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ERIC LEONARDO EJIVAJA BARRA TERMODINAMICA APLICADA

DOCENTE HECTOR GONZALO PESENTI PEREZ

INTRODUCCIÓN Con el paso del tiempo, el número de estudios asociados a la transformación martensítica se ha incrementado, por tanto, para poder interpretar cómo este mecanismo opera y cómo le confiere características tan diferentes a los materiales donde se produce, han sido realizados múltiples trabajos en diferentes áreas conduciendo a descubrimientos a nivel micro estructural, cinético, cristalográfico. Es así como en este trabajo se presenta una descripción de la transformación martensítica en el Ni Ti.

MARCO TEÓRICO Para poder entender la transformación martensitica primero hablaremos de las transformaciones de fases la cual ocurre cuando se forma al menos una nueva fase con propiedades físicas, químicas y/o microestructura diferente a la fase original. Donde las estructuras metalográficas de los sólidos metálicos se generan a partir de las transformaciones de fases.

La clasificación de los mecanismos de transformaciones de fases: Procesos Disfuncionales (nucleación y crecimiento)

Precipitación, Coprecipitación( eutéctico o eutectoide)

El que implica el movimiento difucional atómico de largo alcance

Procesos sin difusión

Cada átomo se puede mover varias veces la longitud interatómica.

Transformación Martensítica

El que implica el movimiento atómico de corto alcance

Implica el movimiento cooperativo de varios átomos en menos de la longitud termodinámica

MARCO TEÓRICO Tipos de transformaciones en estado solido Para entender las transformaciones definiremos un concepto importante que es la difusión es un proceso físico irreversible en que partículas materiales se introducen en un medio en el que inicialmente estaban ausente, aumentando la Entropía (desorden molecular) del sistema.

 La entropía es una función de estado de

carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se da de forma natural. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos.

MARCO TEÓRICO

Transformación Difusivas Son aquellas que depende de la difusión, también llamado movimientos civiles donde en estos movimientos (átomos, electrones, personas, etc) se mueven de uno en uno como en el llenado de un vagón del metro

MARCO TEÓRICO Transformación no Difusivas Son aquellas que son independientes de la difusión, también llamada movimiento militares, donde todos los elementos (átomos, electrones, personas, etc) se mueven al mismo tiempo como en la marcha de un ejército.

MARCO TEÓRICO  Tabla de clasificación de las transformaciones de fase

MARCO TEÓRICO Transformación Martensítica En un principio el término martensita (llamada así en honor al metalurgista alemán Adolf Martens) se utilizó para describir un duro micro constituyente encontrado en los aceros después de un templado. Se considera una aleación con dos estados alotrópicos a distintas temperaturas. Punto de partida, la aleación en equilibrio en la fase de alta temperatura (austenita). Dos caminos posibles:  Enfriamiento lento: se permite una recristalización normal. Los átomos solutos tienen el tiempo suficiente para

difundir y tomar la configuración de equilibrio estable correspondiente a la temperatura ambiente. La aleación habrá recristalizado, eliminándose estructuras anteriores y se encontrará en equilibrio estable. El tratamiento térmico se llama recocido.

 Enfriamiento brusco (temple, por ejemplo en una batea con agua), se produce la transformación cristalográfica pero

no la difusión, se obtendrá como resultado la estructura cristalográfica estable a temperatura ambiente pero con una cantidad de soluto que corresponde a otra estructura. Como consecuencia, la red estará muy distorsionada y la estructura será inestable. Se produce la llamada transformación martensítica y el producto de la reacción martensita. La transformación martensítica es una transformación sin difusión.

MARCO TEÓRICO Para comenzar a entender el Ni Ti primero definiremos los compuestos de esta aleación. Níquel un metal de transición de color blanco con un ligerísimo tono amarillo, conductor de la electricidad y del calor, muy dúctil y maleable por lo que se puede laminar, pulir y forjar fácilmente, y presentando ferromagnetismo a temperatura ambiental.

Titanio es el elemento metálico que posee la mayor proporción de dureza-densidad. Es un metal fuerte, con una baja densidad y alta ductilidad (especialmente en ambientes libres de oxígeno),de color blanco metálico. Su punto de fusión es relativamente alto, sobre los 1650 °C (1920 K), lo que hace que sea útil como metal refractario. Es paramagnético y presenta baja conductividad eléctrica y térmica. Cobalto es un metal ferromagnético, de color blanco azulado. Su temperatura de Curie es de 1388 K. Normalmente se encuentra junto con níquel, y ambos suelen formar parte de los meteoritos de hierro.

Donde el porcentaje de cada uno de estos elementos es: Níquel 49% Titanio 51% Donde su comportamiento es súper elástico.

MARCO TEÓRICO

Aleación reunión de dos o más metales o de uno o más metales con un no metal. Las cuales están compuestas de dos o más elementos. En una aleación se añade intencionadamente átomos extraños llamados aleantes para conseguir un metal de características específicas , donde en el caso del NiTi una de las características más importantes es la memoria y su superelasticidad.

DEFINICIÓN DEL PROBLEMA  El problema esencial de este análisis es el efecto

del tratamiento térmico sobre el comportamiento de transformación martensitica del NiTi, donde las investigaciones de las medidas de temperatura de transformación se interpretan en términos de sustancias químicas, elásticas y componentes irreversibles de la transformación general de cambio de energía libre.  Además el aumento en la transformación se

muestra que la temperatura en muestras tratadas térmicamente a abaja temperatura es el resultado de cambios reversible, tanto elásticos o químicos.  La principal propiedad del NiTi es su memoria

de forma

DEFINICIÓN DEL PROBLEMA  A diferencia del efecto de memoria de forma,

la superelasticidad se manifiesta sin que ocurran cambios en la temperatura. La transformación de Austenita a Martensita se obtiene por aplicación de una carga y la recuperación de la forma original se consigue con la descarga después de alcanzar un determinado porcentaje de deformación (Entre un 6% y 10%).

METODOLOGÍA La transformaciones martensiticas se pueden expresar como:

Donde : Es el cambio total de energía libre. Son los cambio de entalpia química, entropía, respectivamente. Es la temperatura Es el cambio en la energía de deformación elástica.

Es el obra irreversible asociada a la transformación

METODOLOGÍA El termino de Energía de deformation elástica surge de la acomodacion elástica de la transformación local de tension y los campos de tension interna presents en el material. Donde el cambio de Energía elástica se puede expresar Como:

Donde: ,, y son respectivamente los aplicados de tension, debido a la presencia de defectos y el campo de estrés asociado con la transformación.

es la transformación de tension es la densidad

el volume del espécimen

METODOLOGÍA Según lo discutido por Saltsbrenner y Cohen, la transformación inducida elástica de Energía de deformación esta dada por la formula Y puede influir tanto en la iniciación como en el progreso de la transformación. El aumento progresivo de durante la transformación responde al menos parcialmente por la naturaleza termoelástica de la transformación martensitica. Cohen y sus colaboradores han demostrado que la Energía de deformación elastica total puede ser alternativamente descompuesto en dos componenentes de acuerdo con su efecto de iniciación y finalización de la transformación y propusieron la ecuación

Aunque Según lo discutido por Saltzbrenner y Cohen el uso de esta ecuación esta no incluye cualquier cambio de Energía elastica asocida con la nucleacion de martencita, concluyendo que la Energía elastica almacenada durante la transformación directa se livera dicha acción durante la transformación inversa es decir

METODOLOGÍA

Donde esta Energía irreversible se asocia principalmente con la Energía de fricción requerida para propagar el interfaz de martensitica. Se gasta Energía de fricción independientemente de la dirección de la transformación y se asume que Gracias a esto se logra reorganizer las ecuaciones que expresan la transformación martensítica ∆

Para finalizer se restaran estas ecuaciones quedando

Aqui ∆S y ∆E corresponden al padre de la transformación de martensita.

Donde la transformación hacia adelante o hacia atras de temperatura, corresponde a la misma fracción de martensita.

METODOLOGÍA A partir de las ecuaciones anteriores, los parametros de la termodinamica que controlan la transformación martensitica se puede determinar mediante un Sistema termico y mediciones de ciclos de estres.

Donde en el NiTi, las mediciones del efecto de tratamiento termico en el comportamiento de transformación se interpreta en terminos de cambios en elasticidad, constribuciones irreversibles y quimicas al total cambio de energia libre. En el procedimiento experimental, el alambre cuadrado y recocido a una T° entre 670 y 1150 k, ademas de ser enfriado por aire. Donde las T° de transformación y el calor latent, se midió por un Sistema de alta sensibilidad llamado calorimetria diferencial de barrido. El que consiste en una técnica termo analítica en la que la diferencia de calor entre una muestra y una referencia es medida como una función de la temperatura. La muestra y la referencia son mantenidas aproximadamente a la misma temperatura a través de un experimento.

METODOLOGÍA

La Calorimetría diferencial de barrido Tiene como objetivo monitorear el flujo de calor en función de la temperatura, independiente de la ocurrencia de variación o no de masa, de un espécimen. Así, un análisis de DSC puede identificar cambios de fase en las cuales hay una variación muy pequeña en el valor de masa de la muestra, tales como cambios estructurales, reacciones y transiciones sólido-sólido, cristalización, fusión, polimerización y reacciones catalíticas.

RESULTADOS 

A partir de las T° de transformación, medias por el DSC, se logro construir el siguiente grafico que describe el efecto de temperatura de recocido en la transformación de temperatura.



El recocido es el tratamiento térmico que, en general, tiene como finalidad principal el ablandar el acero u otros metales, regenerar la estructura de aceros sobrecalentados o simplemente eliminar las tensiones internas que siguen a un trabajo en frío.) Esto es, eliminar los esfuerzos residuales producidos durante el trabajo en frío sin afectar las propiedades mecánicas de la pieza finalizada, o puede utilizarse el recocido para eliminar por completo el endurecimiento por deformación.

 En el siguiente grafico recalcaremos que solo en

T° entre 700 K y 840 K se detectaron transformaciones martensitica, en T° mayors a 840 K se detecto solo una y en T° menores a 700 K no se pudo detectar dentro de la sensibilidad de la medición del DSC.

RESULTADOS  Ademas se puede apreciar el efecto de la histéresis

termico entre las transformaciones directas e inversas  El siguiente grafico muestran las mediciones de histéresis

térmica durante la operación y bajo un ciclo de estrés  La histéresis es la tendencia de un material a

conservar una de sus propiedades, en ausencia del estímulo que la ha generado. Podemos encontrar diferentes manifestaciones de este fenómeno.

 Podemos ver en la imagen la curva de histéresis

DISCUSIÓN

 La gran discusión es que los resultado actuales

muestran que el comportamiento de transformación del NiTi depende de la temperatura de recocido. Done el comportamiento de transformación en muestras en recocido a temperaturas mas bajas se asocian con alta densidad de dislocación y la micro deformación estructural.

DISCUSIÓN Efecto de la temperatura de recocido en la transformación

En este grafico se aprecian 3 regiones las cuales serán se suma importancia para la discusión  Y la región mas importante es la II ya

que es donde se midieron temperaturas de transformación.

 Ya que en la región 1 no se pudo

detectar transformación martensitica

Región I

Región II

Región III

DISCUSIÓN Diagrama esquemático de curvas de energía libre

 Bueno este diagrama muestra las curvas de energía libre

para el padre, martensitica y fase R.  Donde las curvas para el padre y fase R corresponde a la

reversible.Y las curvas de energía libre para martensitica se desplaza con respecto a la curva reversible de energía para transformaciones directas e indirectas.  Y podemos ver que la G es la energía libre de Gibbs, y

esta estudia la variación de esta energía y combina la entropía y entalpia

Martensitica

Fase R

Padre

DISCUSIÓN Usando las ecuaciones (1), (2), (8) y (10) el elástico y los parámetros de energía irreversible en la Región II pueden ser expresados como:

DISCUSIÓN  Donde las ecuaciones (14) y (16) dan lo irreversible y elástico de energías del padre hipotético a transformación

martensitica en la región II

DISCUSIÓN  Usando las ecuaciones (4) – (7) y (11) – (16) se muestra en función del tratamiento térmico, en la figura

siguiente donde los valores de los cambios de entalpia y temperatura de equilibrio de transformación martensitica y transformaciones R son :

DISCUSIÓN

 Tanto

Y

Aumenta al disminuir Ta en la región II .

 Este aumento puede interpretarse como la

consecuencia del aumenta de la dislocación campos de densidad, tensión de flujo y tensión interna con disminución en Ta, oponiéndose a la nucleación de la dase martensitica y la propagación de la martensita

Efecto de la temperatura de recocido sobre elástico y energías irreversibles

DISCUSIÓN En estos gráficos se ve el efecto de la temperatura sobre energía libre de enfriamiento transformación. donde usando las ecuaciones (1), (2), (8) y (9) se trazan como funciones de temperatura en los gráficos

calentamiento.

Donde el valor de

se mantuvo casi constante en la región II.

DISCUSIÓN  Con respecto a la discusión de la transformación martensitica, se tomaron en cuenta diferentes conceptos y cambios

tanto de la temperatura como entropía, entalpia, temperatura y cambios de energía. lo cual genero un gran debate de como reacciona esta transformación a diferentes cambios de los parámetros termodinámicos para así atreves de la experimentación encontrar la transformación martensitica mas eficiente con respecto a sus propiedades

Recalcaremos que nosotros como ingenieros ocupamos la termodinámica para calcular flujos de energía entre un sistema en evolución, y su entorno. Además de definir las propiedades del sistema, en estado de equilibrio.

Equilibrio

Rendimiento

Termodinámica

Espontaneidad

Estabilidad

RESULTADOS  Los resultados actuales muestran

que la transformación y el comportamiento en NiTi dependen de la T° del recocido para el titanio que es menos de 840 K y queda demostrado que esta T° corresponde a la temperatura de recristalización en esta aleación y es evidente que el cambio de comportamiento de transformación en muestras recocido a T° mas bajas se asocia con la alta densidad de dislocacion y el micro deformado estructural.

CONCLUSIONES

CONCLUSIONES

CONCLUSIONES Se han identificado muchas aleaciones que presentan el efecto memoria de forma . Podemos observar las características principales de las aleaciones más conocidas en la tabla las aleaciones de NiTi las que mejor comportamiento presentan en este aspecto . Sin embargo las aleaciones NiTi tienen el inconveniente de ser mucho más caras, difíciles de fabricar y maquinar.

APLICACIONES 

Sistemas de aproximación de huesos para reparar fracturas



Materiales superelásticos (instrumentos médicos)



Termostatos y válvulas de control



Uniones en canalizaciones de submarinos y conducciones submarinas



Actuadores mecánicos



En Odontología tanto en endodoncia los instrumentos permiten mayor control en conductos radiculares curvos, como en Ortodoncia los arcos que recuperan la forma de arcada al calentarse en la cavidad oral.

Entre otros como el usos incluyen marcos de lentes, palos de golf, termostatos para recipientes de café, conectores eléctricos, pantallas solares, abrazaderas.

APLICACIONES Y una de las mas importantes en nuestra área es para elementos vibratorios estructurales para disminuir el efecto de los terremotos.  Amortiguadores metálicos de fluencia: Uno de los

mecanismos efectivos para la disipación de energía introducida a una estructura por un sismo es mediante la deformación inelástica de metales. Muchos de estos dispositivos usan placas de acero blando, pero otros materiales, como plomo y materiales con memoria de forma, también han sido evaluados por investigadores con resultados prometedores.

REFERENCIAS  K. Gall, and H. Sehitoglu, “The role of texture in tension-compression asymmetry in polycrystalline NiTi”.

International Journal of Plasticity. Nº 15 p 69-92, 1999.  Edwar A. Torres-López1, Juan J. Arbeláez-Toro2 y Diego A. Hincapié-Zuluaga “Teoría cristalográfica de la

transformación martensítica”  Yinong Liu, P. G. McCormick “thermodynamic analysis of the martensitic transformation in niti--i. effect of heat

treatment on transformation behaviour ”. Año 1993  Daniel Gomez, Johanni Marulanda, Petter Thomsin “sistemas de control para la protección de estructuras civiles

sometidas a cargas dinámicas ” año 2007