Efectos de la adhesión en ensayos de indentación a escala atómica de metales FCC: una aproximación desde la dinámica molecular

Abstract

La miniaturización de los componentes y dispositivos se ha desarrollado fuertemente en las últimas décadas, debido a la mejora de los procesos de fabricación y a las ventajas de la reducción de la escala en ciertos ámbitos de aplicación. En esta reducción de la escala, han tenido un gran auge los micro y nanosistemas electromecánicos (MEMS y NEMS), con presencia creciente en diversos sectores como el industrial, el médico, el farmacéutico, de defensa, etc. Los NEMS y MEMS se caracterizan por abarcar desde los nanómetros hasta los pocos micrómetros. La caracterización a escalas tan reducidas, como la escala atómica, se ha convertido en uno de los temas de investigación con más proyección dentro del área de la nanomecánica. La razón fundamental se debe a que, en estas escalas, la relación entre el área de la superficie y el volumen de las muestras es muy elevada, haciendo que ciertos fenómenos, como el de adhesión, cobren una especial relevancia en procesos de interacción entre sólidos. Cuando se trata de obtener propiedades de materiales a pequeña escala o sobre un volumen muy pequeño de muestra, la técnica de indentación instrumentada se presenta como una alternativa viable. Aunque esta técnica se fundamenta en los ensayos de medida de dureza tradicional, la posibilidad de tener un registro continuo de la fuerza y del desplazamiento durante el proceso de penetración de un indentador con geometría conocida evita la necesidad de medir la huella residual. Esto permite caracterizar un material independientemente de la escala a la que se realice el ensayo con tal de disponer de un registro continuo de fuerza-desplazamiento. A partir de este registro continuo de fuerza-desplazamiento y haciendo uso de la mecánica del contacto, basada en el continuo, se pueden extraer propiedades como el módulo elástico. El primer modelo de contacto entre dos cuerpos elásticos fue propuesto por Heinrich Hertz 1882. Las teorías más empleadas que consideran la adhesión en el contacto son el modelo de Johnson, Kendall y Roberts (JKR), y el modelo de Derjaguin, Muller y Toporov (DMT). Ambos modelos son capaces de describir el efecto de la adhesión en el contacto entre superficies a través de expresiones cerradas. La aproximación JKR es adecuada para indentaciones con indentadores de radio grande, cuando la energía de adhesión es elevada y sobre materiales con bajo módulo elástico. Por el contrario, la aproximación DMT es más precisa cuando se consideran sólidos rígidos con baja energía de adhesión. Fuera de estas condiciones la aplicación de estos dos modelos produce unos errores en la estimación de las propiedades mecánicas de hasta el 25%. Es necesario, por consiguiente, garantizar que se cumplen dichas condiciones para dar por válidas las predicciones de estos dos modelos. Por ello, resulta recomendable aplicar un modelo de contacto adhesivo que sea capaz de transitar entre los dos casos límite anteriores. Dicho modelo es el propuesto por Maugis en el año 1992, en el que supone que la fuerza de interacción molecular actúa dentro de una zona anular en el extremo del área de contacto. En este trabajo se ha planteado como objetivo el estudio del efecto de la adhesión a escala atómica a través de ensayos de indentación. Derivado de este objetivo inicial, se han determinado las propiedades mecánicas de metales con estructura cúbica centrada en las caras (FCC) y las propiedades de interacción entre el indentador y el material. Para la consecución de este objetivo, se ha planteado una serie de simulaciones numéricas por dinámica molecular (DM) de indentación esférica sobre aluminio, oro, plata, cobre, níquel y platino. Se han analizado tres sistemas: indentador deformable con adhesión, indentador deformable sin adhesión e indentador rígido con adhesión. Para todos ellos se ha considerado un indentador de diamante, caracterizado por enlaces C-C de carácter covalente...