A partir dels anys seixanta, els vidres metàl·lics han estat objecte d'un gran número d'investigacions, des de llavors s'han realitzat avanços molt significatius en la comprensió de la seva estructura i algunes de les seves propietats. Com el seu nom indica, els vidres metàl·lics són aliatges metàl·lics que no presenten ordenament atòmic a llarg abast. Aquesta falta d'ordre els confereix propietats i comportaments considerablement diferents respecte als aliatges cristal·lins. Per exemple, es comporten generalment com materials magnètics tous (baixa coercitivitat i elevada permeabilitat) i s'han comercialitzat com a bases de transformadors, capçals de lectura magnètics i protectors magnètics [1]. A partir de certs tractaments tèrmics o d'altres tècniques, és possible controlar la seva total o parcial cristal·lització. En alguns casos, precipiten nanocristalls repartits uniformement obtenint un material magnètic dur amb aplicació industrial [2]. A part de les seves propietats magnètiques, s'ha demostrat que algunes de les seves propietats mecàniques difereixen significativament dels materials cristal·lins, ja que mostren un elevat límit elàstic, una elevada deformació en règim elàstic, deformació plàstica heterogènia i homogènia i també l'aparició de material fos en les superfícies de fractura [3,4]. La combinació d'un elevat límit elàstic juntament amb la possibilitat d'obtenir vidres metàl·lics massissos ha obert un nou interès en la utilització d'aquests com a materials estructurals [5]. No obstant això, els vidres metàl·lics mostren una clara localització de la deformació plàstica en bandes de cisalla al ser deformats a temperatura ambient [6,7]. A més, en lloc d'experimentar enduriment per deformació, els vidres metàl·lics s'ablaneixen a causa de la formació de bandes de cisalla que a més impedeixen l'elongació estable del material quan és deformat en tensió. Així doncs, la millora de la ductilitat d'aquest tipus de materials s'ha convertit en l'objectiu de molts treballs d'investigació. Recentment, s'ha estudiat l'enduriment intrínsec dels vidres metàl·lics [8,9]. S'ha demostrat que existeix correlació entre l'energia de fractura i el quocient entre el mòdul de cisalla (G) i el mòdul de compressibilitat (B). En aquest estudi s'ha conclòs que una bona forma d'augmentar la plasticitat dels vidres metàl·lics és escollir els elements que constituiran l'aliatge amb baix G/B o el que és equivalent, elevat coeficient de Poisson. El considerable increment de ductilitat que acompanya l'aparició de múltiples bandes de cisalla, indica que la seva proliferació, independentment de com tingui lloc, hauria de ser un poderós mecanisme d'enduriment i ductilització en metalls amorfs [10]. Això obre clarament una oportunitat per a dissenyar microestructures que endureixin els vidres metàl·lics massissos a partir de diferents mètodes. Per exemple, s'ha vist que la presència d'una segona fase (amorfa o cristal·lina) amb propietats mecàniques diferents de la matriu promou la nucleació de múltiples bandes de cisalla, al mateix temps que impedeix la propagació de les mateixes. El resultat final és l'augment de la plasticitat d'aquests materials en compressió [11,12]. Així doncs, en aquesta tesi s'han estudiat els fonaments de la deformació de diverses famílies de vidres metàl·lics i materials nanocomposats a partir d'assajos de compressió i nanoindentació. Els mecanismes de deformació elàstica, anelàstica i plàstica dels vidres metàl·lics influencien la resposta obtinguda en els experiments de nanoindentació de forma fonamental. Les observacions i la discussió realitzades en el treball presentat ajuden a diferenciar els tres mecanismes de deformació en les gràfiques obtingues en els experiències de nanoindentació realitzades. S'han estudiat els mecanismes de deformació de diferents materials nanocomposats: - A partir de vidres metàl·lics basats en Cu s'ha aconseguit la formació d'un aliatge de matriu amorfa amb una dispersió homogènia de cristalls de grandària nanomètrica. Així doncs, la cristal·lització, l'estabilitat tèrmica i les propietats mecàniques dels vidres Cu60ZrxTi40-x (x = 15, 20, 22, 25, 30) han estat estudiades. A partir dels coneixements obtinguts s'ha procedit a la obtenció d'un material nanocomposat provocant la cristal·lització primària dels vidres metàl·lics estudiats anteriorment. S'ha observat que la matriu amorfa domina les propietats mecàniques del compost, però que la precipitació d'una fase intermetàl·lica endureix l'aliatge. - S'han obtingut cintes en el sistema Ni58.5Nb20.25Y21.25 (at%) formades per dues fases amorfes, degut a la immiscibilitat que presenta el sistema Nb-Y tant en estat sòlid com en estat líquid. S'ha observat que la deformació plàstica d'aquest aliatge és clarament diferent al d'un vidre metàl·lic monolític. Així doncs, la seva plasticitat i duresa només es poden explicar degut a la interacció entre les bandes de cisalla formades en la matriu i la segona fase precipitada en forma globular. - S'ha dut a terme l'estudi de l'evolució microestructural i els mecanismes d'enduriment després de deformar plàsticament per torsió un aliatge basat en Ti format per una matriu eutèctica nanomètrica combinada amb dendrites de grandària micromètrica. Abans de la deformació plàstica, les dendrites són més dures que la matriu eutèctica ja que sofreixen un enduriment per solució sòlida. Després de la deformació, tant la matriu com les dendrites s'endureixen a diferent ritme fins arribar a la mateixa duresa en ambdues fases. Els mecanismes d'aquest enduriment són diferents a cada fase degut a la seva diferent naturalesa. Les investigacions realitzades durant la tesi han permès comprendre millor algunes de les rutes proposades per millorar les propietats mecàniques dels vidres metàl·lics, com ara el desenvolupament de nanocomposats o la separació en dues fases amorfes. La nanoindentació encara permet estudiar en molts casos la deformació dels vidres metàl·lics. Encara que els estudis de la deformació d'aquests materials utilitzant nanoindentació no són molt abundants, les avantatges d'aquesta tècnica s'han mostrat clarament en aquest treball, com per exemple en l'observació directe de l'enduriment de les diferents fases constituents d'un material nanocomposat. Per tant, els mecanismes subjacents que governen la deformació plàstica dels materials nanocomposats (per exemple per assajos de compressió o deformació plàstica severa) s'han pogut comprendre millor. A més a més, la utilització de tècniques complementàries, com la microscòpia electrònica tant de rastreig com de transmissió, ha aportat informació molt valuosa per investigar els mecanismes microscòpics que governen al deformació plàstica en els vidres metàl·lics i materials nanocomposats. Els mecanismes de deformació i les aplicacions dels vidres metàl·lics i materials nanocomposats són encara un camp actiu d'investigació. El treball presentat en aquesta tesi motivarà nous estudis en aquest camp científic, des dels punts de vista teòric i tecnològic. Així doncs, aquesta tesi ajudarà en la interpretació de fenòmens com l'efecte de grandària de la indentació, processos de relaxació, deformació cíclica i deformació durant la indentació de vidres metàl·lics. Finalment, cal dir que s'ha d'investigar molt més en aquests temes per tal d'optimitzar les propietats mecàniques dels vidres metàl·lics i així poder ser utilitzats en aplicacions tecnològiques. Referències: [1] Masumoto T, Egami T: Mater Sci Eng 1981; 48:147. [2] Croat JJ, Herbst JF, Lee RW, Pinkerton FE: J Appl Phys1984; 55:2078. [3] Pampillo CA, Polk DE: Acta Metall 1974; 22:741. [4] Masumoto T, Maddin R: Mater Sci Eng 1975; 19:1. [5] Hufnagel TC: On Mechanical Behavior of Metallic Glasses, Scripta Mater 2006; viewpoint nº37. [6] Spaepen F: Acta Metall 1977; 25:407. [7] Argon AS: Acta Metall 1979; 27:47. [8] Lewandowski JJ, Greer AL, Wang WH: Philos Mag Lett 2005; 85:77. [9] Xi XK, Zhao DQ, Pan MX, Wang WH, Wu Y, Lewandowski JJ: Phys Rev Lett 2005; 94:1255510. [10] Schroers J, Johnson WL: Phys Rev Lett 2004; 93:255506. [11] Hays CC, Kim CP, Johnson WL: Phys Rev Lett 2000; 84:2901. [12] Ott RT, Sansoz F, Molinari JF, Almer J, Ramesh KT, Hufnagel TC: Acta Mater 2005; 53:1883.
| Data del Ajut | 22 de març 2007 |
|---|
| Idioma original | No s'ha definit/desconegut |
|---|
| Supervisor | Maria Dolors Baró Mariné (Director/a) & Jordi Sort Viñas (Director/a) |
|---|