Las aleaciones con memoria de forma son bien conocidas por sus notables propiedades: la superelasticidad, la memoria de forma y el accionamiento permiten que se arruguen y luego vuelvan a una forma original "recordada".
Pero el material avanzado permanece drásticamente subutilizado en aplicaciones comerciales, usos que podrían incluir transformar la forma de las estructuras de los aviones para hacer que el vuelo sea más eficiente o desplegar antenas de comunicación y paneles solares en el espacio.
Investigadores de la Escuela de Minas de Colorado están trabajando para comprender mejor cómo cambian sus complejas microestructuras internas durante los comportamientos de memoria de forma y los resultados de sus primeros experimentos fueron publicados recientemente por tres importantes revistas de ciencia de materiales y mecánica Acta Crystallographica , Revista de Mecánica y Física de los Sólidos y Scripta Materialia .
"Descubierto hace más de 70 años, la promesa de las aleaciones con memoria de forma SMA ha dado lugar a más de 10,000 patentes en los Estados Unidos y 20,000 en todo el mundo. Sin embargo, esa promesa no ha sido igualada por su impacto tecnológico, solo un número limitado deestas 20,000 patentes de SMA se han realizado como productos comercialmente viables ", dijo Ashley Bucsek PhD '18, autora principal de los tres documentos y ahora becaria postdoctoral del presidente de la Universidad de Minnesota." La historia es similar para muchos otros materiales avanzados, tomandodécadas para pasar del desarrollo a la implementación.Una razón para esta brecha entre el desarrollo y la implementación es que los investigadores literalmente solo están rascando la superficie con técnicas de microscopía convencionales, cuando la mayoría de los micromecanismos en las AME son 3D, fuera del plano y sensibles a los problemas internos.restricciones "
Para cerrar esa brecha, Bucsek y sus colegas investigadores colocaron el níquel titanio, el SMA más utilizado y disponible, bajo algunos de los microscopios 3D más potentes disponibles en la actualidad, ubicados en la Fuente de Sincrotrón de Alta Energía de Cornell CHESS en CornellUniversidad en el norte del estado de Nueva York.
Específicamente, usó microscopía de difracción de alta energía de campo cercano y campo lejano HEDM, que se encuentra bajo el paraguas de las técnicas de difracción de rayos X 3D, lo que le permite visualizar la microestructura interior del material en tres dimensiones mientras respondetiempo real.
"A pesar de que HEDM se ha desarrollado en CHESS y otros sincrotrones en todo el mundo durante más de una década, los procedimientos para aplicar HEDM al estudio de materiales avanzados con características como mezclas de fase de baja simetría y grandes disparidades de tamaño de cristal eran esencialmente inexistentes".Bucsek dijo: "Como resultado, cada uno de estos tres experimentos requirió el desarrollo de nuevas técnicas experimentales, de análisis de datos y de visualización de datos para extraer la información deseada. Muchos de los resultados fueron sorprendentes, arrojando luz sobre áreas de contención de décadas en AMEmicromecánica "
En los AME, a menudo es la fase de alta simetría llamada "austenita" la que es estable a una temperatura más alta, pero si se aplica suficiente tensión o la temperatura disminuye, se transformará en fase en una fase de baja simetría llamada "martensita""
El primer artículo, "Medición de microestructuras de martensita inducidas por el estrés utilizando microscopía de difracción de alta energía de campo lejano", publicado en septiembre en Acta Crystallographica Sección A: Fundamentos y avances , buscaba predecir la variedad específica de martensita que se formaría.
"Usando este enfoque, descubrimos que las microestructuras de martensita dentro de las AMS violaron fuertemente las predicciones del criterio de trabajo de transformación máxima, lo que demuestra que la aplicación del criterio de trabajo de transformación máxima ampliamente aceptado debe modificarse para los casos en que las AME pueden tener un grado de ingenieríacaracterísticas y defectos de la microestructura ", dijo Bucsek.
El segundo experimento abordó el reordenamiento gemelo inducido por la carga, o la reorientación de martensita, un mecanismo de deformación reversible por el cual los materiales pueden acomodar grandes cargas y deformaciones sin daños a través de reordenamientos de gemelos cristalográficos.
El artículo, "Mecanismos de reorientación de gemelos ferroelásticos en aleaciones de memoria de forma aclaradas con microscopía de rayos X 3D", se publicará en marzo en Revista de Mecánica y Física de los Sólidos .
"Una secuencia específica de micromecanismos de reordenamiento gemelo ocurre dentro de las bandas de deformación macroscópica a medida que se propagan a través de la microestructura, y demostramos que la localización de la tensión dentro de estas bandas hace que la red se curve hasta 15 grados, lo que tiene implicaciones importantes en la tensión elástica,resolvió el esfuerzo cortante y maximizó el reordenamiento gemelo ", dijo Bucsek" Estos hallazgos guiarán a los futuros investigadores en el empleo del reordenamiento gemelo en nuevas tecnologías multiferroicas ".
La actuación en estado sólido es una de las aplicaciones más importantes de los AME, utilizada en varios sistemas nanoelectromecánicos y microelectromecánicos, biomédicos, amortiguación activa y sistemas de actuación aeroespacial.
El objetivo del experimento final fue un fenómeno en el que emergen límites especiales de grano de alto ángulo dentro de los granos de austenita cuando se accionan las SMA. Durante la actuación, la transformación de fase de austenita a martensita y luego a austenita se induce por calentamiento, enfriamiento y luego recalentamientola SMA mientras está bajo una carga constante.
El artículo, "Caracterización in situ en 3D de la transformación de fase inducida por el refinamiento del grano de austenita en níquel-titanio", aparecerá en marzo en Scripta Materialia .
"Usando microscopía electrónica, se ha observado que la austenita puede exhibir grandes rotaciones cuando la muestra se recalienta, lo que es perjudicial tanto para la producción de trabajo como para la fatiga. Sin embargo, debido a los pequeños tamaños de muestra requeridos para la microscopía electrónica, estas rotaciones fueronobservó muy inconsistentemente, apareciendo pero no apareciendo bajo las mismas condiciones de carga, o apareciendo después de unos pocos ciclos, pero luego no apareciendo después de unos pocos miles de ciclos ", dijo Bucsek." Nuestros resultados mostraron que estas rotaciones de grano pueden ocurrir después de solo un ciclo encondición moderada. Pero debido al bajo volumen y la dispersión heterogénea de las rotaciones, se requiere un volumen a granel para observarlas ".
La financiación para la investigación de Bucsek provino de la Beca de Investigación de Graduados de la National Science Foundation NSF, así como el Premio NSF CAREER 2015 de su asesor de doctorado y coautor, Aaron Stebner, Profesor Asociado Rowlinson de Ingeniería Mecánica en Minas. Financiamiento adicionalpara usar las computadoras de alto rendimiento necesarias para analizar los datos provino del programa NSF XSEDE.
"El trabajo de tesis del Dr. Bucsek documentado en estos artículos muestra la importancia de usar técnicas 3D para estudiar la estructura 3D de los materiales. Fue capaz de observar y comprender los mecanismos que se han postulado y debatido durante más de 50 años por primera vez,"Stebner dijo." El mayor obstáculo para adoptar nuevos materiales, como la mayoría de las tecnologías, es el miedo a lo desconocido. Tal comprensión indudablemente conducirá a una mayor aceptación y aplicación de estos materiales milagrosos, ya que mejora nuestra confianza en el desarrollo de medios para certificar y calificarellos."
NSF también proporcionó la operación de la Fuente de Sincrotrón de Alta Energía de Cornell, que se utilizó para realizar las mediciones de microscopía de rayos X.
"A lo largo de su trabajo de tesis, la Dra. Bucsek desarrolló formas nuevas y creativas de aplicar los métodos HEDM al estudio de los sistemas de aleación de memoria de forma", dijo Darren Pagan, científica del personal de CHESS. "Su capacidad para superar los desafíos asociados con el procesamiento de datos yla interpretación permitió obtener nuevos conocimientos sobre la micromecánica de la deformación de la aleación con memoria de forma "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de minas de Colorado . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencias de revistas :
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