La importancia de la SPD se conocía desde la antigüedad, al menos durante la transición de la Edad del Bronce a la Edad del Hierro, cuando se empleaban martillazos y plegados repetidos para procesar herramientas estratégicas como espadas. [2] El desarrollo de los principios que subyacen a las técnicas SPD se remonta al trabajo pionero de PW Bridgman en la Universidad de Harvard en la década de 1930. [3] Este trabajo se ocupó de los efectos sobre los sólidos de la combinación de grandes presiones hidrostáticas con deformación por corte concurrente y condujo a la concesión del Premio Nobel de Física en 1946. [4] Las primeras implementaciones muy exitosas de estos principios, descritas con más detalle a continuación, son los procesos de prensado angular de canal igual (ECAP) desarrollado por VM Segal y colaboradores en Minsk en la década de 1970 [5] y la torsión de alta presión , derivada del trabajo de Bridgman, pero no ampliamente desarrollada hasta la década de 1980 en el Instituto Ruso de Física de Metales en la actual Ekaterimburgo . [4]
Algunas definiciones de SPD lo describen como un proceso en el que se aplica una gran tensión sin ningún cambio significativo en las dimensiones de la pieza de trabajo, lo que da como resultado un gran componente de presión hidrostática . [6] Sin embargo, los mecanismos que conducen al refinamiento del grano en SPD son los mismos que los desarrollados originalmente para la aleación mecánica, un proceso de polvo [7] que ha sido caracterizado como "deformación plástica severa" por los autores ya en 1983. [8] Además, algunos procesos más recientes, como el laminado asimétrico, dan como resultado un cambio en las dimensiones de la pieza de trabajo, al tiempo que siguen produciendo una estructura de grano ultrafino. [9] Los principios detrás de SPD incluso se han aplicado a tratamientos de superficie. [10]
Métodos
Los métodos SPD se clasifican en tres grupos principales: métodos SPD en masa, métodos SPD de superficie y métodos SPD de polvo. [11] Aquí se explican brevemente algunos métodos SPD populares.
Prensado angular de canal igual
Durante el proceso ECAE, el material se prensa a través de una matriz angular y experimenta una deformación por corte, sin cambiar sus dimensiones de sección transversal.
La extrusión angular de canal igual (ECAE, a veces llamada prensado angular de canal igual, 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 puede repetirse varias veces, cambiando la orientación del tocho en 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 una deformación por corte entre un yunque fijo y uno giratorio, sin perder sus dimensiones originales.
La torsión a alta presión (HPT, por sus siglas en inglés) se remonta a los experimentos que le valieron a Percy Bridgman el Premio Nobel de Física en 1946 , aunque su uso en el procesamiento de metales es considerablemente más reciente. En este método, se coloca un disco del material que se va a tensar entre dos yunques. Se aplica una gran tensión de compresión (normalmente varios gigapascales ), mientras se hace girar 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 intermedio en el que se permite el flujo hacia afuera, pero limitado. [4]
Unión por rodillos acumulativos
En la unión por laminación acumulativa (ARB), se apilan 2 láminas del mismo material, se calientan (por debajo de la temperatura de recristalización ) y se laminan , uniendo las 2 láminas. Esta lámina se corta por la mitad, se apilan las 2 mitades y el proceso se repite varias veces. En comparación con otros procesos SPD, ARB tiene la ventaja de que no requiere equipo o herramientas especializadas, solo un laminador convencional. Sin embargo, las superficies a unir deben limpiarse bien antes del laminado para garantizar una buena unión. [12]
Ondulación y enderezamiento repetitivo
La corrugación y enderezamiento repetitivo (RCS) es una técnica de deformación plástica severa que se utiliza para procesar láminas metálicas. En la RCS, se presiona una lámina entre dos matrices corrugadas seguida de un prensado entre dos matrices planas. La RCS ha ganado una gran popularidad para producir láminas metálicas de grano fino. [13] Los esfuerzos por mejorar esta técnica conducen a la introducción de la corrugación y enderezamiento repetitivo por laminación (RCSR), un nuevo método SPD. [14] Aplicabilidad de este nuevo método aprobada en varios materiales. [14] [15] [16] [17] [18]
Rodamiento asimétrico
En el laminado asimétrico (ASR), se modifica un laminador de modo que un rodillo tenga una velocidad mayor que el otro. Esto se hace normalmente con un control de velocidad independiente o utilizando rodillos de diferente tamaño. Esto crea una región en la que las fuerzas de fricción en la parte superior e inferior de la lámina que se está laminando son opuestas, lo que crea tensiones de corte en todo el material además de la tensión de compresión normal del laminado. A diferencia de otros procesos SPD, el ASR no mantiene la misma forma neta, pero el efecto en la microestructura del material es similar. [9] [19]
Aleación mecánica
La aleación mecánica/fresado (MA/MM) realizada en un molino de bolas de alta energía, como un molino vibratorio o un molino planetario, también inducirá una deformación plástica grave en los metales. Durante el fresado, las partículas se fracturan y se sueldan en frío , lo que da lugar a 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 que los polvos de diferentes metales se aleen entre sí durante el procesamiento. [20] [21]
Tratamientos de superficies
Más recientemente, los principios detrás del SPD se han utilizado para desarrollar tratamientos de superficie que crean una capa nanocristalina en la superficie de un material. En el tratamiento de atrición mecánica 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, lo que crea una tasa de deformación del orden de 10 2 –10 3 s −1 . La capa de superficie NC desarrollada puede tener un espesor del orden de 50 μm. [10] El proceso es similar al granallado , pero la energía cinética de las bolas es mucho mayor en SMAT. [22]
Una técnica de modificación de superficie nanocristalina ultrasónica (UNSM) es también una de las técnicas de modificación de superficie desarrolladas recientemente. En el proceso UNSM, no solo se ejerce la carga estática, sino también la carga dinámica. El procesamiento se lleva a cabo golpeando la superficie de una pieza de trabajo hasta 20K o más veces por segundo con disparos de una bola unida al cuerno en el rango de 1K-100K por milímetro cuadrado. Los golpes, que pueden describirse como forjado en frío, introducen SPD para producir una capa de superficie NC refinando los granos gruesos hasta la escala nanométrica sin cambiar la composición química de un material que brinda alta resistencia y alta ductilidad. Esta técnica UNSM no solo 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. [23]
Aplicaciones
La mayor parte de la investigación sobre SPD se ha centrado en el refinamiento de 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 de grano de 10 μm a 1 μm puede aumentar la resistencia a la fluencia 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 las técnicas de solidificación rápida como el hilado por fusión . [24]
Sin embargo, otros efectos del SPD, como la modificación de la textura , también tienen aplicaciones industriales potenciales, 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. [24]
También se han utilizado procesos como ECAE y HPT para consolidar polvos metálicos y compuestos sin 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 grano nanocristalinos o estructuras amorfas . [24] [25]
La presencia de una alta presión hidrostática, en combinación con grandes deformaciones por cizallamiento, es esencial para producir altas densidades de defectos en la red cristalina, en particular dislocaciones , que pueden dar como resultado un refinamiento significativo de los granos . El refinamiento de los granos en los procesos SPD se produce mediante un proceso de varios pasos:
Las dislocaciones , que inicialmente se distribuyen a lo largo de los granos, se reorganizan y se agrupan en "celdas" de dislocación para reducir la energía de deformación total.
A medida que continúa la deformación y se generan más dislocaciones, se desarrolla una desorientación entre las células, formándose "subgranos".
El proceso se repite dentro de los subgranos hasta que el tamaño se vuelve lo suficientemente pequeño como para que los subgranos puedan rotar.
La deformación adicional hace que los subgranos giren hacia límites de grano de alto ángulo, típicamente con una forma equiaxial . [27]
El mecanismo por el cual los subgranos rotan es menos conocido. Wu et al. describen un proceso en el cual el movimiento de dislocación se restringe debido al pequeño tamaño del subgrano y la rotación del grano se vuelve más favorable energéticamente. [28] Mishra et al. proponen una explicación ligeramente diferente, en la cual la rotación es ayudada por la difusión a lo largo de los límites de grano (que es mucho más rápida que a través del volumen). [27]
FA Mohamad ha propuesto un modelo para el tamaño mínimo de grano que se puede lograr mediante el fresado mecánico . El modelo se basa en el concepto de que el tamaño de grano depende de las velocidades a las que se generan y eliminan las dislocaciones. El modelo completo se presenta en
En el lado izquierdo de la ecuación: d min es el tamaño de grano mínimo y b es el vector de Burgers .
Un 3 es una constante.
β=Q p −Q m /Q (Q p es la energía de activación para la difusión en tuberías a lo largo de dislocaciones, Q m es la energía de activación para la migración de vacantes y Q es la energía de activación para la autodifusión), βQ representa la energía de activación para la recuperación, R es la constante del gas y T es la temperatura de procesamiento.
Si bien el modelo fue desarrollado específicamente para el fresado mecánico, también se ha aplicado con éxito a otros procesos SPD. Con frecuencia, solo se utiliza una parte del modelo (normalmente el término que implica la energía de falla de apilamiento) ya que los otros términos a menudo son 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 una 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 la energía de falla de apilamiento en el refinamiento del grano en las primeras etapas del deformación, el tamaño de grano en estado estacionario en grandes deformaciones está controlado principalmente por la temperatura homóloga en metales puros [30] y por la interacción de los átomos de soluto y las dislocaciones en aleaciones monofásicas. [31]
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