Modelización del comportamiento de partículas cerámicas nanométricas en aleaciones de aluminio en estado líquido y su influencia en las propiedades mecánicas

Abstract

Las restricciones relativas a las emisiones contaminantes planteadas por la Unión Europea hacen que el desarrollo de nuevos materiales sea crítico y necesario. Considerando el sector del transporte uno de los más contaminantes, esta necesidad de desarrollar nuevos materiales ligeros que cumplan los requerimientos del mercado es si cabe más necesario. Estos materiales ligeros deben alcanzar propiedades mecánicas elevadas que permitan sustituir algunos de los materiales actualmente empleados para fabricar los componentes de los coches por otros menos pesados. Esto permitiría reducir el peso total del coche y en consecuencia la contaminación.En este contexto y teniendo en cuenta la mejora de propiedades que ofrecen los compuestos de matriz metálica (del inglés MMCs), el trabajo que se presenta consiste en estudiar la influencia de la introducción de nanopartículas cerámicas en la microestructura del aluminio y en sus propiedades mecánicas.El estudio realizado tiene dos partes claramente diferenciadas: (1) fabricación y análisis de loscompuestos nano ¿ reforzados y, (2) estudio teórico de la influencia que tiene la incorporación de nanopartículas en aleaciones de aluminio.En primer lugar, las muestras fabricadas se han analizado, con el objetivo de comparar las propiedades mecánicas de las probetas nano ¿ reforzadas con la aleación base. Por otro lado, se ha realizado una caracterización microestructural de las cinco muestras (aleación base y muestras nano ¿ reforzadas) con el objetivo de observar la microestructura general de la aleación y verificar la incorporación de los refuerzos en la aleación.La segunda vía de estudio consiste en el desarrollo de dos modelos matemáticos. El primero de ellos permite predecir la influencia de la incorporación de partículas en el aluminio fundido en base a su forma, tamaño y composición química. El segundo modelo matemático es capaz de predecir (vía calibración experimental), el flujo de germinación de aleaciones de aluminio llegando incluso a predecir el tamaño de grano aproximado en función de la forma y composición del refuerzo introducido.Además, considerando que las partículas introducidas sirven de germen de solidificación y que esto influye en el subenfriamiento de la solidificación, se ha realizado un análisis térmico de las muestras. Para ello, por un lado, se ha analizado con el software ThermoCalc® la solidificación teórica de la aleación y por otro se ha realizado un análisis térmico diferencial de las aleaciones nano-reforzadas.Respecto a las propiedades mecánicas de las muestras nano-reforzadas, se ha observado un claro incremento simultaneo de la resistencia y de la ductilidad que evidencian la incorporación y dispersión de las nanopartículas en el aluminio fundido. Además, el estudio microestructural realizado verifica la incorporación de las partículas en el aluminio.Por su parte, los modelos matemáticos desarrollados se han validado experimentalmente observando que las partículas esféricas y cúbicas, son capaces de afinar la microestructura de la aleación.