E4 Propiedades Mecánicas a Nanoescala

Tópico

La relación de Hall-Petch convencional, la que ya establece otro modelo de un conjunto de materiales distinto para predecir que un tamaño de grano menor produce una resistencia mecánica mayor, deja de cumplirse cuando el tamaño de esta nanoestructura cae por debajo de un umbral crítico: por debajo de ese umbral crítico, esta relación de Hall-Petch convencional se invierte, y reducir todavía más el tamaño de esta nanoestructura ya no sigue aumentando su resistencia mecánica de la misma manera. Que este tamaño caiga por debajo de este umbral crítico hace que el mecanismo de deformación dominante de esta nanoestructura cambie por completo, dejando de ser el mismo mecanismo que sostiene esa relación de Hall-Petch convencional a tamaños mayores.

En una nanoestructura policristalina con granos ya por debajo de este umbral crítico, cada grano individual queda demasiado pequeño como para contener ni siquiera una única fuente de dislocaciones capaz de operar dentro de él, y esta escasez de dislocaciones a nanoescala es la que produce, en este régimen, un Hall-Petch inverso: en lugar de que los bordes de grano sigan actuando como obstáculos al movimiento de dislocaciones dentro de cada grano, según ya describe esa relación de Hall-Petch convencional, esos mismos bordes de grano pasan a deslizarse y a rotar entre sí, ablandando a esta nanoestructura en lugar de endurecerla. Que el tamaño de grano de esta nanoestructura, ya por debajo de este umbral crítico, sea todavía menor hace que, según este mismo Hall-Petch inverso, la resistencia mecánica de esta nanoestructura sea, en consecuencia, menor.

En un nanopilar, en cambio, un volumen de este metal reducido a una única dimensión característica muy pequeña pero con relativamente pocos bordes de grano o incluso ninguno, es la escasez de dislocaciones preexistentes dentro de ese volumen tan reducido, y no la escasez de fuentes de dislocaciones en cada grano, la que produce el efecto opuesto: un escalamiento de smaller-is-stronger, en el que este nanopilar se vuelve más resistente cuanto menor es su diámetro. Que este nanopilar disponga de menos dislocaciones preexistentes, dentro de su volumen ya reducido, hace que deformarlo exija nuclear nuevas dislocaciones desde cero, en lugar de simplemente mover las que ya estaban presentes, y que el esfuerzo necesario para lograr esa nucleación sea, en consecuencia, mucho mayor que el que exigiría un volumen de metal más grande con dislocaciones ya disponibles.

Por eso este modelo, con la inversión de la relación de Hall-Petch con la que se abrió, describe dos regímenes de tamaño reducido, el Hall-Petch inverso de una nanoestructura policristalina y el smaller-is-stronger de un nanopilar, que no tienen ningún análogo en la metalurgia convencional que ya describe, a tamaños mayores, esa misma relación de Hall-Petch de manera monótona y sin inversión alguna: en ambos regímenes de este modelo, la resistencia mecánica de este metal deja de depender únicamente del tamaño de grano en el sentido convencional, y pasa a depender de si el mecanismo dominante es la escasez de fuentes de dislocaciones dentro de cada grano, que ablanda, o la escasez de dislocaciones preexistentes dentro de todo el volumen, que endurece. Que ambos mecanismos compartan la misma causa de fondo, la escasez de dislocaciones a una escala suficientemente reducida, y produzcan sin embargo efectos opuestos sobre la resistencia mecánica de este metal hace que este modelo no pueda resumirse con una única regla simple, a diferencia de esa relación de Hall-Petch convencional que sí lo permite a tamaños mayores.

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