Propiedades mecánicas no convencionales asociadas con el efecto de estabilización de la fase martensítica en Ni-Ti-Nb

Abstract

[spa] Este trabajo está dedicado al estudio de efectos no habituales en aleaciones con memoria de forma (SMA, “Shape Memory Alloys”, abreviación de siglas en inglés). SMAs son un tipo de materiales capaces de sufrir altas deformaciones por encima del 10% a temperaturas bajas y recuperar su forma inicial al calentarse, como si la hubiera recordado. Esta propiedad atractiva es debida a una transición estructural reversible llamada transformación martensítica (MT), que ocurre en estas aleaciones bajo un esfuerzo mecánico o durante enfriamiento. Históricamente a estas aleaciones se les llama materiales inteligentes. Uno de los más exitosos y de estudio en este trabajo es el Ni45Ti46Nb9 . Es una aleación que presenta efectos útiles en ciertas aplicaciones que requieren la histéresis de MT ancha. Además, esta aleación posee el efecto de “estabilización” de la fase baja de temperatura (llamada martensita) por la deformación sustancial por encima de 10%, que permite ampliar aún más la histerésis entre la primera MT inversa (durante calentamiento) y MT directa (durante enfriamiento). Los efectos nuevos no habituales descubiertos en este trabajo son: - Recuperación del estado normal “desestabilizado” de las muestras “estabilizadas” por tracción después de la deformación de compresión. - Dependencia de tipo Clausius-Clapeyron del esfuerzo compresivo desestabilizante con temperatura pero con la pendiente negativa al contrario del comportamiento clásico previsto por la termodinámica de equilibrio. - Los valores de la resistividad eléctrica sustancialmente más altos en el estado martensítico normal “desestabilizado” que en el estado “estabilizado” después de la deformación; esta diferencia proviene de la diferencia de resistividad residual a temperaturas bajas mientras que la contribución de la dispersión de los electrones de conducción por los fonones no se ve afectada por el efecto de estabilización mediante la deformación. - Elevación de la histéresis durante el efecto de estabilización en la primera transformación inversa investigado con una composición de Ni-Ti-Nb hipoeutéctico. - La fricción interna y el Módulo de Young muestran que la estabilización suprime fuertemente todos los efectos inelásticos. - La fase eutéctica y las partículas de Nb no afecta de ninguna manera a las características principales del compuesto Ni-Ti-Nb hipoeutéctico

[cat] Aquest treball està dedicat a l´estudi d´efectes no habituals en aliatges amb memòria de forma (SMA, “Shape Memory Alloys”, abreujament en anglès). SMAs són un tipus de materials capaços de patir altes deformacions per sobre del 10% a temperatures baixes i recuperar-ne la forma inicial en escalfar-se, com si l´hagués recordat. Aquesta propietat atractiva és deguda a una transició estructural reversible anomenada trnasformació martensítica (MT), que ocorre en aquests aliatges sota un esforç mecànic o durant refredament. Històricament a aquests aliatges se´ls anomena materials intel·ligents. Un dels més exitosos i d´estudi en aquest treball és el Ni45Ti46Nb9 . És un aliatge que presenta efectes útils en certes aplicacions que tequereixen la histèresi de MT ampla. A més, aquest aliatge posseeix l´efecte “d´estabilització” de la fase baixa de temperatura (anomenada martensita) per la deformació substancial per sobre de 10%, que permet ampliar encara més la histerèsi entre la primera MT inversa (durant escalfament) i MT directa (durant refredament). Els efectes nous no habituals descoberts en aquest treball són: -Recuperació de l´estat normal “desestabilizat” de les mostres “estabilizades” per tracci´després de la deformació de compresió. - Dependència de tipus Clausius-Clapeyron de l´esforç compressiu desestabilizant amb temperatura però amb el pendent negatiu al contrari del comportament clàssic previst per la termodinàmica d ´equilibri. - Els valors de la resistivitat elèctrica substancialment més alts a l´estat martensític normal “desestabilizat” que a l´estat “estabilizat” després de la deformació, aquesta diferència prové de la diferència de resistivitat residual a temperatures baixes mentre que la contribució de la dispersió dels electrons de conducció pels fonons no es veuen afectats per l´efecte d´estabilització mitjançant la deformació. - Elevació de la histèresi durant l´efecte d´estabilizació en la primera transformació inversa investigat amb una composició de Ni-Ti-Nb hipoeutèctic. - La fricció interna i el Mòdul de Young mostren que l´estabilizació suprimeix fortament tots els efectes inelàstics. - La fase eutèctica i les partícules de Nb no afecta de cap manera les característiques principals del compost Ni-Ti-Nb hipoeutèctic.

[eng] This work is devoted to the study of unusual effects on Shape Memory Alloys (SMA). SMAs are the type of materials capable of undergoing high deformations above 10% at low temperatures and recovering their initial shape upon heating, as if they had remembered it. This attractive property is due to a reversible structural transition called martensitic transformation (MT), which occurs in these alloys under mechanical stress or during cooling. Historically, these alloys have been called smart materials. One of the most successful and studied in this work is Ni45Ti46Nb9 . It is an alloy that presents useful effects in certain applications requiring wide MT hysteresis. In addition, these alloys possess the effect of “stabilization” of the low temperature phase (called martensite) by substantial deformation above 10%, which allows further broadening the hysteresis between the first reverse MT (during cooling). The unusual new effects discovered in this work are: - Recovery of the normal “destabilized” state of tensile “stabilized” samples after compressive deformation. - Clausius-Clapeyron tyoe dependence of the destabilising compressive stress with temperature but with negative slope contrary to the classical behaviour predicted by equilibrium thermodynamics. - Substantially higher electrical resistivity values in the normal “destabilized” martensitic state than in the “estabilized” state after deformation, this difference stems from the residual resistivity difference at low temperatures while the contribution of conduction electron scattering by phonons is not affected by the stabilization effect through deformation. - The internal friction that identifies the relaxation mechanism assigned to the dislocations provides new information for understanding the hardening mechanisms and mechanical response of these alloys. In turn, Young´s modulus allows us to understand the elastic behaviour of SMAs, in which it reaches superelasticity and pseudoelasticity. - The martensite stabilisation effect, a unique effect based on a increase in the temperatures of the first reverse transformation. Basically, it raises the hysteresis far beyond that of any other Ni-Ti alloy. In this paper, we try to go deeper into this origen. - Hysteresis rise during the stabilisation effect in the first reverse transformation investigated with a hypoeutectic Ni-Ti-Nb composition. - Internal friction and Young´s modulus show that stabilisation strongly suppresses all inelastic effects. - The eutetic phase and the Nb particles do not affect in any way the main characteristics of the hypoeutetic Ni-Ti-Nb composite.