MATERIALES CON MEMORIA DE FORMA

1.-Introducción.

Los materiales inteligentes son aquellos que pueden detectar un estimulo externo (como por ejemplo, deformación, cambio de temperatura, campo magnético, etc.) y sufren un cambio de algún tipo.

Las aleaciones con memoria de forma constituyen una familia de materiales inteligentes pasivos, ya que se limitan a detectar un cambio en el esfuerzo o en la temperatura.

Las aleaciones con memoria de forma también despliegan un comportamiento superelástico. Es posible obtener deformaciones recuperables hasta de un 10%. Esta es la razón por la cual las aleaciones con memoria de forma han tenido tanto éxito en aplicaciones como alambre para ortodoncia, armazones para anteojos y antenas para teléfonos celulares. En esas aplicaciones se aprovecha el efecto superelástico (no el efecto de memoria de forma). [1]

2.- Objetivo.

Identificar las principales aleaciones con memoria de forma, sus propiedades y el mecanismo que gobierna el comportamiento de dichos materiales, así como sus nuevos usos en las diferentes áreas.

3.- Justificación.

Los materiales con memoria de forma poseen la capacidad de recuperar su forma inicial una vez que han sido deformados. Utilizando una energía de activación que puede ser por medio de calor, luz, campo magnético y corriente eléctrica.

Conocer las ventajas de los materiales inteligentes así como limitaciones y razones por las cuales en la industria su uso es limitado, llevaría a un mayor empleo de estos materiales en la industria.

Algunas razones para usar estos materiales son: soportan un peso mayor al que poseen, pueden hacerse estructuras mas ligeras ya que estos materiales pueden sustituir algunas piezas que son movidas por motores y en lugar de motores estas serian controladas por corriente eléctrica, así la maquinaria al ser mas pequeña puede ser instalada en espacios mas pequeños garantizando un ahorro de energía.

4.- Alcance.

La ambición de este proyecto de investigación se enfoca principalmente a un estudio bibliográfico de diferentes fuentes (artículos, tesis, investigaciones, etc.) teniendo como propósito contribuir a la divulgación científica de nuevas e interesantes aplicaciones en el campo de la ingeniería.

5.-Cronograma de actividades.

6.- Marco teórico.

6.1.- Historia.

Los primeros descubrimientos de materiales de forma se originaron alrededor de 1930. Cuando A. Ölander descubrió el efecto superelastico en una aleación Au-Cd en 1932, y tiempo mas tarde Greninger y Mooradian observaron la aparición y desaparición de la fase martensitica a medida que crecía y decrecía la temperatura en una aleación Cu-Zn. Una década mas tarde fueron explicados extensamente los fundamentos del efecto de memoria gobernado por el comportamiento termoelastico de la martensita, sin embargo fue en 1962 cuando se realizo el descubrimiento mas importante cuando Buehler y sus colaboradores en el naval ordnance laboratory (ahora Naval surface warfare center) desarrollaron una aleación de Níquel y Titanio (NiTi) con un efecto de memoria de forma aun mas acusado que el de Au-Cd y se le llamo Nitinol(Níquel Titanium Naval Ordnance Laboratory). Este descubrimiento ayudo a la investigación de nuevas aleaciones con memoria de forma así como al estudio de su comportamiento mecánico y sus posibles aplicaciones, pero pese a todos los avances que se han llevado acabo el Nitinol sigue siendo la aleación mas comercial y mas extendida gracias a su buena estabilidad al ciclado, biocompatibilidad, resistencia a la corrosión y capacidad de recuperar grandes deformaciones. [2][4]

6.2.- Descripción general.

Las aleaciones de memoria de forma son capaces de recordar su tamaño y forma originales después de haber sufrido un proceso de deformación siendo incluso capaces de volver a dicha configuración inicial a una temperatura determinada. El fundamento físico de su funcionamiento se basa en que la aleación presenta diferente estructuras a escala atómica a baja y altas temperaturas.

El Nitinol se caracteriza porque sufre una transformación de fase a una determinada temperatura. Durante esta transformación la estructura de la aleación cambia de austenita a martensita. Esta transformación va acompañada directamente de un cambio de volumen y forma del componente. Además, si el material ha sido apropiadamente diseñado la transformación puede ser completamente reversible y reproducible. Aunque la transformación es extremadamente rápida la frecuencia del sistema está limitada por las constantes de tiempo asociada al proceso térmico. Sin embargo si la aleación de forma es usada en forma de cables delgados los tiempos de respuesta pueden ser mejorados. Dado que la aleación de forma tiene una elevada conductividad eléctrica y los cables presentan pequeña sección transversal permiten que la disipación eléctrica se emplee para calentar la aleación y producir la transformación de fase al hacer pasar una corriente eléctrica. [5]

Las aleaciones con memoria de forma constituyen una familia de materiales inteligentes pasivos, ya que se limitan a detectar un cambio en el esfuerzo o en la temperatura.

Las aleaciones con memoria de forma también despliegan un comportamiento supérelas tico. Es posible obtener deformaciones recuperables hasta de un 10%. Esta es la razón por la cual las aleaciones con memoria de forma han tenido tanto éxito en aplicaciones como alambre para ortodoncia, armazones para anteojos, varillas para sostenes y antenas para teléfonos celulares. En esas aplicaciones aprovechamos el efecto supérelastico. [1]

6.3.- Aleaciones con memoria de forma.

Las aleaciones con memoria de forma más conocidas hasta ahora, son las de Ni-Ti (que fueron descubiertas de modo casual y desarrolladas aproximadamente hacia 1962-1963 por el Naval Ordnance Laboratory), cuyo nombre comercial es Nitinol, y de las que se derivan aleaciones del tipo: Ni-Ti-X (siendo el elemento ternario X=Al, Fe, Cu, Pd, Zr, Hf, etc.). Y, por otro lado las basadas en Cu: Cu-Zn-Al y Cu-Al-Ni (ternarias), y/o sus variantes cuaternarias (incluyendo Mn, que disminuye las temperaturas de transformación en ambos casos y desplaza el eutectoide a contenidos en Al más elevados). A menudo, el Mn sustituye incluso al Al, con el fin de mejorar la ductilidad. También pueden añadirse a estas últimas elementos como B, Co, Fe, Ti o V para refinar el grano.

Por tanto, las más utilizadas en la actualidad, son las pertenecientes a la familia Ni-Ti y las de base Cu, siendo las primeras las que presentan mayores ventajas en lo que a propiedades mecánicas, ductilidad, estabilidad térmica, resistencia a la corrosión y biocompatibilidad se refiere. Sin embargo, son las basadas en Cu las que resultan menos costosas y poseen a la vez un mayor rango de temperaturas en el que se puede dar potencialmente la transformación.

Los SMA (“Shape Memory Alloy”) son aleaciones metálicas que después de una deformación aparentemente plástica vuelven a su forma original al aplicarles un calentamiento, un impulso eléctrico o ciertas reacciones químicas. Los materiales con memoria de forma pueden clasificarse como:

-Aleaciones con Memoria de Forma (Shape Memory Alloys, SMAs):

Estos son los más abundantes. El material mas importante dentro de las aleaciones es el Nitinol (Ni-Ti), pero existen otros como Cu-Al- Zn o Cu - Al - Ni.

-Cerámicas con Memoria de Forma (Shape Memory Ceramics, SMCs):

El caso de las cerámicas es también importante aunque no tan desarrollado como el de las aleaciones. En este caso es el ZrO2 el material más importante, englobando la mayoría de las cerámicas tenaces con memoria de forma.

-Polímeros con Memoria de Forma (Shape Memory Polymers, SMPs):

Se pueden clasificar como Termosensibles y fotosensibles, Uno de los polímeros con memoria de forma más importante es el polietileno. El polietileno puede incluso formar una red tridimensional cuando éste es sometido a una reacción covalente de vulcanizado (cross-linking, en inglés).

El resultado es un polímero con efecto de memoria consistente en que el material posee una forma estable o permanente y a cierta temperatura, conocida como temperatura de obturación, puede obtener una forma temporal a la que se accede simplemente calentando el polímero.

-Aleaciones Ferromagnéticas con Memoria de Forma (Ferromagnetic Shape Memory Alloys, FSMAs):

Las aleaciones ferromagnéticas tienen un comportamiento similar al de las aleaciones metálicas, pero el estímulo al que responden es el campo magnético en lugar de la temperatura. Experimentan grandes cambios en tamaño y forma bajo un campo magnético aplicado. Entre las aplicaciones podemos encontrar actuadores accionados con campos magnéticos. Es un campo que se está estudiando actualmente, por lo que en un futuro encontraremos apasionantes aplicaciones de estos materiales. Las aleaciones descubiertas se componen principalmente por Ni2MnGa la cual es la mas estudiada hasta el momento, ya que es la mas prometedora, hay mas aleaciones pero mas limitadas y no tan notables, por ejemplo se ha observado el efecto de memoria de forma ferromagnética en películas delgadas monocristalinas de Co-Ni-Al, Co2NiGa, Ni2CoGa y Co2MnGa. [2]

A continuación se muestra en un grafico la composición química y propiedades de algunas aleaciones:

Aleación Composición Rango de temperaturas(°C) Histéresis(°C)

Ag-Cd 44-49% Cd -190-50 15

Au-Cd 46.5-50% Cd 30100 15

Cu-Al-Ni 14-14.5% Al, 3-4.5Wt% Ni -140100 35

Cu-Sn 15% Sn -12030

Cu-Zn 38.5-41.5Wt% Zn -180-10 10

In-Ti 18-23% Ti 60100 4

Ni-Al 36-38% Ti -180100 10

Ni-Ti 49-51% Ni -50110 30

Fe-Pt 25% Pt -130 4

Mn-Cu 5-35% Cu -250180 24

Fe-Mn-Si 32Wt% Mn, 6Wt% Si -200150 100

Tabla 1: Propiedades de Algunas Aleaciones Inteligentes [4]

De igual manera podemos clasificar las aleaciones con memoria de forma en la forma que sigue:

Tabla 2: Clasificación materiales con memoria inteligente férricos y no férricos [6]

6.3.1.- Limitaciones de los materiales con memoria de forma.

Según Van Humbeeck, la causa de que las aplicaciones de las propiedades de estas aleaciones no hayan sido tan intensas como debería esperarse es debido a diferentes razones. En primer lugar porque durante muchos tiempo se ha solapado el desarrollo de estas aleaciones con la introducción en el mercado y por tanto los precios eran muy altos para cubrir esos gastos. En segundo lugar porque se pretendía sustituir a otros elementos y dado el precio de las SMA, esto suele ser un inconveniente. Otro factor a considerar es que no ha habido gran cooperación entre el marketing de esas aleaciones con los productores. Este último factor cada vez se va resolviendo mejor. Es difícil también promocionar el producto si no se tiene claro a quien se debe promocionar. En general, los potenciales usuarios de estas aleaciones las desconocen, con lo que han de confiar completamente en los productores de las SMA y esto no siempre es fácil. Según Van Humbeeck se esta haciendo un verdadero esfuerzo en este campo para dar a conocer cada vez mas estos materiales a ingenieros y diseñadores, con lo que este problema ira desapareciendo. [4]

6.3.2.- Riesgos ambientales.

Los Materiales inteligentes y los sistemas son enormemente variados y son aplicados en una amplia gama de campos. Es difícil hacer generalizaciones acerca de su impacto ambiental, ya que depende de los materiales y aplicaciones. Sin embargo, el reciclado no es un problema que la mayoría de los investigadores están abordando. Ellos creen que los materiales inteligentes son demasiado temprano en su desarrollo o utilizados en cantidades tan pequeñas que todavía no es un problema. No obstante, la integración de muchísima inteligencia y multifuncionalidad en general, hace que los productos sean intrínsecamente más complejos y más difíciles de reciclar. [3]

6.4.- La Transformación martensitica.

6.4.1.- Transformación martensítica desde la perspectiva microscópica.

La transformación de estado de los sólidos son de dos tipos: de difusión y de desplazamiento. Las transformaciones por difusión son aquellas en las que solo se puede formar una nueva fase moviendo átomos aleatoriamente a distancias relativamente grandes. Se requiere un amplio rango de difusión por que la nueva fase es de diferente composición química que la matriz de la que se forma.

Dado que se requiere una migración atómica, la evolución de este tipo de transformación depende del tiempo y la temperatura. Sin embargo, las transformaciones por desplazamiento no requieren un amplio rango de movimientos y en este caso los átomos se reordenan para llegar a una nueva estructura cristalina más estable pero sin cambiar la naturaleza química de la matriz. Son independientes del tiempo y el movimiento de la interfase entre las dos fases es muy rápido, estando limitado solo por la velocidad del sonido. Se suelen llamar transformaciones atérmicas dado que la cantidad de nueva fase creada usualmente depende solo de la temperatura y no de la cantidad de tiempo a esta temperatura. Las transformaciones martensiticas son usualmente de este segundo tipo y se forman enfriando desde una fase a alta temperatura llamada fase madre o austenita.

Estas son transformaciones independientes de la difusión, que se produce de modo instantáneo y manteniendo una relación de orientación entre la fase madre y la martensitica. Originalmente los términos de martensita y austenita se referían solo a fase de aceros, sin embargo se ha extendido este término refiriéndose no solo al material sino al tipo de transformación. Además estas son transformaciones de primer orden en el sentido de que se libera calor en su formación, hay una histéresis asociada a esta transformación y hay un rango de temperatura en el que coexisten austenita y martensita. Resumiendo las cualidades de la fase martensitica podemos darnos cuenta que se forma enfriando. [4]

6.4.2.- Transformación martensítica desde el punto de vista cristalográfico.

La transformación de austenita a martensita puede explicarse en dos partes:

1.- Deformación de la red cristalina:

Consiste en todos los movimientos atómicos necesarios para producir la nueva estructura a partir de la antigua. Conforme la interfase avanza cada capa de átomos es desplazada una pequeña distancia, no se rompen ni forman enlaces. Este resultado de estos movimientos coordinados es la nueva estructura martensítica.

Figura 1: Se muestra esquemáticamente en dos dimensiones, la transformación de austenita a martensita. (a) Siendo completamente austenita, (d) completamente martensita. [4][2]

2.- Cizalladura invariante de la red:

Es un paso de acomodación. La estructura martensítica producida por el paso anterior es de diferente forma, y frecuentemente volumen, que la austenita circundante. La forma de la nueva fase y la austenita circundante deben ser alteradas para acomodarse a la nueva estructura. Esto se realiza mediante dos mecanismos:

-Deslizamiento: proceso permanente común en la mayoría de las martensíticas. Se rompen y forman enlaces.

-Defectos de maclado: acomoda cambios de forma en un modo reversible. Los enlaces permanecen intactos.

Figura 2: Los dos mecanismos de acomodación de la transformación martensitica. [4][2]

Figura 3: Representación grafica de la acomodación por deslizamiento y por maclado. [4][2]

El proceso de maclado para la acomodación juega un importante papel en el efecto de memoria de forma.

Figura 4: Visualización de la frontera de Maclado. [4][2]

La frontera de maclado es un plano especular. Los átomos situados en la frontera ven el mismo número y tipo de enlaces en ambas direcciones. Estas fronteras tienen una energía muy baja y son bastante móviles. La estabilidad de a fase martensítica no se ve muy afectada por el número o la localización de esas fronteras. En el siguiente ejemplo vemos que el resultado de mover una frontera de maclado es convertir una orientación o variante en otra. Esta variante será elegida como la más favorablemente orientada a la tensión aplicada.

En el caso ideal una sola variante de martensita puede producirse tensionando una cantidad suficiente. Este proceso (la condensación de muchas variantes de maclado en una única variante favorable) se llama demaclado.

Para que la memoria de forma ocurra de un modo significativo, se requiere que la acomodación sea completamente reversible, es decir, que el maclado debe ser el proceso de acomodación predominante.

En las figuras anteriores no se han distinguido diferentes tipos de átomos, pero en una aleación se presentan varias especies de átomos. Se ha de considerar entonces como se distribuyen esos átomos en los espacios de la red cristalina. En el acero los átomos están desordenados, es decir, los diferentes elementos se distribuyen aleatoriamente en los espacios de la red. En Ni-Ti, sin embargo, los átomos están ordenados, significando que los átomos de Ni y Ti se encuentran en sitios muy específicos. Durante la transformación Martensitica, la martensita adquiere la misma ordenación que la austenita y a esto se le llama Ordenación heredada.

Hay que hacer notar que la estructura mostrada en la siguiente figuras 5(a) y 5(b) tienen una simetría centrada en el cuerpo(la figura 5a es de hecho una cúbica centrada en el cuerpo BCC, mientras que la 5b no es técnicamente BCC, pero se llama estructura B2 o estructura CsC1). Las aleaciones con memoria de forma se basan Generalmente en una simetría BCC, algunas en la estructura BCC, mas frecuentemente en la estructura B2 y algunas con una ordenación aun más compleja llamada DO3, también basada en la simetría BCC (Figura 5c). Es muy interesante hacer notar que la progresión de BCC o B2 a la simple D03 presenta la necesidad de que los diferentes átomos permanezcan separados unos de los otros. [4][2]

Figura 5: Estructuras ordenadas y desordenadas que se encuentran comúnmente en los SMA. (a) estructura desordenada BCC, donde los diferentes átomos se han distribuido aleatoriamente. (b) estructura B2 encontrada en Ni-Ti, donde los distintos átomos están situados en la red de modo que consiguen separarse entre ellos lo máximo posible. Aunque tanto la 5(a) como la 5(b) parecen estructuras centradas en el cuerpo, la 5(b) no lo es, pues los átomos de las esquinas son de diferente naturaleza que el átomo del centro. 5(c) Estructura aun mas ordenada llamada DO3 encontrada en Cu-Al-Ni. [4]

6.4.3.- Transformación martensítica desde la perspectiva macroscópica.

Desde un punto de vista macroscópico prácticamente todas las propiedades físicas de la austenita y martensita son diferentes, y por ello a medida que atravesamos el punto de transformación mediante una variación de las temperaturas, aparece una gran variedad de cambios en las propiedades significativas. Cualquiera de ellos puede usarse para seguir el proceso de la transformación, como se muestra a en la figura 6. Las temperaturas Ms, Mf, As y Af que se muestran en el grafico se refieren a las temperaturas a las cuales la transformación martensitica comienza y acaba, y la temperatura a la cual la transformación autenitica comienza y acaba.

En el proceso de enfriamiento la primera de esas temperaturas es la temperatura de inicio de la transformación martensitica (Ms). A partir de la cual se empieza a formar martensita por temperatura. Esta transformación termina a medida que decrece la temperatura a una temperatura Mf (Temperatura final de la transformación martensitica).

La formación de la fase austenitica comienza a medida que la aleación, en el proceso de calentamiento alcanza la temperatura As, se comienza a formar entonces una estructura cristalina cúbica centrada en las caras, rígida y dura que se termina a formar alrededor de Af. Cuando el elemento se calienta más allá de Af la deformación se recupera completamente obteniendo el efecto de memoria de forma. En la figura 6 también se hace evidente que los procesos de transformación de austenita a martensita y viceversa, siguen diferentes caminos como consecuencia de la histéresis de la transformación.

Microscópicamente, esta histéresis se puede asociar al rozamiento debido al movimiento de las fronteras relativas de maclado de la martensita y se suele caracterizar por el ancho de la histéresis o diferencia entre el pico de martensita (Mp) y el pico de austenita (Ap) los cuales se definen como aquella temperatura donde el 50% del material ya se ha transformado. La magnitud de la histéresis depende de la aleación, pero normalmente son típicos los rangos de valores entre 20-40°C para materiales con memoria de forma.

Existen muchas propiedades de los SMA que varían con la transformación martensitica, pero una de las que cambia de modo mas significativo es el límite elástico. La estructura martensitica puede deformarse moviendo fronteras de maclado, que son bastantes móviles, por ello, el limite elástico es mucho mas bajo que el de la austenita, que debe deformarse por generación de dislocaciones y movimiento. Solo una cierta cantidad de deformación martensitica puede ser acomodada por este proceso de movimiento de maclado y una vez excedido, el material se deformara de nuevo elásticamente y eventualmente cederá por segunda vez, esta vez de modo irreversible (Movimiento de dislocación). Este inusual comportamiento a tensión puede observarse en la figura 7 para una aleación Níquel-Titanio equiatomica de la casa Euroflex SME495 ensayada a tracción en el laboratorio hasta la rotura. La meseta de tensión que se aprecia en el grafico, esta relacionada con la histéresis térmica que a su vez esta controlada por la tensión de fricción de las fronteras de maclado. [4]

Figura 6: Representación hipotética de los cambios en las propiedades vs. Temperatura en una transformación martensitica de una aleación con memoria de forma. [4]

Figura 7: Curva, tensión, deformación para la aleación SME495 ensayada a tracción hasta rotura, Muestra el comportamiento típico de un material martensitico maclado con dos regiones elásticas distintas y dos mestas de plasticidad. La primera debida al movimiento de maclado y la segunda al de deslizamiento. [4]

6.4.4.- Origen de la memoria de forma.

La martensita es una fase menos ordenada que la austenita, debido a esto hay muchas formas de formar martensita a partir de la austenita, pero solo un camino de volver a la estructura austenitica. La martensita se forma a partir de la austenita, inicialmente se enfría y se deforma por debajo de Mf y luego se calienta por encima de Af para producir la recuperación de la forma. Esto es, el efecto de la memoria de forma causada por el calentamiento.

Descripción microscópica del proceso de memoria de forma causada por el calentamiento

Figura 8: Descripción microscópica del proceso de memoria de forma: la austenita(a) es enfriada para formar martensita maclada (b) sin sufrir cambio en la forma. Posteriormente se deforma moviendo las fronteras de maclado(c). Calentando tanto el estabo (b) como (c), se volverá a la estructura y forma original austenitica. [4][2]

Enfriando desde austenita (figura 8 (a)), se forman las variantes de martensita auto acomodadas (figura 8 (b)). Las fronteras de maclado migran durante la deformación, dando lugar a una distribución preferente de las variantes de martensita (o en el caso de la figura 8 (c), una única variante.). Sin importar la distribución de las variantes de martensita, solo hay una posible estructura reversible (figura 8 (a)), y con la reversión a austenita debe volver a la forma original. Por ello, la acomodación de forma debida a los movimientos de la frontera de maclado puede realizarse solamente por una estructura martensitica menos simétrica y cuando la austenita, de estructura mas simétrica reaparece, la deformación por demaclado debe también desaparecer.

De forma Macroscópica el efecto de memoria de forma también puede describirse esquemáticamente en la figura 9. No hay cambio en la forma de un elemento enfriado desde por encima de Af a por debajo de Mf. Cuando el elemento es deformado por debajo de Mf permanece con esa deformación hasta que se calienta. La recuperación de la forma comienza en As y es completada en Af. En el punto de inflexión entre As y Af, cerca del 50% de la forma original ya esta recuperada.

Una vez que la forma se ha recuperado en Af, no hay más cambios en la forma cuando el elemento es enfriado hasta por debajo de Mf y la memoria de forma puede solo ser reactivada deformando la martensita otra vez. En otras palabras el efecto memoria de forma ocurre solo una vez y por eso se suele llamar memoria de forma simple, en contraste con el doble efecto memoria de forma, que se describirá mas tarde. Las deformaciones de recuperación son del orden del 7% en las aleaciones SMA, aunque algunas llegan al 10%. [4]

Figura 9: Esquema del efecto memoria de forma. [4]

6.4.5.- Martensita inducida por tensión: Superelasticidad.

También hay otro tipo de memoria de forma que es independiente de la temperatura; la superelasticidad. La creación de martensita es un proceso termoelástico, es decir, si la diferencia de temperatura entre Ms y Mf disminuye se produce un pequeño crecimiento de las láminas de martensita existentes y la nucleación de algunas nuevas.

Cuando la diferencias entre las temperaturas Ms y Mf aumenta, las nuevas láminas de nucleación desaparecen y las que crecieron durante el enfriamiento, disminuyen su tamaño. Por lo tanto llegamos a la conclusión de que existe una relación entre la temperatura y la tensión: un decrecimiento en la temperatura es equivalente a un crecimiento de la tensión, ambas estabilizando la martensita. La martensita es también cristalográficamente reversible, lo cual significa que la reversión de una lámina en el calentamiento es justo la inversa del proceso de formación: la lámina sufre un cortante regresivo y luego desaparece.

Normalmente, en el enfriamiento la martensita puede formarse en Ms bajo ninguna tensión. Pero en el mismo material la martensita puede formarse por encima de Ms si se le aplica una tensión, y a la martensita así formada se le llama Martensita inducida por tensión (SIM). La fuerza Impulsora para la transformación es ahora mecánica y opuesta a la térmica.

Por encima de Ms la tensión requerida para producir SIM se incrementa al incrementar la temperatura, como se observa en la figura 10. De hecho la variación en la tensión necesaria para producir SIM incrementa linealmente con la temperatura por encima de Ms y si extrapolamos la tensión, esta disminuirá hasta cero para el valor Ms.

La variación lineal de la tensión para inducir martensita en función de la temperatura, obedece la ecuación de Clausisus-Clapeyron, expresada usualmente como dP/dT=∆H/∆V. Donde P es la presión, T es la temperatura, ∆H es el calor latente de transformación y ∆V el cambio de volumen en la transformación.

El incremento de dificultad para inducir martensita por tensión continúa incrementando con la temperatura hasta Md, por encima de la cual la tensión critica para inducir martensita es mayor que la necesaria para mover dislocaciones. Esto hace que Md sea la temperatura más alta a la cual es posible obtener martensita. Por ello el rango de temperaturas para SIM es desde Ms hasta Md.

Figura 10: Ensayo a tracción al 4.5% de deformación máxima para una aleación SMA Níquel-Titanio Equiatomica. Se puede observar como a medida que incrementa la temperatura, se incrementa la tensión necesaria para producir SIM. [4]

Para las aleaciones SMA más comunes, la concordancia con la ecuación de Clausisus-Clapeyron en la formación de SIM es bastante obvia. Más todavía, todas las temperaturas de transformación están afectadas por la tensión del mismo modo. Así generalizando la formula como ds/dT, obtenemos un importante descriptor de las aleaciones con memoria de forma llamado ratio de tensión o coeficiente de influencia de tensión.

Si representamos esto en un grafico tensión-temperatura (Figura 11(a)) se observa como las cuatro temperaturas de transformación cambian con el nivel de tensión, desplazándose hacia valores mas altos en proporción lineal con la tensión. La obtención de estas relaciones tensión-temperatura, denominado grafico tensión temperatura critico, será fundamental para las ecuaciones constitutivas macroscópicas y la obtención de sus parámetros observando la figura hay que destacar en primer lugar que, generalmente cuando se habla de temperaturas de transición, siempre se suelen dar a tensión cero, pero en muchos casos se omite el subíndice 0. También, pese a que en la figura se presentan las cuatro temperaturas con la misma pendiente, no es siempre así. Por ultimo, es conveniente decir que a veces se representa este grafico de la forma observada en la figura 11(b). Donde la relación entre la tensión y la temperatura para temperaturas inferiores a Ms, es una recta prácticamente paralela al eje de las temperaturas.

(a) (b)

Figura 11: Diferentes consideraciones para el diagrama crítico Tensión-Temperatura para la variación de las temperaturas de transformación con la tensión. [4]

Observando la figura anterior, la superelasticidad aparece cuando el material es deformado por encima de As, pero aun por debajo de Md. En este rango la Martensita puede hacerse estable con la aplicación de la tensión, pero se vuelve inestable otra vez cuando la tensión se elimina.

A continuación se muestran unas curvas tensión-deformación “superelastica” para una aleación SMA ideal a diferentes temperaturas.

Figura 12: Curva tensión-deformación para una SMA ideal. [4]

En este gráfico se representa el comportamiento de una SMA a diferentes temperaturas:

-La curva (a) representa un material normal que es tensionado hasta la rotura, la primera zona es elástica y la segunda es una zona plástica.

-La curva (b) es un ejemplo de material con memoria de forma, la tensión causa una gran deformación aparentemente plástica, que solo se puede recuperar al calentarla.

-La curva (c) es un ejemplo del fenómeno de superelasticidad la temperatura está por encima de Af, al aplicar tensión, y después de una extensa zona lineal elástica, aparece de nuevo una aparente deformación plástica. Si dejamos de ejercer tensión el material vuelve a recuperar la deformación sin necesidad de calentamiento

Generalmente se suele hablar de comportamiento pseudoelastico si la deformación recuperada en el calentamiento es parcial y comportamiento superelastico si esa deformación recuperada es total. La causa principal del comportamiento pseudoelastico es por que la transformación martensitica no es completamente reversible al descargar debido a la existencia de interacciones entre placas de martensita y limites de grano o bien entre placas de martensita que crecen en distintos planos habituales.

Estas interacciones producen deformación plástica localizada o lo que es lo mismo una martensita no fácilmente reversible que produce deformación permanente después de la descarga, sin embargo calentando por encima de Af se lleva a cabo la transformación inversa en toda su extensión, surgiendo así de nuevo el efecto de memoria de forma. [4]

6.4.6.- Efecto doble memoria de forma.

Es cuando la muestra es capaz de cambiar de forma sin tensión mecánica solo por acción de la temperatura.

Figura 13: La muestra comprimida se expande calentando, por encima de Af, pero se contrae espontáneamente cuando se vuelve a enfriar por debajo de Mf. La muestra se expande de nuevo cuando se calienta por encima de AF y se contrae de nuevo cuando se enfría por debajo de Mf, repitiéndose indefinidamente. [2]

El efecto de doble memoria de forma se logra haciendo muchas veces el ciclo de memoria simple. Para ello hay que “adiestrar” a la muestra limitando el numero de variantes de la martensita. Con este proceso se puede conseguir que el material recuerde sucesivamente y de forma cíclica tanto la forma caliente como la fría.

Existen dos tipos de procesos de adiestramientos;

-Proceso de adiestramiento activo: donde la martensita que se forma es solo por efecto térmico.

-Proceso de adiestramiento pasivo: es cuando durante este proceso se provoca la aparición de martensita inducida por tensión.

Proceso de adiestramiento activo:

Fase austenita (T>AF) ---EnfríaEstructura martensita (T

Esta última fase se deforma plásticamente hasta donde nos interese. Si se calienta vuelve a obtenerse fase austenita y se recupera la forma caliente inicial. Repitiendo este proceso varias veces el material queda adiestrado, de tal forma que al enfriar y calentar pase de la forma fría a la caliente sucesivamente. La deformación repetida sobre la estructura martensítica determina unas orientaciones preferentes que la fase austenita, en sus transformaciones sucesivas memorizará. Y al final la fase martensítica quedará determinada por una orientación preferente y por lo tanto por una forma fría prefijada.

Proceso de adiestramiento Pasivo I:

Fase austenita (T>AF) ---EnfríaEstructura Totalmente martensita (T

Esta última fase se deforma hasta la estructura fría final. Luego se calienta y se ejerce una tensión, obteniendo la fase β (austenita) con una martensítica inducida (SIM). Enfriando, calentando y aplicando las tensiones determinadas sobre la martensita y repitiendo estos procesos sucesivamente el material quedará adiestrado y se obtendrá una martensita orientada y con la forma que nos interese.

Proceso de adiestramiento Pasivo II:

Fase β o austenita (T>AF) Tensión Martensita inducida por tensión en la matriz de fase β.

Aumentando o disminuyendo la tensión obtendremos la fase β o la martensita, repitiendo este proceso de forma cíclica obtendremos martensita orientada.

Proceso de adiestramiento Pasivo III:

Fase β (T>AF) ---Tensión martensita inducida en una matriz de fase β

Si enfriamos y aplicamos tensión a la vez obtenemos una estructura totalmente martensítica. [2]

6.5.- Aleación con memoria de forma níquel titanio.

La aleación de Nitinol sigue siendo la mas versátil en cuanto a aplicaciones de ingeniería se trate, sobresaliendo por su mayor ductilidad, una notable resistencia a la corrosión, mayor capacidad de recuperación de deformaciones o movimientos, y sobre todo por su alta biocompatibilidad.

Demás aleaciones con memoria de forma, como lo son las de Cu-Al-Ni, Fe-Mn-Si, Cu-Sn, Fe-Pt, Au-Cd, etc., todas ellas son mecánicamente mas débiles y con limites de deformaciones recuperables mucho menores, no siendo biocompatibles. [4]

6.5.1.- Principales características.

Lo que hace atractiva a la aleación de Nitinol es:

a) su capacidad de recuperación reversible de deformaciones impuestas al material hasta de un 8.5 %.

b) su relación peso potencia. En el siguiente cuadro se pueden apreciar algunos ejemplos, de los cuales se deduce que el nitinol presenta la mayor relación de peso/potencia para cualquier material utilizado hasta ahora, convirtiéndolo como la mejor selección disponible cuando de actuadores con menos de 100 gramos de peso se trate.

Ejemplo:

Un actuador fabricado con un 55Ni-45Ti posee la tensión de actuación de 500 Mpa y genera una contracción de un 8.5 %, de manera que si tomamos un alambre de nitinol de 10 cm de longitud y con un diámetro de 150mm, su peso será de 11.4 miligramos. Dicho alambre tiene la capacidad de aplicar una fuerza de 8.8%N y contraerse 0.85 cm., de manera que el actuador puede alzar un objeto a casi un centímetro de altura, con un peso que es 78 veces mas que el suyo propio.

6.5.2.-Propiedades mecánicas de las aleaciones NiTi.

Como se ha mencionado, las aleaciones NiTi son capaces de sufrir deformaciones relativamente altas sin que sean permanentes alrededor del 8-10% son relativamente estables frente a las aplicaciones cíclicas, tienen una elevada resistividad eléctrica y son resistentes a la corrosión. Además, su rango moderado de solubilidad permite cambios en la composición de la aleación para combinarse con elementos ternarios tal como hemos mencionado anteriormente.

En la tabla 3 podemos comparar las propiedades de esta aleación con el acero inoxidable.

Tabla 3: comparación de la aleación NiTi con un acero inoxidable AISI316. A y M significan austenita y martensita respectivamente; f.a. se refiere al termino “totalmente recocido (fully annealed) y w.h trabajando en frío (work hardened)”. [4]

En las aleaciones NiTi es posible modificar sustancialmente las temperaturas de transformación (y por tanto comportamiento superelastico y de memoria de forma) mediante pequeñas variaciones en el contenido de TI/Ni, o bien, como hemos dicho sustituyendo cobalto por níquel. Es posible bajar la Af aumentando el contenido de níquel, al tiempo que aumentamos la resistencia a la cadencia de la austenita. Sin embargo, si se añade níquel por encima del 55,6 wt%, aparece una segunda fase estable (Ti-Ni3) y las propiedades del NiTi se pierden. Por ello, para evitarlo, se suele sustituir el níquel por el cobalto para bajar las temperaturas. Se ha de vigilar la adición de otros elementos como el carbón el oxigeno, pues cambiar o inhiben las temperaturas y las propiedades mecánicas, con lo que deben ser minimizados. Es por ello fundamental, cuando se trabaja con aleaciones comerciales, que se suministre el certificado de composición química indicando el contenido de estos elementos.

Un adecuado endurecimiento por trabajo que pueda reducir hasta el 50% y el consecuente tratamiento térmico puede mejorar notablemente la facilidad con la que se deforma la martensita, puede dar mayor resistencia a la austenita y puede crear el efecto memoria de forma. Por el contrario otras temperaturas y tiempos en el tratamiento térmico pueden conseguir el efecto contrario. Debido a la alta dependencia del Nitinol con la composición química y el procesado es necesario conocer el mecanismo de obtención de la aleación y sus tratamientos posteriores para ser vendida tal y como se presentan en el mercado, punto que trataremos a continuación.

Otra de las peculiaridades que pueden presentar las aleaciones de NiTi bajo determinadas condiciones, es la aparición de una transformación de fase intermedia denominada Transformación de fase R. Esta transformación (debida a una distorsión romboédrica de la celda unitaria cúbica austenitica) precede a la transformación martensitica y es típica en aleaciones termomecanicamente tratadas, aleaciones ricas en Ni, aleaciones envejecidas a una apropiada temperatura y en aleaciones ternarias como las NiTiFe y NiTiAl.

Dado que es una transformación de fase termoelastica, también puede dar lugar a un efecto memoria de forma y a una superelasticidad, sin embargo, la amplitud de su histéresis es mucho mas pequeña comparada con la transformación martensitica. Es por esto que, para aquellas aplicaciones donde se requiere un ancho de histéresis menor, interesa potenciar su aparición. [4]

6.5.3.-Fabricación de las aleaciones NiTi.

Para asegurar la calidad y consistencia de los materiales fabricados con Nitinol es importante conocer y entender los procesos seguidos para obtener este material y los efectos que tiene en las propiedades y formas finales.

En teoría todos los componentes fabricados con Nitinol (alambres, tubos, flejes, barras, laminas…) siguen los mismos pasos de fabricación. Primero se alean en vacío, se trabajan en caliente, se trabajan en frío y se tratan en caliente para conseguir las propiedades finales. Los procesos subsecuentes necesarios para cortar, formado en caliente, cortar por láser, soldar y tratamientos superficiales, se aplican para producir el elemento final.

Es muy importante recordar que las temperaturas de transición son altamente sensibles a la composición de la aleación: una variación de un 1% en la cantidad de cualquiera de los dos (Ni o Ti) puede cambiar 100ºC la temperatura de transformación. La familia de aleaciones típicas NiTi comerciales cubre un rango de temperaturas de transformación Af desde 100ºC hasta -50ºC. Por ello, en la fabricación se utiliza un DSC (calorímetro de escaneo diferencial) para asegurar la temperatura Af final que se garantiza en la venta. La presencia de impurezas también afecta a las temperaturas de transformación, algunas de ellas son depresoras de la transformación, disminuyendo dichas temperaturas y otras impurezas de lo contrario. Todo depende de los precipitados que formen dichas impurezas con los componentes mayoritarios (si enriquecen la proporción de Ni se disminuyen las temperaturas). Normalmente las impurezas se suelen evitar exceptuando aplicaciones especiales donde aportan determinadas ventajas.

Dado que las temperaturas de transformación son tan sensibles a la composición, el método de aleado ha de ser muy cuidadoso, cualquier contaminante significaría cambiar la aleación y probablemente desecharla. Es por ello que el método suele ser aquel en que los materiales aleados estén muy bien mezclados para asegurar homogeneidad y uniformidad. Se suele hacer en horno de vacío o atmosfera inerte. Los mas usados son Aleado en vacío por inducción (VIM) y realeado en vacío por arco (VAR). Con el VIM se asegura la homogeneidad y la uniformidad en las temperaturas de transformación con una precisión de 1-2ºC. El problema es que puede contaminarse de carbono debido al grafito utilizado en el horno. En el aleado por VAR se consigue la mayor pureza posible en la aleación. Sin embargo solo se alean pequeñas cantidades, con lo cual no se consiguen grandes lingotes homogéneos. Es por ello que se suele usar para refinar lingotes aleados con VIM.

Después del aleado, se ha de refinar la microestructura mediante una deformación adicional. La microestructura de la aleación recién obtenida tiene muy poca ductilidad y no presenta ni SME ni SE. Es por ello que se realiza un trabajado en caliente para modificar dicha microestructura. Dependiendo de la forma final el tratamiento puede ser distinto: extrusión, laminado en barra o lámina, forjado. Las temperaturas suelen ser entre 600ºC y 800ºC.

Para conseguir las propiedades mecánicas y físicas deseadas en la mayoría de las aplicaciones, es necesario realizar un trabajado en frío en varios pasos precedidos del trabajado en caliente. Con el trabajado en frío se obtiene la forma final, el acabado superficial final, una microestructura refinada y las propiedades mecánicas deseadas. El Nitinol se endurece por trabajado rápidamente, con el cual solo puede trabajar un 30-50% antes de volver a realizar otro tratamiento térmico de recocido completo (600-800ºC). Esto se suele repetir varias veces. Los más comunes son laminados en frío y extrusionado.

En muchas aplicaciones, el Nitinol todavía no presenta propiedades deseables en esta condición de trabajado en frío. Es por ello que requiere un tratamiento térmico final después del último trabajado en frío. Normalmente se realiza entre 450-550ºC. Muchos productos de Nitinol ya son vendidos con el tratamiento térmico realizado, aunque también se sirven sin el. Las propiedades finales de los elementos Nitinol dependen fuertemente de este tratamiento térmico final (cantidad de trabajado en frío temperatura y tiempo del tratamiento térmico). [4]

6.5.4.-Procesado final de las aleaciones NiTi.

Dado que las aleaciones SMA son aleaciones especiales, no pueden ser completamente descritas con las propiedades típicas de otras aleaciones comúnmente usadas. Las especificaciones de las aleaciones NiTi han de ser los suficientemente específicos como para cumplir los requisitos necesarios. Cuando se compra aleación NiTi a una causa comercial, es necesario especificar una serie de propiedades, entre las que están:

• Formas posibles: normalmente las casas comerciales dicen suministrar NiTi en forma de alambres, que son los más comunes; flejes, microtubos y láminas. Lamentablemente, normalmente solo es posible encontrar con facilidad NiTi en forma de alambre y de reducido diámetro (1mm).

• Aleación y temperaturas de transferencia: como ya se ha comentado, un pequeño cambio en la composición de la aleación conduce a grandes cambios en las temperaturas. La composición es uno de los datos que suelen dar totalmente garantizado. No pasa así con las temperaturas. El único dato subministrado suele ser la Af activa. Normalmente la Af suele ser 15-20ºC menor que la Af. Igual entre Mf y Ms, con una histéresis de 25-50ºC. Sin embargo, siempre se especifica claramente que estos valores cambian con las temperaturas de funcionamiento y con la historia termomecánica de la aleación.

• Tratamiento termomecánico: Como hemos visto en el apartado anterior, normalmente se procesan con un trabajado en caliente seguido de varios trabajados en frío con recocidos completos intermedios. Las dos operaciones finales para la mayoría de las aleaciones son trabajado en frío y recocido. En alambres, ese último trabajado suele ser del 50% de reducción. Después de esto, se produce un tratamiento térmico para obtener las propiedades superelasticas o de memoria de forma, que es el mismo que se realiza cuando se le quiere dar una forma determinada. Se suele hacer entre 450-550ºC en horno o atmosfera inerte. Después de TT es cuando se puede medir la Af activa. En función de este ultimo paso, los términos utilizados para nombrar las aleaciones son:

o Trabajado en frío (as drawn o as rolled): no ha sufrido el tratamiento térmico final. En estas condiciones no tienen las propiedades típicas de SMA o SE y las debe subministrar el usuario.

o Recocido (straight annealed): ya ha sido tratado para obtener sus propiedades. Puede ser tranquilamente bobinados sin tener una forma predeterminada.

o Shape set annealed: ya ha sido especificado en forma. Es decir, fueron sometidos a un tiempo y temperatura dado de tratamiento térmico bajo la forma especifica que quiere ser recordad en la memoria de forma.

• Acabado superficial: normalmente se le forma un oxido en la superficie durante el proceso de obtención de forma final. Este oxido es TiO2. Puede además ser recubierto por otros recubrimientos. En alambres normalmente el acabado el oxido es ligeramente marrón o negro lustroso. Esta es otra de las especificaciones que suele subministrar el fabricante.

Además de tener en cuenta las condiciones o especificaciones del fabricante, existen otros factores fundamentales a tener en cuenta cuando se trabaja con estas aleaciones. Uno de ellos es el proceso de unión de soldadura. Estas aleaciones don difíciles de soldar, siendo recomendado el soldado por láser, o plasma. Otras formas no son recomendables porque se suelen producir fragilidad intermetalica en la zona soldada. Se suele soldar en atmosfera inerte o en vacío debido a la reactividad del titanio.

Normalmente requiere tratamiento térmico posterior y esa zona suele no presentar propiedades superelasticas. Como alternativa adecuada suelen usarse adhesivos epoxidicos aunque la mejor solución es la unión mecánica: engarces, por interferencia, grapas o pinzas. Otro factor a tener en cuenta es el mecanizado. El Nitinol es un material muy abrasivo debido a la tenacidad de la superficie de oxido de titanio.

El mecanizado en torno, el fresado y el rectificado son posibles, dando excelentes resultados pero con un gran desgaste de herramienta por ello se recomienda el mecanizado con carburo. El Nitinol también puede ser mecanizado por láser o cortado con chorro de agua, dando excelentes resultados.

Como hemos comentado antes, cuando se habla de impartición de forma de Nitinol se esta refiriendo al proceso que se realiza en la aleación para darle la forma definitiva. Aunque el material este en condiciones superelasticas, de memoria de forma o trabajado en frío, puede ser necesario impartirle una nueva forma de memorizar. Esto se suele hacer fijándolo firmemente en su nueva forma y realizando un tratamiento térmico. Este tratamiento térmico puede ser en horno de aire o de vacío, en el baño de sal, arena o cualquier otro sistema. La temperatura suele realizarse entre 500-550ºC pues si la temperatura es mayor puede reducir sus resistencias.

El enfriamiento tiene que ser rápido para evitar envejecimientos, por ello se recomienda el templado en agua. El tiempo del tratamiento térmico ha de ser suficiente para permitir que toda la sección del material alcance la temperatura deseada. Normalmente es menor de 1 minuto si son elementos delgados y pequeños. Sin embargo, es recomendable realizar una serie de ensayos para determinar el tiempo y temperatura mas adecuados para dar los resultados esperados. También puede realizarse un envejecido con la finalidad de elevar Af en los componentes superelasticos. Normalmente se realiza a 475ºC durante un largo periodo de tiempo. Este envejecido puede hacerse al tiempo que se realiza la impartición de la forma o posteriormente. También es necesario determinar el tiempo y la temperatura mas adecuada en función de los resultados que pretendemos obtener. [4]

6.5.5.- Principios de operación.

El Nitinol puede poseer tres formas diferentes:

1) Martensita, térmicamente inducida.

2) Martensita Súper Elástica inducida por tensión.

3) Austenita, que es la forma estable de la aleación en su rango de alta temperatura.

Cuando el material se encuentra en su forma martensitica (de baja temperatura) es blando y dúctil, pudiendo ser deformado con gran facilidad. Si la martensita se genero mediante el enfriamiento de una muestra en su estado austenitico, sea que se obtuvo por vía térmica exclusivamente, la deformación o configuración que se le imponga será del tipo plástico y se conservara como tal hasta que dicha muestra sea calentada por encima de su temperatura de transformación, momento en el cual abra recuperado su forma original previa a la distorsión impuesta. Si el cambio de la transformación martensitica fue inducida mediante una tensión deformativa solo funcional en un estrecho rango de temperaturas superiores a Af,- entonces se generará un material extraordinario, superelastico-M3. Si el material es calentado a temperaturas superiores a la de la transformación martensitica, el resultado será la obtención de una austenita, forma cristalográfica estable que corresponde a un material de alta tenacidad, duro y fuerte mecánicamente, con valores similares a los del titanio puro. [7]

6.6.- Aplicaciones de las SMA.

Antes de clasificar las aplicaciones de estas aleaciones, es conveniente, en primer lugar, saber para que se pueden usar: el efecto de memoria de forma puede ser usado para generar movimiento o fuerza, mientras que la superelasticidad puede almacenar energía de deformación. Se puede aplicar el elemento utilizando su recuperación libre, es decir, a temperatura ambiente y estando en martensita, deformamos el elemento y calentamos, aprovechando la recuperación de forma. Esto se puede emplear, por ejemplo, en acoplamientos. Si por el contrario, a temperatura ambiente estiramos pero fijamos el elemento antes de calentar (impedimos que recupere su forma), estaremos ante la recuperación impedida, produciendo fuerza en el calentamiento. Si la fuerza opositora puede ser vencida por el SMA generara desplazamiento frente a una fuerza, es decir, trabajo. Por ejemplo, al calentar se contraerá y levantara un peso. En el enfriamiento, la misma carga alargara de nuevo el alambre y reseteará el mecanismo; esto es llamado efecto doble con fuerza exterior restauradora. En condiciones optimas y sin presencia de carga, la deformación recuperable puede llegar a ser del 8%, pero aplicaciones clínicas la deformación suele ser mucho menor. Lo mismo en tensión: para una sola aplicación, la tensión de cedencia de la austenita es mucho mayor que en aplicaciones clínicas.

Una vez que sabemos como podemos usar las aleaciones, clasificaremos sus aplicaciones de acuerdo a la función que realiza la SMA. El primer producto desarrollado en la historia con NiTi fue un completo fracaso debido a la falta de conocimientos sobre la aleación, la falta de datos ingenieriles, fallos en las técnicas del aleado, etc. Uno de los mayores problemas de las SMA es que, su comportamiento es tan espectacular, que parece que pueden ser utilizados en multitud de aplicaciones, no siendo así, pues, como todo, tiene grandes limitaciones en su uso y en su precio. Actualmente, la mayoría de las aplicaciones se centran en el campo superelastico donde no se requiere tanta precisión en las temperaturas de transformación como en el efecto memoria de forma, como en los actuadores.

El primer éxito de la aplicación utilizo el efecto de la recuperación impedida para usos de uniones y cierres. La casa Raychem Corp. Desarrollo en los principios de 1970 uniones de tubos para aplicaciones aéreas y marinas. El concepto era simple: se mecaniza un acoplamiento con un diámetro interior 3% menos que el diámetro del tubo al que será unido. Se enfría hasta estado martensitico, se expande radialmente un 8% y, ya colocado, se calienta hasta el contacto, desarrollando una enorme fuerza de unión. Muchas uniones son criogénicas (NiTiFe) y se han de almacenar en nitrógenos liquido, este problema se ha solventado con aleaciones NiTiNb (gran ancho de histéresis) donde puede ser almacenado a temperatura ambiente y calentado a 150ºC para la instalación. Estas uniones permanecen inalterables aun enfriando por debajo de -20ºC. Como ventajas de estos acoplamientos son su ligereza, la facilidad de instalar incluso en zonas no accesibles, la fiabilidad, sus buenas propiedades a impactos, vibraciones y ciclados térmicos. Como grandes inconvenientes está el alto coste, la temperatura de operación limitada (-20ºC: 200ºC); y la cantidad de movimiento permitido limitado. Estas aleaciones de ancha histéresis se usan también en forma de anillos para terminales de conectores, fijación de elementos en determinadas posiciones…

En aplicaciones como actuadores su función consiste en un cambio de forma al cambiar la temperatura. Este cambio de temperatura puede ser causado por cambio en la temperatura ambiente o calentado eléctricamente. En el primer caso, el actuador actúa como sensor y actuador (actuador térmico) mientras que el segundo caso es solo actuador eléctrico. Ambos actuadores combinan gran movimiento, pequeñas dimensiones y relativas altas fuerzas, por tanto generan mucho trabajo. El más usual consiste en una única pieza de SMA en forma de alambre o de muelle. Pese a que originalmente se supuso la aplicación más importante de las SMA, no ha sido la más exitosa desde el punto de vista técnico ni económico, debido a las insuficiencias técnicas y al coste. El diseño requiere usualmente: temperatura de transformación al calentar, temperatura de reseteo (histéresis), fuerza (tensión), desplazamiento (deformación), estabilidad cíclica (fatiga), tiempo de respuesta al calentar y enfriar, dimensiones, tolerancias de sobre tensión y sobre temperatura, etc. El único realmente con gran éxito comercial es una válvula de control de presión en la transmisión automática de la Mercedes-Benz (para el control del fluido de la transmisión en el calentamiento del motor) y para el control de los cierres de protección de las luces de niebla.

Los actuadores eléctricos han intentado sustituir a motores eléctricos y solenoides. Controlando la potencia durante la actuación eléctrica, pueden mantenerse posiciones específicas o niveles de fuerza específicos. Se han usado en válvulas y, últimamente integrados en compositos para atenuar ruidos en estructuras y control de vibraciones. Las mayores limitaciones son las temperaturas de transformación y la falta de control en el tiempo de enfriado. Para trabajar adecuadamente, se necesita que Mf sea mucho más alta que la temperatura operativa. Los actuadores que más se han comercializado con éxito tienen una Mf de 70ºC.

Su aplicación como microactuadores térmicos en mecanismos de actuación tienen grandes ventajas: no requieren otro elemento más que el propio SMA, gran versatilidad en diseño a tracción, compresión o flexión, son silenciosos, limpios, con posibilidad de trabajar en ambientes inflamables y el ratio potencia/volumen es relativamente alto. Sin embargo, la eficiencia energética es baja, el ancho de banda esta limitado por restricciones en enfriamiento y calentamiento, y pueden sufrir degradación y fatiga. Las aplicaciones donde se han usado como microactuadores son en sensores actuadores: cafeteras, válvulas termostáticas….

Como se ha comentado antes las aplicaciones mas extendidas en los últimos años son en superelasticidad: antenas de móviles, monturas de gafas o como alambres dentales. La gran ventaja en esta última aplicación es que generan una fuerza relativamente constante en la descarga en un rango amplio de deformación. Pero, donde realmente están resultando revolucionarias es en el campo de la biomedicina. Se están aplicando en el guiado de alambres en cirugía por su flexibilidad y torsionabilidad y, mas recientemente, en stents auto-expandibles, así como en técnicas quirúrgicas con terapia mínimamente invasiva: localizadores de tumores (Mitek Masmmalok), introducción de herramientas de cirugía (grapas, agujas…) a través de una cánula, fórceps, filtros de sangre, filtros de vena cava, placas intracraneales, o en aplicaciones ginecológicas (estrangulamiento de trompas de Falopio).

Pese a que todo lo anterior puede dar la imagen de que las aplicaciones de estas aleaciones son extensas, existen todavía muchas limitaciones que hacen que sea necesario profundizar en el diseño y modelización de las SMA. La mayoría de las aplicaciones explicadas se han desarrollado por métodos experimentales (prueba y error). En otros casos, como en el caso de patentes basadas en actuadores, el principio del funcionamiento es prácticamente el mismo, sin innovación en lo referente al diseño de la pieza en SMA. Esto es debido a que, por falta de herramientas de cálculo para estas aleaciones, es difícil y económicamente inviable, desarrollar elementos de formas más complejas. Otras muchas aplicaciones (o patentes) no están extendidas debido, principalmente al alto coste de material (generalmente NiTi).

Además de todo esto, el principalmente alto coste del material (generalmente NiTi). Además de todo esto, el Campoo de las aleaciones con memoria de forma está básicamente centrado a especialistas en el tema siendo prácticamente imposible la utilización con éxito de las mismas personas que no conocen en profundidad estas aleaciones. Esto se debe principalmente a varias causas: las publicaciones y los estudios de las aleaciones con memoria de forma son tremendamente dispersos y variados, falta un modelo consecutivo generalmente aceptado para el comportamiento termomecánico y, como gran limitación para la aplicación de las SMA, es la falta de estandarización para la determinación experimental de las características termomecánicas. La estandarización de los métodos experimentales es fundamental para la comparación directa entre diversos resaltados y para permitir la generalización en el uso de las aleaciones a diseñadores no expertos en el tema. En la actualidad existen normas japonesas y americanas pero todavía no son una completa solución a las necesidades de estandarización y evidentemente, no son generalizables a otros países. [4]

6.6.1.- Aplicaciones de aleaciones NiTi.

Caracterización metalografía de alambres termoactivados Ni-Ti de marcas comerciales para aplicaciones odontológicas:

Entre la amplia variedad de materiales disponibles comercialmente (incluidos metales, aleaciones, cerámicos, etc.), sólo un número limitado pueden ser empleados como biomateriales en medicina y odontología. La razón para esto es que los biomateriales deben satisfacer dos requerimientos importantes: (a) biofuncionalidad, y (b) biocompatibilidad. La biofuncionabilidad se refiere a la capacidad de los biomateriales para desempeñar las funciones deseadas durante un periodo esperado en el cuerpo. La biocompatibilidad es la capacidad de los materiales para no presentar toxicidad durante el periodo implantando.

Debido a estas demandas tan rigurosas, muy pocos materiales han sido calificados para ser empleados como implantes (Fe-Cr-Ni, Co-Cr y Ti-Al-V). Sin embargo, las aleaciones con memoria de forma (AMF) han sido introducidas recientemente en el campo de la medicina y odontología, ya que tienen funciones únicas tales como el efecto memoria de forma, superelasticidad y capacidad de amortiguamiento. De entre decenas de aleaciones con memoria de forma, se encuentran las aleaciones Níquel Titanio (Ni-Ti) que son consideradas las mejores debido a su excelente estabilidad mecánica, resistencia a la corrosión, biofuncionalidad y biocompatibilidad.

En odontología, un ejemplo de aplicación muy exitoso son los arcos de alambre de Ni-Ti los cuales usan la superelasticidad caracterizada por un esfuerzo constante bajo carga o descarga. Estas aleaciones presentan propiedades mecánicas únicas e ideales para la práctica de la mecanoterapia ortodóntica, ya que presentan un rango idealmente amplio de deformación efectiva correspondiente a la zona de fuerza óptima. En el caso de las aleaciones Ni-Ti la fuerza constante ejercida puede ser ajustada sobre un amplio rango mediante cambios en la fabricación y factores metalográficos tales como el tratamiento termomecánico y composición química. Esta nueva generación de aleaciones con memoria de forma y que se conocen como superelásticos tienen una temperatura de transición mucho mas baja (ligeramente inferior o ligeramente superior a la temperatura bucal) Hay alambres de Ni-Ti superelásticos con distintos grados de rigidez. Para que la comparación de la rigidez sea realista se debe efectuar a la temperatura bucal porque algunos alambres parecen tener menos fuerza por ser parcialmente martensíticos a temperatura ambiente; la fuerza aumenta a medida que se produce una transformación de fase a la temperatura de la boca. Aunque la temperatura de transición final de algunos alambres de NI-Ti superelásticos es inferior a la temperatura bucal otros no quedan plenamente activados hasta que alcanzan o superan los 37°c. [8]

Uso de Prótesis de Nitinol parcialmente cubierto en la Obstrucción Gastroduodenal maligna:

Obstrucción maligna al tracto de salida gástrico, sea primaria o metastásica, es una condición encontrada en pacientes con lesiones neoplásicas avanzadas. Los síntomas de esta obstrucción incluyen náuseas, vómitos, y distensión abdominal que llevan al deterioro clínico progresivo del paciente, con marcada afección de su calidad de vida. La mayoría de estos pacientes requieren de un manejo paliativo para aliviar los síntomas de la obstrucción gastroduodenal y para mejorar su estado nutricional. Tradicionalmente, la paliación ha sido quirúrgica, pero dado lo invasivo de la intervención y la pobre condición general de estos pacientes, se ha encontrado una tasa de morbilidad del 20-30%.1,2 La paliación de estos cuadros obstructivos con las prótesis (stents) metálicas ha sido reportada con prometedores resultados.3-12 El uso de los stents duodenales ha demostrado ser efectivo como alternativa no quirúrgica con menor morbimortalidad, menor estancia hospitalaria y menores costos en el manejo de estos pacientes.12 Los stents autoexpandibles no cubiertos duodenales como el wallstent (Boston Scientific/Medi-tech, MA) son frecuentemente utilizados por la flexibilidad de su sistema de introducción. Con el uso de los stents metálicos no cubiertos, los índices de migración son bajos. [9]

6.7.- Biocompatibilidad.

La resistencia a la corrosión de una aleación dada y la posible toxicidad de los metales individualmente, son las determinantes de la biocompatibilidad. En una aleación los componentes pueden ir disolviéndose a causa de procesos corrosivos o formar algunos compuestos, los cuales exhibirán sus propios efectos de toxicidad.

7.-Conclusión.

Como conclusión se puede decir que se requiere un mayor esfuerzo para expandir el campo de aplicación de las SMA para nuevos potenciales clientes que desean aplicar estas aleaciones para destinos ingenieriles. Para ello, hay que extender los conocimientos de las mismas basándonos en dos principios: estandarización de la caracterización de los materiales por determinación experimental y generalización del modelado constitutivo de esas aleaciones. Con esto se puede conseguir que aparezcan nuevos diseños, nuevas ideas, y aplicaciones realmente interesantes de las aleaciones con memoria de forma.

8.-Referencias bibliográficas.

1.- Ciencia e ingeniería de los materiales.

Donald R. Askeland.

4B Edición, pagina 544

2. - http://material.fis.ucm.es/paloma/congreso08/memoria_de_forma.htm

Grupo 2, Grupo 5 y Grupo 8

3. - Smart materials and systems

Postnote January 2008, # 299, page 4.

4.- Aleaciones con memoria de forma.

Silvia de la Flor.

http://www.tdr.cesca.es/TESIS_UPC/AVAILABLE/TDX-0629105- 094737//07Sfl07de14.pdf

5.- Materiales Inteligentes I/II. Introducción a los materiales del siglo XXI

Canales de mecánica y electricidad / Noviembre-Diciembre 2003

http://dialnet.unirioja.es/servlet/oaiart?codigo=785544

6.-http://tdd.elisava.net/coleccion/20/aliatges-amb-memoria-de-forma-una-filosofia-diferent-en-lenginyeria-i-el-disseny-amb-materials-es/view?set_language=es

7.- Materiales Inteligentes: Aleaciones metálicas y polímeros con memoria de forma.

Jonas Klemas V.

Revista CES medicina volumen 16 N°2 abril-septiembre 2002

8.- Revista Latinoamericana de Ortodoncia y Odontopediatría

www.ortodoncia.ws

9.- REV. GASTROENTEROL. PERÚ 2006; 26: 233-241

http://www.scielo.org.pe/pdf/rgp/v26n3/a02v26n3.pdf