ASTM E228: Expansión térmica en metales y cerámicas

Qué es la norma ASTM E228

ASTM E228 es un método de ensayo estándar de ASTM International para medir el coeficiente de expansión térmica (CTE) en metales y cerámicas. La norma garantiza la coherencia y la precisión de las pruebas de dilatación o contracción del material con un cambio de temperatura, un factor clave en el diseño de ingeniería, la fabricación y la garantía de calidad.

Importancia de la expansión térmica en cerámicas y metales

Ladilatación térmica es el factor que limita la fiabilidad y el rendimiento de los materiales en aplicaciones sometidas a fluctuaciones de temperatura. Esta propiedad permite a ingenieros y fabricantes predecir el cambio de tamaño y evitar fallos inducidos por la tensión térmica.

Por ejemplo, en los motores de turbina, las palas metálicas experimentan un calentamiento y enfriamiento a alta velocidad que puede provocar grietas o fatiga si no se tiene debidamente en cuenta el CET. En el sustrato cerámico de los envases de semiconductores, pueden producirse alabeos o delaminaciones debido a una diferencia de CET entre el chip de silicio y el sustrato.

Un conocimiento adecuado de la dilatación térmica permite

- Optimizar el diseño: Las piezas mecánicas se optimizan para mantener la estabilidad dimensional con los cambios de temperatura.

- Compatibilidad de materiales: Evitar fallos o alabeos en las uniones durante la combinación de materiales.

- Fabricación precisa: Tolerancias estrictas en piezas aeroespaciales, instrumentos ópticos y componentes electrónicos.

Cómo funciona ASTM E228

Equipo de medición

El dilatómetro de varilla de empuje es el principal equipo utilizado en las pruebas ASTM E228. La disposición de la prueba emplea normalmente una varilla de empuje hecha de sílice vítrea para rangos de temperatura normales o alúmina de alta pureza o grafito isotrópico a temperaturas más altas. La varilla transfiere la expansión o contracción de la probeta a un transductor de desplazamiento con una precisión prácticamente muy alta.

Procedimiento

1. Preparación de la muestra: Se prepara una probeta de la geometría y acabado superficial requeridos.

2. 2. Calentamiento/enfriamiento: La muestra de ensayo se coloca en el dilatómetro y se expone a cambios de temperatura controlados.

3. 3. Medición: El equipo mide el desplazamiento lineal (cambio de longitud) frente a la temperatura.

4. 4. Cálculo: El CTE se calcula a partir de la pendiente del gráfico desplazamiento-temperatura.

Aplicabilidad

La norma ASTM E228 se emplea generalmente para sustancias sólidas con un CET superior a unos 0,5 μm/m⋅℃. Se aplica a metales, cerámicas y materiales densos en una amplia gama de temperaturas. El método puede modificarse para aplicarse a materiales de baja dilatación si se dispone de aparatos sensibles.

Aplicaciones de la norma ASTM E228

El ensayo ASTM E228 se emplea en aplicaciones en las que la estabilidad de la temperatura y la estabilidad dimensional son importantes:

- Aeroespacial: Las palas de turbina y los escudos térmicos de los motores a reacción experimentan enormes gradientes de temperatura. Por ejemplo, las superaleaciones de níquel con un CET de 13-15 × 10^{-6}/℃ se combinan cuidadosamente con revestimientos cerámicos de CET ≈ (10-12 × 10^{-6}/℃) para reducir la tensión durante los ciclos térmicos.

- Vehículo: Los componentes de escape de aleación de aluminio y los bloques de motor CTE ≈ (23 × 10^(-6)/℃) se someten a pruebas de dilatación similares. La incongruencia entre los pernos de acero CTE ≈ (16 × 10^(-6)/ ℃) y las carcasas de aluminio hace que los ciclos térmicos repetidos provoquen distorsiones mecánicas.

- Electrónica: Las placas de circuitos impresos (PCB) y los paquetes de semiconductores necesitan una adaptación precisa del CET de las trazas de cobre CET ≈ (17 × 10^(-6)/ ℃) y la alúmina u otros sustratos cerámicos CET ≈ (8 × 10^(-6)/ ℃) para evitar que se agrieten durante los ciclos térmicos.

- Sistemas de energía: En las pilas de combustible de óxido sólido, sin datos adecuados de CTE en las interfaces metal-cerámica, a temperaturas de funcionamiento superiores a 800 °C, no se produce delaminación.

Mediante el suministro de datos precisos de expansión térmica, la norma ASTM E228 facilita la vida útil de los componentes y la seguridad en el uso de alto rendimiento.

Efectos sobre la expansión térmica

Son varios los efectos que rigen la forma en que los metales y las cerámicas se dilatan con la temperatura y de algunas maneras bastante complejas:

- Composición del material: Los aleantes o aditivos cerámicos alteran significativamente el CET. La adición de silicio al aluminio, por ejemplo, reduce el CET del aluminio, y las aleaciones de aluminio-silicio se convirtieron en la opción preferida para los pistones de los coches expuestos a ciclos térmicos severos.

- Rango de temperatura: Es cierto que la mayoría de los materiales presentan una dilatación no lineal a altas temperaturas. El acero inoxidable, por ejemplo, tiene un CET de 16,0 × 10^{-6}/°C a temperatura ambiente hasta aproximadamente 18,5 × 10^{-6}/°C cerca de 700 °C.

- Microestructura: El tamaño del grano, la porosidad y la distribución de las fases son factores que hay que tener en cuenta. Las cerámicas de circonio de grano fino, por ejemplo, tienen una expansión térmica menor que las de grano grueso debido a que la libertad de vibración de la red es limitada.

- Historia térmica: El calentamiento y el enfriamiento cíclicos modifican la estructura de un material, lo que cambia mínimamente su comportamiento de expansión, algo importante para los materiales que funcionan en condiciones cíclicas, como los motores de aviación o los hornos.

Coeficientes de expansión térmica de materiales comunes

Para más información, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

Preguntas más frecuentes

¿Qué es el coeficiente de expansión térmica (CET)?

El CTE define la velocidad a la que un material se expande o encoge al calentarse o enfriarse, generalmente en micrómetros por metro por grado Celsius (µm/m-°C).

¿Qué hace que la norma ASTM E228 sea valiosa en la selección de materiales?

Proporciona valores uniformes y reproducibles que los ingenieros utilizan para ofrecer un rendimiento fiable en condiciones de temperatura fluctuante.

¿Se puede utilizar la norma ASTM E228 con polímeros?

No. La norma ASTM E228 es adecuada para metales y cerámicas. Los polímeros requieren normas especiales, como la ASTM E831.

¿Cómo afecta la dilatación térmica a los equipos electrónicos?

Las diferencias de CET entre las piezas pueden crear tensiones internas, lo que provocará fallos en la unión soldada, grietas o delaminación.

¿Es la norma ASTM E228 adecuada para su uso a altas temperaturas?

Sí, la prueba mide con precisión el ETC en amplios intervalos de temperatura y, por tanto, es adecuada para las tecnologías aeroespacial, de automoción y energética.