Propiedades Mecánicas de Metales

Nanoestructurados.

Nanomateriales. 2009

López Bayón

Máster Interuniversitario de Materiales

Estructurales para las Nuevas Tecnologías

Introducción

¿Qué propiedades mecánicas vamos a obtener?

¿Podemos medir sus propiedades como hasta ahora?

¿Cómo se obtienen metales nanoestructurados?

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Metodos de Procesado

• Clasificación.

1. Bottom-up

2. Top-down

3. Top-down avanzado

• Deposición Física en fase vapor (Bottom-up).

1. Evaporación

2. Condensación

3. Recogida

Factores:

- P, Tª, gas inerte,Tf, cuchilla, compactación de polvos.

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Metodos de Procesado

• Deformación Plástica Severa – SPD (Top-down).

1. Aleación Mecánica (MA)

2. Equal Channel Angular Pressing (ECAP)

3. High Pressure Torsion (HPT)

- Polvo de tamaño micro ⇒ nano.

- Tamaño: 20-30 nm.

- Factores: tm, ratio bola-polvo, contaminacion.

- Mejoras: criomolienda, atm inerte

- Barra de tamaño micro ⇒ nano.

- Tamaño: 100-300 nm.

- Factores: geometria de la matriz, nº de pasadas, ruta de procesado

- Ventajas: no hay porosidad ni contaminación

A

BC

C

- Disco de tamaño micro ⇒ nano.

- Tamaño: 60-10 nm.

- Factores: geometria del disco, nº de giros, P, t.g. Inicial.

- Mejoras: combinación de procesos (BM+HPT, RQ+HPT)

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Caracterización.

• ¿Se pueden emplear técnicas convencionales para caracterizar las propiedades?

1. Nanoindentación.

2. Ensayo Tracción/Compresión.

3. Shear Punch Test (SPT).

- Carga vs. Profundidad ⇒ Dureza y Módulo de Young

- Proceso: carga+descarga

- Área de la huella: AFM ó función del área del indentador.

- Inconvenientes: pile-up y sink-in

- Muestras cilíndrica o prismática (bowtie).

- Equipos de pequeño tamaño: LVDT, células de carga, galgas,etc.

- Avances: Interferometría láser (ISDG)

- Relación lineal con ensayo de tracción: experimental.

- Carga (P) vs desplazamiento (δ) ⇒ Esf. cortante(τ) vs. δ/espesor

- Relación lineal entre σ = Cτ

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Propiedades Mecánicas

• Antecedentes.

Micro: Mejora de las propiedades ↓ el tamaño de grano

¿Es posible trasladar esta premisa a tamaños de grano nano?

¿Existe algún límite?

• Resistencia y dureza.

Relación Hall-Petch (1950) Relación Tabor (1951)

• ↑ Resistencia

• ↑ Dureza

• Desviación de la curva H-P

• Punto límite ≈ 10 nm ►

Efecto Inverso

Factores negativos:

- Porosidad, impurezas, distintos mecanismos de deformación.

Ni-Fe Alloy

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Propiedades Mecánicas

• Módulo Elástico.

- E metales con t.g. convencional ≈ E metales con t.g. nano (20-100nm)

- A partir de un valor de t.g. E decrecece (< 20 nm)

- Influencia con la porosidad.

• Ductilidad.

- Mejoras: Nuevos métodos de procesado (SPD), distribuciones bimodales, tasas

de deformación

- Presentan una ductilidad muy baja:

- Metal con t.g. grueso → 20-30%

(máx 60%)

- Metal con t.g. Nano → 1-2%

(máx 8%)

Pd

Cu

Cu

Cu

Ti

Al

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- Fluencia por difusión.

Movimiento de vacantes

Propiedades Mecánicas

• Fluencia.

- Mecanismo que depende de σ y Tª ⇒ - Dislocaciones

- Difusión atómica.

Difusión en borde de granoDifusión en el interior del grano

Modelo Navarro-Herring Modelo Coble

- Puesto que en metales nanoestructurados hay mayor proporción de borde

de grano el modelo Coble es el más apropiado para explicar la fluencia.

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- Ejemplo. Ni obtenido por electrodeposición:

Propiedades Mecánicas

• Fatiga.

- Estudios realizados ⇒ Mejora de la resistencia a fatiga al ↓ t.g.

( T. Hanlon et. al.)

↑ Resistencia a Fatiga.

↓ Resistencia de propagación

de grieta

⇓

Rotura Catastrófica

- Mejoras.

Capa superficial: nanoestructurada ⇒ resistente a la aparición de grietas

Núcleo: convencional ⇒ resistente a la propagación de grietas

- Tipología de las grietas.•Propagación directa

•Suavizado de la rugosidad

•Independencia de mecanismo

(intergranular o transgranular)

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Propiedades Mecánicas de Metales Nanoestructurados

• Conclusiones.

- Para obtener metales nanoestructurados se emplea procesos bottom-up o top-down

avanzados.

- Se requieren nuevos ensayos para medir las propiedades mecánicas.

- Aumento de resistencia y dureza, pero existe un t.g. límite.

- Ductilidad muy baja, pero existen mejoras

- Mecanismo de Fluencia por difusión atómica en borde de grano.

- Aumento de vida a fatiga, pero propagación de grieta rápida.

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