Contribución al estudio de las aleaciones de Cu-Zn-AI mediante calorimetría y emisión acústica

Abstract

Hay un gran número de aleaciones que experimentan transformaciones martensíticas termoelásticas (Au-Cd, Ti-Ni, Cu- Zn- Al, Cu- Al- Mo) y, en consecuencia, presentan ciertas propiedades termomecánicas que los convierten en especialmente interesantes para su aplicación en la industria. Estas propiedades son el efecto memoria de forma, simple y doble, la superelasticldad y la alta capacidad de amortiguamiento. Uno de los aspectos de interés en el estudio de los material es que presentan memoria de forma es conocer su evolución cuando se someten a sucesivos ciclos de transformación/ retransformación de la fase matriz a la fase martensítica, ya sea induciendo el cambio de fase por variación de la temperatura o mediante la aplicación de un esfuerzo. Otro aspecto de interés creciente es la introducción de otras fases en la matriz, puesto que pueden modificar la transformaci6n,y por tanto las propiedades de memoria de forma del material.<br/><br/>En el presente trabajo hemos abordado los dos puntos de interés mencionados, induciendo la transformación por variación de la temperatura, utilizando un calorímetro de flujo de calor no convencional, de gran sensibilidad, el cual por su configuración permite el acoplamiento con otra técnica de medida: hemos registrado la tasa de emisión acústica que tiene su origen en los cambios bruscos en los campos de esfuerzos internos del material.<br/><br/>En primer lugar se han expuesto las características generales de las transformaciones martensíticas, y en particular de las termoelásticas. A continuación se describen las técnicas utilizadas. La primera parte del trabajo realizado consiste en la determinación de los límites de repetitividad del sistema experimental, utilizando muestras nominalmente idénticas sometidas a dos tratamientos térmicos distintos. A continuación se estudia el efecto que produce un ciclado térmico sucesivo (de hasta 400 ciclos de transformación/ retransformación) sobre muestras nominalmente idénticas sometidas a los dos tratamientos térmicos anteriores. Por último, hemos estudiado las modificaciones en la transformación producidas por la introducción de precipitados de fase gamma, crecidos en beta a partir de un tratamiento térmico específico. En los tipos de estudio realizados, se ha efectuado por primera vez un análisis termodinámico completo de la transformación, evaluando los términos elásticos y de fricción que intervienen en los procesos beta <->n.<br/><br/>La primera parte del trabajo nos ha permitido observar que muestras nominalmente idénticas presentan diferencias en las temperaturas de transformación y en los valores del calor y de la variación de entropía, que pueden ser superiores a la incertidumbre en la determinación de los mismos. La aplicación de sucesivos tratamientos térmicos (TT1, enfriamiento al aire; TT2, enfriamiento por templado) a una misma muestra, sobre un conjunto de muestras nominalmente idénticas, permite discernir diferencias en los efectos que producen ambos TT en la transformación martensitica: en las muestras sometidas a TT1 el inicio de la transformación tiene un carácter explosivo, y las señales calorimétrica y acústica comienzan simultáneamente. Para las muestras sometidas a TT2 la E.A. comienza mucho antes que la señal calorimétrica, a pesar de que ésta delata pequeños dominios de transformación a temperaturas superiores a las del inicio del grueso de la transformación. Se han podido evaluar con fiabilidad los términos elásticos (Delta H el) y de fricción (E fr), resultando más elevada la energía elástica en las muestras sometidas a TT2, mientras que la E fr es similar en ambos casos. Los resultados nos permiten interpretar que con el templado (TT2) se crean tensiones en la matriz que facilitan la nucleación, y que el carácter inicialmente más termoelástico que presenta la transformación a partir de TT2 es debido a la introducción de defectos en la red, mientras que éstos no juegan un papel muy relevante en cuanto a la E fr.<br/><br/>En la segunda parte del trabajo, se ha comparado la evolución de la transformación en muestras nominalmente idénticas sometidas a 400 ciclos a partir de TT1 y de TT2. Se han contrastado las temperaturas de transformación con los resultados ya existentes en la bibliografía, y se ha observado que 400 ciclos no son suficientes para asegurar la no evolución de los parámetros estudiados, si bien el carácter explosivo, mucho más marcado inicialmente las muestras sometidas a TTl 1 desaparece generalmente en más o menos 100 ciclos. La suavización de la transformación es debida a la creación de dislocaciones a lo largo del ciclado sucesivo. La más rápida evolución de de las temperaturas de transformación y de las energías elástica y de fricción en las muestras sometidas a TT1 sugieren que la creación de dislocaciones con el ciclado sucesivo es mayor en éstas durante los aproximadamente 100 primeros ciclos. La evolución global de las temperaturas a partir de ambos tratamientos térmicos indica, en concordancia con las predicciones teóricas, la existencia de dos tipos de dislocaciones: un tipo que facilita la nucleación y el crecimiento de las placas de martensita. y otro que dificulta el avance de las interfases y retrasa la consecución de la transformación. Por otro lado, según los resultados, dichas dislocaciones no producen un aumento indefinido de Delta H el y E fr.<br/><br/>Aceptando la hipótesis de que con el ciclado sucesivo la termodinámica de la transformación no varia, a medida que se suceden los ciclos disminuye la cantidad de material transformado. La martensita retenida observada a temperatura ambiente no es suficiente para justificar cuantitativamente este hecho. <br/><br/>Algunas anomalías observadas en las muestras sometidas por segunda vez a un ciclado sucesivo largo inducen a pensar que los tratamientos térmicos aquí utilizados (15 min a 850º C) pueden no ser suficientes para devolver a la muestra a su estado inicial<br/><br/>En la tercera parte del trabajo se han estudiado las transformaciones martensíticas en muestras de Cu-Zn-AI con precipitados de fase gamma en el seno de beta, crecidos a partir de un tratamiento térmico específico, con tiempos de crecimiento (t*) variables entre 0y 100 s, comparando los resultados con los de una muestra nominalmente idéntica a las anteriores sometida a TT1. Los cambios bruscos observados en el comportamiento global entre t*</= 20 s y t> 40 s se atribuyen a un posible cambio en la coherencia de los precipitados, y al mayor tamaño de éstos, que implica una modificación del campo de esfuerzos entre los precipitados y la matriz, y que afectan la interacción entre la matriz y la martensita. Asimismo, la evolución de la relación entre el número de cuentas de la E.A. entre la transformación inversa y la directa indica que la interacción de los precipitados con la transformación produce un efecto ficha diferente que con la retransformación. También se ha observado que el desplazamiento de las temperaturas de transformación como consecuencia de los precipitados es un efecto permanente, lo cual representa un aspecto de interés en lo que se refiere a la aplicación en la industria, puesto que permite modificar de manera controlada el efecto de memoria de forma del material.