Simulación de propiedades mecánicas de multicapas de Zr/ZrN y TiN/ZrN empleando el método de elementos finitos

Simulation of mechanical properties of Zr/ZrN and TiN/ZrN multilayers using the finite elements method

En este trabajo se presenta el estudio de propiedades mecánicas de multicapas de Zr/ZrN y TiN/ZrN variando el número de bicapas en 1, 2, 5 y 10, es decir, períodos de 2, 1, 0,4 y 0,2 µm, con espesor constante de 2 µm en una relación de 1:1 y 1:3. Para esta simulación se empleó el software ANSYS, el cual se basa en el método de elementos finitos. Se obtuvieron curvas de Esfuerzo– Deformación, dureza y módulo de Young en función del número de bicapas. De acuerdo al análisis realizado, las bicapas de TiN/ZrN con relación 1:3 presentan mayor dureza (31±1 GPa) en relación a los demás sistemas y un módulo de Young de aproximadamente 460 GPa. Los resultados de las simulaciones de las propiedades mecánicas de materiales basados en Ti y Zr, empleando métodos como el de elementos finitos, son prometedores en el campo de los nuevos materiales para predecir su desempeño en aplicaciones tecnológicas e industriales como recubrimientos duros sobre diferentes herramientas y piezas de maquinaria y así disminuir costos de producción. Además, las simulaciones presentadas en este trabajo pueden extenderse a sistemas compuestos de otros materiales de gran utilidad.

1 INTRODUCCIÓN

Las diferencias en las propiedades mecánicas de materiales en bloque y en películas delgadas pueden ser debidas principalmente a la baja dimensionalidad, acompañada del aumento de la densificación persistente en las películas [1]. También pueden ser atribuidas a discrepancias en la microestructura debida a la fabricación [2], y posibles efectos del sustrato en películas delgadas [3], relacionada a la tensión en el fenómeno de gradiente de plasticidad [4, 5]. Muchas investigaciones se han enfocado al estudio de recubrimientos con multicapas, a causa de la mejora en las propiedades mecánicas que ofrecen, comparada con los recubrimientos de una capa. Los recubrimientos en multicapas son obtenidos por la deposición alternada de dos o más materiales diferentes, con un espesor en el rango de los nanómetros para una super–red [6, 7], persistiendo generalmente un crecimiento columnar [8, 9]. Los materiales nitruro–nitruro [6, 7] y nitruro–metálico [10] han sido estudiados para el desarrollo de recubrimientos en multicapas a nanoescala, como es el caso de TiN/VN y TiN/AlN [6]. El primer material multicapa bajo estudio fue del tipo Ti/TiN. Su dureza y módulo de Young excedieron considerablemente a los reportados para una capa de TiN [11, 12]; este comportamiento se debe al fenómeno llamado efecto supermódulo, el cual aparece en muchos recubrimientos modernos en multicapa e.g. Cr/CrN, W/WN, W/TiC, Ti/TiC, Fe/TiC, Mo/NbN [12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19].