UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Departamento de Física de Materiales EFECTO DEL PROCESADO POR EXTRUSIÓN EN CANAL ANGULAR CONSTANTE (ECAP) EN LA MICROESTRUCTURA Y LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE DOS ALEACIONES DE ALUMINIO: AL 7075 Y AL-7%SI MEMORIA PARA OPTAR AL GRADO DE DOCTOR PRESENTADA POR Juan María García de la Infanta Belío Bajo la dirección del doctor Fernando Carreño Gorostiaga Madrid, 2009 • ISBN: 978-84-669-3206-6 ©Juan Mª Garcia de la Infanta Belío, 2008 UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA DE MATERIALES EFECTO DEL PROCESADO POR EXTRUSIÓN EN CANAL ANGULAR CONSTANTE (ECAP) EN LA MICROESTRUCTURA Y LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE DOS ALEACIONES DE ALUMINIO: Al 7075 Y Al-7%Si Tesis Doctoral JUAN MARÍA GARCÍA DE LA INFANTA BELÍO Director: FERNANDO CARREÑO GOROSTIAGA DEPARTAMENTO DE METALURGIA FÍSICA CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIONES METALÚRGICAS CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS Marzo 2008 A mis padres: Juan María y Nuria Agradecimientos Cuando comencé esta etapa de mi carrera en Mayo de 2004, no podía saber lo creativo, enriquecedor, y a la vez difícil y a veces frustrante que es este trabajo. Han sido cuatro años de continuo aprendizaje a través de los libros y de la experimentación; pero sobre todo de la gente que me ha rodeado durante todo este tiempo. Han sido muchas las personas que me han ayudado durante el desarrollo del trabajo, y quiero mostrarles mi agradecimiento a todos ellos en las siguientes líneas. En primer lugar le agradezco a mi Director de Tesis, el Dr. Fernando Carreño Gorostiaga, sus enseñanzas sobre el comportamiento mecánico de materiales, confianza en mi capacidad, apoyo incondicional y ánimo inquebrantable. Ha sabido motivarme en momentos difíciles, me ha enseñado a pensar y ha potenciado mi curiosidad por el comportamiento de la naturaleza, una cualidad esencial en una mente científica. Al Prof. Óscar Ruano Mariño le agradezco el interés mostrado durante todo este tiempo, su ayuda con la discusión del trabajo y su esfuerzo durante la revisión de la Tesis. Además, con su conocimiento, generosidad, entusiasmo y visión optimista me ha dado una valiosa lección que recordaré cada vez que afronte un problema nuevo durante mi carrera. Agradezco al Prof. Terry R. McNelley su interés y dedicación durante las estancias realizadas en la Naval Postgraduate School de Monterey. Las valiosas discusiones y valoraciones positivas han contribuido a la consecución del presente trabajo. En Monterey también tuve la oportunidad de trabajar con el Dr. Srinivasan Swaminathan, a quien estoy agradecido por enseñarme el valor de la paciencia, sobre todo de la suya…, y a quien me une una bonita amistad. Además, no puedo olvidarme de Susan, Sarita, Nancy y Joseph, que han hecho de mis viajes a Monterey dos veranos inolvidables. Al Dr. Alexander Zhilyaev le agradezco las palabras de ánimo y los consejos durante todo este tiempo, en particular sobre la técnica EBSD. Además, le agradezco que me animase a probar la técnica HPT, que sin duda ha enriquecido mi conocimiento sobre procesados por deformación plástica severa. A los Prof. Edgar Rauch y Jean-Jacques Blandin por su acogida en L’Ecole Nationale Supérieure de Physique de Grenoble y por proporcionarme la oportunidad de utilizar sus equipos de ECAP y ACOM-TEM para el procesado y análisis microestructural de muestras de la aleación Al 7075. A aquellos que me han ayudado en el departamento de Metalurgia Física del CENIM con diferentes problemas y técnicas experimentales. A la Profra. Paloma Adeva por su inestimable ayuda con la microscopía electrónica y sus palabras de ánimo durante todo este tiempo. Al Dr. Jorge del Valle por sus consejos desinteresados sobre multitud de temas, sobre todo en el aprendizaje de los ensayos mecánicos. Al Dr. José Antonio Jiménez por su ayuda con la difracción de rayos X. A la Dra. Teresa Pérez-Prado por su apoyo y por animarme a realizar estancias en el extranjero. A la Dra. Marta Pozuelo, a quien espero ver pronto al otro lado del charco. A las demás personas del CENIM que me han ayudado en diversas tareas: un recuerdo para Fernando Federico González, quien realizó las coladas de la aleación Al- 7%Si; a Jesús Chao, Carmen Peña y Rosario Parra, quienes me asistieron en el procesado de algunas muestras por ECAP; a Víctor López y María Jesús Bartolomé por sus consejos sobre la preparación metalográfica; Pablo González y Alfonso García por enseñarme el manejo de los microscopios electrónicos; César Moreno por las medidas de difracción de rayos X y las agradables conversaciones. Un recuerdo para los becarios con los que he coincidido durante estos años. Quiero empezar por Luis Miguel Requejo, compañero de clase y de frontón, quien en su día me habló de la posibilidad de realizar la Tesis en el CENIM. A mis compis de despacho, Carmen Cepeda y Paloma Hidalgo, con quienes he compartido muchas horas de trabajo, buenos y malos momentos y muchas risas, deciros que ha sido un placer y, Paloma, ya tengo ganas de leer los agradecimientos de tu Tesis, ánimo. Al resto de los chicos/as: Javi, Silvia, Gerardo, Iván, Sergio, Marta, Elvira, Marcos, Juan Pablo, etc. Aunque parezca lo contrario, no me he olvidado del apoyo de mis amigos durante este tiempo, sobre todo durante los últimos meses. A mi tribu, cuyo nombre no se puede escribir aquí por razones obvias, gracias de todo corazón. Sari, Nuria, Carmen, María, Ana, Sara, Belén, Leticia, Laura, Chema, Luís, Javi, José, Alberto, Carlos y Nacho, a ver si volvemos al parque y a San Juan donde tan buenos momentos hemos pasado… A ti Paco, te devuelvo el párrafo que me dedicaste en tu Tesis. Eres un gran amigo con el que seguiré compartiendo alegrías, penas, risas, cañas (muchas), fútbol (en la Play Station N), conciertos y muchas cosas más. Gracias por tu apoyo! A mi familia que me lo ha dado todo. A mi Padre, Juan María, que se aseguró de dejarme los consejos que mejor están guiando mi vida, espero que estés orgulloso. A mi Madre, Nuria, por todos los sacrificios realizados y los malos ratos que ha pasado para que yo pudiese llegar hasta aquí. A mi hermana, Coca, por la confianza y el apoyo que me muestra todos los días. Por último, un recuerdo especial para Ester, la persona que más ha “sufrido” esta Tesis después de mi mismo. Gracias por todo el apoyo, la fe y buenas palabras que me has regalado desde que te conozco. Me has demostrado que los sacrificios que hemos hecho y los que nos quedan merecen la pena. Ánimo guapa, ya no queda nada. Tabla de contenidos i Tabla de contenidos Lista de siglas.........................................................................................................vi Lista de símbolos..................................................................................................vii Lista de figuras.......................................................................................................ix Lista de tablas.....................................................................................................xvii 1 Introducción.......................................................................................................1 1.1 Motivación y objetivos................................................................................3 1.2 Aportaciones originales...............................................................................7 1.3 Organización del trabajo..............................................................................7 2 Fundamentos teóricos......................................................................................13 2.1 Procesado por deformación plástica severa...............................................13 2.1.1 Evolución microestructural durante SPD.........................................13 2.1.1.1 Afino de grano........................................................................14 2.1.1.2 Homogeneización de distribuciones de partículas..................18 2.1.2 Propiedades mecánicas a temperatura ambiente...............................19 2.1.3 Comportamiento a alta temperatura..................................................20 2.1.3.1 Mecanismos de fluencia a alta temperatura............................21 2.1.3.1.1 Fluencia viscosa (n=1)....................................................23 Fluencia difusional.............................................................23 Harper-Dorn.......................................................................23 2.1.3.1.2 Deslizamiento de fronteras de grano (DFG) (n=2).........23 2.1.3.1.3 Fluencia por movimiento de dislocaciones.....................24 “Solute drag” (n=3)............................................................26 Fluencia controlada por trepado (n=5)...............................27 2.1.3.2 Comportamiento de materiales SPD.......................................29 2.1.4 Aleaciones Al 7075 y Al-7%Si por ECAP hasta la fecha................33 2.1.4.1 Al 7075....................................................................................33 2.1.4.2 Al-7%Si...................................................................................33 2.2 Aspectos geométricos de ECAP y HPT.....................................................34 2.2.1 Cizalla simple en una pasada de ECAP............................................34 2.2.2 Variables de procesado por ECAP....................................................37 2.2.2.1 Ángulo de intersección 2φ......................................................37 2.2.2.2 Ángulo de alivio 2ψ................................................................38 2.2.2.3 Rutas de procesado por ECAP................................................39