Formación de nanocristales en hierro bajo alta tensión cortante

Los métodos de alta cizalladura se usan a menudo en experimentos con metales para cambiar la forma en que se estructuran los Granos, pero no está del todo claro cómo funciona esto. Hemos realizado pruebas usando simulaciones por computadora para mostrar cómo se pueden formar estructuras nanocristalinas a partir de arreglos perfectos de hierro bajo estrés de alta cizalladura. Durante el proceso, las celdas de simulación se desordenan, pasan por una fase de recuperación y, eventualmente, crean nanograins. Vimos cómo factores como la temperatura, la velocidad de disipación de calor, la velocidad de deformación por cizalladura y la cantidad de carbono en el hierro afectan este proceso.

#Hallazgos Clave

• Temperaturas más altas generalmente llevan a granos más grandes y largos.
• Tasas de enfriamiento más rápidas comienzan con más granos pequeños. Aún así, quedan menos granos pequeños después de cierto nivel de deformación en comparación con tasas de enfriamiento más lentas.
• Tasas de deformación más lentas no ayudan a formar nanograins.
• La presencia de impurezas de carbono parece tener poco efecto en la formación de granos.

Esta investigación ofrece ideas útiles sobre cómo se forman los nanograins en condiciones de alta cizalladura.

#Métodos de Refinamiento de Granos

El refinamiento de granos es importante en el procesamiento de metales. Se pueden usar diferentes maneras para lograrlo, como métodos químicos y técnicas de pulverización. Un método efectivo es a través de técnicas de deformación plástica severa (SPD) como el acumulativo de unión por rodillo (ARB) y la prensada angular en canal igual (ECAP). Las técnicas de alta cizalladura, como la torsión a alta presión (HPT), pueden cambiar notablemente la microestructura de los metales.

La investigación ha mostrado que varios tipos de metales, incluyendo aleaciones de aluminio, cobre y magnesio, pueden tener tamaños de grano más pequeños cuando se les somete a una cizalladura aumentada. Estudios recientes también han mostrado resultados similares para el acero inoxidable, que también muestra un aumento en la dureza con la reducción del tamaño de grano. Sin embargo, todavía hay muchas preguntas sin respuesta sobre cómo se forman los nanocristales con la cizalladura aumentada.

#Teorías del Refinamiento de Granos

La teoría principal sobre cómo se refinan los granos implica dislocaciones, que son fallas en la estructura cristalina que se forman debido a la cizalladura. A medida que aumenta la deformación, estas dislocaciones se agrupan y crean límites dentro de los granos. Algunas dislocaciones son aniquiladas en estos límites, lo que lleva a un aumento en el ángulo de desalineación entre los granos. Algunas dislocaciones persisten y se convierten en límites de grano de bajo ángulo, lo que continúa el proceso de refinamiento de granos.

Otros aspectos pueden influir en el refinamiento de granos, incluyendo la distribución de precipitados en el material y la ocurrencia de deformación por geminación. Por ejemplo, la subdivisión de granos puede suceder a través de una transformación de una fase a otra durante la deformación.

#Métodos Computacionales Utilizados

Se han utilizado varios métodos informáticos para estudiar el refinamiento de granos a través de cizalladura plástica. El análisis de elementos finitos (FEA) se usa comúnmente para entender cómo el proceso de HPT cambia las muestras. Sin embargo, la precisión de estas simulaciones depende en gran medida del modelo utilizado, lo que puede limitar la comprensión de otros mecanismos físicos de refinamiento de granos.

Simulaciones de dinámica molecular (MD) se han utilizado para examinar cómo cambian las estructuras metálicas bajo SPD. Muchos estudios comienzan con muestras de metal que ya están en un estado nanocristalino, lo que significa que no investigan cómo un solo cristal puede volverse nanocristalino. Algunos trabajos notables han cizallado un cristal único perfecto, pero no han explorado a fondo los efectos de cizalladura a nivel de un solo cristal.

#El Papel del Hierro

Elegimos estudiar el hierro por sus amplias aplicaciones en usos cotidianos e industriales. En particular, los aceros a base de hierro son preferidos para reactores de fisión avanzados y futuros reactores de fusión. Estos aceros tienden a mostrar menos hinchazón por exposición a neutrones en comparación con otros tipos de acero.

En nuestras simulaciones, primero discutimos los métodos que utilizamos. Luego, compartiremos los resultados de la simulación y discutiremos los mecanismos que contribuyen a lo que observamos. Finalmente, compararemos nuestros hallazgos con estudios experimentales sobre HPT.

#Configuración de Simulación

Las simulaciones de dinámica molecular se realizaron usando LAMMPS. Las celdas de simulación se crearon con estructuras cristalinas perfectas que contenían muchos átomos de hierro dispuestos en una formación cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Configuramos cada celda de simulación para que constara de 1,024,000 átomos. Después de crear las celdas, también investigamos cómo afecta la adición de impurezas de carbono a la formación de granos.

El proyecto utilizó una forma específica de medir las interacciones entre átomos. La temperatura de los átomos se controló para mantener un ambiente constante durante las simulaciones.

#Aplicando Estrés de Cizalladura

Se aplicó cizalladura deformando las celdas de simulación en una dirección específica, lo que llevó a diferentes valores de deformación con el tiempo. Nos aseguramos de evitar autointeracciones reiniciando partes de las celdas bajo ciertas condiciones.

El análisis se realizó usando OVITO, una herramienta para visualizar arreglos atómicos. Definimos granos en función de sus orientaciones cristalinas, lo que nos permitió explorar cambios a medida que aplicamos diferentes deformaciones a las celdas.

#Observaciones sobre la Estructura Nanocristalina Inducida por Cizalladura

Comenzamos a ver señales de refinamiento de granos al aplicar deformación por cizalladura a las celdas de simulación. Inicialmente, las celdas mostraron una estructura cristalina perfecta. A medida que aumentó el estrés por cizalladura, la estructura se volvió altamente desordenada. Después de aproximadamente 0.27 de deformación, se notó un alto nivel de desorden atómico. La recristalización comenzó poco después, llevando a la formación de muchos granos pequeños.

A medida que continuamos aumentando la deformación, observamos variaciones en el tamaño y orientación de los granos. Los resultados revelaron que había un equilibrio dinámico entre la creación de nuevos granos y el crecimiento de los existentes, llevando a un estado estable después de cierto nivel de deformación.

#Temperatura y Su Efecto

Exploramos cómo aumentar la temperatura afectó la estructura de los granos. Temperaturas más altas llevaron a la formación de granos más grandes. Las observaciones mostraron que el número inicial de granos aumentó durante el estado desordenado, pero tendió a disminuir a medida que el proceso continuó. El análisis indicó que la temperatura impacta no solo el tamaño de los granos sino también el número de granos formados.

#Efecto de la Disipación de Calor

Vimos cómo de rápido se disipaba el calor de las celdas de simulación. Una disipación de calor más rápida llevó a más desorden al principio, seguida de una recuperación más rápida de una estructura de grano más estable. Cuanto más lento se disipaba el calor del material, menos desorden ocurría.

#El Impacto de la Tasa de Deformación

También queríamos ver qué pasaba si disminuíamos la tasa de deformación durante las simulaciones. En este caso, encontramos que no ocurrió el refinamiento de granos y, en cambio, la estructura permaneció principalmente como un solo cristal.

#Comprendiendo las Impurezas de Carbono

Queríamos ver cómo la adición de impurezas de carbono afectaría la formación de nanograins. La presencia de carbono no parecía cambiar sustancialmente el proceso general de refinamiento de granos. Sin embargo, hubo ligeras variaciones en el número de granos, que generalmente eran más bajos en simulaciones con carbono.

#Conclusión sobre la Formación Nanocristalina

Las simulaciones proporcionaron una visión de cómo se forman estructuras nanocristalinas en hierro bajo condiciones de alta deformación por cizalladura. El proceso generalmente comienza desde un estado desordenado, pasa por la recristalización y eventualmente lleva a la coarsening de granos. Aprendimos cómo factores como la temperatura y la velocidad de enfriamiento impactaron esta formación.

Los mecanismos exactos detrás de estos cambios en la estructura pueden ser complejos y variar según varios factores influyentes. La investigación ofrece valiosas ideas para mejorar las técnicas de procesamiento de metales en aplicaciones prácticas.

#Trabajo Futuro

Estudios adicionales serán beneficiosos para comprender completamente cómo operan tales mecanismos, especialmente al considerar diferentes materiales o condiciones variadas. Esta comprensión puede llevar a mejores prácticas e innovaciones en el procesamiento de metales que podrían tener implicaciones significativas para varias industrias.