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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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