Las variantes de aleaciones comerciales con estructura nanocristalina prometen propiedades mecánicas mejoradas que, en última instancia, ayudarán a reducir los desechos y a mantener cadenas de suministro sostenibles.
Estudio: Propiedades mecánicas del acero perlítico nanocristalino inducido por fricción. Crédito: lbrumf2/Shutterstock.com
En un artículo publicado en la revista Scientific Reports, se realiza la fabricación y el análisis de acero nanoestructurado de bloqueo por fricción mediante el proceso de mecanizado. Se utilizó un enfriamiento rápido del chip desarrollado para estabilizar el ensamblaje nanocristalino.
Enfoques de fabricación para metales nanoestructurados
Los metales nanoestructurados han estado recientemente a la vanguardia de una variedad de desarrollos tecnológicos. La fabricación de metales estructurados nanocristalinos generalmente se realiza utilizando enfoques de arriba hacia abajo o de abajo hacia arriba.
En el método de arriba hacia abajo, las estructuras gruesas se refinan principalmente utilizando el método de deformación plástica fuerte (SPD). En el enfoque ascendente, los materiales se ensamblan mediante agregación atómica o molecular. Algunos ejemplos son la deposición de vapor o los procesos de solidificación rápida.
Los procesos SPD reestructuran toda la muestra, lo que da como resultado un material a granel único con distintas propiedades determinadas por la disposición nanocristalina. Otros enfoques, que han recibido mucha menos atención y desarrollo, se centran únicamente en las modificaciones de la superficie.
Ventajas de los metales nanoestructurados
Las propiedades mecánicas de las estructuras metálicas nanocristalinas difieren significativamente de las de sus análogos de grano grueso.
La tenacidad y la resistencia a la tracción de las estructuras metálicas nanocristalinas son particularmente altas como resultado del movimiento reducido de las dislocaciones lineales contenidas en los límites de grano (GB). Estas propiedades pueden proporcionar ciertas ventajas técnicas.
Hallazgos importantes de estudios previos
Se han documentado recubrimientos superficiales con un tamaño de grano de una micra de menos de una micra. Se espera que las configuraciones requeridas para el desarrollo de estos recubrimientos de superficie difieran de las requeridas para el patrón nanocristalino del material a granel como un todo.
El análisis de la superficie de fricción de la viruta mostró mejoras claras, así como cambios significativos en la disposición de los componentes de la aleación.
En la capa superior, el tamaño de grano, medido en la superficie de fricción del acero al carbono AISI 1045, no superó los 100 nm.
Un enfoque de recristalización dinámica dio como resultado un refinamiento de los tamaños de los cristales, junto con una reorganización significativa de los componentes de aleación de la estructura perlítica original y una reducción de la tensión residual.
Nanomateriales inducidos por fricción
Las estructuras metálicas nanocristalinas a granel a menudo se definen por un aumento en la dureza y una pérdida adversa en la estabilidad térmica típica de los enfoques de fabricación de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba.
Cada vez se presta más atención al estudio de las propiedades mecánicas de las fases intermedia y final de películas delgadas de nanomateriales inducidos por fricción (FIN).
Las investigaciones de pruebas de pilares han demostrado que los FIN muestran diferentes patrones de colapso bajo carga de compresión y alta resistencia del material. Esto indica que sus mecanismos de deformación son completamente únicos.
En términos de estabilidad térmica, los FIN difieren significativamente de los nanomateriales existentes. Exhiben notables estabilidades térmicas, similares a las aleaciones con una estructura supramicrónica. Los FIN se generaron por deslizamiento de la superficie en configuraciones criogénicas, lo que resultó en un rápido autocalentamiento localizado debido a las altas tasas de deformación y al subsiguiente enfriamiento rápido.
El acero se somete a un procesamiento rápido en el que el material se calienta a velocidades de deformación masivas hasta 0,6 veces la temperatura de fusión y luego se enfría en milisegundos. Posteriormente, se pueden lograr fácilmente tamaños de grano similares en la viruta.
Por lo tanto, esta técnica puede servir como punto de referencia para probar las propiedades de futuras estructuras de aleación nanocristalina.
Resultados de investigación significativos
En este estudio, el equipo examinó el FIN fabricado con acero al carbono AISI 1045 a través de un proceso de corte rápido. Las muestras fueron sometidas a análisis estructural, morfológico, químico y mecánico.
La evaluación de la resistencia a la tracción equivalente en volumen a diferentes tamaños de grano, incluso para materiales cristalinos por debajo de 100 nm, fue posible gracias a una serie de compresiones columnares y los gradientes de tamaño de cristal dentro de la superficie del chip.
Resultados de la investigacion
La lámina FIN se formó durante el mecanizado a partir de acero al carbono AISI 1045, caracterizada por un gradiente de tensiones residuales y tamaño de cristal.
Los 5 µm superiores de la capa FIN se sometieron a una recristalización dinámica rotacional y un enfriamiento rápido, manteniendo el tamaño del cristal en 100 nm. El carbono se distribuyó uniformemente en la red de ferrita.
La lámina recristalizada mostró una resistencia de 2000 MPa, que era aproximadamente tres veces mayor que la del AISI1045 puro. El módulo de elasticidad de la capa nanocristalina se ha reducido un 12% en comparación con el AISI1045 puro.
Relación
Medina-Clavijo, B., Rafael-Velayarce, J. y otros. (2022). Propiedades mecánicas del acero perlítico nanocristalino inducido por fricción. Informes científicos, 12. Disponible en: https://www.nature.com/articles/s41598-022-16848-2
