Publication: High temperature mechanical behavior of AI/SiC nanoscale multilayers
Loading...
Identifiers
Publication date
2014-06
Defense date
2014-06-30
Authors
Tutors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Impact
Export
Abstract
Nanoscale Al/SiC composite laminates are metal-ceramic multilayers with unique
mechanical properties at ambient temperature, such as high strength, high toughness,
and damage tolerance, due to the nm scale thickness of their layers. Nevertheless,
nothing is known about their high temperature mechanical properties and this is a key
issue both from the fundamental viewpoint as well as from the in-service behavior. This
lack of information is mainly due to the difficulties associated with the characterization of
the mechanical behavior of thin-films at high temperature, a rather unexplored area.
High temperature instrumented nanoindentation and micropillar compression were
carried out in this thesis to study the mechanical properties of Al/SiC nanolaminates as
a function of layer thickness from room temperature up to 300ºC. Mechanical tests were
complemented with detailed transmission electron microscopy (TEM) analysis of the
deformed structures to elucidate the effect of temperature on the deformation
mechanisms at the nm scale. In addition, finite element simulations of the multilayer
deformation were used to clarify the influence of the Al flow stress and of the interface
properties (strength, friction coefficient) on the overall stress-strain response of Al/SiC
multilayers.
The combination of nanoindentation, micropillar compression tests, TEM observations
and numerical simulations provided a better understanding of the key parameters
influencing the high temperature mechanical behavior of Al/SiC nanoscale multilayers. It
was found that the mechanical behavior at ambient temperature was controlled by the
high strength of the Al nanograins and the constraint induced by the stiff SiC nanolayers
on the Al plastic flow. Changes in the Al-SiC interface behavior, in the form of interface
sliding, limited the constraint on plastic flow at 100ºC. This phenomenon, together with
the softening of the Al nanolayers, resulted in a marked reduction in the flow stress and
in the strain hardening capacity of the nanoscale multilayers. The role of the Al-SiC
interfaces in plastic flow was also apparent in the creep activation energies, which
showed a marked decrease with the reduction in Al layer thicknesses, reaching values close to the activation energy for grain boundary diffusion in Al for layer thicknesses of
10 nm.
Finally, above 200ºC, chemical reactions between Al and SiC promoted a large
degradation in the mechanical properties of the nanoscale multilayers. ----------------------
Los nanolaminados de Al/SiC son materiales multicapa metal-cerámicos con propiedades mecánicas singulares a temperatura ambiente, combinando alta resistencia, alta tenacidad y tolerancia al daño, debido al espesor nanométrico de las capas. Sin embargo, su comportamiento mecánico a alta temperatura no es conocido y éste es un aspecto clave tanto desde el punto de vista fundamental como para su comportamiento en servicio. Ello es principalmente debido a la dificultad inherente a la caracterización mecánica a altas temperaturas de películas delgadas, un área que está en desarrollo en la actualidad. En este trabajo, se han empleado técnicas de nanoindentación instrumentada y compresión de micropilares a alta temperatura para estudiar las propiedades mecánicas de nanolaminados de Al/SiC, en función del espesor de las capas, entre temperatura ambiente y 300ºC. Los ensayos mecánicos se complementaron con una caracterización detallada de las microestructuras deformadas mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM), con el objetivo de determinar el efecto de la temperatura en los mecanismos de deformación. Por último, se han empleado simulaciones por elementos finitos para entender mejor la influencia de la tensión de fluencia del Al y de las propiedades de las intercaras (resistencia, coeficiente de fricción) en el comportamiento global tensión-deformación de los nanolaminados de Al/SiC. La resultados obtenidos en los estudios de nanoindentación, compresión de micropilares, caracterización por TEM y simulaciones numéricas permitieron adquirir una mejor compresión de los parámetros que determinan el comportamiento mecánico a alta temperatura de nanolaminados de Al/SiC. Se concluyó que el comportamiento mecánico a temperatura ambiente está controlado por la alta resistencia plástica de las nanocapas de Al y la restricción a la deformación impuesta por las capas rígidas de SiC. A 100ºC, se observó un cambio en el comportamiento de la intercaras Al/SiC, dando lugar a la aparición de deslizamiento en las intercaras, limitando así la restricción a la deformación plástica de las capas de Al. Este cambio, junto al ablandamiento de las nanocapas de Al, dio lugar a una abrupta reducción de la tensión de fluencia y de la tasa de endurecimiento por deformación de los nanolaminados. El efecto de las intercaras Al-SiC en la deformación plástica también fue notable en las energías de activación a fluencia lenta, que decrecieron con la reducción del espesor de las capas de Al, hasta alcanzar valores cercanos a la energía de activación para difusión en las fronteras de grano del Al, para espesores de capa de 10 nm. Por último, por encima de 200ºC, reacciones químicas entre las capas de Al y SiC dieron lugar a una reducción importante de las propiedades mecánicas de los nanolaminados.
Los nanolaminados de Al/SiC son materiales multicapa metal-cerámicos con propiedades mecánicas singulares a temperatura ambiente, combinando alta resistencia, alta tenacidad y tolerancia al daño, debido al espesor nanométrico de las capas. Sin embargo, su comportamiento mecánico a alta temperatura no es conocido y éste es un aspecto clave tanto desde el punto de vista fundamental como para su comportamiento en servicio. Ello es principalmente debido a la dificultad inherente a la caracterización mecánica a altas temperaturas de películas delgadas, un área que está en desarrollo en la actualidad. En este trabajo, se han empleado técnicas de nanoindentación instrumentada y compresión de micropilares a alta temperatura para estudiar las propiedades mecánicas de nanolaminados de Al/SiC, en función del espesor de las capas, entre temperatura ambiente y 300ºC. Los ensayos mecánicos se complementaron con una caracterización detallada de las microestructuras deformadas mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM), con el objetivo de determinar el efecto de la temperatura en los mecanismos de deformación. Por último, se han empleado simulaciones por elementos finitos para entender mejor la influencia de la tensión de fluencia del Al y de las propiedades de las intercaras (resistencia, coeficiente de fricción) en el comportamiento global tensión-deformación de los nanolaminados de Al/SiC. La resultados obtenidos en los estudios de nanoindentación, compresión de micropilares, caracterización por TEM y simulaciones numéricas permitieron adquirir una mejor compresión de los parámetros que determinan el comportamiento mecánico a alta temperatura de nanolaminados de Al/SiC. Se concluyó que el comportamiento mecánico a temperatura ambiente está controlado por la alta resistencia plástica de las nanocapas de Al y la restricción a la deformación impuesta por las capas rígidas de SiC. A 100ºC, se observó un cambio en el comportamiento de la intercaras Al/SiC, dando lugar a la aparición de deslizamiento en las intercaras, limitando así la restricción a la deformación plástica de las capas de Al. Este cambio, junto al ablandamiento de las nanocapas de Al, dio lugar a una abrupta reducción de la tensión de fluencia y de la tasa de endurecimiento por deformación de los nanolaminados. El efecto de las intercaras Al-SiC en la deformación plástica también fue notable en las energías de activación a fluencia lenta, que decrecieron con la reducción del espesor de las capas de Al, hasta alcanzar valores cercanos a la energía de activación para difusión en las fronteras de grano del Al, para espesores de capa de 10 nm. Por último, por encima de 200ºC, reacciones químicas entre las capas de Al y SiC dieron lugar a una reducción importante de las propiedades mecánicas de los nanolaminados.
Description
Keywords
Metal-ceramic multilayers, Nanoscale Al/SiC, Mechanical properties, High temperature