Formability of ultra-fine grained metallic materials

Ultra-fine grained (UFG) metallic materials have been a hot topic in materials science for the last 25 years. There is a significant body of research showing that the UFG materials have very high mechanical strength, but their commercialisation is limited due to their low uni-axial tensile ductility. The main objective of this PhD thesis is to study the bi-axial stretching formability of the UFG metallic materials. It is demonstrated that there is a significant effect of the stress state (stress triaxiality) on mechanisms operating during plastic deformation in the UFG commercially pure (CP) Cu and the deformation mechanisms are determined by the stress state. The microstructure of the UFG CP Cu can be designed in such a way so as to show very high formability, even exceeding that of its coarse-grained counterpart. The effect of metallographic and crystallographic texture on the bi-axial stretching formability of the UFG CP Ti has been analysed. It is shown that the UFG CP Ti can show bi-axial stretching formability sufficient for metalforming operations. Coarse dispersoids and fractured particles in the Al 2024 alloy significantly limit its formability, acting as sites for the formation of cracks leading to sample failure at the early stages of deformation. Based on the analysis of the experimental results, a general recipe to improve formability of the UFG metallic materials is proposed. ------------------------------------------------------------------------------------En los últimos 25 años, los materiales metálicos de grano ultra-fino han levantado una gran expectación en el mundo de la ciencia de materiales. A pesar de que ya existe un importante trabajo de investigación que demuestra la alta resistencia mecánica de estos materiales, su comercialización se ha visto restringida por su baja ductilidad cuando están sometidos a tracción uniaxial. El principal objetivo de esta tesis es estudiar lo que se conoce en inglés como “stretching formability” bajo un estado de tensiones bi-axial para distintos materiales metálicos de grano ultra-fino. Se ha demostrado que el estado tensional, “stress triaxiality”, influye considerablemente en los mecanismos que operan durante la deformación plástica en el cobre puro comercial (CP Cu, por sus siglas en inglés) de grano ultra-fino. Asimismo, estos mecanismos de deformación están determinados por el estado tensional. La microestructura del CP Cu de grano ultra-fino podría diseñarse de modo que su “stretching formability” supere incluso a su homólogo de grano grueso. En el presente trabajo se analiza el efecto de la textura metalográfica y cristalográfica del CP Ti de grano ultra-fino. Se ha comprobado que su “stretching formability” se adecúa a las exigencias de los procesos industriales de conformado. Por otro lado, los dispersoides gruesos y las partículas fracturadas en una aleación de aluminio Al 2024 limitan su “formability” al actuar como lugares preferentes para la nucleación de fisuras, promoviendo entonces el fallo de la muestra en las etapas iniciales de deformación. En base al análisis de los resultados experimentales, se realiza una propuesta general para mejorar la habilidad al conformado de materiales metálicos de grano ultra-fino.Presidente: David Gareth Morris; Vocal: Anton Hohenwarter; Secretario: José Manuel Torralba Castell