RT Dissertation/Thesis
T1 High temperature mechanical behavior of AI/SiC nanoscale multilayers
A1 Lotfian, Saeid
A2 IMDEA Materials Institute, 
AB Nanoscale Al/SiC composite laminates are metal-ceramic multilayers with uniquemechanical 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 keyissue both from the fundamental viewpoint as well as from the in-service behavior. Thislack of information is mainly due to the difficulties associated with the characterization ofthe mechanical behavior of thin-films at high temperature, a rather unexplored area.High temperature instrumented nanoindentation and micropillar compression werecarried out in this thesis to study the mechanical properties of Al/SiC nanolaminates asa function of layer thickness from room temperature up to 300ºC. Mechanical tests werecomplemented with detailed transmission electron microscopy (TEM) analysis of thedeformed structures to elucidate the effect of temperature on the deformationmechanisms at the nm scale. In addition, finite element simulations of the multilayerdeformation were used to clarify the influence of the Al flow stress and of the interfaceproperties (strength, friction coefficient) on the overall stress-strain response of Al/SiCmultilayers.The combination of nanoindentation, micropillar compression tests, TEM observationsand numerical simulations provided a better understanding of the key parametersinfluencing the high temperature mechanical behavior of Al/SiC nanoscale multilayers. Itwas found that the mechanical behavior at ambient temperature was controlled by thehigh strength of the Al nanograins and the constraint induced by the stiff SiC nanolayerson the Al plastic flow. Changes in the Al-SiC interface behavior, in the form of interfacesliding, limited the constraint on plastic flow at 100ºC. This phenomenon, together withthe softening of the Al nanolayers, resulted in a marked reduction in the flow stress andin the strain hardening capacity of the nanoscale multilayers. The role of the Al-SiCinterfaces in plastic flow was also apparent in the creep activation energies, whichshowed 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 of10 nm.Finally, above 200ºC, chemical reactions between Al and SiC promoted a largedegradation in the mechanical properties of the nanoscale multilayers.  ----------------------
AB Los nanolaminados de Al/SiC son materiales multicapa metal-cerámicos conpropiedades mecánicas singulares a temperatura ambiente, combinando altaresistencia, alta tenacidad y tolerancia al daño, debido al espesor nanométrico de lascapas. Sin embargo, su comportamiento mecánico a alta temperatura no es conocido yéste es un aspecto clave tanto desde el punto de vista fundamental como para sucomportamiento en servicio. Ello es principalmente debido a la dificultad inherente a lacaracterización mecánica a altas temperaturas de películas delgadas, un área que estáen desarrollo en la actualidad.En este trabajo, se han empleado técnicas de nanoindentación instrumentada ycompresión de micropilares a alta temperatura para estudiar las propiedadesmecánicas de nanolaminados de Al/SiC, en función del espesor de las capas, entretemperatura ambiente y 300ºC. Los ensayos mecánicos se complementaron con unacaracterización detallada de las microestructuras deformadas mediante microscopíaelectrónica de transmisión (TEM), con el objetivo de determinar el efecto de latemperatura en los mecanismos de deformación. Por último, se han empleadosimulaciones por elementos finitos para entender mejor la influencia de la tensión defluencia del Al y de las propiedades de las intercaras (resistencia, coeficiente defricción) en el comportamiento global tensión-deformación de los nanolaminados deAl/SiC.La resultados obtenidos en los estudios de nanoindentación, compresión demicropilares, caracterización por TEM y simulaciones numéricas permitieron adquiriruna mejor compresión de los parámetros que determinan el comportamiento mecánicoa alta temperatura de nanolaminados de Al/SiC. Se concluyó que el comportamientomecánico a temperatura ambiente está controlado por la alta resistencia plástica de lasnanocapas de Al y la restricción a la deformación impuesta por las capas rígidas deSiC. 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 delas nanocapas de Al, dio lugar a una abrupta reducción de la tensión de fluencia y de latasa de endurecimiento por deformación de los nanolaminados. El efecto de lasintercaras Al-SiC en la deformación plástica también fue notable en las energías deactivación a fluencia lenta, que decrecieron con la reducción del espesor de las capasde Al, hasta alcanzar valores cercanos a la energía de activación para difusión en lasfronteras 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 SiCdieron lugar a una reducción importante de las propiedades mecánicas de losnanolaminados.
YR 2014
FD 2014-06
LK https://hdl.handle.net/10016/19885
UL https://hdl.handle.net/10016/19885
LA eng
DS e-Archivo
RD 30 jun. 2024