Volumen II - SAM

Congreso SAM/CONAMET 2009 Buenos Aires, 19 al 23 de Octubre de 2009
SIMULACIÓN NUMÉRICA DE ENSAYOS DE COMPRESIÓN DIAMETRAL PARA LA
EVALUACIÓN DE DISCOS CERÁMICOS POROSOS
M. A. Pucheu; A. G. Tomba Martinez; M. A. Camerucci
Laboratorio de Materiales Estructurales - División Cerámicos, INTEMA-CONICET, Fac. de Ingeniería-
UNMdP. Av. Juan B. Justo 4302 (7600) Mar del Plata, Argentina.
RESUMEN
Se estudió el comportamiento mecánico de materiales porosos de cordierita mediante ensayos en
compresión diametral. La solución analítica que permite la medición indirecta de las propiedades mecánicas
en compresión diametral se formula bajo ciertas condiciones que no suelen satisfacerse en la práctica. Con el
objetivo de analizar desviaciones de las condiciones ideales se simuló el ensayo con técnicas
computacionales. Los discos de cordierita se obtuvieron por: consolidación térmica (85°C) de suspensiones
acuosas de una mezcla precursora de cordierita (caolín, talco y alúmina) con almidón de papa
(consolidante/ligante y formador de poros a temperatura); calcinación y reacción-sinterización (1330°C).
Los ensayos mecánicos se realizaron en una máquina Instron 8501 servohidráulica, en control por posición
(0,2 mm/min). A partir de la curva carga-desplazamiento se obtuvo la relación aparente esfuerzodeformación
y se determinaron parámetros mecánicos: módulo de Young aparente, resistencia a la fractura,
límite elástico. Sobre los discos ensayados se analizaron las características de la fractura. La influencia de
las desviaciones más frecuentes identificadas en la práctica (desviación de la circularidad y no paralelismo
entre las caras del disco) sobre la distribución de esfuerzos se estudió mediante la simulación por elementos
finitos tomando como referencia la ecuación de Hertz para problemas de contacto.
Palabras claves: Cerámicos porosos, Cordierita, Compresión diametral, Simulación numérica, Método de
elementos finitos (MEF).
1. INTRODUCCIÓN
La alta demanda de materiales cerámicos porosos con porosidad controlada que reúnan propiedades
específicas para determinadas aplicaciones ha impulsado el desarrollo de nuevos métodos de procesamiento
[1,2]. En particular, el estudio de la ‘performance’ de estos materiales en aplicaciones estructurales debe
incluir necesariamente la evaluación de su comportamiento mecánico en relación a ciertas características
microestructurales como son la cantidad, morfología y distribución de tamaños de poros. Estas características
son las que generalmente causan un efecto determinante sobre las propiedades finales del material, en
particular las mecánicas [3]. De esta manera resulta indispensable contar, en primer término, con ensayos
mecánicos que provean datos confiables y reproducibles y, una vez establecidos, emplearlos en la evaluación
del comportamiento mecánico de los materiales.
Una de las configuraciones usadas para la evaluación mecánica de cerámicos en verde y sinterizados, es la
compresión diametral de discos, debido a sus varias ventajas frente a técnicas similares (flexión en 3 y 4 puntos):
simplicidad en la configuración de carga y geometría de probeta, ausencia de efectos de borde, independencia
del acabado superficial, entre las más importantes. Sin embargo, presenta ciertos inconvenientes asociados que
pueden invalidar el ensayo para un dado tipo de material y que requieren de un análisis exhaustivo [4-6].
Un aspecto que se debe tener en cuenta en los distintos ensayos mecánicos es la geometría de la probeta. En
particular, para el ensayo de compresión diametral, desviaciones con respecto a la geometría cilíndrica
deseada, como la falta de circularidad o de paralelismo entre sus superficies planas, las cuales están en parte
relacionadas con el procesamiento empleado y las características del material cerámico, inciden en la
determinación de los parámetros mecánicos [5-7].
Las soluciones analíticas del estado de esfuerzos desarrollado en el interior de la probeta en el ensayo de
compresión diametral, y que permite la medición indirecta de las propiedades mecánicas, están fundadas sobre
varias hipótesis que no suelen satisfacerse en la práctica. Para analizar la influencia de las desviaciones del
caso ideal sobre los resultados del ensayo mecánico el empleo de técnicas computacionales resulta una
herramienta muy potente [5-7].
El objetivo de este trabajo es analizar la influencia de ciertas desviaciones de las condiciones ideales del
ensayo de compresión diametral aplicado a materiales porosos de cordierita, identificadas en la práctica
(desviaciones en la geometría de probeta ideal: falta de circularidad y de paralelismo entre las superficies
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