Resumen de Fundamentos de las aleaciones con memoria de forma como material en ingeniería estructural

Antoni Cladera Bohigas, Benito Mas Gracia, Eva Oller Ibars, Carlos Rodrigo Ribas González

• español

  Las aleaciones con memoria de forma (AMF) han estado en el primer plano de la investigación durante varias décadas. Desde su descubrimiento han sido utilizadas en una amplia variedad de sectores como el aeroespacial, automovilístico, biomédico, etc.

  Las AMF forman parte de los denominados materiales activos, éstos tienen la capacidad de mostrar una respuesta mecánica al ser sometidos a una activación de tipo no mecánico, por ejemplo térmica o magnética. El primer hallazgo de una AMF correspondió a Chang y Read, que observaron una transformación de fase reversible en una aleación Oro-Cadmio. En 1962, Buechler et al. descubrieron el efecto de memoria de forma en una aleación de Níquel-Titanio. El elevado coste de las actuales AMF supone un inconveniente para su aplicación en sectores como la construcción. Investigaciones recientes han conseguido AMF en base hierro, hecho que contribuirá a disminuir el precio y a hacerlas más competitivos.

  A nivel de ingeniería estructural, las propiedades clave de las AMF son: el efecto memoria de forma, la superelasticidad y la amortiguación. El efecto memoria de forma se refiere al fenómeno por el que las AMF son capaces de regresar a una forma predefinida tras su calentamiento. La superelasticidad es el fenómeno por el que las AMF son capaces de experimentar elevadas deformaciones inelásticas y volver a la forma original en el momento de descarga. La tercera propiedad se debe a la capacidad de convertir energía mecánica en energía térmica, posibilitando la reducción de movimientos o vibraciones de una estructura. Este comportamiento deriva de la transformación de fase reversible que experimentan las AMF, conocida como transformación martensítica, ésta es una transformación de estado sólido displaciva y no difusiva, en que los átomos se mueven cooperativamente, y normalmente va acompañada de esfuerzos de cizalla que deforman la red homogéneamente, dando lugar a un cambio de estructura cristalina, así como de volumen asociado.

  La transformación martensítica puede producirse por cambios de temperatura (figura 1) o inducida por la acción de esfuerzos (figura 2). En el primer caso, se desarrolla en un intervalo de temperaturas. La transformación directa se produce al enfriar la fase austenita (alta simetría y estable a alta temperatura), hasta la aparición de la fase martensita (baja simetría y estable a baja temperatura). El diagrama tensión-deformación de una AMF será diferente en función de si el material se encuentra en fase austenita o martensita, siendo altamente dependiente de la temperatura (figura 2).

• English

  Shape memory alloys (SMA) have been in the forefront of research for the last several decades. Since their discovery SMAs have been used for a wide variety of applications including aerospace, automotive, biomedical, etc. The SMAs are part of so-called active materials, they have the ability to exhibit a mechanical response when subjected to a non-mechanical input, for example thermal or magnetic. The first finding of a SMA was reported by Chang and Read, who observed a reversible phase transformation in a Gold-Cadmium alloy. In 1962, Buechler et al. discovered the shape memory effect of a nickel-titanium alloy. The high cost of SMAs is a drawback for their application in the construction field. Recent research has focused on iron based shape memory alloys that will contribute to lowering the price and making them much more competitive.

  In structural engineering, the key properties of the SMA are the shape memory effect, superelasticity and damping. The shape memory refers to the phenomenon whereby SMAs are capable of returning to a predefined shape upon heating. The superelasticity is the phenomenon whereby SMAs may be able to undergo high inelastic deformations and return to the original shape at the time of unloading. The third property is due to the capacity to convert mechanical energy into thermal energy and, thereby, to the possibility of reducing movements or vibrations of a structure. This behavior is the result of the reversible phase transformation SMAs undergo, the so-called martensitic transformation, a diffusionless, solid state displacive transformation in which the atoms move cooperatively, and is normally accompanied by shear stresses that deform the structure homogeneously and which give rise to a change in crystal structure, as well as associated volume.

  The martensitic transformation can be produced by changes in temperature (figure 1) or by the action of stresses (figure 2). In the former case, the martensitic transformation takes place within an interval of temperatures. The forward transformation, is induced upon cooling the austenite phase (high symmetry and stable at high temperatures), and consists of the appearance of the martensite phase (low symmetry and stable at low temperatures). The stress-strain diagram of SMAs will be different depending on whether the material is in the austenite or martensite phase, being highly dependent on temperature (figure 2).