Materiales con memoria de forma (I): Térmicos.

Hola queridos lectores,

nuevamente nos ponemos en contacto con vosotros a través de una publicación muy interesante: Materiales con memoria de forma. Este tema será tratado en dos artículos: (I) Memoria de forma térmica y (II) Memoria de forma magnética. Ambos han sido escritos por uno de nuestros colaboradores, Antonio José Contreras Sánchez, quien ya escribió el artículo sobre el comportamiento tribológico y los materiales nanoestructurados. Desde aqui le volvemos a agradecer su trabajo y os dejamos con este monográfico.

Aleaciones con memoria de forma térmica

Las aleaciones con memoria de forma (SMA) tienen la capacidad de recobrar una forma previamente definida cuando se les somete al procedimiento de tratamiento térmico apropiado. Al volver a su forma original, estos materiales también pueden aplicar fuerzas. La mayoría de de las aplicaciones prácticas corresponden a las SMA que tienen la capacidad de recuperarse tras una cantidad significativa de deformación (superelasticidad) o las que pueden aplicar grandes fuerzas al adoptar de nuevo su forma original.

El efecto por el cual las SMA recuperan su forma es resultado de la transformación martensítica. Originalmente el término “transformación martensítica” estaba reservado a los aceros, pero ahora se aplica de forma general a toda transformación de fase que ocurre por maclado sin cambio alguno en la composición.

En este tipo de transformación tenemos una fase de alta temperatura llamada austenita, también conocida como fase generatriz y de estructura cúbica. Si enfriamos el material, su estructura cambia y pasa a una estructura de laminillas, sumamente entretejidas y dispuestas en cortes alternados, llamada martensita. La estructura cortada en forma alternativa, es decir, en cortes opuestos consecutivos, conserva la forma general del cristal.

El estado por el cual las SMA recuperan su forma es resultado de la transformación de fase sólida-sólida entre dos estructuras materiales, es decir, la austenita y la martensita. En el estado  de martensita, una SMA es muy fácil de deformar mediante la aplicación de tensiones, en virtud de la propagación del contorno de la macla. Si en esta etapa se elimina la carga, la deformación de la martensita persiste, lo cual le da la apariencia de una deformación plástica. Sin embargo, después de ser deformada en el estado martensítico, el calentamiento provoca una transformación de la martensita en austenita, con lo cual el componente recupera su forma original (ver figura 1).

Figura 1: (a) conforme se enfría el material éste sufre una transformación martensítica. Los granos se acomodan de forma tal que se forman imágenes especulares (maclado), manteniendo la forma macroscópica. (b) deformación ocurre por propagación de contorno de maclas, de tal forma que las más favorablemente orientadas crecen a expensas de las demás.

Cuando se quiere aprovechar la memoria de forma del material, se hace un enfriamiento rápido, de tal manera que se esté por debajo de la temperatura crítica, y una vez que se tiene esa martensita en frío, se deforma (ver figura 2).

Al recorrer  el camino desde (a) hasta (b) procedemos a someter a una carga al material, éste se deformará en la fase martensítica. Después de un calentamiento, se puede recuperar la forma de partida volviendo a la fase inicial o primitiva austenítica. Este efecto se conoce como Efecto de memoria de forma Tipo I, ya que sólo nos permite recuperar la fase austenítica sin poder volver de a la forma martensítica

Por el contrario si después de después del calentamiento se puede recuperar la fase martensítica a temperatura ambiente, estaremos en un caso de Efecto de memoria de forma tipo II (ver figura 3)

Figura 2: Efecto de memoria de forma y superelasticidad

Si lo que se busca es aprovechar la propiedad de la superelasticidad es necesario deformar el material por encima de la temperatura de inicio de la transformación austenítica (A_f). Al cesar la carga el material volverá naturalmente a su estado inicial austenítico después de un breve paso por la fase martensítica. Por lo tanto es necesario que dicha temperatura A_f sea lo más baja posible para que no se dé una transformación indeseable durante la deformación.

El cambio de estructura no se produce con pequeñas variaciones de temperatura, sino sobre un rango de temperaturas que depende del sistema de aleación.

Figura 3: Efecto de memoria de forma tipo II

Además, la fase martensítica tiene excelente capacidad de absorción de energía y gran resistencia a la fatiga, debido a su estructura maclada. Así, la fase martensítica se usa como amortiguador de vibraciones y en instrumentos quirúrgicos flexibles para cirugía de corazón con tórax abierto. Al seleccionar esos materiales para aplicaciones específicas hay que tener presente cuáles son las temperaturas en que van a operar, en comparación con las temperaturas de su transformación. Las aleaciones más conocidas son las de NiTi, conocido coloquialmente como Nitinol.

(Ver video ejemplo de NITINOL)

No obstante, para muchas aplicaciones la transformación martensítica por efecto de la temperatura no es lo suficientemente rápida o un cambio en la temperatura / presión puede dar al traste con el fenómeno. Por ello, se están haciendo esfuerzos considerables para encontrar un sistema ferromagnético en el cual, el efecto pueda ser controlado por la aplicación de un campo magnético.

Existen numerosas aplicaciones, como aquellas que se sitúan en el interior del cuerpo humano, en las que un cambio indeseado (inevitable en el cuerpo) puede provocar un cambio indeseado de la estructura con perjudiciales consecuencias. Por ello, se buscan sistemas de aleaciones en las cuales la memoria de forma pueda ser controlada exclusivamente por un campo magnético externo.

Sobre este tipo de comportamiento versará el próximo artículo: Materiales con memoria de forma magnética

Un saludo y hasta pronto.

Antonio J. Contreras