SIMULACI´ON DINÁMICA MOLECULAR DE ALEACIONES

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  • SIMULACION DINAMICA MOLECULAR DE ALEACIONES

    AMORFAS DE Cu-Zr-Al

    TESIS PARA OPTAR AL GRADO DE MAGISTER EN CIENCIAS DE LA

    INGENIERIA MENCION MECANICA

    MEMORIA PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO CIVIL MECANICO

    CAMILO ANDRES CASAS GOMEZ

    PROFESOR GUIA:

    ALEJANDRO ZUNIGA PAEZ

    MIEMBROS DE LA COMISION:

    MARTIN REICH MORALES

    RODRIGO PALMA HILLERNS

    STELLA ORDONEZ

    SANTIAGO DE CHILE

    ENERO 2010

  • RESUMEN DE LA TESIS

    PARA OPTAR AL TITULO DE

    INGENIERO CIVIL MECANICO Y

    MAGISTER EN CS. DE LA ING. MENCION MECANICA

    POR: CAMILO ANDRES CASAS GOMEZ

    FECHA: ENERO DE 2010

    PROF. GUIA: SR. ALEJANDRO ZUNIGA PAEZ

    SIMULACION DINAMICA MOLECULAR DE ALEACIONES AMORFAS DE

    Cu-Zr-Al

    Las aleaciones metalicas amorfas (tambien conocidas como vidrios metalicos) han despertado un

    fuerte interes debido a que presentan buenas propiedades mecanicas y fsicas, tales como una alta

    resistencia mecanica y alta resistencia a la corrosion [1 3].En particular, existen algunas aleaciones metalicas amorfas en base Cu presentan elevada resistencia

    mecanica, alta conductividad termica y pueden ser obtenidas con materiales de menor costo que las

    demas aleaciones metalicas amorfas.

    En la actualidad existen simulaciones computacionales que permiten estudiar, modelar y comprender

    fenomenos fsicos complejos. Una tecnica de simulacion que permite estudiar la estructura y composicion

    de los materiales es la Dinamica Molecular.

    En este Trabajo de Tesis se generaron modelos de aleaciones amorfas de CuZr y CuZr100xAlx

    (x=2, 5 y 10) mediante Simulacion Dinamica Molecular validados con la bibliografa disponible [3 5].Se simulo un calentamiento por sobre la temperatura de fusion y luego fue simulado un enfriamiento a

    273 K obteniendo los modelos amorfos. Luego, se analizo la estructura de los modelos amorfos mediante

    funciones de distribucion radial, analisis de poliedros de Voronoi y difraccion de rayos X. Tambien, se

    analizan los mecanismos de deformacion de los modelos amorfos ante un esfuerzo de corte.

    Se concluye que la concentracion de Al en la aleaciones influye en la segregacion qumica y estructural

    en la aleacion. De los resultados obtenidos se observa que en la aleacion CuZrAl con 5 % Al la segregacion

    qumica y estructural es maxima. De acuerdo a las funciones de distribucion radial de los modelos

    amorfos se concluye que el aumento de la cantidad de Al en los modelos amorfos disminuye la distancia

    interatomica de los primeros vecinos. De acuerdo al analisis de los poliedros de Voronoi el aumento de

    la concentracion de Al en los modelos podra producir un aumento de volumen libre y con esto una

    disminucion de la resistencia al corte.

  • 2

    AGRADECIMIENTOS

    Agradezco a mis padres, Marcelo y Quenita, por su eterno amor, comprension y apoyo incondicional

    en todos los momentos de mi vida, y que junto a mis hermanos me han dado las herramientas necesarias

    para poder lograr mis metas.

    A mi Arianita por ser una persona muy especial en mi vida que siempre me ha entregado mucho

    amor, apoyo y muy buenos consejos. Gracias amorcito por toda tu paciencia en esta etapa que sin tu

    apoyo hubiera sido todo mas dficl. Te Amo Mucho.

    A mi profesor gua, Alejandro Zuniga, y mi profesor cogua, Martin Reich, por haber sido mis guas

    en este trabajo y un incansable apoyo en este largo camino que a requerido bastante dedicacion. Gracias

    por su tiempo y dedicacion.

    A todos los funcionarios de la Universidad, en particular a los del Departamento de Ingeniera

    Mecanica, quienes fueron responsables de entregarme una formacion de excelencia y apoyo permanente.

  • Indice

    Indice de figuras III

    Indice de cuadros V

    1. Introduccion y Objetivos 1

    1.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

    1.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

    2. Antecedentes 4

    2.1. Vidrios Metalicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

    2.1.1. Metodos de obtencion de vidrios metalicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    2.2. Simulaciones Computacionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

    2.3. Dinamica Molecular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

    2.3.1. Interaccion entre atomos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

    2.3.2. Potenciales de interaccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

    2.3.3. Ensambles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    2.3.4. Condiciones de Borde Periodica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    2.3.5. Pasos generales de simulacion de DM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    2.4. Analisis de Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

    2.4.1. Funcion de Distribucion Radial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

    2.4.2. Diagramas de Voronoi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

    2.4.3. Difraccion de Rayos X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

    3. Metodologa 22

    3.1. Metodologa General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

    3.2. Metodologa Especfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

    4. Resultados y Discusiones 27

    4.1. Interacciones atomicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

    i

  • INDICE ii

    4.1.1. Potenciales Interatomicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

    4.1.2. Validacion de Potenciales de Interaccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

    4.2. Modelos de Vidrios Metalcios de CuZr y CuZrAl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

    4.2.1. Proceso de Amorfizacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

    4.2.2. Funciones de Distribucion Radial de modelos amorfos . . . . . . . . . . . . . . . 42

    4.2.3. Analisis Poliedros de Voronoi de los Modelos Amorfos . . . . . . . . . . . . . . . 48

    4.2.4. Difraccion de Rayos X modelos amorfos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

    4.3. Prueba de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

    4.3.1. Funciones de Distribucion Radial de los Modelos Deformados . . . . . . . . . . . 66

    4.3.2. Analisis Poliedros de Voronoi de los Modelos Deformados . . . . . . . . . . . . . 68

    5. Conclusiones 72

    6. Bibliografa 74

    A. Inputs Gaussian 77

  • Indice de figuras

    2.1. (a)Estructura cristalina, (b)Estructura amorfa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

    2.2. Esquema curva TTT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    2.3. Conexion entre teora, realidad y simulaciones computacionales . . . . . . . . . . . . . . 8

    2.4. Nanotubo de Nitruro de Boro en compresion tomado de [21] . . . . . . . . . . . . . . . 9

    2.5. Potencial Lennard Jones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

    2.6. Condiciones de Borde Periodicas. En gris los atomos de la celda de simulacion . . . . . . 13

    2.7. Esquema de simulacion DM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

    2.8. Diagramas caractersticos de Funciones de Distribucion Radial . . . . . . . . . . . . . . 17

    2.9. (a)Polgonos de Voronoi (b) Poliedro de Voronoi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

    2.10. Numero de atomos v/s numero de caras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

    2.11. (a)Difraccion Constructiva. (b) Difraccion Destructiva. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    2.12. Patron de difraccion material cristalino [24]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    2.13. Patron de difraccion de un vidrio metalico [25]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

    3.1. Diagrama de fase Cu-Zr y estructura cristalina B2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

    3.2. Perfil termico de amorfizacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

    3.3. Deformacion modelos amorfos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

    4.1. Ajuste Lennard Jones 12-6 para interaccion Cu-Cu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

    4.2. Ajuste Lennard Jones 12-6 para interaccion Cu-Zr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

    4.3. Ajuste Lennard Jones 12-6 para interaccion Cu-Al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

    4.4. Ajuste Lennard Jones 12-6 para interaccion Zr-Zr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

    4.5. Ajuste Lennard Jones 12-6 para interaccion Zr-Al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

    4.6. Ajuste Lennard Jones 12-6 para interaccion Al-Al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

    4.7. Modelos de simulacon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

    4.8. Ciclo Termico Amorfizacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

    4.9. Amorfizacion Cu50Zr50 de 2662 atomos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

    4.10. Amorfizacion Cu50Zr50 de 16000 atomos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

    iii

  • INDICE DE FIGURAS iv

    4.11. Amorfizacion (Cu50Zr50)98Al2 de 16000 atomos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

    4.12. Amorfizac