Cada año el consumo de materiales metálicos se incrementa en la industria de manufactura a nivel global y, por lo tanto, se requieren procesos de conformado de mayor rapidez. Además, todas las industrias mejoran cada día los procesos tecnológicos para ahorrar energía y preservar el medio ambiente, manteniendo modelos de negocio económicamente viables. La industria del conformado superplástico tiene una serie de ventajas adicionales a la de los procesos de conformado convencionales, ya que puede operar más rápido y fabricar piezas de geometrías más complejas. Los materiales metálicos con tamaños de grano fino y con una gran desorientación cristalográfica pueden presentar una potencial superplasticidad debido a la activación del mecanismo de deslizamiento de fronteras de grano (DFG). La operación de DFG permite deformar el material mediante esfuerzos extraordinariamente bajos y obtener ductilidades muy elevadas a temperaturas intermedias y altas. Además, la reducción del tamaño de grano mejora también las propiedades mecánicas a temperatura ambiente que, según la relación Hall-Petch, consiste en la obtención de mayores resistencias cuanto menor sea el tamaño de grano. En este sentido, se ha probado que el procesado por Fricción-Agitación (FSP) es una técnica muy efectiva para el afino del grano. El FSP es fácil de usar en cualquier industria, cuenta con una herramienta que no se desgasta, puede procesar formas complejas y no es contaminante ni tóxico. Las aleaciones ligeras, principalmente las de aluminio y magnesio, son de especial interés para ser procesadas por FSP ya que han de ser ampliamente utilizadas en aplicaciones estructurales, cada vez más demandante de un mejor comportamiento en servicio, por lo que es necesario mejorar sus propiedades mecánicas para que puedan ser competitivas. En la presente tesis doctoral se han procesado por deformación plástica severa (DPS) mediante la técnica de fricción-agitación (FSP) dos aleaciones ligeras utilizadas principalmente en la industria aeronáutica y automotriz (Al 2024 y Mg WE54). El objetivo principal fue disminuir el índice calorífico (IC) al mínimo y, por lo tanto, aumentar la severidad a las condiciones más extremas para obtener microestructuras ultrafinas. El límite de procesado lo marcó el fallo del material y/o la herramienta de procesado. El IC se varió combinando distintas velocidades de rotación de la herramienta, ω (rpm) y velocidad transversal, V (mm / min). Se alcanzaron velocidades de procesado de 1000 mm / min para Mg WE54 y 1400 mm / min para Al 2024. Estos valores son 2 R E S U M E N record para estos materiales mediante FSP y no se han descrito en la bibliografía anteriormente. Para minimizar el crecimiento del tamaño de grano tras el paso de la herramienta debido al calor residual de procesado se seleccionaron dos soportes con diferentes velocidades de extracción de calor, uno de acero y uno de cobre refrigerado con nitrógeno líquido (a -60 ºC). Además, se estudió la influencia del estado de precipitación de los materiales de partida. Para ello, ambos materiales fueron tratados para obtener los estados de mínima y máxima dureza. La microestructura fue analizada principalmente por MEB, MET y EBSD, mientras que las propiedades mecánicas se analizaron en una máquina de tracción y un dispositivo de nano-indentación. El tamaño de grano nanométrico se logró en las condiciones más severas y con la extracción de calor más rápida. Modificando la microestructura mediante un severo FSP, se lograron extraordinarios afinos de grano (~ 810 nm en WE54 y ~ 100 nm en Al 2024) y, debido a esto, se alcanzó una mejora importante de las propiedades mecánicas. Principalmente, se obtuvo superplasticidad en una ventana de temperaturas amplia a alta velocidad de deformación y a temperaturas más bajas de lo habitual. A 10-2 s-1 a 300 y 400 ºC, se obtuvieron ductilidades de casi un 300 y un 500% en el Al 2024 y más de 400 y un 750% en el Mg WE54, respectivamente. En la presente investigación se encontró que las condiciones óptimas de procesado combinan el IC mínimo con una alta velocidad de extracción de calor, alcanzando así microestructuras nanométricas. El procesado por FSP en las condiciones propuestas en esta tesis facilita el conformado superplástico en condiciones altamente competitivas para la industria. Por lo tanto, es posible fabricar piezas complejas con tensiones y temperaturas más bajas y a velocidades de deformación más altas, con el consecuente ahorro económicos y energético para la industria.

Tesis Doctoral