Aquest document presenta una anàlisi detallada dels gràfics continguts en l'article "A lightweight shape-memory alloy with superior temperature-fluctuation resistance" publicat a Nature el febrer de 2025. L'estudi se centra en un nou aliatge de memòria de forma basat en Ti-Al-Cr amb propietats mecàniques excepcionals i resistència a les fluctuacions tèrmiques.
La Figura 1a mostra les corbes d'enginyeria tensió-deformació obtingudes mitjançant assaigs de càrrega-descàrrega a temperatura ambient (297 K) per a un monocristall de Ti-Al-Cr. La forma característica d'aquestes corbes indica una superelasticitat superior. L'aliatge Ti-Al-Cr aconsegueix una deformació recuperable de més del 7,3%, comparable a la dels aliatges comercials de Ni-Ti. Aquesta deformació recuperable és impressionant per a un aliatge amb memòria de forma basat en Ti, essent dues vegades més gran que la dels aliatges de referència Ti-Nb i 1,2 vegades més gran que els aliatges Ti-Zr-Nb-Sn registrats anteriorment.
Per comprendre aquest comportament, hem d'analitzar els mecanismes subjacents. La tensió crítica que marca el final de la regió elàstica lineal assoleix aproximadament 800 MPa. Aquesta alta resistència combinada amb una baixa densitat de $4,36 \times 10^3 \text{ kg/m}^3$ subratlla les característiques excepcionals de relació resistència-massa inherents als aliatges basats en Ti. Aquest fenomen es pot expressar mitjançant la relació:
On $\sigma_c$ és la tensió crítica, $E$ és el mòdul d'elasticitat, i $\varepsilon_e$ és la deformació elàstica. Per a una deformació recuperable total del 7,3%, la contribució elàstica lineal inicial és substancialment menor, i la majoria de la recuperació prové de la transformació martensítica induïda per tensió.
La Figura 1b compara la resistència crítica i la densitat de l'aliatge Ti-Al-Cr a temperatura ambient amb aliatges comercials Ni-Ti, aliatges convencionals basats en Ti i aliatges amb memòria de forma basats en Mg. L'aliatge Ti-Al-Cr aconsegueix una resistència específica remarcable de $185 \times 10^3 \text{ Pa m}^3\text{ per kg}$, aproximadament el doble que els aliatges amb memòria de forma lleugers anteriors. Aquest valor es calcula mitjançant:
On $\sigma_c$ és la tensió crítica i $\rho$ és la densitat del material. Per a l'aliatge Ti-Al-Cr, aquest càlcul dóna:
Aquesta alta resistència específica, combinada amb l'excepcional ductilitat (resistència a la tracció superior a 900 MPa i allargament total superior al 12%) fa que aquest aliatge sigui particularment adequat per a aplicacions aeroespacials i d'exploració espacial.
La Figura 1c presenta imatges del camp de deformació capturades mitjançant la tècnica de correlació d'imatge digital (DIC) en diferents estats de deformació durant l'assaig de càrrega-descàrrega de tracció. L'especimen inicialment experimenta una deformació homogènia menor, indicativa de la regió elàstica, seguida per la formació i propagació estable d'una banda macroscòpica. Aquesta seqüència correspon a la nucleació i creixement de martensita de variant única, culminant en un camp de deformació espontània del 7,3%.
El procés de transformació es pot modelitzar mitjançant l'equació:
On $\varepsilon_{\text{elàstica}}$ representa la deformació elàstica convencional i $\varepsilon_{\text{transformació}}$ representa la deformació deguda a la transformació martensítica. La recuperació completa observada durant la descàrrega confirma l'excel·lent recuperabilitat en superelasticitat.
La Figura 2a mostra els resultats de caracterització microestructural per a la fase matriu obtinguts mitjançant observacions de microscòpia electrònica de transmissió (TEM) de camp fosc. S'evidencia un ordenament a llarg abast, específicament una estructura BCC ordenada de tipus B2 en forma de nanodominis, com indica el punt de superxarxa (001) en el patró de difracció d'electrons. Aquests nanodominis B2 tenen un diàmetre mitjà d'aproximadament 15 nm, suggerint que la transformació ordre-desordre de l'estructura A2 a B2 es produeix durant el tremp.
La formació d'aquests nanodominis es pot explicar termodinàmicament. Quan el material es refreda ràpidament des d'una temperatura elevada, no hi ha temps suficient per a una transformació completa a l'estructura B2, resultant en dominis B2 separats per límits d'antifase desordenats (APBs).
Les imatges de microscòpia electrònica d'escombratge de transmissió d'angle alt en camp fosc (STEM) de la Figura 2b revelen que els nanodominis B2 estan separats per límits d'antifase desordenats (APBs). L'APB és prim, amb una amplada d'aproximadament 2 nm. La imatge atòmica proporciona informació química a escala atòmica perquè la intensitat de la columna atòmica varia amb el número atòmic.
El perfil d'intensitat d'una línia que creua un APB es mostra a la Figura 2c. El contrast en intensitat entre llocs de superxarxa adjacents és clarament observable en nanodominis ordenats, mentre que la periodicitat d'intensitat es torna notablement menys pronunciada dins de la regió APB desordenada. Aquesta estructura ordenada a llarg abast en la fase matriu, que difereix de la dels aliatges amb memòria de forma convencionals desordenats basats en Ti, pot fer que l'aliatge Ti-Al-Cr sigui més resistent a les deformacions plàstiques estimulades per dislocacions a causa de l'efecte d'enfortiment per ordenament.
L'efecte d'enfortiment per ordenament pot ser modelitzat com:
On $\Delta\tau$ és l'increment en la tensió de cisallament, $\gamma_{APB}$ és l'energia del límit d'antifase, i $b$ és el vector de Burgers. Aquest mecanisme contribueix significativament a l'alta resistència del material mentre manté la seva capacitat de deformació recuperable.
Determinar l'estructura cristal·lina de la fase martensítica induïda per tensió és un repte perquè la fase martensítica responsable només és estable sota tensió, cosa que causa dificultats experimentals. Per abordar això, els investigadors van utilitzar un mètode de difracció de neutrons in situ per caracteritzar l'estructura cristal·lina de la fase martensítica sota tensions, com es mostra esquemàticament a la Figura 2d.
Les xarxes recíproques bidimensionals del cristall Ti-Al-Cr sota diferents condicions de càrrega es van reconstruir identificant la cel·la unitària millor ajustada basada en els patrons Laue recollits. Els patrons de difracció capturats i analitzats per a l'especimen tant en la seva fase matriu no transformada com en la fase martensítica sota tensions més altes es mostren a les Figures 2e i 2f, respectivament.
El paràmetre de xarxa de la fase matriu amb una estructura B2 es va determinar com $a = 3,22 \text{ Å}$. La fase martensítica induïda per tensió es va trobar que té una estructura cristal·lina ortorròmbica ordenada (B19), amb paràmetres de xarxa de $a = 2,94 \text{ Å}$, $b = 4,90 \text{ Å}$ i $c = 4,61 \text{ Å}$. Cal notar que els paràmetres de xarxa de la fase martensítica es van determinar sota una tensió d'aproximadament 780 MPa.
Els patrons de difracció simulats tant de les fases matriu com martensítica, com es mostra a la Figura 2g, es van reconstruir a partir dels patrons de difracció de neutrons, i es va determinar la correspondència de xarxa, com es mostra a la Figura 2h. Aquesta correspondència de xarxa es pot expressar com:
Aplicant una teoria de deformació de xarxa que involucra la correspondència de xarxa i els paràmetres de xarxa, es va poder calcular la deformació de transformació dependent de l'orientació per a la transformació B2 → B19, com es mostra a la Figura 2i. La deformació de transformació recuperable màxima es calcula que és d'aproximadament 8,7% sota tensió en direcció <001>.
La matriu de transformació per al càlcul de la deformació es pot expressar com:
A partir d'aquesta matriu de transformació, es pot calcular la deformació de transformació en qualsevol orientació cristal·logràfica mitjançant:
On $\mathbf{F}^T$ és la transposada de $\mathbf{F}$ i $\mathbf{I}$ és la matriu identitat. Aquesta anàlisi permet predir la deformació recuperable màxima que es pot aconseguir en diferents orientacions cristal·logràfiques, informació crucial per optimitzar el rendiment mecànic de l'aliatge Ti-Al-Cr.
Una de les característiques més notables de l'aliatge Ti-Al-Cr és la seva capacitat per mantenir la funcionalitat superelàstica en un ampli rang de temperatures, des de temperatures criogèniques profundes de 4,2 K fins a temperatures per sobre de l'ambient. Aquest comportament sorgeix d'una dependència de temperatura no convencional de les tensions de transformació.
Per sota d'un cert llindar durant el refredament, la tensió crítica de transformació es correlaciona inversament amb la temperatura. Aquest comportament es pot interpretar des de la perspectiva d'una inestabilitat de xarxa anòmala dependent de la temperatura de la fase matriu. Aquest comportament anòmal es pot modelitzar mitjançant:
On $\sigma_c$ és la tensió crítica i $T$ és la temperatura. Aquest comportament contrasta amb la majoria dels aliatges amb memòria de forma, on la tensió crítica generalment augmenta amb la disminució de la temperatura segons la relació de Clausius-Clapeyron.
L'excepcional comportament de l'aliatge Ti-Al-Cr a temperatures extremes pot estar relacionat amb la seva estructura ordenada única. La presència de nanodominis B2 i APBs pot proporcionar mecanismes addicionals per acomodar les tensions induïdes tèrmicament, permetent que el material mantingui la seva funcionalitat en condicions extremes.
La inestabilitat de xarxa anòmala també podria estar relacionada amb l'anomalia elàstica observada en alguns aliatges basats en Ti, on les constants elàstiques mostren una dependència de temperatura no lineal. Aquest fenomen es pot expressar com:
On $C'$ és la constant elàstica de cisallament i $T$ és la temperatura. Aquesta anomalia elàstica podria contribuir a la excepcional estabilitat de l'aliatge en un ampli rang de temperatures.
L'aliatge Ti-Al-Cr ofereix una combinació única de propietats que el fan adequat per a diverses aplicacions:
Aquestes propietats es poden resumir en un índex de rendiment $P$ definit com:
On $\sigma_c$ és la tensió crítica, $\varepsilon_r$ és la deformació recuperable, $\rho$ és la densitat, i $\Delta T_{\text{op}}$ és el rang de temperatura operativa. Aquest índex proporciona una mesura quantitativa del rendiment general de l'aliatge en comparació amb altres materials.
Basant-nos en les propietats analitzades a les Figures 1 i 2, l'aliatge Ti-Al-Cr té potencial en:
L'atractiu d'aquest aliatge per a aquestes aplicacions rau en la seva capacitat per proporcionar deformació recuperable significativa en condicions ambientals extremes, tot mantenint un avantatge substancial en pes sobre les alternatives existents.
L'anàlisi dels gràfics presentats a l'article revela que l'aliatge Ti-Al-Cr representa un avenç significatiu en el camp dels aliatges amb memòria de forma. Les seves propietats superelàstiques excepcionals, combinades amb la lleugeresa i la resistència a fluctuacions tèrmiques extremes, el converteixen en un candidat prometedor per a aplicacions avançades en aeroespacial, exploració espacial i tecnologies d'emmagatzematge d'energia.
Els mecanismes microestructurals subjacents, incloent-hi la formació de nanodominis B2 i la transformació martensítica B2→B19, proporcionen la base per a la combinació única de propietats mecàniques i funcionals. La dependència de temperatura no convencional de les tensions de transformació, en particular, ofereix oportunitats per a la funcionalitat en entorns extremadament freds, com l'espai profund i els gasos liquats.