En ciència de materials, la pseudoelasticitat, de vegades anomenada superelasticitat, és una resposta elàstica (reversible) a una tensió aplicada, causada per una transformació de fase entre les fases austenítica i martensítica d'un cristall. Es presenta en aliatges amb memòria de forma.
Visió general La pseudoelasticitat prové del moviment reversible dels límits dels dominis durant la transformació de fase, en lloc de simplement l'estirament d'enllaços o la introducció de defectes a la xarxa cristal·lina (per tant, no és una veritable superelasticitat , sinó més aviat una pseudoelasticitat ). Fins i tot si els límits dels dominis es fixen, es poden invertir mitjançant l'escalfament. Així, un material pseudoelàstic pot tornar a la seva forma anterior (per tant, memòria de forma) després de l'eliminació de deformacions aplicades fins i tot relativament altes. Un cas especial de pseudoelasticitat s'anomena correspondència de Bain. Això implica la transformació de fase d'austenita/martensita entre una xarxa cristal·lina centrada en les cares (FCC) i una estructura cristal·lina tetragonal centrada en el cos (BCT).
Aquest comportament difereix fonamentalment de l'elasticitat i la plasticitat ordinàries:
Elasticitat ordinària: En un metall o material normal sota càrrega elàstica, la deformació és reversible però normalment es limita a petites deformacions (per exemple, <0,2% per a molts metalls). La deformació elàstica sorgeix de lleugers canvis en l'espai interatòmic o l'estirament d'enllaços, i no s'introdueixen defectes permanents. Plasticitat: Si la tensió supera el límit elàstic, la deformació plàstica es produeix a través de mecanismes com el lliscament de dislocacions o la maclació, causant defectes permanents de xarxa. La deformació plàstica és irreversible : el material no tornarà a la seva forma original exacta quan es retira la càrrega. Superelasticitat: Un material superelàstic pot suportar reversiblement deformacions molt més grans (diversos percentatges) que les que permet l'elasticitat ordinària. En lloc de cedir plàsticament, el material experimenta una transformació de fase sota tensió. Per exemple, el NiTi (Nitinol) es pot deformar fins a una deformació del 8-10% i recuperar-se completament en descarregar-se. Aquest és un comportament similar a l'elàstic, però s'aconsegueix mitjançant un canvi de fase en lloc de només un estirament d'enllaços, d'aquí el terme "pseudoelàstic".
Els aliatges superelàstics pertanyen a la família més gran dels aliatges amb memòria de forma. Quan es carrega mecànicament, un aliatge superelàstic es deforma reversiblement a deformacions molt elevades (fins a un 10%) mitjançant la creació d'una fase induïda per estrès. Quan es retira la càrrega, la nova fase esdevé inestable i el material recupera la seva forma original. A diferència dels aliatges amb memòria de forma, no cal cap canvi de temperatura perquè l'aliatge recuperi la seva forma inicial.
Els dispositius superelàstics aprofiten la seva gran deformació reversible i inclouen antenes, muntures d'ulleres i stents biomèdics.
Pseudoelasticitat del níquel-titani (Nitinol) La superelasticitat és la més famosa que exhibeixen els aliatges amb memòria de forma (SMA) com el níquel-titani (NiTi), també conegut com a nitinol.
Els punts clau del mecanisme del Nitinol són:
Transformació d'austenita a martensita: a temperatures superiors a , el NiTi es troba completament en la fase austenita en repòs. Quan s'aplica una tensió mecànica suficient, l'aliatge comença a transformar-se en martensita a temperatura constant (d'aquí la transformació isotèrmica ). Aquesta formació de martensita induïda per tensió sovint s'anomena SIM (martensita induïda per tensió). Transformació reversible: La fase martensítica pot acomodar la deformació per maclació (reorientant la seva xarxa de manera similar al cisallament sense un lliscament important). Com a resultat, el material es pot deformar significativament (diversos percentatges de deformació) a mesura que l'austenita es transforma en martensita. Crucialment, aquesta transformació martensítica és termoelàstica i reversible. Quan s'elimina la tensió aplicada, la martensita es torna inestable (ja que el material encara es troba per sobre) ) i torna a ser austenita, recuperant així la deformació. El material essencialment "destransforma" i torna a la fase i forma originals. No cal cap canvi de temperatura per a la recuperació: A diferència de l'efecte de memòria de forma clàssic (SME), que requereix escalfament per recuperar la forma, la superelasticitat no necessita cap canvi de temperatura. La transformació inversa (martensita a austenita) es produeix només durant la descàrrega. Finestra de temperatura: Per a una composició d'SMA determinada, s'observa superelasticitat en un rang de temperatura finit. L'extrem inferior es troba just per sobre (de manera que l'aliatge comença en austenita). L'extrem superior sovint es denota (la temperatura per sobre de la qual no es pot induir tensió a la martensita). Per al NiTi, normalment és a uns ~40 °C per sobre Dins d'aquesta finestra, la tensió aplicada pot induir martensita; a dalt , l'austenita és tan estable que només es produeix una cessió plàstica (lliscament) sota càrrega.
Comportament i característiques de tensió-deformació La corba tensió-deformació d'un aliatge superelàstic (com el NiTi) té una forma distintiva, que reflecteix la seqüència de transformacions de fase durant la càrrega i descàrrega.
Càrrega Durant la càrrega, s'observen tres règims
Austenita elàstica: A petites deformacions, el material respon amb un comportament elàstic ordinari com l'austenita. La tensió augmenta aproximadament linealment amb la deformació ( ) fins al punt on comença la transformació martensítica. El final d'aquesta etapa és al voltant de la deformació d'inici de la martensita (corresponent a una tensió ). Per al NiTi, això podria ser de l'ordre d'una deformació d'un 0,5–1 % i uns quants centenars de MPa de tensió. Meseta de tensió – Transformació martensítica: Un cop la tensió és prou alta per desencadenar la nucleació de la martensita, la tensió roman aproximadament constant durant un interval de deformació considerable. En aquesta regió de la meseta, la deformació addicional s'acomoda no augmentant la tensió (molt), sinó mitjançant la conversió progressiva d'austenita a martensita (transformació de fase). El nivell de tensió de la meseta sovint és d'uns 400-600 MPa en NiTi (segons l'aliatge/procés), i el rang de deformació de la meseta pot abastar un 5-8% de deformació. Martensita elàstica i enduriment: Un cop la transformació a martensita és gairebé completa (a la deformació final de la martensita ), una major deformació requereix deformar la martensita mateixa o alinear les últimes variants restants. La tensió comença a augmentar bruscament de nou amb la deformació. El mòdul elàstic de la martensita pot diferir del de l'austenita (sovint una mica més baix), però la corba puja fins a la tensió/deformació final o fins que s'atura la càrrega. Si el material es carrega a una deformació alta (més enllà de la deformació de transformació), també es pot produir una certa deformació plàstica de la martensita, que es manifestaria com una desviació de la recuperació completa de la deformació més tard.
Matemàticament, un model idealitzat a trossos per a la corba de càrrega superelàstica es pot escriure com:
on és la tensió, és la deformació, E és el mòdul d'elasticitat, i són les deformacions inicials i finals de la transformació martensítica, és la tensió a l'inici de la transformació martensítica i, and és un paràmetre del material.
En un cas ideal, de manera que la meseta de tensions és plana (tensió perfectament constant durant el canvi de fase). Per simplificar, el model anterior assumeix la tensió final de transformació (altiplà pla).
Descàrrega En descarregar, es produeix la seqüència inversa, però és important que sigui a un nivell de tensió més baix. Tan bon punt la càrrega s'allibera de l'estat completament martensític, el material es descarrega elàsticament en martensita breument i després entra en un altiplà de transformació inversa (la martensita torna a austenita) a una tensió que està a sota Finalment, un cop tota la martensita s'ha convertit de nou en austenita (a ), l'última part de la descàrrega és simplement la recuperació elàstica de l'austenita. Per tant, la corba de descàrrega es desplaça cap avall en relació amb la càrrega. El resultat és un bucle d'histèresi en el diagrama tensió-deformació. L'àrea dins d'aquest bucle representa l'energia dissipada per cicle (com a calor) a causa de la fricció interna i el canvi d'entropia de transformació de fase.
Efectes de mida Recentment, hi ha hagut interès en descobrir materials que presentin superelasticitat a nanoescala per a aplicacions MEMS (sistemes microelectromecànics). Ja s'ha descrit la capacitat de controlar la transformació de fase martensítica. Però s'ha observat que el comportament de la superelasticitat té efectes de mida a nanoescala.
Qualitativament parlant, la superelasticitat és la deformació reversible per transformació de fase. Per tant, competeix amb la deformació plàstica irreversible per moviment de dislocació. A nanoescala, la densitat de dislocació i els possibles llocs font de Frank-Read es redueixen considerablement, de manera que la tensió de rendiment augmenta amb la reducció de la mida. Per tant, per als materials que presenten un comportament de superelasticitat a nanoescala, s'ha descobert que poden operar en cicles a llarg termini amb poca evolució perjudicial. D'altra banda, la tensió crítica perquè es produeixi la transformació de fase martensítica també augmenta a causa de la reducció dels possibles llocs perquè comenci la nucleació. La nucleació sol començar a prop de la dislocació o en defectes superficials. Però per als materials a nanoescala, la densitat de dislocació es redueix considerablement i la superfície sol ser atòmicament llisa. Per tant, la transformació de fase dels materials a nanoescala que presenten superelasticitat sol ser homogènia, la qual cosa resulta en una tensió crítica molt més alta. Concretament, per a la zircònia, on té tres fases, s'ha descobert que la competència entre la transformació de fase i la deformació plàstica depèn de l'orientació, cosa que indica la dependència de l'orientació de l'energia d'activació de la dislocació i la nucleació. Per tant, per a materials a nanoescala adequats per a la superelasticitat, s'hauria d'investigar l'orientació cristal·lina i la rugositat superficial optimitzades per obtenir l'efecte de superelasticitat més millorat.
Aplicacions Stents biomèdics i dispositius mèdics Un dels usos més celebrats del NiTi superelàstic és en els stents autoexpandibles per a cirurgia cardiovascular. Un stent de NiTi es pot engarçar i inserir en un vas sanguini i, un cop alliberat a la temperatura corporal, torna a tenir un diàmetre més gran per mantenir el vas obert. L'efecte superelàstic permet que el stent apliqui una força exterior constant sobre una sèrie de deformacions i que resisteixi les torçades.
Muntures d'ulleres i productes de consum Les muntures d'ulleres fetes de NiTi (o SMA basats en Cu) es poden doblegar dràsticament (per exemple, girar-les o posar-les-hi) i recuperaran la seva forma original. Aquesta durabilitat ha fet que les ulleres flexibles de "metall amb memòria" siguin un producte de consum popular. De la mateixa manera, alguns equips esportius d'alta gamma i antenes de telefonia mòbil han utilitzat aliatges superelàstics per suportar la deformació.
Estructures aeroespacials i de transformació