Fase R

La fase R es una fase que se encuentra en el nitinol , una aleación con memoria de forma . Es una fase martensítica por naturaleza, pero no es la martensita la responsable de la memoria de forma y el efecto superelástico.

En relación con el nitinol, el término "martensita" se refiere normalmente a la fase martensita monoclínica B19' , en lugar de a la fase R. La fase R compite con la martensita, a menudo está completamente ausente y suele aparecer durante el enfriamiento antes que la martensita, para luego dar paso a esta última durante un enfriamiento adicional. De la misma manera, se puede observar durante el calentamiento antes de la reversión a la austenita , o puede estar completamente ausente.

La transformación de la fase R a austenita (AR) es reversible, con una histéresis muy pequeña (normalmente de 2 a 5 °C (36 a 41 °F)). También presenta un efecto de memoria de forma muy pequeño y, dentro de un rango de temperatura muy estrecho, superelasticidad. La transformación de la fase R (a partir de austenita) ocurre entre 20 y 40 °C (68 y 104 °F) en la mayoría de las aleaciones binarias de nitinol.

Historia

La fase R se observó durante la década de 1970, pero en general no se identificó correctamente hasta el artículo de referencia de Ling y Kaplow de 1981. ^[1] La cristalografía y la termodinámica de la fase R se entienden bien en la actualidad, pero aún generan muchas complejidades en la ingeniería de dispositivos. Según una frase muy usada, "debe ser la fase R" cuando un dispositivo no funciona como se espera.

Estructura y transformación cristalográfica

La fase R es esencialmente una distorsión romboédrica de la fase austenítica cúbica. La figura 1 muestra la estructura general, aunque hay cambios en la posición atómica que se repiten después de cada tres celdas austeníticas. Por lo tanto, la celda unitaria real de la estructura de la fase R real se muestra en la figura 2. ^[2] La fase R se puede detectar fácilmente mediante difracción de rayos X o difracción de neutrones , evidenciada más claramente por una división del pico austenítico (1 1 0).

Si bien la transformación de la fase R es una transformación de primer orden y es distinta y separada de la martensita y la austenita, le sigue una transformación de segundo orden: una contracción gradual del ángulo romboédrico y un aumento concomitante de la deformación transformacional. Al suprimir la formación de martensita y permitir que continúe la transformación de segundo orden, se puede maximizar la deformación transformacional. Tales medidas han demostrado efectos de memoria y superelásticos de casi el 1 %. ^[3] Sin embargo, en las aleaciones superelásticas disponibles comercialmente, la deformación transformacional de la fase R es solo del 0,25 al 0,5 %.

Hay tres formas en que el Nitinol puede transformarse entre las fases austenita y martensita:

• La transformación directa, sin evidencia de fase R durante la transformación directa o inversa (enfriamiento o calentamiento), ocurre en aleaciones ricas en titanio y en condiciones de recocido completo.
• La "transformación simétrica de la fase R" se produce cuando la fase R interviene entre la austenita y la martensita tanto durante el calentamiento como durante el enfriamiento (véase la Figura 3). En este caso, se observan dos picos durante el enfriamiento y dos picos durante el calentamiento, siendo los picos de calentamiento mucho más cercanos entre sí debido a la menor histéresis de la transformación AR.
• La "transformación asimétrica de la fase R" es, con diferencia, la vía de transformación más común (Figura 4). En este caso, la fase R se produce durante el enfriamiento, pero no durante el calentamiento, debido a la gran histéresis de la transformación austenita-martensita: cuando se alcanza una temperatura lo suficientemente alta como para revertir la martensita, la fase R ya no es más estable que la austenita y, por tanto, la martensita se revierte directamente a austenita.

La fase R puede ser inducida por tensión o por calor. La tasa de tensión ( relación de Clausius-Clapeyron ) es muy grande en comparación con la transformación austenita-martensita (se requieren tensiones muy grandes para impulsar la transformación). ${\displaystyle {\frac {d\sigma }{dT}}}$

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  Figura 1: Distorsión de la fase R de la estructura austenítica B2
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  Figura 2: Representación trigonal de la fase R
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  Figura 3: Curvas de energía libre, deformación y calorimetría típicas de la transformación simétrica austenita-R-martensita, en la que la fase R se encuentra tanto durante el enfriamiento como durante el calentamiento.
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  Figura 4: Curvas de energía libre, deformación y calorimetría típicas de la transformación asimétrica austenita-R-martensita, en la que la fase R se encuentra solo al enfriarse.

Implicaciones prácticas

Aunque un efecto de memoria de forma esencialmente libre de histéresis suena emocionante, las deformaciones producidas por la transformación austenítica-R son demasiado pequeñas para la mayoría de las aplicaciones. Debido a la histéresis muy pequeña y la tremenda estabilidad cíclica de la transformación AR, se han hecho algunos esfuerzos para comercializar actuadores térmicos basados ​​en el efecto. ^[4] Tales aplicaciones han tenido un éxito limitado en el mejor de los casos. Para la mayoría de las aplicaciones de Nitinol, la fase R es una molestia y los ingenieros intentan suprimir su aparición. Algunas de las dificultades que induce son las siguientes:

• Cuando la austenita se transforma en la fase R, su energía se reduce y su propensión a transformarse en martensita disminuye, lo que genera una mayor histéresis austenita-martensita. Esto, a su vez, reduce la eficiencia del actuador y la capacidad de almacenamiento de energía superelástica .
• Las curvas de tensión-deformación de la austenita a menudo muestran una ligera inflexión durante la carga, lo que hace que los límites elásticos y las tensiones de fluencia sean difíciles de determinar.
• Si bien una deformación del 0,25 % es demasiado pequeña para aprovecharla, es más que suficiente para provocar una relajación de la tensión en muchas aplicaciones de ajuste por interferencia, como los acoplamientos de tuberías.
• Cuando la austenita se transforma en la fase R, se desprende una gran cantidad de calor, lo que da lugar a un pico de calorimetría diferencial de barrido (DSC) bien definido. Esto hace que las curvas DSC sean difíciles de interpretar si no se tiene cuidado: el pico de la fase R suele confundirse con un pico de martensita y se cometen errores a la hora de determinar las temperaturas de transformación.
• Si bien la resistividad eléctrica de la austenita y la martensita son similares, la fase R tiene una resistencia muy alta. Esto hace que el uso de la resistencia eléctrica sea prácticamente inútil para determinar las temperaturas de transformación del nitinol.

La fase R se hace más pronunciada mediante la adición de hierro , cobalto y cromo , y se suprime mediante la adición de cobre , platino y paladio . El trabajo en frío y el envejecimiento también tienden a exagerar la presencia de la fase R.

Referencias

1. Ling, Hung C.; Roy, Kaplow (1981). "Cambios de forma inducidos por estrés y memoria de forma en las transformaciones R y martensita en NiTi equiatómico". Metallurgical Transactions A . 12 (12): 2101–2111. Bibcode :1981MTA....12.2101L. doi :10.1007/BF02644180. ISSN  0360-2133. S2CID  136980603.
2. Otsuka, Kazuhiro; Ren, Xiaobing (1999). "Desarrollos recientes en la investigación de aleaciones con memoria de forma". Intermetallics . 7 (5): 511–528. doi :10.1016/S0966-9795(98)00070-3. ISSN  0966-9795.
3. Proft, JL; Duerig, TW (1987), "Caída de la fluencia y acción brusca en una aleación Ni-Ti-Fe trabajada en caliente", Actas de ICOMAT-86 , Instituto Japonés de Metales: 742.
4. Ohkata, I; Tamura, H (1997), "La transformación de la fase R en la aleación con memoria de forma TiNi y su aplicación", Mater. Res. Soc. Symp. Proc. , 459 : 345, doi : 10.1557/PROC-459-345.