Inverse Hall-Petch Behavior in Nanocrystalline Aluminum Using Molecular Dynamics

Estudio del comportamiento inverso de Hall-Petch en aluminio nanocristalino usando dinámica molecular

Este trabajo investiga el comportamiento mecánico del aluminio nanocristalino, con especial atención a los mecanismos de deformación, utilizando simulaciones de dinámica molecular con un potencial interatómico parametrizado por los autores. Para ello, se construyeron cuatro muestras nanocristalinas con tamaños de grano comprendidos entre 8,2 y 14,2 nm, cada una con un volumen de 15 x 15 x 20 nm3. Como era de esperar, los datos de los ensayos de tracción a una velocidad de deformación de 1,0 x 109 s-1 mostraron una relación Hall-Petch inversa. El comportamiento de endurecimiento por deformación no reveló un aumento significativo de la resistencia mecánica. El análisis de dislocaciones indicó que la densidad de dislocaciones perfectas disminuye durante el ensayo de tracción, mientras que las parciales de Shockley aumentan. La plasticidad mediada por el límite de grano se evidenció con difusión atómica a lo largo de los límites de grano, así como por rotación de grano. Así pues, se concluye que los mecanismos convencionales de deformación plástica de los metales no son preponderantes en el caso del aluminio nanocristalino.

INTRODUCCIÓN

Los materiales metálicos nanocristalinos (NC) son un caso particular de materiales policristalinos, ya que su tamaño de grano es inferior a 100 nm (Naik y Walley, 2020). Estos granos tienen una disposición atómica bien definida (es decir, cúbica centrada en el cuerpo, cúbica centrada en la cara, etc.) y una gran fracción de volumen de límites de grano (GB), que son lugares de mayor desorden atómico (Pande y Cooper, 2009). Los materiales nanocristalinos presentan características mecánicas interesantes para diversos tipos de aplicaciones, ya que tienen, por ejemplo, una mayor resistencia mecánica en comparación con las aleaciones cristalinas de la misma composición química que contienen granos más grandes (Hasan et al., 2020). La relación entre el tamaño de grano y la resistencia mecánica viene dada por la ecuación de Hall-Petch (HP), que puede expresarse de la siguiente manera (Schneider y Laplanche, 2021):

​$\sigma y=\sigma 0+k_l{d}_{GB}^{-1/2}$   (1)

donde σ_y es el límite elástico, σ₀ y k_lson constantes que dependen del material, y $d_{GB}^{-1/2}$ es el tamaño medio del grano.

La explicación física de la relación HP se basa en el modelo de apilamiento (Baracaldo et al., 2011). Por lo general, las dislocaciones pueden deslizarse dentro de un cristal si se proporciona suficiente tensión y se acumulan (pile-up) en algunos obstáculos como GBs, átomos de impurezas, precipitados de segunda fase u otras dislocaciones (Meyers et al., 2006).