High-temperature plastic deformation of micro and nano-boron carbide and B4C-based composites prepared by spark plasma sintering (SPS): experimental and modelling

Abstract

Deformación plástica a alta temperatua de carburo de boro microy nanoestructurado y materiales compuestos basados en éste preparados mediante sinterizado por chispa de plasma (SPS): experimentos y modelización. Palabras clave: carburo de boro, deformación plástica, resistencia a la fractura, fluencia a alta temperatura, interacción dislocación-macla. La tesis recogida bajo y este epígrafe, desarrollada y defendida por Bibi Malmal Moshtaghion, pretende encontrar la razón última de las extraordinarias propiedades mecánicas del carburo de boro policristalino. Este material es el tercero más duro de la naturaleza, junto con el diamante y la fase cúbica del nitruro de boro. Junto a ello, tiene una estructura cristalográfica muy singular, consistente en icosaedros de boro y carbono unidos por enlaces carbono-boro. Pese a las atractivas propiedades mecánicas de este material, sólo existen en la literatura estudios parciales, porque la preparación de muestras densas de carburo de boro es una tarea difícil. Ello se debe a que los procesos de difusión en un material altamente covalente tienen una probabilidad baja. Ello siempre ha restringido las temperaturas de sinterización de este cerámico a valores tan altos como 2000ºC, con lo que los tamaños de grano del material superan la micra y su posible plasticidad es muy restringida. Por el contrario, para rebajar la altísima temperatura de sinterizado, se recurría a la adición de otras fases, de naturaleza vítrea ordinariamente, que degradaban las buenas prestaciones mecánicas. Por primera vez, doña Bibi Malmal Moshtaghion ha encontrado un procedimiento para fabricar piezas con densidad teórica de carburo de boro mediante sinterización por chispa de plasma. En esta técnica, se hace pasar una corriente eléctrica de intensidad elevada a un molde de grafito que actúa como contenedor del polvo de carburo de boro. Merced al efecto Joule, el molde se calienta; por ende lo hace el polvo de carburo de boro y en virtud a la fuerza motriz que ejerce el campo eléctrico creado en las juntas de grano, la sinterización cerámica se acelera de forma destacada. Un aspecto esencial de este proceso es la necesidad de ser realizado en dos etapas, pues antes de sinterizar la pieza es necesario eliminar la fase residual de boria creada por oxidación parcial. Para ello, es necesario recocer la muestra en la atmósfera empobrecida en oxígeno del horno SPS durante unos minutos a 1200ºC, cuando la fase boria se evapora. Las muestras monolíticas y completamente densas pueden fabricarse así a 1600ºC, temperatura que es sensiblemente más baja que la usada tradicionalmente. Más espectacular es el hecho de que pueden conseguirse muestras con tamaños de grano tan pequeños como 150 nanometros, y se puede cubrir todo el intervalo entre dicho valor y las 20 micras. Las muestras así fabricadas fueron ensayadas a temperatura ambiente mediante indentaciones Vickers para medir su dureza y su tenacidad. La doctoranda realizó este estudio durante una estancia de tres meses en la Universidad de Oxford, Reino Unido. Como consecuencia de ello, ha determinado la dependencia de dichas magnitudes con el tamaño de grano de las muestras. Análogamente, la doctoranda determinó la resistencia al desgaste en función del tamaño de grano en la citada Universidad británica. Como principal logro de esta parte de su trabajo cabe destacar la determinación del modo de fractura dominante en función del tamaño de grano. Un aspecto central de esta tesis es el estudio de la plasticidad a alta temperatura. Del estudio del modo de deformación entre 1600ºC y 1800ºC, se han podido inferir conclusiones de muy alta relevancia, a saber: 1-La deformación plástica de este material no sigue la ley de potencia convencionalmente adoptada en la literatura, sino una ley de seno hiperbólico en el que temperatura y tensión aparecen acopladas. La ecuación constitutiva modelada por la doctoranda justifica de manera notable los resultados experimentales de tensión, velocidad de deformación y temperaturas. 2-El mecanismo de deformación consiste básicamente en un proceso de activación térmica del movimiento de dislocaciones, fuertemente limitado por la presencia de maclas. Es la interacción dislocación-macla la responsable de la extraordinaria resistencia a la fluencia de este material. 3-El mecanismo de acoplo macla-dislocación se debilita al aumentar el tamaño medio de grano, de tal suerte que, a partir de 5 micras es completamente desdeñable. 5-El carburo de boro es un caso singular de cerámico en el que se activan mecanismos similares a los puestos en juegos en los llamados aceros TWIP (twin-induced plasticity). Es un caso singular de cerámico en el que conviven propiedades típicas de aleaciones metálicas.