satisfacer los requisitos de muchas aplicaciones distintas.

• Matriz de Aluminio reforzado en partículas de alúmina esférica
• Aluminio reforzado con fibras cortas de carbono por extrusión

Titanio

El titanio es más denso que el aluminio y es el metal con la mejor relación resistencia/densidad de entre todos los llamados ligeros (Al, Mg, Be).Por su elevado punto de fusión mantiene su resistencia a altas temperaturas mucho mayores que el aluminio. Además, la resistencia a la corrosión y oxidación es buena y es el material ideal parra la fabricación de motores a propulsión en la industria aeroespacial.El problema de los Ti-MCs y su producción está relacionado con la extremada reactividad de la matriz.Durante el procesado e elevadas temperaturas, las reacciones entre la matriz y el refuerzo son difíciles de evitar y consecuentemente, los recubrimientos de fibras son de especial interés.

Magnesio

Las propiedades mecánicas y rigidez de los Mg-MCs son comparables con los materiales de base aluminio, sin embargo, las propiedades frente a la corrosión de este material son pobres. Este problema se puede minimizar

mediante técnicas de pintura y recubrimiento, pero, no se utilizan en ambientes muy corrosivos.Debido a la ligereza que se persigue en estos MMCs, se emplean muchas veces como refuerzo, fibras de carbono, pese a que las fibras tienden a separarse de la matriz y la baja mojabilidad que posee el carbono por el magnesio líquido.

Cermet

Materiales compuestos metal-cerámica. El cermet más común es el carburo cementado, el cual está compuesto de partículas extremadamente duras de carburos cerámicos refractarios, incluidas en una matriz metálica como cobalto o níquel. Estos materiales compuestos se utilizan ampliamente como herramientas de corte en acero endurecidos. Las duras partículas de carburo suministran la superficie de corte, pero al se extremadamente frágiles, no son capaces de resistir por sí mismas los esfuerzos de corte. La tenacidad se mejora incluyéndolas en una matriz metálica dúctil. Ningún material podría aportar por sí solo la combinación de propiedades que posee un cermet.

Mecánicas.

• Elevado modulo de elasticidad
• Endurecimiento
• Limite elástico
• Resistencia a la tracción
• Fractura
• Fatiga
• Temperaturas elevadas

Térmicas.

• Coeficiente de expansión térmica
• Conductividad eléctrica

Las propiedades de este tipo de materiales están en función de las propiedades de las fases constitutivas, de sus cantidades relativas y de la geometría de la fase dispersa. “Geometría de la fase dispersa” en este contexto significa, la forma, el tamaño, la distribución y loa orientación de las partículas:

Una fibra viene caracterizada por su longitud, si diámetro, su resistencia última a tracción, así como la resistencia de la unión matriz-fibra. La longitud crítica de la fibra nos determina la circunstancia en la cual la tensión máxima en la fibra solo se da en un punto de centro de la misma. Todas las fibras que midan más que la longitud crítica se denominarán fibras continuas, y las que midan menos se denominarán fibras discontinuas

Una de las primeras fibras continuas utilizadas como refuerzo fue la BORSIC,

que está constituida por fibras de boro formadas sobre un alma de wolframio y

con un revestimiento de carburo de silicio. Las fibras más empleadas como

refuerzo son las de boro, alúmina y carburo de silicio.

En los materiales compuestos consolidados por dispersión, las partículas generalmente son mucho más pequeñas, con diámetros entre 10 y 100 nm. El mecanismo de consolidación es similar al de endurecimiento por precipitación. Mientras que la matriz soporta la mayor parte de la carga aplicada, las pequeñas partículas dispersas impiden el movimiento de las dislocaciones. De este modo se restringe la deformación plástica, de manera que mejoran el límite elástico, la resistencia a la tracción y la dureza.

Los principales parámetros de obtención de una buena interfase matriz-refuerzo son los siguientes:

• El mojado (entendiendo como mojado la capacidad que tiene la matriz para envolver al refuerzo) entre la matriz y el material de refuerzo debe ser bueno. Aquí interviene la naturaleza termodinámica de los diferentes elementos y 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.

Adhesión-Difusión

Consiste en un proceso isotermo en caliente que

da lugar a los perfiles de geometría determinada por consolidación y adhesión de las laminas

Proceso Rapi-Press

Proceso de Fundición

Materiales Compuestos de Matriz Metálica

• Introducción
• ¿Qué es un material compuesto?
• Materiales compuestos de matriz metálica
• Planos para fabricación de un m. compuesto
• Principales Bases: Aluminio, Magnesio, Titanio
• Propiedades Mecánicas y Térmicas
• Refuerzos empleados en MMC's
• Métodos de Fabricación
• Aplicaciones
• Articulo Técnico
• Video
• Conclusión
• Preguntas

Aplicaciones

Introducción

Materiales compuestos de matriz metálica

Hablaremos sobre los materiales compuestos de matriz metálica, las distintas aplicaciones que tiene en la industria, sus propiedades que los describe, sus métodos de fabricación, la principal función y sus principales bases de este compuesto...

Planos para fabricación de un material compuesto

• Industria aeronáutica (transbordador Espacial).
• Industria de la automoción (frenos,suspensiones y transmisiones,etc...).
• Industria de armamento (esferas de guía inercial de misiles).
• Industria electrónica
• Industrias para aplicaciones de ocio (palos de golf, componentes para bicicletas)

Han sido desarrollados principalmente para componentes aeroespaciales y de motores de automoción. Se clasifican en tres grandes grupos, de acuerdo con el tipo de refuerzo incorporado: reforzados con fibra continua, reforzados con fibras discontinuas y reforzados con partículas. Así, encontramos como ejemplos de los materiales compuestos de matriz metálica las aleaciones de aluminio con refuerzos de fibras de boro,aleaciones de aluminio reforzados con partículas de alúmina y carburo de silicio.

Al fabricar un material compuesto se debe trabajar, de forma simultánea, en tres planos distintos:

• el índice de funcionamiento, que determina qué combinación de propiedades del material puede maximizar sus prestaciones.
• los gráficos de selección de materiales, en los que las propiedades de distintos materiales junto a sus índices de funcionamiento se pueden seleccionar.
• el uso de límites para definir el entorno de propiedades accesibles por un sistema compuesto.

Métodos de fabricación

Pultrusión

¿Qué es un material compuesto?

Se utiliza una cámara en la que las laminas

se calientan a la temperatura adecuada y se someten a vacío

Las laminas se consolidan y adhieren por un proceso de enrollamiento en caliente

Las fibras de refuerzo se colocan en un molde de fundición y se añade el metal fundido. Es adecuada para para piezas complejas.

Principales Bases

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.

Los materiales compuestos son aquellos que están formados por dos o mas componentes, manteniendo y adquiriendo nuevas propiedades.

Placas de corte de torno

Deshumificadores

Fibras continuas

Los objetivos de diseño de los materiales compuestos reforzados con fibras con frecuencia incluyen alta resistencia y alta rigidez según el peso. En el caso de fibras cortas, estas son demasiado cortas para producir un aumento significativo de la resistencia.Bajo un esfuerzo, la longitud de la fibra es una variable a tener en cuenta puesto que éste cesa en los extremos de la fibra lo que produce un patrón de deformación.

Refuerzos empleados en materiales compuestos de matriz metálica

Las funciones que tiene el 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 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

Articulo Técnico

Conclusión

Partículas grandes y partículas

pequeñas (por dispersión)

Fibras discontinuas

Los materiales compuestos de matriz metálica están en una situación industrial de maduración de la tecnología. Es por ello que se debe esperar de ellos un importante crecimiento en su utilización y aplicaciones. Si consideramos además, que los Al-MCs y reforzados con partículas pueden obtenerse mediante técnicas de conformado baratas de grandes series, se augura para esta familia de materiales un futuro prometedor.

Se usa para indicar que las interacciones matriz-partícula no pueden tratarse a nivel atómico o molecular; en lugar de ello, se usa la mecánica del medio continuo. En la mayoría de estos materiales, la fase dispersa es más dura y más rígida que la matriz. Estas partículas de refuerzo tienden a restringir el movimiento de la fase matriz en las proximidades de cada partícula. En esencia, la matriz transfiere parte del esfuerzo aplicado a las partículas, las que soportan una fracción de la carga.

Las fibras discontinuas, conducen a propiedades inferiores que las fibras continuas. Los whiskers tienen diámetros inferiores a 1 micrometro, por lo que pueden considerarse como refuerzos discontinuos. El hecho de que normalmente se obtengan de forma monocristalina,además de su pequeño diámetro, conduce a que tengan pocos defectos internos, y como consecuencia presentan mayores niveles de resistencia queotras fibras discontinuas.

Video

Preguntas

Propiedades

• ¿Que es un material compuesto?

• Menciona uno de los planos en el que se debe trabajar un material compuesto.

• ¿Cuales son las principales bases de una matriz metálica?

• Menciona dos refuerzos de una matriz metálica.

Ramiro Martinez Herrera

Christopher Damian Soto Jasso

Salvador Serna Hernandez