Obtención y caracterización de nanocristales de SBN para aplicaciones ópticas

Abstract

Un tema de gran interés científico y tecnológico es la obtención de materiales con tamaño de grano nanométrico NC (inferior a 100 nm) y ultrafino UFG (inferior a 1 µm). Dentro de los aspectos relevantes que hacen tan atractivos a este tipo de materiales resalta su gran resistencia mecánica unida a una teórica elevada ductilidad y tenacidad, lo que les convertiría en materiales útiles para un amplio espectro de aplicaciones estructurales. Importantes estudios dentro del campo de la producción y caracterización de materiales con estructura de grano NC y UFG han llevado al desarrollo de variadas técnicas para obtenerlos. Dentro de estas técnicas la molienda mecánica es una de las mejores rutas para producir suficientes cantidades de material con tamaño de grano NC y UFG. Relativamente muy pocas investigaciones han sido realizadas sobre muestras macizas de acero con estructura de grano NC, por la dificultad de producir muestras libres de defectos y con el tamaño suficiente que permitan realizar ensayos mecánicos convencionales. Así surge esta investigación con el objetivo fundamental de obtener y caracterizar aleaciones Fe-0,6 %C con estructura de grano NC y UFG fabricados mediante molienda mecánica. Inicialmente se investiga sobre la obtención de estructuras NC a través de la molienda mecánica, haciendo un análisis de la interacción de las variables del proceso. Se estudia el efecto de la velocidad, el tiempo y la carga sobre propiedades del polvo como tamaño y morfología de la partícula, tamaño de grano, densidad de dislocaciones y propiedades mecánicas a partir de ensayos de microdureza. Mediante procesos de compactación uniaxial se obtienen los consolidados con las dimensiones necesarias para la caracterización microestructural y mecánica, pero conservando aun la estructura NC ofrecida inicialmente por la molienda mecánica. Para tener un amplio espectro de tamaños de grano desde algunas decenas de nanómetros hasta algunas decenas de micrómetros, los consolidados han sido sometidos a tratamientos térmicos. Un aspecto relevante de esta investigación es la caracterización mecánica de muestras macizas de acero con estructura de tamaño de grano inferior al micrómetro, aportando resultados a los limitados datos publicados. Los ensayos de compresión y tracción ilustran como la reducción del tamaño de grano al rango NC logra un aumento en la resistencia mecánica de casi un orden de magnitud frente a tamaños de grano de varias decenas de micrómetros. Los resultados obtenidos de resistencia mecánica y tamaño de grano permiten analizar el cumplimiento de la relación de Hall-Petch. Adicionalmente, se estudia la influencia de los precipitados de cementita como grandes obstáculos para el movimiento de las dislocaciones. Finalmente, mediante ensayos de nanoindentación y compresión a diferentes velocidades de deformación se estudia la sensibilidad a la velocidad de deformación SVD estableciendo dos tendencias. Inicialmente la SVD decrece continuamente durante todo el rango UFG hasta alcanzar un valor mínimo en consolidados con tamaño de grano de alrededor de 300 nm. Desde este punto, cuando el tamaño de grano ferrítico decrece en el rango NC se plantea un aumento de la SVD. Considerando que en el rango UFG la movilidad de las dislocaciones helicoidales mediante el mecanismo de la nucleación de las double-kink es el factor que controla la SVD en el acero estudiado. Esta investigación plantea que debido al bloqueo de este mecanismos de nucleación por el carbono disuelto en la matriz ferrítica del acero NC, en este material se debe promover la presencia de un mecanismo alternativo sensible a la velocidad de deformación