Las aleaciones con memoria de forma son bien conocidas por sus notables propiedades:superelasticidad, la memoria de forma y el accionamiento permiten que se arruguen y luego vuelvan a tener una forma original "recordada".

Pero el material avanzado sigue estando drásticamente infrautilizado 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 científicas y mecánicas de materiales. Acta Crystallographica , Revista de Mecánica y Física de Sólidos y Scripta Materialia .

"Descubierto hace más de 70 años, la promesa de las aleaciones con memoria de forma (SMA) ha llevado a más de 10, 000 patentes en los EE. UU. Y 20, 000 en todo el mundo. Sin embargo, esa promesa no ha sido igualada por su impacto tecnológico:solo un número limitado de estos 20, 000 patentes de SMA se han realizado como productos comercialmente viables, "dijo Ashley Bucsek Ph.D. '18, autor principal de los tres artículos y ahora becario postdoctoral del presidente en la Universidad de Minnesota. "La historia es similar para muchos otros materiales avanzados, tardando décadas en pasar del desarrollo a la implementación. Una de las razones de esta brecha entre el desarrollo y la implementación es que los investigadores están literalmente rascando la superficie con técnicas de microscopía convencionales. cuando la mayoría de los micromecanismos en las SMA son 3-D, fuera de plano y sensible a las limitaciones internas ".

Para cerrar esa brecha, Bucsek y sus colegas investigadores colocaron el níquel-titanio, el SMA más utilizado y disponible, bajo algunos de los microscopios tridimensionales más potentes disponibles en la actualidad. ubicado en Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) en la Universidad de Cornell en el norte del estado de Nueva York.

Específicamente, usó microscopía de difracción de alta energía de campo cercano y campo lejano (HEDM), que caen bajo el paraguas de las técnicas de difracción de rayos X 3-D, permitiéndole visualizar la microestructura interior del material en tres dimensiones mientras responde en tiempo real.

"Aunque 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, ", Dijo Bucsek." Como resultado, cada uno de estos tres experimentos requirió el desarrollo de nuevos experimentos, técnicas de análisis y visualización de datos para extraer la información deseada. Muchos de los resultados fueron sorprendentes, arrojando luz sobre áreas de controversia de décadas de antigüedad en la micromecánica de la AME ".

En SMA, 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 se reduce la temperatura, se transformará en fase a una fase de baja simetría llamada "martensita".

El primer papel "Medición de microestructuras de martensita inducidas por estrés mediante 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.

"Con este enfoque, Descubrimos que las microestructuras de martensita dentro de las SMA violaron fuertemente las predicciones del criterio de trabajo de transformación máxima, que demuestre que la aplicación del criterio de trabajo de transformación máxima ampliamente aceptado debe modificarse para los casos en que las SMA pueden tener características y defectos de microestructura de grado de ingeniería, "Dijo Bucsek.

El segundo experimento abordó el reordenamiento gemelo inducido por carga, o reorientación de martensita, un mecanismo de deformación reversible mediante el cual los materiales pueden soportar grandes cargas y deformaciones sin daño a través de reordenamientos de gemelos cristalográficos.

El papel, "Mecanismos de reorientación de gemelos ferroelásticos en aleaciones con memoria de forma aclarados con microscopía de rayos X 3-D, "se publicará en marzo en Revista de Mecánica y Física de Sólidos .

"Una secuencia específica de micromecanismos de reordenamiento gemelos ocurre dentro de las bandas de deformación macroscópica a medida que se propagan a través de la microestructura, y mostramos que la localización de la deformación dentro de estas bandas hace que la celosía se curve hasta 15 grados, que tiene importantes implicaciones en la deformación elástica, tensión cortante resuelta, y maximizando el reordenamiento gemelo, Bucsek dijo que "estos hallazgos guiarán a los futuros investigadores en el empleo de la reordenación gemela en nuevas tecnologías multiferroicas".

La actuación de estado sólido es una de las aplicaciones más importantes de los SMA, utilizado en una serie de sistemas nanoelectromecánicos y microelectromecánicos, biomédico Amortiguación activa y sistemas de actuación aeroespaciales.

El objetivo del experimento final fue un fenómeno en el que surgen límites de grano especiales de alto ángulo dentro de los granos de austenita cuando se activan las SMA. Durante la actuación, la transformación de fase de austenita a martensita y luego de regreso a austenita es inducida por calentamiento, enfriar y luego recalentar el SMA mientras está bajo una carga constante.

El papel, "Caracterización 3-D in situ del refinamiento de grano de austenita inducido por transformación de fase en níquel-titanio, "aparecerá en marzo en Scripta Materialia .

"Utilizando microscopía electrónica, Se ha observado que la austenita puede presentar grandes rotaciones cuando se recalienta la muestra, lo cual es perjudicial tanto para el rendimiento del trabajo como para la fatiga. Sin embargo, debido a los pequeños tamaños de muestra necesarios para la microscopía electrónica, estas rotaciones se observaron de manera muy inconsistente, aparecer pero no aparecer en las mismas condiciones de carga, o aparecer después de unos pocos ciclos pero luego no aparecer después de unos miles de ciclos, ", Dijo Bucsek." Nuestros resultados mostraron que estas rotaciones de granos pueden ocurrir después de un solo ciclo en condiciones moderadas. Pero debido al bajo volumen y la dispersión heterogénea de las rotaciones, se requiere un volumen masivo para observarlos ".

La financiación para la investigación de Bucsek provino de la Beca de Investigación para Graduados de la National Science Foundation (NSF), así como el Premio NSF CAREER 2015 de su Ph.D. asesor y coautor, Aaron Stebner, Rowlinson Profesor Asociado de Ingeniería Mecánica en Minas. La financiación adicional para utilizar las computadoras de alto rendimiento necesarias para analizar los datos provino del programa NSF XSEDE.

"El trabajo de tesis de la Dra. Bucsek documentado en estos artículos muestra la importancia de utilizar técnicas 3-D para estudiar la estructura 3-D de los materiales. Ella pudo observar y comprender los mecanismos que se han postulado y debatido durante más de 50 años por primera vez. tiempo, ", Dijo Stebner." El mayor obstáculo para la adopción de 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 certificarlos y calificarlos ".

El funcionamiento de la fuente de sincrotrón de alta energía de Cornell, que se utilizó para realizar las mediciones de microscopía de rayos X, también fue proporcionado por NSF.

"A lo largo de su trabajo de tesis, Dr. Bucsek desarrolló nuevos, formas creativas de aplicar métodos HEDM al estudio de sistemas de aleación con memoria de forma, "dijo Darren Pagan, científico de planta en CHESS. "Su capacidad para superar los desafíos asociados con el procesamiento y la interpretación de datos permitió obtener nuevos conocimientos sobre la micromecánica de la deformación de la aleación con memoria de forma".