Contexto de la investigación

Las aleaciones de alta entropía (HEA) destacan por su elevada resistencia, gran dureza, buena resistencia al desgaste, elevada estabilidad térmica y excelente resistencia a la corrosión, lo que les otorga un gran potencial de aplicación y las considera una de las tres grandes avances en la teoría de la aleación. Actualmente, la evaluación de las propiedades mecánicas de los materiales se basa principalmente en condiciones de tensión uniaxial. Sin embargo, en la práctica, los materiales suelen encontrarse en estados de tensión complejos. Cuando un material soporta cargas de impacto, los parámetros mecánicos obtenidos a partir de una tensión unidireccional ya no son fiables como referencia, y diseñar estructuras basándose en ellos resulta inseguro. El enfoque científico de descomponer estados de tensión complejos en estados simples y luego sumarlos geométricamente no refleja adecuadamente el comportamiento mecánico real de los componentes de materiales compuestos en condiciones operativas reales.Por lo tanto, resulta aún más importante investigar las propiedades mecánicas de los materiales bajo carga biaxial dinámica. Aunque actualmente existen numerosos estudios sobre las propiedades mecánicas de aleaciones de alta entropía bajo carga uniaxial, hay escasos estudios sobre las propiedades mecánicas de aleaciones de alta entropía CoCrFeNi, especialmente en cuanto a su comportamiento biaxial, que prácticamente no se ha investigado. Realizar pruebas de tracción biaxial, tanto cuasiestáticas como dinámicas, para caracterizar las propiedades mecánicas de estas aleaciones de alta entropía tiene un gran valor científico.

En 2024, un equipo de investigación de la Universidad Politécnica del Noroeste publicó en la revista *Chinese Journal of Aeronautics* un artículo titulado "Comportamiento de tracción biaxial de una aleación de alta entropía CoCrFeNi bajo cargas dinámicas y proporcionales". Los investigadores diseñaron un prototipo de ensayo dinámico en cruz biaxial, adecuado para grandes deformaciones plásticas, y estudiaron el impacto de la tasa de deformación y el estado de tensión en las propiedades mecánicas de la aleación, verificando así la aplicabilidad de la regla de fluencia de von Mises y la regla de fluencia de Hill48.

Este artículo presenta principalmente la parte relativa a la tracción biaxial cuasiestática vinculada al ámbito de investigación de nuestra empresa, destacando que los experimentos realizados por los investigadores se llevaron a cabo utilizando el equipo de nuestra compañía.

https://doi.org/10.1016/j.cja.2024.06.003 Li H, Gao L, Qi L, et al. Comportamiento de tracción biaxial de la aleación de alta entropía CoCrFeNi bajo cargas dinámicas y proporcionales [J]. Revista de Aeronáutica de China, 2024, 37(9): 475-89.

Materiales de prueba

El equipo de investigación fundió materias primas metálicas de alta pureza (Co, Cr, Fe, Ni) en un horno de inducción al vacío, y luego vertió el metal fundido en moldes para fabricar barras fundidas de 100 mm de diámetro y 420 mm de altura. Estas barras se calentaron a 1150 °C y, tras someterse a forja, recocido, corte por filado y pulido, se obtuvieron láminas HEA de 160 mm de diámetro y 2,5 mm de espesor, tal como se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Lámina terminada de aleación CoCrFeNi de alta entropía

Los investigadores cortaron la zona central de la aleación de alta entropía CoCrFeNi, preparada previamente, y la sometieron a un proceso de incrustación, pulido y corrosión con FeCl₃ durante 15 segundos. Tras la corrosión, las fronteras de los gránulos quedaron claramente definidas, por lo que se observaron al microscopio. Se tomaron fotografías de las zonas más nítidas del centro de la muestra, se registró el tamaño de todos los gránulos en cada imagen y se calculó el promedio de los datos totales, obteniéndose un tamaño medio de gránulo de 174,16 μm, tal como se muestra en la Figura 2.

Figura 1: Grano de la aleación CoCrFeNi de alta entropía

Los investigadores caracterizaron la composición atómica de los elementos individuales mediante espectroscopía de energía (ES) en un microscopio electrónico de barrido (SEM). Los resultados de barrido superficial y de barrido puntual con EDS indican que los cuatro elementos de la aleación de alta entropía CoCrFeNi preparada presentan una distribución uniforme y casi equimórfica, tal como se muestra en la Figura 3.

Figura 3: Espectro EDS de la aleación CoCrFeNi de alta entropía, analizado mediante microscopía electrónica de barrido

Diseño de piezas para ensayos uniaxiales

El diseño de las piezas de ensayo uniaxiales estacionarias está basado en la norma nacional GB/T 228.1-2021 "Pruebas de tracción de materiales metálicos, Parte 1: Método de ensayo a temperatura ambiente", mientras que el diseño de las piezas de ensayo uniaxiales dinámicas se basa en la norma GB/T 30069.1-2013 "Pruebas de tracción de materiales metálicos a alta tasa de deformación, Parte 1: Sistema de varillas elásticas", tal como se muestra en la Figura 4.

Figura 4: Configuración geométrica del prototipo de ensayo uniaxial

Diseño de una pieza de prueba en forma de cruz biaxial

Para reducir el impacto del error geométrico en los resultados, los investigadores utilizaron el mismo prototipo en forma de cruz tanto en las pruebas de tracción biaxial dinámica como en las cuasiestáticas. Sobre la base de su experiencia previa, diseñaron un prototipo de tracción biaxial en cruz, generalmente adecuado para la evaluación de las propiedades mecánicas biaxiales de materiales cuasiisotrópicos, cuyos parámetros detallados se muestran en la Figura 5.La pieza de ensayo en forma de cruz tiene una longitud total de 150 mm, un espesor de 2,5 mm, un ancho de 15 mm en los brazos laterales y una longitud de 50 mm en el extremo de sujeción. En la zona central se realiza un proceso de delgadura, donde el segmento de muestreo está formado por un cuadrado redondeado de 10 mm × 10 mm, con un espesor de 0,7 mm. En los cuatro brazos laterales se han perforado cuatro ranuras de 10 mm de ancho, y en uno de sus extremos se ha incluido un orificio de liberación de tensión de 1,2 mm de diámetro, lo que aumenta la deformación de la pieza durante la carga y mejora la uniformidad de la distribución de tensión y deformación en el segmento de muestreo. Asimismo, para reducir la carga de ruptura y optimizar la compatibilidad con el equipo de carga, se ha diseñado un arco de transición que disminuye el área transversal del segmento de muestreo en la zona central.

Figura 5: Configuración geométrica del prototipo de prueba biaxial

Durante la fase de diseño geométrico de la pieza de prueba, los investigadores comprobaron primero la uniformidad de la distribución de tensiones en la zona central de la pieza en forma de cruz. Para ello, seleccionaron elementos en dos direcciones —X e Y— dentro del tramo de paso de la pieza en cruz, como se muestra en la Figura 6. En las distancias de 0 a 0,6 entre ambos caminos, la diferencia relativa en la tensión de Mises no supera el 5%, tal como se observa en la Figura 7. Al aplicar posteriormente la técnica DIC para medir la deformación en la zona central, los puntos seleccionados se ubicaron cerca del centro, por lo que las diferencias en las zonas periféricas no afectan al cálculo de la deformación central.

Figura 6: Dos trayectorias de integración X e Y

Figura 7: Distribución de las relaciones relativas de la tensión de Mises en los caminos X y Y para una deformación plástica equivalente (PEEQ) de 0,15 en la zona central: (a) carga 1:1, (b) carga 4:3, (c) carga 2:1, (d) comparación de los tres coeficientes de concentración de tensión.

Cargue el dispositivo

La prueba de tracción biaxial cuasiestática realizada en este estudio se llevó a cabo en el sistema de carga multicanal Herculi, con una gama de cargas comprendida entre 20 y 500 kN, un error de sincronización del desplazamiento biaxial en cuatro direcciones ≤0,5 %, y el análisis del campo de deformación se realizó mediante el programa de cálculo 3D DIC de Herculi, tal como se muestra en las figuras 8 y 9.

Figura 8: Máquina de ensayo de carga multicanal Herculi y sistema DIC 3D

Figura 9: Proceso de cálculo de la nube de datos DIC tridimensional de Herculi

Resultados y análisis de los ensayos

Los investigadores observaron que las curvas carga-tiempo y carga-desplazamiento de las piezas de prueba sometidas a tracción uniaxial con una tasa de deformación de 0, 45 y 90 % presentan una buena coincidencia, como se muestra en la Figura 10. Se concluye que la aleación de alto entropía CoCrFeNi, fabricada a lo largo de la superficie del disco, presenta isotropía en tracción, con una resistencia al flujo de 292 MPa, una deformación a la fractura de 0,86 % y una resistencia a la tracción de 960 MPa.

Figura 10: Curvas carga-desplazamiento y tensión-restricción reales de la aleación de alto entropía CoCrFeNi bajo tracción uniaxial cuasiestática

Con una relación de carga de 1:1, la resistencia al flujo en la dirección X es de 328 MPa, la en la dirección Y de 330 MPa, la deformación media en la zona central al rompimiento es de 0,085 y la resistencia a la tracción es de 726 MPa. Con una relación de carga de 4:3, la resistencia al flujo en la dirección X sigue siendo de 328 MPa, la en la dirección Y de 330 MPa, la deformación media en la zona central al rompimiento sigue siendo de 0,085 y la resistencia a la tracción también es de 726 MPa, tal como se muestra en la Figura 11. Tanto el flujo como la rotura de la pieza de ensayo ocurren inicialmente en la zona central de la escala, lo que confirma la viabilidad del diseño de la pieza de ensayo en forma de cruz, como se muestra en la Figura 12.

Figura 11: Curva real de esfuerzo-deformación de una aleación de alto entropía CoCrFeNi bajo tracción biaxial cuasiestática

Figura 12: Resultados de DIC y ubicación de la fractura en una aleación de alto entropía CoCrFeNi sometida a tracción biaxial cuasiestática

Este estudio calculó el trabajo plástico correspondiente a las verdaderas deformaciones plásticas de 0,01, 0,03 y 0,05 bajo una carga de tracción uniaxial, seleccionó el trabajo plástico equivalente obtenido a partir de datos de tracción biaxial y comparó los valores de tensión asociados al mismo volumen unitario de trabajo plástico en las curvas tensión-deformación a distintas proporciones de carga. Se ajustaron los puntos experimentales utilizando el criterio de fluencia de Mises y el criterio de fluencia de Hill48, cuya forma simplificada se muestra en la Fórmula 1. Los resultados indican que la trayectoria de fluencia obtenida con el criterio de Mises difiere considerablemente de los valores medidos, mientras que con un índice de anisotropía R=3,5, el criterio de Hill48 describe mejor el comportamiento de fluencia de la aleación CoCrFeNi de alta entropía, mostrando una trayectoria más próxima a los datos experimentales, como se observa en la Figura 13.

Figura 13: Comparación de las trayectorias de fluencia de una aleación CoCrFeNi de alta entropía bajo cargas estáticas y dinámicas, con distintas deformaciones plásticas reales

Este estudio se basó en los métodos de modelado, ensayo y análisis cuasiestáticos mencionados anteriormente, y realizó un ensayo de alta deformación con una tasa de deformación de 2000, utilizando una barra electromagnética de Hopkinson biaxial y cuadratura, y comparó los resultados con los datos obtenidos en condiciones cuasiestáticas.

Los aspectos innovadores de este estudio

1. En este estudio se diseñó una pieza de ensayo en forma de cruz para ensayos de tracción biaxial, adaptada a grandes deformaciones plásticas, y se demostró la viabilidad del diseño mediante simulaciones numéricas y pruebas experimentales.

2. Este estudio realizó ensayos uniaxiales y biaxiales con distintas condiciones de tasa de deformación, formas de carga y proporciones de carga, lo que proporcionó una base de datos esencial de propiedades mecánicas para la aplicación en ingeniería de aleaciones de alta entropía CoCrFeNi.

3. En este estudio se utilizaron los criterios de fluencia de von Mises y Hill 48 para ajustar los puntos reales de fluencia. Los resultados indican que el criterio de von Mises subestima la tensión real, mientras que el criterio de fluencia de Hill 48 describe mejor el comportamiento de fluencia y fortalecimiento de la aleación de alta entropía CoCrFeNi bajo carga biaxial cuasiestática.