Microstructural analysis of atomic mechanisms of metal plasticity under machining conditionscase study of aisi 1045 steel and 7475 aluminum

Résumé

El objetivo de esta tesis de doctorado es investigar el potencial de la caracterización de la nanoestructura para revelar los mecanismos atómicos de plasticidad en metales presentes en condiciones de mecanizado. Esta aproximación ha sido usada para reconstruir los fenómenos en el contacto viruta- herramienta mediante un estudio de las virutas utilizando técnicas avanzadas de microscopía en combinación con la descripción atomística fundamental de la plasticidad. Se han recolectado varias evidencias de la existencia de dos regímenes de corte cualitativamente diferentes durante el mecanizado ortogonal de acero recocido AISI 1045 con herramientas de corte de carburo P15 sin lubricación a velocidades de corte entre 5 y 200 m/min. Estos regímenes están caracterizados por dos fenómenos distintos controlando el contacto viruta-herramienta, i.e., endurecimiento plástico severo a baja velocidad, y recristalización dinámica a alta velocidad. Este último fenómeno ha inducido una estructura en la zona de contacto con propiedades únicas. Estudios morfológicos, químicos y mecánicos han revelado un material nanoestructurado con propiedades diferentes en comparación con el material de origen. El análisis de virutas previamente cortadas proporciona una imagen general del mecanismo que gobierna el contacto viruta-herramienta. Sin embargo, algunos aspectos particulares como la orientación del grano y otros elementos microestructurales podrían tener roles diferenciados. Por tanto, el análisis del corte sobre determinados elementos microestructurales puede alimentar un entendimiento más profundo del corte en metales. Para abordar esto, esta tesis estudia qué potencial proporciona una observación directa del mecanizado en microscopios de alta magnificación. Para ello, se ha diseñado y construido un dispositivo para el corte lineal de aluminio dentro la cámara de vacío de un microscopio electrónico. Este dispositivo se ha mostrado satisfactorio para realizar experimentos de corte in-situ. Los primeros resultados han mostrado que la orientación cristalográfica puede influir en la capa de material deformada bajo la herramienta de corte. Más aún, el análisis del corte en el régimen sub-micrométrico han demostrado que esta capa es proporcionalmente más grande en cortes pequeños, consecuencia de una interacción viruta-herramienta más profunda que a escalas macroscópicas. A una escala inferior, se ha propuesto un método de simulación a escala atómica para modelizar el mecanizado. Esta iniciativa responde a la capacidad de las simulaciones atomísticas para reproducir los mecanismos de plasticidad que gobiernan la deformación de los materiales cristalinos, como las dislocaciones y los efectos de bordes de grano. Efectos que no pueden ser reproducidos por otras técnicas basadas en mecánica continua. En el presente estudio se ha efectuado una serie de simulaciones de dinámica de moléculas en diferentes condiciones de fricción y avance. Los resultados has mostrado los efectos de recristalización localizado observados experimentalmente, altamente dependientes de los valores de fricción. Más aún, se ha observado que una alta fricción reduce la movilidad de los átomos alrededor de la herramienta hasta cierta distancia. Esto crea un gradiente de velocidades en el área cercana al borde de corte, conllevando por tanto la aparición de mecanismos de deformación específicos en el área de contacto. En resumen, esta tesis describe la mecánica del mecanizado basándose en diferentes mecanismos de plasticidad a nivel atómico, tanto con experimentos como con simulaciones. Además, en este trabajo se describen nuevas metodologías para el estudio del proceso de corte con potencial uso en otras condiciones y materiales de interés.