Efectos de la adhesión en ensayos de indentación a escala atómica de metales fcc: una aproximación desde la dinámica molecular
- Autores: Soledad González Tortuero
- Directores de la Tesis: Miguel Ángel Garrido Maneiro (dir. tes.), Jesús Rodríguez Perez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Rey Juan Carlos ( España ) en 2023
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Alicia Salazar (presid.), C. J. Múnez (secret.), J. Segurado (voc.), Pilar Ariza Moreno (voc.), Begoña Calvo Calzada (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías Industriales: Química, Ambiental, Energética, Electrónica, Mecánica y de los Materiales por la Universidad Rey Juan Carlos
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: hdl.handle.net
- Resumen
La miniaturización de los componentes y dispositivos se ha desarrollado fuertemente en las últimas décadas, debido a la mejora de los procesos de fabricación y a las ventajas de la reducción de la escala en ciertos ámbitos de aplicación. En esta reducción de la escala, han tenido un gran auge los micro y nanosistemas electromecánicos (MEMS y NEMS), con presencia creciente en diversos sectores como el industrial, el médico, el farmacéutico, de defensa, etc. Los NEMS y MEMS se caracterizan por abarcar desde los nanómetros hasta los pocos micrómetros.
La caracterización a escalas tan reducidas, como la escala atómica, se ha convertido en uno de los temas de investigación con más proyección dentro del área de la nanomecánica. La razón fundamental se debe a que, en estas escalas, la relación entre el área de la superficie y el volumen de las muestras es muy elevada, haciendo que ciertos fenómenos, como el de adhesión, cobren una especial relevancia en procesos de interacción entre sólidos.
Cuando se trata de obtener propiedades de materiales a pequeña escala o sobre un volumen muy pequeño de muestra, la técnica de indentación instrumentada se presenta como una alternativa viable. Aunque esta técnica se fundamenta en los ensayos de medida de dureza tradicional, la posibilidad de tener un registro continuo de la fuerza y del desplazamiento durante el proceso de penetración de un indentador con geometría conocida evita la necesidad de medir la huella residual. Esto permite caracterizar un material independientemente de la escala a la que se realice el ensayo con tal de disponer de un registro continuo de fuerza-desplazamiento.
A partir de este registro continuo de fuerza-desplazamiento y haciendo uso de la mecánica del contacto, basada en el continuo, se pueden extraer propiedades como el módulo elástico. El primer modelo de contacto entre dos cuerpos elásticos fue propuesto por Heinrich Hertz en 1882.
Las teorías más empleadas que consideran la adhesión en el contacto son el modelo de Johnson, Kendall y Roberts (JKR), y el modelo de Derjaguin, Muller y Toporov (DMT). Ambos modelos son capaces de describir el efecto de la adhesión en el contacto entre superficies a través de expresiones cerradas. La aproximación JKR es adecuada para indentaciones con indentadores de radio grande, cuando la energía de adhesión es elevada y sobre materiales con bajo módulo elástico. Por el contrario, la aproximación DMT es más precisa cuando se consideran sólidos rígidos con baja energía de adhesión. Fuera de estas condiciones la aplicación de estos dos modelos produce unos errores en la estimación de las propiedades mecánicas de hasta el 25%. Es necesario, por consiguiente, garantizar que se cumplen dichas condiciones para dar por válidas las predicciones de estos dos modelos. Por ello, resulta recomendable aplicar un modelo de contacto adhesivo que sea capaz de transitar entre los dos casos límite anteriores. Dicho modelo es el propuesto por Maugis en el año 1992, en el que supone que la fuerza de interacción molecular actúa dentro de una zona anular en el extremo del área de contacto.
En este trabajo se ha planteado como objetivo el estudio del efecto de la adhesión a escala atómica a través de ensayos de indentación. Derivado de este objetivo inicial, se han determinado las propiedades mecánicas de metales con estructura cúbica centrada en las caras (FCC) y las propiedades de interacción entre el indentador y el material.
Para la consecución de este objetivo, se ha planteado una serie de simulaciones numéricas por dinámica molecular (DM) de indentación esférica sobre aluminio, oro, plata, cobre, níquel y platino. Se han analizado tres sistemas: indentador deformable con adhesión, indentador deformable sin adhesión e indentador rígido con adhesión. Para todos ellos se ha considerado un indentador de diamante, caracterizado por enlaces C-C de carácter covalente.
Para cada sistema se han obtenido los correspondientes registros de fuerza-desplazamiento generados durante un ciclo de carga y descarga. Se ha desarrollado un proceso iterativo de aplicación del modelo aproximado de Maugis sobre las curvas fuerza-desplazamiento de DM, que han permitido estimar el módulo elástico del material y la energía de adhesión del sistema indentador-muestra. Además, se ha generado un procedimiento de cálculo que proporciona la evolución del radio de contacto durante el proceso de descarga.
Todo ello, ha permitido realizar un análisis detallado del proceso de indentación a escala atómica y desarrollar metodologías de cálculo que permitan estimar propiedades a través de estos ensayos.
Del análisis de las curvas fuerza-desplazamiento obtenidas de los ensayos numéricos de indentación, considerando el indentador rígido o deformable, no se han observado diferencias significativas. Este resultado es consistente con la elevada rigidez del indentador seleccionado para simular estos ensayos.
Sin embargo, las diferencias son significativas cuando se comparan los registros fuerza-desplazamiento entre los sistemas con adhesión y sin adhesión. Se ha podido constatar que, en aquellos contactos en los que la relación entre la energía de adhesión y el módulo elástico (omega/E) es elevada, las curvas fuerza-desplazamiento se caracterizan por presentar un ciclo de histéresis entre la rama de carga y de descarga. Por el contrario, si el valor de omega/E es pequeño, ambos ciclos son coincidentes. Además, los valores de fuerza de atracción entre las superficies de ambos sólidos pueden llegar a constituir el 50% de los registros de fuerza de la indentación.
Dada la importancia de los fenómenos de adhesión en estos sistemas a escala, los resultados proporcionados por las simulaciones en las que se tiene en cuenta dicho efecto, han sido analizados mediante la aplicación de modelos basados en el continuo. Las predicciones dadas por los modelos JKR y DMT no han sido lo suficientemente precisas como para describir el contacto entre diamante y metal FCC. Así, en el caso de la aplicación del modelo DMT, se obtuvieron errores de hasta el 10% en la estimación de la energía de adhesión. En el caso del modelo de contacto JKR, estos errores aumentaron hasta casi el 30%.
Por esta razón, en este trabajo se ha desarrollado un procedimiento iterativo que permite la aplicación de un modelo aproximado de Maugis sobre la rama de descarga de los ensayos numéricos de indentación. Este procedimiento ha permitido obtener valores más precisos del módulo elástico del metal indentado, así como estimaciones más fiables de la energía de adhesión.
Aprovechando la versatilidad que proporcionan las simulaciones numéricas, se han realizado simulaciones en las que se ha aumentado el radio del indentador o se ha incrementado la profundidad de penetración. Se ha podido observar que, al aumentar el radio del indentador, el comportamiento del sistema se acerca más a un modelo de contacto tipo JKR. Sin embargo, la tendencia obtenida con la profundidad de penetración no ha sido tan clara puesto que su efecto era contrarrestado por el incremento en el tamaño de la indentación.
Finalmente, a partir de los resultados obtenidos de todas las simulaciones, se han establecido tendencias de carácter empírico entre parámetros característicos del contacto, a priori desconocidos, y magnitudes que podrían ser extraídas de un ensayo experimental. Con estas relaciones sería posible aplicar la metodología propuesta en este trabajo a partir, únicamente, de datos experimentales de ensayos de indentación.
En definitiva, del trabajo realizado en esta tesis doctoral se puede concluir que el efecto de la adhesión a escala atómica no es despreciable en los procesos en los que estén implicados materiales metálicos FCC. Además, la aplicación de los modelos de contacto basados en el continuo debe hacerse con precaución, debido a los efectos de escala. No obstante, la aplicación del modelo de contacto de Maugis, mediante el procedimiento desarrollado en esta tesis permite la determinación del módulo elástico y la energía de adhesión, sin asumir un comportamiento previo del material.
