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Severe plastic deformation

Severe plastic deformation (SPD) is a generic term describing a group of metalworking techniques involving very large strains typically involving a complex stress state or high shear, resulting in a high defect density and equiaxed "ultrafine" grain (UFG) size (d < 500 nm) or nanocrystalline (NC) structure (d < 100 nm).[1]

History

The significance of SPD was known from the ancient times, at least during the transition from the Bronze Age to the Iron Age, when repeated hammering and folding was employed for processing strategic tools such as swords.[2] The development of the principles underlying SPD techniques goes back to the pioneering work of P.W. Bridgman at Harvard University in the 1930s.[3] This work concerned the effects on solids of combining large hydrostatic pressures with concurrent shear deformation and it led to the award of the Nobel Prize in Physics in 1946.[4] Very successful early implementations of these principles, described in more detail below, are the processes of equal-channel angular pressing (ECAP) developed by V.M. Segal and co-workers in Minsk in the 1970s[5] and high-pressure torsion, derived from Bridgman's work, but not widely developed until the 1980s at the Russian Institute of Metals Physics in modern-day Yekaterinburg.[4]

Some definitions of SPD describe it as a process in which high strain is applied without any significant change in the dimensions of the workpiece, resulting in a large hydrostatic pressure component.[6] However, the mechanisms that lead to grain refinement in SPD are the same as those originally developed for mechanical alloying, a powder process[7] that has been characterized as "severe plastic deformation" by authors as early as 1983.[8] Additionally, some more recent processes such as asymmetric rolling, do result in a change in the dimensions of the workpiece, while still producing an ultrafine grain structure.[9] The principles behind SPD have even been applied to surface treatments.[10]

Methods

Equal channel angular Pressing

During the ECAE process, the material is pressed through an angular die and experiences shear deformation, without changing its cross-sectional dimensions.

La extrusión angular de canales iguales (ECAE, a veces llamada prensado angular de canales iguales, ECAP) se desarrolló en la década de 1970. En este proceso, se presiona un tocho de metal a través de un canal en ángulo (normalmente de 90 grados). Para lograr resultados óptimos, el proceso se puede repetir varias veces, cambiando la orientación del tocho con cada pasada. Esto produce un corte uniforme en toda la masa del material. [5]

Torsión de alta presión

Durante el proceso HPT restringido, el material experimenta deformación por corte entre un yunque fijo y uno giratorio, sin perder sus dimensiones originales.

La torsión por alta presión (HPT) se remonta a los experimentos que le valieron a Percy Bridgman el Premio Nobel de Física de 1946 , aunque su uso en el procesamiento de metales es considerablemente más reciente. En este método, se coloca un disco del material a colar entre 2 yunques. Se aplica una gran tensión de compresión (normalmente varios gigapascales ), mientras se gira un yunque para crear una fuerza de torsión . La HPT se puede realizar sin restricciones, en la que el material puede fluir libremente hacia afuera, completamente restringida o en algún grado entre los cuales se permite el flujo hacia afuera, pero limitado. [4]

Unión por rollo acumulativa

En la unión por rollo acumulativa (ARB), se apilan 2 hojas del mismo material, se calientan (por debajo de la temperatura de recristalización ) y se laminan , uniendo las 2 hojas entre sí. Esta hoja se corta por la mitad, se apilan las 2 mitades y se repite el proceso varias veces. En comparación con otros procesos SPD, ARB tiene la ventaja de que no requiere equipos ni herramientas especializados, sólo un laminador convencional. Sin embargo, las superficies a unir deben limpiarse bien antes de enrollar para asegurar una buena unión. [11]

Corrugación y alisado repetitivos.

El corrugado y enderezamiento repetitivo (RCS) es una técnica de deformación plástica severa que se utiliza para procesar láminas de metal. En RCS, se presiona una hoja entre dos matrices corrugadas y luego se presiona entre dos matrices planas. RCS ha ganado gran popularidad para producir láminas de metal de grano fino. [12] Los esfuerzos por mejorar esta técnica conducen a la introducción de la corrugación y el enderezamiento repetitivos mediante laminado (RCSR), un novedoso método SPD. [13] Aplicabilidad de este nuevo método aprobado en los distintos materiales. [13] [14] [15] [16] [17]

balanceo asimétrico

En el laminado asimétrico (ASR), un laminador se modifica de modo que un rodillo tenga una velocidad mayor que el otro. Por lo general, esto se hace con un control de velocidad independiente o utilizando rollos de diferentes tamaños. Esto crea una región en la que las fuerzas de fricción en la parte superior e inferior de la lámina que se lamina son opuestas, creando tensiones de corte en todo el material además de la tensión de compresión normal del laminado. A diferencia de otros procesos SPD, ASR no mantiene la misma forma neta, pero el efecto sobre la microestructura del material es similar. [9] [18]

aleación mecánica

La aleación/molienda mecánica (MA/MM) realizada en un molino de bolas de alta energía , como un molino agitador o un molino planetario, también inducirá una deformación plástica severa en los metales. Durante el fresado, las partículas se fracturan y se sueldan en frío , lo que provoca grandes deformaciones. El producto final es generalmente un polvo que luego debe consolidarse de alguna manera (a menudo utilizando otros procesos SPD), pero algunas aleaciones tienen la capacidad de consolidarse in situ durante el fresado. La aleación mecánica también permite alear polvos de diferentes metales durante el procesamiento. [19] [20]

Tratamientos superficiales

Más recientemente, los principios detrás del SPD se han utilizado para desarrollar tratamientos superficiales que crean una capa nanocristalina en la superficie de un material. En el tratamiento de desgaste mecánico de superficie (SMAT), se conecta una bocina ultrasónica a un transductor ultrasónico (20 kHz), con pequeñas bolas en la parte superior de la bocina. La pieza de trabajo se monta a una pequeña distancia por encima de la bocina. La alta frecuencia da como resultado una gran cantidad de colisiones entre las bolas y la superficie, creando una tasa de deformación del orden de 10 2 –10 3 s −1 . La capa superficial NC desarrollada puede tener un espesor del orden de 50 µm. [10] El proceso es similar al shot peening , pero la energía cinética de las bolas es mucho mayor en SMAT. [21]

Una técnica de modificación de superficies nanocristalinas ultrasónicas (UNSM) también es una de las técnicas de modificación de superficies recientemente desarrolladas. En el proceso UNSM no sólo se ejerce la carga estática, sino también la carga dinámica. El procesamiento se realiza golpeando la superficie de una pieza de trabajo hasta 20.000 o más veces por segundo con disparos de una bola unida al cuerno en el rango de 1.000 a 100.000 por milímetro cuadrado. Los golpes, que pueden describirse como forjado en frío, introducen SPD para producir una capa superficial NC refinando los granos gruesos hasta una escala nanométrica sin cambiar la composición química de un material que proporciona alta resistencia y alta ductilidad. Esta técnica UNSM no sólo mejora las propiedades mecánicas y tribológicas de un material, sino que también produce una estructura corrugada que tiene numerosos hoyuelos deseados en la superficie tratada. [22]

Aplicaciones

La mayor parte de la investigación sobre SPD se ha centrado en el refinamiento del grano, que tiene aplicaciones obvias en el desarrollo de materiales de alta resistencia como resultado de la relación Hall-Petch . Los metales industriales procesados ​​convencionalmente suelen tener un tamaño de grano de 10 a 100 μm. Reducir el tamaño del grano de 10 μm a 1 μm puede aumentar el límite elástico de los metales en más del 100%. Las técnicas que utilizan materiales a granel como ECAE pueden proporcionar formas confiables y relativamente económicas de producir materiales de grano ultrafino en comparación con técnicas de solidificación rápida como el hilado por fusión . [23]

Sin embargo, otros efectos del SPD, como la modificación de la textura , también tienen posibles aplicaciones industriales, ya que propiedades como el coeficiente de Lankford (importante para los procesos de embutición profunda ) y las propiedades magnéticas del acero eléctrico dependen en gran medida de la textura. [23]

También se han utilizado procesos como ECAE y HPT para consolidar polvos metálicos y compuestos sin la necesidad de las altas temperaturas utilizadas en los procesos de consolidación convencionales, como el prensado isostático en caliente , lo que permite conservar características deseables como tamaños de granos nanocristalinos o estructuras amorfas . [23] [24]

Algunas aplicaciones comerciales conocidas de los procesos SPD son la producción de objetivos de sputtering de Honeywell [23] y titanio UFG para implantes médicos. [25]

Mecanismo de refinamiento de grano

La presencia de una alta presión hidrostática, en combinación con grandes deformaciones de corte, es esencial para producir altas densidades de defectos en la red cristalina, particularmente dislocaciones , que pueden resultar en un refinado significativo de los granos . El refinamiento del grano en los procesos SPD se produce mediante un proceso de varios pasos:

  1. Las dislocaciones , que inicialmente se distribuyen por los granos, se reorganizan y agrupan en "células" de dislocación para reducir la energía total de deformación.
  2. A medida que la deformación continúa y se generan más dislocaciones, se desarrolla una desorientación entre las células, formándose "subgranos".
  3. El proceso se repite dentro de los subgranos hasta que el tamaño se vuelve lo suficientemente pequeño como para que los subgranos puedan rotar.
  4. La deformación adicional hace que los subgranos giren hacia límites de grano de ángulo alto, generalmente con una forma equiaxial . [26]

El mecanismo por el cual giran los subgranos es menos comprendido. Wu et al. describen un proceso en el que el movimiento de dislocación se restringe debido al pequeño tamaño del subgrano y la rotación del grano se vuelve más favorable energéticamente. [27] Mishra et al. proponen una explicación ligeramente diferente, en la que la rotación es ayudada por la difusión a lo largo de los límites del grano (que es mucho más rápida que a través del volumen). [26]

FA Mohamad ha propuesto un modelo para el tamaño mínimo de grano que se puede lograr mediante molienda mecánica . El modelo se basa en el concepto de que el tamaño del grano depende de la velocidad a la que se generan y aniquilan las dislocaciones. El modelo completo está dado por

Si bien el modelo se desarrolló específicamente para el fresado mecánico, también se ha aplicado con éxito a otros procesos SPD. Con frecuencia sólo se utiliza una parte del modelo (normalmente el término que implica la energía de falla de apilamiento), ya que los demás términos suelen ser desconocidos y difíciles de medir. Esto sigue siendo útil ya que implica que, si todo lo demás permanece igual, la reducción de la energía de falla de apilamiento, una propiedad que es función de los elementos de aleación, permitirá un mejor refinamiento del grano. [4] [7] Sin embargo, algunos estudios sugirieron que a pesar de la importancia de acumular energía de falla en el refinamiento del grano en las primeras etapas de deformación, el tamaño de grano en estado estacionario en deformaciones grandes está controlado principalmente por la temperatura homóloga en el grano puro. metales [29] y por la interacción de átomos de soluto y dislocaciones en aleaciones monofásicas. [30]

Referencias

  1. ^ Wei, Q; Cheng, S; Ramesh, KT; Ma, E (15 de septiembre de 2004). "Efecto de los tamaños de granos nanocristalinos y ultrafinos sobre la sensibilidad de la velocidad de deformación y el volumen de activación: metales fcc versus bcc". Ciencia e ingeniería de materiales: A. 381 (1–2): 71–79. doi :10.1016/j.msea.2004.03.064.
  2. ^ Edalati, K.; Bachmaier, A.; Beloshenko, VA; Beygelzimer, Y.; En blanco, VD; Botta, WJ; Bryla, K.; Čížek, J.; Divinski, S.; Enikeev, NA; Estrin, Y.; Faraji, G.; Figueiredo, RB; Fuji, M.; Furuta, T.; Grosdidier, T.; Gubicza, J.; Hohenwarter, A.; Horita, Z.; Huot, J.; Ikoma, Y.; Janeček, M.; Kawasaki, M.; Krǎl, P.; Kuramoto, S.; Langdon, TG; Leiva, DR; Levitas, VI; Mazilkin, A.; Mito, M.; Miyamoto, H.; Nishizaki, T.; Pippan, R.; Popov, VV; Popova, EN; Purček, G.; Renk, O.; Révész, A.; Sauvage, X.; Sklenicka, V.; Skrotzki, W.; Straumal, BB; Suwas, S.; Toth, LS; Tsuji, N.; Valeyev, RZ; Wilde, G.; Zehetbauer, MJ; Zhu, X. (abril de 2022). "Nanomateriales por deformación plástica severa: revisión de desarrollos históricos y avances recientes". Cartas de investigación de materiales . 10 (4): 163–256. doi : 10.1080/21663831.2022.2029779 . S2CID  246959065.
  3. ^ Kaveh Edalati, Zenji Horita (2016). "Una revisión sobre la torsión por alta presión (HPT) de 1935 a 1988". Ciencia e ingeniería de materiales: A. 0921–5093: 325–352. doi :10.1016/j.msea.2015.11.074.
  4. ^ abcd Zhilyaev, A; Langdon, T (1 de agosto de 2008). "Uso de torsión de alta presión para el procesamiento de metales: fundamentos y aplicaciones". Progresos en Ciencia de Materiales . 53 (6): 893–979. doi :10.1016/j.pmatsci.2008.03.002.
  5. ^ ab Segal, VM (1 de noviembre de 1999). "Extrusión angular de igual canal: de la macromecánica a la formación de estructuras". Ciencia e ingeniería de materiales: A. 271 (1–2): 322–333. doi :10.1016/S0921-5093(99)00248-8.
  6. ^ Valiev, Ruslan Z.; Estrin, Yuri; Horita, Zenji; Langdon, Terence G.; Zechetbauer, Michael J.; Zhu, Yuntian T. (abril de 2006). "Producción de materiales a granel de grano ultrafino mediante deformación plástica severa". JOM . 58 (4): 33–39. Código Bib : 2006JOM....58d..33V. doi : 10.1007/s11837-006-0213-7 .
  7. ^ ab Qu, S.; An, XH; Yang, HJ; Huang, CX; Yang, G.; Zang, QS; Wang, ZG; Wu, SD; Zhang, ZF (2009). "Evolución microestructural y propiedades mecánicas de aleaciones Cu-Al sometidas a prensado angular de igual canal". Acta Materialia . 57 (5): 1586-1601. Código Bib : 2009AcMat..57.1586Q. doi :10.1016/j.actamat.2008.12.002.
  8. ^ Gilman, PD; Benjamín, JS (1983). "Aleación mecánica". Revisión anual de la ciencia de los materiales . 13 : 279–300. Código Bib : 1983AnRMS..13..279G. doi : 10.1146/annurev.ms.13.080183.001431.
  9. ^ ab Cui, Q.; Ohori, K. (octubre de 2000). "Refinamiento de grano de aluminio de alta pureza mediante laminado asimétrico". Ciencia y Tecnología de Materiales . 16 (20): 1095-1101. Código Bib : 2000MatST..16.1095C. doi :10.1179/026708300101507019. S2CID  137413931.
  10. ^ ab Zhu, KY; Vassel, A.; Brisset, F.; Lu, K.; Lu, J. (16 de agosto de 2004). "Mecanismo de formación de nanoestructuras de α-titanio utilizando SMAT". Acta Materialia . 52 (14): 4101–4110. Código Bib : 2004AcMat..52.4101Z. doi :10.1016/j.actamat.2004.05.023.
  11. ^ Saito, Y.; Utsunomiya, H.; Tsuji, N.; Sakai, T. (1999). "Nuevo proceso de deformación ultraalta para materiales a granel: desarrollo del proceso de unión por rodillos acumulativo (ARB)". Acta Materialia . 47 (2): 579–583. Código Bib : 1999AcMat..47..579S. doi :10.1016/S1359-6454(98)00365-6.
  12. ^ Ratna Sunil, B. (2015). "Corrugado y enderezado repetitivo de chapas". Materiales y Procesos de Fabricación . 30 (10): 1262-1271. doi :10.1080/10426914.2014.973600. S2CID  136416712.
  13. ^ ab Mirsepasi, Arya; Nili-Ahmadabadi, Mahmoud; Habibi-Parsa, Mohammad; Ghasemi-Nanesa, Hadi; Dizaji, Ahmad F. (agosto de 2012). "Microestructura y comportamiento mecánico del acero martensítico severamente deformado por la novedosa técnica de corrugación repetitiva y enderezamiento por laminación". Ciencia e ingeniería de materiales: A. 551 : 32–39. doi :10.1016/j.msea.2012.04.073.
  14. ^ Mirab, Saeideh; Nili-Ahmadabadi, Mahmoud; Khajezade, Ali; Abshirini, Mohamad; Parsa, Mohammad Habibi; Soltani, Naser (agosto de 2016). "Sobre el análisis de deformación durante el proceso RCSR asistido por modelado de elementos finitos y correlación de imágenes digitales: sobre el análisis de deformación durante el proceso RCSR…". Materiales de ingeniería avanzada . 18 (8): 1434-1443. doi :10.1002/adem.201600100. S2CID  138744444.
  15. ^ Shahmir, Hamed; Nili-Ahmadabadi, Mahmoud; Razzaghi, Alireza; Mahdi, Mahdi; Wang, Chuan Ting; Jung, Jai Myun; Kim, Hyoung Seop; Langdon, Terence G. (junio de 2015). "Uso de dilatometría para estudiar la cinética de estabilización y recristalización martensítica en una aleación de NiTi severamente deformada". Revista de ciencia de materiales . 50 (11): 4003–4011. Código Bib : 2015JMatS..50.4003S. doi :10.1007/s10853-015-8957-5. ISSN  0022-2461. S2CID  137364496.
  16. ^ Asghari-Rad, Peyman; Nili-Ahmadabadi, Mahmoud; Shirazi, Hassan; Hossein Nedjad, Syamak; Koldorf, Sebastián (marzo de 2017). "Una mejora significativa en las propiedades mecánicas del acero inoxidable AISI 304 mediante un proceso combinado de RCSR y recocido: una mejora significativa en las propiedades mecánicas". Materiales de ingeniería avanzada . 19 (3): 1600663. doi :10.1002/adem.201600663. S2CID  136241453.
  17. ^ Hossein Zadeh, S.; Jafarian, recursos humanos; Parque, N.; Eivani, AR (febrero de 2020). "Regulación de propiedades de tracción mediante ingeniería de microestructura en acero Fe-Ni-C TRIP procesado por diferentes rutas de deformación severa". Revista de investigación y tecnología de materiales . 9 (3): 2903–2913. doi : 10.1016/j.jmrt.2020.01.041 .
  18. ^ Mousavi, SAA Akbari; Ebrahimi, SM; Madoliat, R. (12 de junio de 2007). "Análisis numéricos tridimensionales de laminación asimétrica". Revista de tecnología de procesamiento de materiales . 187–188: 725–729. doi :10.1016/j.jmatprotec.2006.11.045.
  19. ^ Koch, CC (1 de agosto de 1989). "Síntesis de materiales por aleación mecánica". Revisión anual de la ciencia de los materiales . 19 (1): 121-143. Código Bib : 1989AnRMS..19..121K. doi : 10.1146/annurev.ms.19.080189.001005.
  20. ^ Zhang, X.; Wang, H.; Kassem, M.; Narayan, J.; Koch, CC (10 de mayo de 2002). "Preparación de Zn, Al nanoestructurados y de grano ultrafino a granel y sus aleaciones mediante consolidación in situ de polvos durante el desgaste mecánico". Scripta Materialia . 46 (9): 661–665. doi :10.1016/S1359-6462(02)00048-9.
  21. ^ Dai, K.; Shaw, L. (15 de agosto de 2007). "Comparación entre procesos de granallado y nanocristalización superficial y endurecimiento". Ciencia e ingeniería de materiales: A. 463 (1–2): 46–53. doi :10.1016/j.msea.2006.07.159.
  22. ^ Amanov, A.; Cho, ES; Pyun, YS; Lee, CS; Park, IG (15 de mayo de 2012). "Superficie con micro hoyuelos mediante modificación ultrasónica de la superficie nanocristalina y sus efectos tribológicos". Tener puesto . 286–287: 136–144. doi :10.1016/j.wear.2011.06.001.
  23. ^ abcd Segal, Vladimir M.; Beyerlein, Irene J.; Tomé, Carlos N.; Chuvil'deev, Vladimir N.; Kopylov, Vladimir I. (2010). Fundamentos e ingeniería de la deformación plástica severa . Hauppauge, Nueva York: Nova Science Publishers. ISBN 9781616681906.
  24. ^ Senkov, EN; Senkova, SV; Scott, JM; Milagro, DB (25 de febrero de 2005). "Compactación de polvo de aleación de aluminio amorfo mediante extrusión directa y extrusión angular de canales iguales". Ciencia e ingeniería de materiales: A. 393 (1–2): 12–21. doi :10.1016/j.msea.2004.09.061.
  25. ^ Patente estadounidense 6399215, Zhu, YT; Lowe, TC; Valeyev, RZ; Stolyarov, VV; Latysh, VV; Raab, GJ, "Titanio de grano ultrafino para implantes médicos", publicado el 4 de junio de 2002, asignado a los Regentes de la Universidad de California. 
  26. ^ ab Mishra, A; Kad, B; Gregorio, F; Meyers, M (1 de enero de 2007). "Evolución microestructural en cobre sometido a severa deformación plástica: experimentos y análisis". Acta Materialia . 55 (1): 13–28. Código Bib : 2007AcMat..55...13M. doi :10.1016/j.actamat.2006.07.008.
  27. ^ Wu, X; Tao, N; Hong, Y; Xu, B; Lu, J; Lu, K (2002). "Microestructura y evolución de grano ultrafino inducido mecánicamente en la capa superficial de aleación AL sometida a USSP". Acta Materialia . 50 (8): 2075–2084. Código Bib : 2002AcMat..50.2075W. doi :10.1016/S1359-6454(02)00051-4.
  28. ^ Mohamed, Farghalli A. (2003). "Un modelo de dislocación para el tamaño mínimo de grano que se puede obtener mediante molienda". Acta Materialia . 51 (14): 4107–4119. Código Bib : 2003AcMat..51.4107M. doi :10.1016/S1359-6454(03)00230-1.
  29. ^ Edalati, K.; Horita, Z. (2011). "Torsión a alta presión de metales puros: influencia de los parámetros de enlace atómico y acumulación de energía de falla en el tamaño del grano y correlación con la dureza". Acta Materialia . 59 (17): 6831–6836. Código Bib : 2011AcMat..59.6831E. doi :10.1016/j.actamat.2011.07.046. hdl : 2324/25601 . S2CID  137003355.
  30. ^ Edalati, K.; Akama, D.; Nishio, A.; Lee, S.; Yonenaga, Y.; Cubero-Sesin, J.; Horita, Z. (2014). "Influencia de las interacciones dislocación-átomo de soluto y energía de falla de apilamiento en el tamaño de grano de aleaciones monofásicas después de una deformación plástica severa mediante torsión a alta presión". Acta Materialia . 69 (8): 68–77. Código Bib : 2014AcMat..69...68E. doi :10.1016/j.actamat.2014.01.036.