Pseudoelasticidad

En ciencia de los materiales , la pseudoelasticidad , a veces llamada superelasticidad , es una respuesta elástica (reversible) a una tensión aplicada , causada por una transformación de fase entre las fases austenítica y martensítica de un cristal . Se manifiesta en las aleaciones con memoria de forma .

Descripción general

La pseudoelasticidad se debe al movimiento reversible de los límites de dominio durante la transformación de fase, en lugar de simplemente al estiramiento de los enlaces o a la introducción de defectos en la red cristalina (por lo tanto, no es una verdadera superelasticidad, sino pseudoelasticidad ) . Incluso si los límites de dominio se fijan, pueden revertirse mediante calentamiento. Así, un material pseudoelástico puede volver a su forma anterior (de ahí el término memoria de forma ) tras la eliminación incluso de deformaciones aplicadas relativamente altas. Un caso especial de pseudoelasticidad se denomina correspondencia de Bain. Esta implica la transformación de fase austenita/martensita entre una red cristalina centrada en las caras (FCC) y una estructura cristalina tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). ^[¹^]

Este comportamiento difiere fundamentalmente de la elasticidad y plasticidad ordinarias:

Elasticidad ordinaria : En un metal o material normal sometido a carga elástica, la deformación es reversible , pero generalmente se limita a pequeñas deformaciones (por ejemplo, <0,2 % para muchos metales). La deformación elástica surge de ligeros cambios en el espaciado interatómico o el estiramiento de los enlaces, y no se introducen defectos permanentes.
Plasticidad : Si la tensión supera el límite elástico, se produce deformación plástica mediante mecanismos como el deslizamiento de dislocaciones o el maclado, lo que provoca defectos reticulares permanentes. La deformación plástica es irreversible : el material no recuperará su forma original exacta al retirar la carga.
Superelasticidad : Un material superelástico puede soportar deformaciones mucho mayores (varios por ciento) de forma reversible que las que permite la elasticidad ordinaria. En lugar de ceder plásticamente, el material experimenta una transformación de fase bajo tensión. Por ejemplo, el NiTi (Nitinol) puede deformarse hasta un 8-10 % y recuperarse completamente al cesar la carga. Este comportamiento es similar al elástico, pero se logra mediante un cambio de fase en lugar de simplemente estirar los enlaces; de ahí el término "pseudoelástico".

Las aleaciones superelásticas pertenecen a la familia de las aleaciones con memoria de forma . Al someterse a una carga mecánica, una aleación superelástica se deforma reversiblemente hasta alcanzar deformaciones muy elevadas (hasta un 10 %) mediante la creación de una fase inducida por la tensión . Al retirar la carga, la nueva fase se vuelve inestable y el material recupera su forma original. A diferencia de las aleaciones con memoria de forma, no se requiere ningún cambio de temperatura para que la aleación recupere su forma inicial.

Los dispositivos superelásticos aprovechan su gran deformación reversible e incluyen antenas , monturas de gafas y stents biomédicos .

Pseudoelasticidad del níquel titanio (Nitinol)

La superelasticidad se exhibe de forma más famosa en aleaciones con memoria de forma (AMF), como el níquel-titanio (NiTi), también conocido como Nitinol. ^{[ 2 ]}

Los puntos clave del mecanismo de acción del nitinol son:

Transformación de austenita a martensita : a temperaturas superiores $A_{f}$ En reposo, el NiTi se encuentra completamente en la fase austenítica. Al aplicarle una tensión mecánica suficiente, la aleación comienza a transformarse en martensita a temperatura constante (de ahí el término transformación isotérmica ). Esta formación de martensita inducida por tensión se conoce comúnmente como SIM (martensita inducida por tensión).
Transformación reversible: La fase martensítica puede acomodar la deformación mediante maclado (reorientando su red de manera similar al cizallamiento sin deslizamiento importante). Como resultado, el material puede deformarse significativamente (varios por ciento de deformación) a medida que la austenita se transforma en martensita. Fundamentalmente, esta transformación martensítica es termoelástica y reversible. Cuando se elimina la tensión aplicada, la martensita se vuelve inestable (ya que el material todavía está por encima de $A_{f}$ y vuelve a convertirse en austenita , recuperando así la deformación. El material esencialmente “se destransforma” y recupera su fase y forma originales.
No se requiere cambio de temperatura para la recuperación: a diferencia del clásico efecto de memoria de forma (EMF), que requiere calentamiento para recuperar su forma, la superelasticidad no necesita cambios de temperatura . La transformación inversa (de martensita a austenita) ocurre simplemente al descargar la carga.
Ventana de temperatura : Para una composición de SMA dada, se observa superelasticidad en un rango de temperatura finito. El extremo inferior está justo por encima $A_{f}$ (por lo que la aleación comienza en austenita). El extremo superior a menudo se denota $M_{d}$ (la temperatura por encima de la cual no se puede inducir la martensita por tensión). Para NiTi, $M_{d}$ es típicamente unos ~40 °C por encima $A_{f}$ Dentro de esta ventana , la tensión aplicada puede inducir martensita; por encima $M_{d}$ La austenita es tan estable que bajo carga solo se produce deformación plástica (deslizamiento).

Comportamiento y características de tensión-deformación

La curva tensión-deformación de una aleación superelástica (como NiTi) tiene una forma distintiva, que refleja la secuencia de transformaciones de fase durante la carga y descarga.

Cargando

Durante la carga se observan tres regímenes.

Austenita elástica: A pequeñas deformaciones, el material responde con un comportamiento elástico ordinario como la austenita. La tensión aumenta aproximadamente linealmente con la deformación ( $\sigma =E\epsilon$ ) hasta el punto donde comienza la transformación martensítica. El final de esta etapa se encuentra alrededor de la deformación de inicio de la martensita. $\epsilon _ {Mf}$ (correspondiente a un estrés) $\sigma _{Ms}$ ). Para NiTi, esto podría ser del orden de ~0,5–1% de deformación y unos pocos cientos de MPa de tensión.
Meseta de tensión – Transformación martensítica: Una vez que la tensión es lo suficientemente alta como para desencadenar la nucleación de la martensita , la tensión permanece prácticamente constante durante un intervalo de deformación considerable. En esta región de meseta, la deformación adicional se acomoda no mediante un aumento significativo de la tensión, sino mediante la conversión progresiva de austenita a martensita (transformación de fase). El nivel de tensión de meseta suele estar alrededor de 400–600 MPa en NiTi (dependiendo de la aleación/proceso), y el rango de deformación de meseta puede abarcar entre un 5 y un 8 %.
Martensita elástica y endurecimiento: Una vez que la transformación a martensita está casi completa (en la deformación de acabado martensítico) $\epsilon _ {Mf}$ Para una mayor deformación, se requiere deformar la propia martensita o alinear las últimas variantes restantes. La tensión comienza a aumentar bruscamente de nuevo con la deformación. El módulo elástico de la martensita puede diferir del de la austenita (a menudo es algo menor), pero la curva asciende hasta la tensión/deformación máxima o hasta que se detiene la carga. Si el material se carga a una deformación elevada (más allá de la deformación de transformación), también puede producirse cierta deformación plástica de la martensita, que se manifestaría posteriormente como una desviación de la recuperación total de la deformación.

Matemáticamente, un modelo idealizado por partes para la curva de carga superelástica se puede escribir como:

$\sigma (\epsilon )={\begin{cases}E\epsilon &{\text{si }}\epsilon <\epsilon _{Ms}\\\sigma _{Ms}+\alpha (\epsilon -\epsilon _{Ms})&{\text{si }}\epsilon _{Ms}<\epsilon <\epsilon _{Mf}\\\sigma _{Ms}+E(\epsilon -\epsilon _{Mf}+\epsilon _{Ms})&{\text{si }}\epsilon _{Mf}<\epsilon \end{cases}}$ dónde $\sigma$ es el estrés, $\epsilon$ es la deformación, E es el módulo de Young , $\epsilon _ {Ms}$ y $\epsilon _ {Mf}$ son las deformaciones inicial y final para la transformación martensítica, $\sigma _{Ms}$ es la tensión al inicio de la transformación martensítica, y $\alpha$ es un parámetro del material.

En un caso ideal, $\alpha \approx 0$ por lo que la meseta de tensión es plana (tensión perfectamente constante durante el cambio de fase). Para simplificar, el modelo anterior supone la tensión de finalización de la transformación. $\sigma _{Mf}=\sigma _{Ms}$ (meseta plana). ^{[ 3 ]}

Descarga

Al descargar, ocurre la secuencia inversa, pero, lo que es importante, a un nivel de tensión menor. Tan pronto como se libera la carga del estado completamente martensítico, el material se descarga elásticamente en martensita brevemente, luego entra en una meseta de transformación inversa (la martensita vuelve a austenita) a una tensión $\sigma _{As}$ que está abajo $\sigma _{Ms}$ . Finalmente, una vez que toda la martensita se haya convertido de nuevo en austenita (en $\sigma _{Af}$ La última parte de la descarga corresponde a la recuperación elástica de la austenita. Por lo tanto, la curva de descarga se desplaza hacia abajo con respecto a la de carga. El resultado es un bucle de histéresis en el diagrama tensión-deformación. El área dentro de este bucle representa la energía disipada por ciclo (en forma de calor) debido a la fricción interna y al cambio de entropía de la transformación de fase .

Efectos de tamaño

Recientemente, ha surgido interés en descubrir materiales que exhiban superelasticidad a nanoescala para aplicaciones MEMS (sistemas microelectromecánicos). Ya se ha informado sobre la capacidad de controlar la transformación de fase martensítica . ^{[ 4 ]} Sin embargo, se ha observado que el comportamiento de la superelasticidad presenta efectos de tamaño a nanoescala.

Cualitativamente hablando, la superelasticidad es la deformación reversible por transformación de fase. Por lo tanto, compite con la deformación plástica irreversible por movimiento de dislocaciones. A nanoescala, la densidad de dislocaciones y los posibles sitios de origen de Frank-Read se reducen considerablemente, por lo que la tensión de fluencia aumenta con la reducción del tamaño. Por consiguiente, para los materiales que exhiben un comportamiento superelástico a nanoescala, se ha descubierto que pueden operar en ciclos a largo plazo con poca evolución perjudicial. ^{[ 5 ]} Por otro lado, la tensión crítica para que ocurra la transformación de fase martensítica también aumenta debido a la reducción de posibles sitios para que comience la nucleación . La nucleación generalmente comienza cerca de dislocaciones o en defectos superficiales. Pero para los materiales a nanoescala, la densidad de dislocaciones se reduce considerablemente y la superficie suele ser atómicamente lisa. Por lo tanto, la transformación de fase de los materiales a nanoescala que exhiben superelasticidad suele ser homogénea, lo que resulta en una tensión crítica mucho mayor. ^{[ 6 ]} Específicamente, para la zirconia, que presenta tres fases, se ha observado que la competencia entre la transformación de fase y la deformación plástica depende de la orientación, ^{[ 7 ]} lo que indica la dependencia de la energía de activación de la dislocación y la nucleación con respecto a la orientación. Por lo tanto, para materiales a nanoescala aptos para la superelasticidad, se debe investigar la orientación cristalina y la rugosidad superficial óptimas para lograr el mayor efecto de superelasticidad.

Aplicaciones

Stents biomédicos y dispositivos médicos

Uno de los usos más destacados del NiTi superelástico se encuentra en los stents autoexpandibles para cirugía cardiovascular . Un stent de NiTi se puede comprimir e insertar en un vaso sanguíneo ; una vez liberado a temperatura corporal, recupera su diámetro original para mantener el vaso abierto. El efecto superelástico permite que el stent aplique una fuerza de empuje constante en un amplio rango de deformaciones y resista las torceduras.

Monturas de gafas y productos de consumo

Las monturas de gafas fabricadas con NiTi (o aleaciones con memoria de forma a base de cobre) se pueden doblar drásticamente (por ejemplo, al retorcerlas o al sentarse sobre ellas) y recuperan su forma original. Esta durabilidad ha convertido a las gafas flexibles de «metal con memoria» en un producto de consumo muy popular. Del mismo modo, algunos equipos deportivos de alta gama y antenas de telefonía móvil utilizan aleaciones superelásticas para resistir la deformación.

Estructuras aeroespaciales y transformables

La industria aeroespacial aprovecha la superelasticidad para la creación de componentes ligeros y adaptables. Los actuadores y amortiguadores superelásticos se pueden utilizar en estructuras desplegables o alas de geometría variable. Por ejemplo, una varilla o tendón de aleación con memoria de forma superelástica puede funcionar como un actuador pasivo que se adapta a la deformación al alcanzar una determinada carga (protegiendo las estructuras al ceder y luego recuperar su forma original). Se han explorado componentes de trenes de aterrizaje y motores de aeronaves que utilizan inserciones de NiTi para absorber impactos o vibraciones y luego autocentrarse. La alta absorción de energía por unidad de volumen y la capacidad de soportar deformaciones cíclicas hacen que las aleaciones superelásticas resulten atractivas para estos fines.

En aplicaciones satelitales , los elementos SMA con control de temperatura (que combinan superelasticidad y efecto de memoria de forma) se utilizan para antenas desplegables y paneles solares , gracias a su fiabilidad y tamaño compacto.

Véase también

Referencias

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Enlaces externos

Paquete de enseñanza y aprendizaje de DoITPoMS: "Superelasticidad y aleaciones con memoria de forma"

[Bhadeshia-1] Bhadeshia, HKDH "La correspondencia de Bain" (PDF) . Ciencia de los materiales y metalurgia . Universidad de Cambridge.

[2] Chen, Weimei; Xi, Rui; Jiang, Hao; Li, Xiaoqiang; Dong, Guiwei; Wang, Xiebin (26 de agosto de 2023). "Superelasticidad de aleaciones con memoria de forma de NiTi graduadas geométricamente" . Metales . 13 (9): 1518. doi : 10.3390/met13091518 . ISSN 2075-4701 .

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[6] J. San Juan; et al. (2013). "Superelasticidad y memoria de forma a nanoescala: efectos de tamaño en la transformación martensítica". Journal of Alloys and Compounds . 577. Elsevier: S25– S29. doi : 10.1016/j.jallcom.2011.10.110 .

[7] Ning Zhang; et al. (2016). "Mecanismos competitivos entre dislocación y transformación de fase en la deformación plástica de nanopilares de zirconia tetragonal estabilizada con itria monocristalina". Acta Materialia . 120 : 337– 347. arXiv : 1607.03141 . Bibcode : 2016AcMat.120..337Z . doi : 10.1016/j.actamat.2016.08.075 . S2CID 118512427 .

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