Study of structural changes in Zr-based bulk metallic glasses upon annealing and deformation treatments

• Autores: Nele Van Steenberge
• Directores de la Tesis: Jordi Sort Viñas (dir. tes.), M. D. Baró (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Autònoma de Barcelona ( España ) en 2008
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Santiago Suriñach Cornet (presid.), Emma Rossinyol Casals (secret.), Yolanda Calventus Solé (voc.), Marcello Baricco (voc.), Alexander Zhilyaev (voc.)
• Materias:
  • Física
  • Ciencias tecnológicas
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: TDX
• Resumen

  • Los materiales conocidos como vidrios metálicos han sido sujeto de estudio e todo el mundo desde los años 50, por el cual se ha conseguido un progreso importante en el entendimiento del comportamiento de estos materiales. Como el nombre sugiere, son aleaciones metálicas amorfas en las que no existe el orden a largo alcance. La ausencia de este tipo de orden les dota de propiedades físicas, químicas y mecánicas que son únicas comparadas con las de otros materiales metálicos convencionales.Sin embargo, los primeros sistemas amorfos fueron obtenidos por técnicas de solidificación rápida, y requerían velocidades de enfriamiento criticas de hasta 106 K s−1. Por consiguiente, se obtenían cintas finas con un espesor limitado hasta unas decenas de micrómetro. Unos treinta a cuarenta años más tarde, una gama de aleaciones multicomponentes, las cuales requiren velocidades de enfríamiento más lentas, fueron desarrolladas, lo cual significó el nacimiento de los vidrios metálicos macizos. Entre estas aleaciones multicomponentes, las que son a base de Zr han sido protagonistas por su capacidad extraordinaria de formar vidrios. Por el mismo, se hicieron como aleaciones modelo para el estudio de propiedades fúndamentales y comportamientos característicos.Su límite de fluencia excepcionalmente alto, cerca del límite teórico, les proporciona a los vidrios metálicos macizos un potencial para ser utilizados en aplicaciones estructurales. Desafortunadamente, la deformación plástica a temperatura ambiente occure de una manera muy localizada en bandas de cizalladura. En vez de endurecimiento mécanico, los vidrios metálicos sufren un ablandamiento al deformarlos lo cual impide una deformación plástica estable. Así que, a pesar de su límite de fluencia alto, la ruptura occurirá después de una deformación macroscópica limitada. Este mecanismo de deformación inhomogénea a temperatura ambiente limita la fiabilidad de los vídrios metálicos macizos en aplicaciones estructurales. Lógicamente, la mejora de la plasticidad de estos materiales ha sido ampliamente estudiada durante la última década.El concepto más explorado para evitar la ruptura catastrófica ha sido probablemente el desarollo de una microestructura heterogenea con una segunda fase. Ésta segunda fase puede tener dimensiones tanto a escala micrómetra como la escala nanométrica y puede ser tanto una fase cristalina como una fase amorfa. Varias rutas han sido probadas para obtener ésta segunda fase en la matriz amorfa: añadir directamente una fase reforzante al material fundido, diseñar una composición adecuada que resulta en un material compuesto al solidificarla o precipitar la segunda fase durante un tratamiento térmico después de colar.Por tratamientos térmicos por debajo de la temperatura de transición vidria, cambios del orden topológico y químico a corto alcance han sido observado en la literatura. El primer efecto suele deteriorar la plasticidad por relajación de la estructura amorfa. La influencia del cambio de orden químico a corto alcanze se ha estudiado en muy poco detalle. Aparte de los tratamientos térmicos, los tratamientos mecánicos pueden inducir cambios estructurales y microestructurales. El estudio del efecto de estos dos tratamientos forma la parte parte de esta tesis.Los cambios en el orden topólogico y químico de corto alcance de vídrios metálicos a base de Zr, inducidos por tratamientos térmicos y mecánicos, han sido caracterizados por técnicas de calorimetría, difracción de rayos-X y por microscópia electrónica. Luego, la influencia de estos mismos en el comportamiento mecánico de los vídrios se ha estudiado por tests de compresión y de nanoindentación.Sin embargo, en la primera parte de ésta tesis, se demuestra que al aplicar la técnica de nanoindentación, se debería tomar en cuenta la existencia de un "size-effect", correlacionado directamente con los cambios estructurales que occuren durante la deformación. Este "size-effect" implica que la dureza y el módulo elástico bajan al aumentar la profundidad de la indentación, similar a lo que se observa normalmente para materiales cristalinos. Durante la deformación, aumenta el volumen libre del vídrio metálico. Este crecimiento del volumen libre influirá en la respuesta del material a la nanoindentación. En particular, se observa un ablandamiento dinámico cuando se aplican cargas elevadas al material. Además, concentraciones más altas de volumen libre en el estado inicial después del colado, ocasionan un ablandamiento mayor y por consecuencia, aumentan el "size-effect".Después, se hizo un estudio sistemático de los cambios de corto y medio alcance, inducido por tratamientos térmicos, en particular por tratamientos a baja temperatura. Aplicando varias técnicas de caracterización, como por ejemplo la calorimetría, difracción de rayos X y microscopía electrónica, cambios importantes de orden quimico han sido observados. Ya durante tratamientos cortos a baja temperatura, se formaban clústers de Cu en una matriz con un contenido de Cu reducido. Más adelante, el estudio se enfocó en la influencia de los cambios microestructurales en las propiedades mecánicas. Aunque los cambios observados eran moderados, su influencia en el comportamiento mecánico, y en particular en la plasticidad en compresión, es enorme cuando los cambios topológicos son todavía moderados (como es el caso durante el tratamiento térmico a baja temperatura). La plasticidad aumenta significativamente, lo que va en contra a la fragilización que suele ocurrir durante los tratamientos térmicos. Durante tratamientos a temperaturas más elevadas, los cambios topológicos empiezan a dominar (disminución del volumen libre) y forman un contrapeso para el efecto positivo de los cambios del orden químico a corto alcance. Posteriormente, se investigó en más detalle la influencia de los cambios de orden químico en la cristalización. Los clústeres de Cu que se forman durante el calentamiento se puede interpretar como fases embrionarias en el proceso de cristalización.Durante los tratamientos térmicos, se dan tanto cambios de orden topológico como de orden químico, pero tienen un efecto contradictorio en la plasticidad por lo cual puede ser difícil controlarlos. Sin embargo, los cambios beneficiosos de orden químico se pueden obtener por tratamientos mecánicos de deformación severa, por ejemplo por torsión a alta presión (TAP). La deformación no causa una reducción del volumen libre sino la aumenta incluso más. Además, TAP produce una muestra maciza bastante homogenea siempre y cuando el número de revueltas sea menor, lo que es lo contrario de lo que se sabe para materiales cristalinos. Estos materiales suelen requerir más vueltas para evitar una microestructura heterogenea.