Fase R

La fase R es una fase presente en el nitinol , una aleación con memoria de forma . Si bien es una fase martensítica, no es la martensita responsable del efecto de memoria de forma y superelasticidad.

En relación con el nitinol, el término «martensita» se refiere normalmente a la fase martensítica monoclínica B19' , en lugar de la fase R. La fase R compite con la martensita, a menudo está completamente ausente y suele aparecer durante el enfriamiento antes que la martensita, para luego cederle el paso durante un enfriamiento posterior. Del mismo modo, puede observarse durante el calentamiento antes de la reversión a austenita , o puede estar completamente ausente.

La transformación de fase R a austenita (AR) es reversible, con una histéresis muy pequeña (típicamente de 2 a 5 °C (36 a 41 °F) ). También presenta un efecto de memoria de forma muy pequeño y, dentro de un rango de temperatura muy estrecho, superelasticidad. La transformación de fase R (desde la austenita) ocurre entre 20 y 40 °C (68 y 104 °F) en la mayoría de las aleaciones binarias de nitinol.    

La fase R se observó durante la década de 1970, pero generalmente no se identificó correctamente hasta el artículo fundamental de Ling y Kaplow de 1981. ^{[ 1 ]} La cristalografía y la termodinámica de la fase R se comprenden bien ahora, pero aún genera muchas complejidades en la ingeniería de dispositivos. Según una frase muy conocida, "Debe ser la fase R" cuando un dispositivo no funciona como se espera.

La fase R es esencialmente una distorsión romboédrica de la fase austenítica cúbica. La Figura 1 muestra la estructura general, aunque existen desplazamientos en la posición atómica que se repiten después de cada tres celdas austeníticas. Por lo tanto, la celda unitaria real de la estructura de la fase R se muestra en la Figura 2. ^{[ 2 ]} La fase R se puede detectar fácilmente mediante difracción de rayos X o difracción de neutrones , evidenciada con mayor claridad por una división del pico austenítico (1 1 0).

Si bien la transformación de fase R es de primer orden y la fase R es distinta y separada de la martensita y la austenita, le sigue una transformación de segundo orden: una contracción gradual del ángulo romboédrico y un aumento concomitante de la deformación transformacional. Al suprimir la formación de martensita y permitir que la transformación de segundo orden continúe, se puede maximizar la deformación transformacional. Estas medidas han demostrado efectos de memoria y superelasticidad de casi el 1 %. ^{[ 3 ]} Sin embargo, en las aleaciones superelásticas disponibles comercialmente, la deformación transformacional de la fase R es solo del 0,25 al 0,5 %.

Existen tres formas en que el Nitinol puede transformarse entre las fases de austenita y martensita:

• La transformación directa, sin evidencia de fase R durante la transformación directa o inversa (enfriamiento o calentamiento), ocurre en aleaciones ricas en titanio y en condiciones de recocido completo.
• La "transformación simétrica de fase R" se produce cuando la fase R se interpone entre la austenita y la martensita tanto durante el calentamiento como durante el enfriamiento (véase la figura 3). En este caso, se observan dos picos durante el enfriamiento y dos picos durante el calentamiento, estando los picos de calentamiento mucho más próximos entre sí debido a la menor histéresis de la transformación AR.
• La "transformación asimétrica de fase R" es, con mucho, la ruta de transformación más común (Figura 4). En este caso, la fase R se produce durante el enfriamiento, pero no durante el calentamiento, debido a la gran histéresis de la transformación austenita-martensita: cuando se alcanza una temperatura suficientemente alta para que la martensita revierta, la fase R ya no es más estable que la austenita, por lo que la martensita revierte directamente a austenita.

La fase R puede ser inducida por tensión, así como inducida térmicamente. La tasa de tensión ( relación de Clausius-Clapeyron ,${\displaystyle {\frac {d\sigma }{dT}}}$) es muy grande en comparación con la transformación austenita-martensita (se requieren tensiones muy grandes para impulsar la transformación).

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  Figura 1: Distorsión de la fase R de la estructura austenítica B2
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  Figura 2: Representación trigonal de la fase R
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  Figura 3: Curvas de energía libre, deformación y calorimetría típicas de la transformación simétrica austenita-martensita R, en la que la fase R se encuentra tanto durante el enfriamiento como durante el calentamiento.
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  Figura 4: Curvas de energía libre, deformación y calorimetría típicas de la transformación asimétrica austenita-martensita R, en la que la fase R se encuentra solo al enfriarse.

Si bien un efecto de memoria de forma prácticamente libre de histéresis suena prometedor, las deformaciones producidas por la transformación austenita-R son demasiado pequeñas para la mayoría de las aplicaciones. Debido a la escasa histéresis y a la tremenda estabilidad cíclica de la transformación AR, se han realizado algunos esfuerzos para comercializar actuadores térmicos basados ​​en este efecto. ^{[ 4 ]} Dichas aplicaciones han tenido, en el mejor de los casos, un éxito limitado. Para la mayoría de las aplicaciones de Nitinol, la fase R resulta molesta y los ingenieros intentan suprimir su aparición. Algunas de las dificultades que genera son las siguientes:

• Cuando la austenita se transforma en la fase R, su energía disminuye y su propensión a transformarse en martensita se reduce, lo que genera una mayor histéresis austenita-martensita. Esto, a su vez, disminuye la eficiencia del actuador y la capacidad de almacenamiento de energía superelástica .
• Las curvas de tensión-deformación de la austenita a menudo muestran una ligera inflexión durante la carga, lo que dificulta determinar los límites elásticos y las tensiones de fluencia.
• Si bien una deformación del 0,25 % es demasiado pequeña para aprovecharla, es más que suficiente para provocar la relajación de la tensión en muchas aplicaciones de ajuste a presión, como los acoplamientos de tuberías.
• Se libera una gran cantidad de calor cuando la austenita se transforma en la fase R, lo que da lugar a un pico bien definido en la calorimetría diferencial de barrido (DSC). Esto dificulta la interpretación de las curvas DSC si no se tiene cuidado: el pico de la fase R suele confundirse con el de la martensita, y a menudo se cometen errores al determinar las temperaturas de transformación.
• Si bien la resistividad eléctrica de la austenita y la martensita es similar, la fase R presenta una resistencia muy alta. Esto hace que el uso de la resistencia eléctrica sea prácticamente inútil para determinar las temperaturas de transformación del Nitinol.

La fase R se hace más pronunciada con la adición de hierro , cobalto y cromo , y se suprime con la adición de cobre , platino y paladio . El trabajo en frío y el envejecimiento también tienden a acentuar la presencia de la fase R.