Propiedades mecánicas de metales nanoporosos .

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Este trabajo de tesis doctoral trata sobre el estudio de las propiedades mecánicas de espumas metálicas nanoporosas. Empleando simulaciones con la técnica de dinámica molecular se estudia la compresión a alta velocidad de un monocristal de tantalio bcc con poros distribuidos al azar. En comparaci...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal: Ruestes, Carlos J.
Formato: Tesis NonPeerReviewed
Lenguaje:Español
Publicado: 2015
Materias:
Ciencia de los materiales
Mechanical properties
Propiedades mecánicas
Molecular dynamics methods
Método dinámico molecular
[Nanoporous materials
Materiales porosos
Numerical simulations
Simulaciones numéricas]
Acceso en línea:http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/906/1/1Ruestes.pdf
Aporte de:
Repositorio Institucional Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro (RICABIB) de Instituto Balseiro
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description Este trabajo de tesis doctoral trata sobre el estudio de las propiedades mecánicas de espumas metálicas nanoporosas. Empleando simulaciones con la técnica de dinámica molecular se estudia la compresión a alta velocidad de un monocristal de tantalio bcc con poros distribuidos al azar. En comparación con estudios de un poro aislado, la interacción entre los poros produce una disminución en las tensiones necesarias para el inicio del régimen plástico. La plasticidad se manifiesta mediante la emisión de dislocaciones desde la superficie de los poros, en forma de lazos de corte, y su interacción deriva en endurecimiento. La evolución de la plasticidad conlleva a una disminución de la porosidad hasta que los poros desaparecen completamente. Las densidades de dislocaciones resultantes se corresponden con resultados experimentales. Con el fin de evaluar y cuantificar la evolución de la plasticidad se realizó un análisis de las dislocaciones observadas. Los nanoporos actúan como fuentes para la emisión de dislocaciones. Los lazos de corte se nuclean en la superficie de los poros y se expanden por el avance de la componente de borde. A partir de las simulaciones con dinámica molecular se predicen las configuraciones de las dislocaciones y sus densidades y éstas últimas resultan comparadas frente a modelos basados en dislocaciones geométricamente necesarias, con resultados satisfactorios. Se realizaron cálculos de tensiones críticas resueltas para todos los sistemas de deslizamiento, empleándose para identificar el vector de Burgers operante en los lazos de dislocación. Los cambios en la temperatura de la muestra durante la deformación plástica fueron empleados para estimar la densidad de dislocaciones móviles. Los resultados obtenidos son comparados con una variedad de modelos constitutivos basados en dislocaciones. Además, se estudió una nanoespuma de oro fcc, sobre la cual se realizó una caracterización empleando microscopía electrónica de transmisión y microscopía electrónica de barrido. En vista de los resultados de la caracterización experimental y empleando dinámica molecular, se estudiaron las propiedades mecánicas de una nanoespuma de oro fcc sujeta a compresión a alta velocidad. Para esta parte del estudio se empleó una nanoespuma con porosidad del orden del 75 %, identificándose distintas etapas en la deformación plástica. Con base en las simulaciones atomísticas, se ha observado un régimen de densificación en todas las muestras nanoporosas estudiadas. Con estos resultados, se propone un nuevo modelo de cambio de porosidad respecto a la deformación para su uso en simulaciones a escala del continuo.
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La evolución de la plasticidad conlleva a una disminución de la porosidad hasta que los poros desaparecen completamente. Las densidades de dislocaciones resultantes se corresponden con resultados experimentales. Con el fin de evaluar y cuantificar la evolución de la plasticidad se realizó un análisis de las dislocaciones observadas. Los nanoporos actúan como fuentes para la emisión de dislocaciones. Los lazos de corte se nuclean en la superficie de los poros y se expanden por el avance de la componente de borde. A partir de las simulaciones con dinámica molecular se predicen las configuraciones de las dislocaciones y sus densidades y éstas últimas resultan comparadas frente a modelos basados en dislocaciones geométricamente necesarias, con resultados satisfactorios. Se realizaron cálculos de tensiones críticas resueltas para todos los sistemas de deslizamiento, empleándose para identificar el vector de Burgers operante en los lazos de dislocación. Los cambios en la temperatura de la muestra durante la deformación plástica fueron empleados para estimar la densidad de dislocaciones móviles. Los resultados obtenidos son comparados con una variedad de modelos constitutivos basados en dislocaciones. Además, se estudió una nanoespuma de oro fcc, sobre la cual se realizó una caracterización empleando microscopía electrónica de transmisión y microscopía electrónica de barrido. En vista de los resultados de la caracterización experimental y empleando dinámica molecular, se estudiaron las propiedades mecánicas de una nanoespuma de oro fcc sujeta a compresión a alta velocidad. Para esta parte del estudio se empleó una nanoespuma con porosidad del orden del 75 %, identificándose distintas etapas en la deformación plástica. Con base en las simulaciones atomísticas, se ha observado un régimen de densificación en todas las muestras nanoporosas estudiadas. Con estos resultados, se propone un nuevo modelo de cambio de porosidad respecto a la deformación para su uso en simulaciones a escala del continuo. This thesis deals with the study of the mechanical properties of nanoporous metallic foams. High strain rate uniaxial compression of a bcc Ta single crystal containing randomly placed nanovoids was studied using molecular dynamics simulations. Interacting voids decrease the stress required for the onset of plasticity, in comparison with earlier studies for isolated voids. Dislocations resulting from loading are emitted from void surfaces as shear loops, with their interactions leading to hardening. Plastic activity leads to a decrease in porosity until voids disappear completely. The resulting dislocation densities agree well with experimental results. Dislocation analysis was also used to evaluate and quantify the evolution of plasticity in a porous Ta single crystal when subjected to uniaxial compressive strain. Nanovoids act as effective sources for dislocation emission. Dislocation shear loops nucleate at the surface of the voids and expand by the advance of the edge component. The evolution of dislocation configuration and densities were predicted by the molecular dynamics calculations and successfully compared to an analysis based on Ashby's concept of geometrically-necessary dislocations. Resolved shear stress calculations were performed for all bcc slip systems and used to identify the operating Burgers vectors in the dislocation loops. The temperature excursion during plastic deformation was used to estimate the mobile dislocation density. The results obtained are compared with a variety of dislocation-based constitutive models. An fcc gold nanofoam was characterized by transmission electron microscopy and scanning electron microscopy. In view of the experimental results, the mechanical behavior of nanoporous gold under high strain rate uniaxial compression was studied using molecular dynamics simulations. We considered the high porosity regime (porosity of 75%), which can be described by several stages of plastic deformation. Based on the atomistic simulations a densification regime was observed in all nanoporous samples studied. With these results, a new strain-based porosity model for metals is proposed to be used for simulations at the continuum scale. 2015-04-14 Tesis NonPeerReviewed application/pdf http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/906/1/1Ruestes.pdf es Ruestes, Carlos J. (2015) Propiedades mecánicas de metales nanoporosos . / Mechanical properties of nonoporous metals. Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro. http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/906/

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