Resumen de Analysis of precipitation hardening in metallic alloys by means of dislocation dynamics
Resumen:
El endurecimiento por precipitación es uno de los mecanismos de refuerzo más eficaces para aumentar el límite elástico de las aleaciones metálicas. La presencia de una distribución de precipitados intermetálicos en el material dificulta la propagación de las dislocaciones en sus planos de deslizamiento, aumentando la tensión cortante necesaria para producir deformación plástica. Los mecanismos de interacción entre las dislocaciones y los precipitados dependen de diferentes factores, entre los que se incluyen el tamaño, la geometría y la distribución espacial de los precipitados, la coherencia de su intercara, así como las distorsiones elásticas debido a la coherencia, la diferencia de módulo elástico entre la matriz y los precipitados, etc. y las dislocaciones pueden rebasar los precipitados mediante la formación de un bucle a su alrededor o cizallándolos. En las últimas décadas se han desarrollado diferentes propuestas para modelar este mecanismo de refuerzo, tanto de forma analítica como mediante métodos numéricos. Estos modelos han sido capaces, en general, de reproducir cualitativamente las tendencias que se observan experimentalmente. Sin embargo, todavía no se ha conseguido un modelo fiable que proporcione predicciones cuantitativas de la tensión crítica de cizalladura producida por el endurecimiento por precipitación en aleaciones metálicas debido a la complejidad de los mecanismos, que incluyen un gran número de fenómenos físicos.
El objetivo de esta tesis doctoral es el desarrollo de una metodología capaz de proporcionar predicciones cuantitativas de la tensión crítica de cizalladura en aleaciones endurecidas por precipitación. Este es un paso necesario para optimizar de forma virtual este tipo de aleaciones o incluso diseñar otras in silico antes de fabricarlas en el laboratorio. Para ello, las interacciones entre dislocaciones y precipitados se han analizado mediante una aproximación multiescala basada en simulaciones de dinámica de dislocaciones. Los principales factores que controlan estas interacciones (heterogeneidad elástica, movilidad de las dislocaciones, frecuencia de deslizamiento cruzado, tamaño y forma de los precipitados, tensión necesaria para cizallar los precipitados, endurecimiento por solución sólida, deformaciones de coherencia, etc.) se han incluido en las simulaciones de manera rigurosa y su magnitud se obtuvo a partir de simulaciones atomísticas o de resultados experimentales independientes.
La estrategia de simulación se aplicó para predecir la tensión crítica de cizalladura de dos aleaciones Al-Cu que contienen precipitados theta' o theta''. Las predicciones de la tensión crítica de cizalladura coincidieron con resultados experimentales de compresión de micropilares en monocristales orientados para deslizamiento simple, validando la estrategia de simulación empleada. Además, se descubrió que las deformaciones de coherencia asociadas con la nucleación y crecimiento de los precipitados y el endurecimiento por solución sólida eran los mecanismos de endurecimiento principales en las aleaciones Al-Cu que contienen precipitados theta' impenetrables. En el caso de aleaciones Al-Cu que contienen precipitados cizallables theta'', el endurecimiento estaba dominado por las contribuciones de solución sólida y del mecanismo de Orowan, mientras que las deformaciones de coherencia tenían un papel secundario. El efecto de la heterogeneidad elástica fue despreciable en ambas aleaciones.
Por último, la herramienta de simulación basada en dinámica de dislocaciones se empleó para calibrar los parámetros de un modelo de tensión de línea generalizado, que es capaz de proporcionar estimaciones rápidas de la tensión crítica de cizalladura de una distribución aleatoria de precipitados esféricos teniendo en cuenta el efecto de su diámetro y fracción volumétrica, la diferencia de módulo elástico entre matriz y precipitados y la tensión necesaria para cizallar los precipitados.
