Superplasticidad

En la ciencia de los materiales, la superplasticidad es un estado en el que el material cristalino sólido se deforma mucho más allá de su punto de ruptura habitual, normalmente más del 400 % durante la deformación por tracción. Tal estado generalmente se logra a una temperatura homóloga alta. Algunos ejemplos de materiales superplásticos son algunos metales y cerámicas de grano fino. Otros materiales no cristalinos (amorfos) como el vidrio de sílice ("vidrio fundido") y los polímeros también se deforman de manera similar, pero no se denominan superplásticos, porque no son cristalinos; más bien, su deformación a menudo se describe como fluido newtoniano. El material deformado superplásticamente se vuelve más delgado de una manera muy uniforme, en lugar de formar un "cuello" (un estrechamiento local) que conduce a la fractura. Además, se inhibe la formación de microhuecos, que es otra causa de fractura temprana. La superplasticidad no debe confundirse con la superelasticidad.

Desarrollos históricos de la superplasticidad

Se ha encontrado alguna evidencia de un flujo similar al superplástico en los metales en algunos artefactos, como en los aceros Wootz en la antigua India, aunque la superplasticidad fue el primer reconocimiento científico en el siglo XX en el informe sobre el alargamiento del 163 % en latón de Bengough. en 1912. Más tarde, Jenkins' alargamiento superior al 300% en las aleaciones Cd-Zn y Pb-Sn en 1928. Sin embargo, esos trabajos no fueron más allá para establecer un nuevo fenómeno de las propiedades mecánicas de los materiales. Hasta que se publicó el trabajo de Pearson en 1934, se encontró un alargamiento significativo de 1950% en la aleación eutéctica Pb-Sn. Fue fácil convertirse en el informe de elongación más extenso en la investigación científica en ese momento. No hubo más interés en la superplasticidad en el mundo occidental durante más de 25 años después del esfuerzo de Pearson. Más tarde, Bochvar y Sviderskaya continuaron con la superplasticidad en la Unión Soviética con muchas publicaciones sobre aleaciones de Zn-Al. Un instituto de investigación centrado en la superplasticidad, el Instituto de Problemas de Superplasticidad de los Metales, se estableció en 1985 en la ciudad de Ufa, Rusia. Este instituto se ha mantenido como el único instituto mundial que trabaja exclusivamente en la investigación de la superplasticidad. El interés por la superplasticidad aumentó en 1982 cuando se celebró en San Diego la primera gran conferencia internacional sobre "Superplasticidad en materiales estructurales", editada por Paton y Hamilton. A partir de ahí se han publicado numerosas investigaciones con resultados considerables. La superplasticidad es ahora el trasfondo de la formación de deformación superplástica como una técnica de aplicación aeroespacial esencial.

Condiciones

En los metales y la cerámica, los requisitos para que sea superplástico incluyen un tamaño de grano fino (menos de aproximadamente 10 micrómetros) y una temperatura de funcionamiento que suele estar por encima de la mitad del punto de fusión absoluto. Varios estudios han encontrado superplasticidad en materiales de grano grueso. Sin embargo, la comunidad científica ha acordado que el umbral del tamaño de grano de 10 micrómetros es la condición previa para activar la superplasticidad. En general, el crecimiento del grano a alta temperatura y, por lo tanto, el mantenimiento de la estructura de tamaño de grano fino a temperatura homóloga, es el principal desafío en la investigación de la superplasticidad. La estrategia de microestructura típica utiliza una dispersión fina de partículas térmicamente estables, que fijan los límites de grano y mantienen la estructura de grano fino a las altas temperaturas y la existencia de múltiples fases requeridas para la deformación superplástica. La microestructura más típica de la aleación para la superplasticidad es la estructura eutéctica o eutectoide, como se encuentra en las aleaciones Sn-Pb o Zn-Alloy. Aquellos materiales que cumplan con estos parámetros aún deben tener una sensibilidad a la velocidad de deformación (una medida de la forma en que la tensión en un material reacciona a los cambios en la velocidad de deformación) de >0.3 para ser considerados superplásticos. La sensibilidad ideal a la velocidad de deformación es 0,5, que suele encontrarse en aleaciones micro dúplex.

Mecanismo

Los mecanismos de superplasticidad en los metales se determinan como el Deslizamiento del Límite de Grano (GBS). Sin embargo, el deslizamiento del límite de grano (GBS) puede conducir a la concentración de tensiones en la unión triple o el límite de grano de las fases duras. Por tanto, el SGB en materiales estructurados policristalinos debe ir acompañado de otros procesos de acomodación como la difusión o la dislocación. Los modelos de difusión propuestos por Ashby y Verall explican un cambio gradual en las formas de los granos para mantener la compatibilidad entre los granos durante la deformación. Los cambios en la forma del grano son operados por difusión. El límite de grano migra para formar una forma equiaxial con una nueva orientación en comparación con los granos originales. El modelo de dislocación se explica porque la concentración de tensión por GBS se relajará por el movimiento de dislocación en los granos de bloqueo. La dislocación se acumula, y la subida permitiría que se emitiera otra dislocación. Los detalles adicionales en el modelo de dislocación aún están en debate, con varios modelos propuestos por Crossman y Ashby, Langdon y Gifkins.

Superplasticidad de alta velocidad de deformación

En general, la superplasticidad suele ocurrir a una velocidad de deformación lenta, del orden de 10⁻⁴ s⁻¹, y puede consumir energía. Además, el tiempo prolongado expuesto a altas temperaturas de operación también degradó las propiedades mecánicas de los materiales. Existe una fuerte demanda para aumentar la velocidad de deformación en la deformación superplástica al orden de 10⁻² s⁻¹, lo que se denomina superplasticidad de alta velocidad de deformación (HSRS). El aumento de la velocidad de deformación en la deformación superplástica generalmente se logra mediante la reducción del tamaño de grano en el rango ultrafino de 100 a menos de 500 ums. El refinamiento adicional del grano hasta la estructura nanocristalina con un tamaño de grano inferior a 100 nm es ineficaz para aumentar la tasa de deformación o mejorar la ductilidad. El proceso de refinamiento de grano más común para la investigación de HSRS utiliza Deformación Plástica Severa (SPD). SPD puede fabricar un refinamiento de grano excepcional hasta el rango de submicrómetros o incluso de nanómetros. Entre muchas técnicas SPD, las dos técnicas más utilizadas son el prensado angular de canal igual (ECAP) y la torsión de alta presión (HPT). Además de producir el tamaño de grano ultrafino, estas técnicas también proporcionan una alta fracción de límites de ángulo alto. Estos límites de grano de alto ángulo son un beneficio específico para aumentar las tasas de deformación de la deformación. De la importancia del procesamiento de refinamiento de granos para la investigación de la superplasticidad, ECAP y HPT se han dedicado a posiciones principales en los estudios de superplasticidad en metales.

Ventajas del conformado superplástico

El proceso ofrece una variedad de beneficios importantes, tanto desde el punto de vista del diseño como de la producción. Para empezar, existe la capacidad de formar componentes con doble curvatura y contornos suaves a partir de una sola hoja en una sola operación, con una precisión dimensional y un acabado superficial excepcionales, y ninguno de los "retrocesos elásticos" asociado con técnicas de conformado en frío. Debido a que solo se emplean herramientas de una sola superficie, los plazos de entrega son cortos y la creación de prototipos es rápida y fácil, ya que se puede probar una gama de espesores de aleación de lámina en la misma herramienta.

Técnicas de formado

Hay tres técnicas de formación actualmente en uso para aprovechar estas ventajas. El método elegido depende de los criterios de diseño y rendimiento, como el tamaño, la forma y las características de la aleación.

Formación de cavidades

Se coloca una pieza en bruto recubierta de grafito en una prensa hidráulica calentada. Luego se usa presión de aire para forzar a la hoja a entrar en estrecho contacto con el molde. Al principio, la pieza en bruto se pone en contacto con la cavidad de la matriz, lo que dificulta el proceso de formación debido a la fricción de la interfaz entre la pieza y la matriz. Por lo tanto, las áreas de contacto dividen la protuberancia única en una serie de protuberancias, que experimentan un proceso de protuberancia libre. El procedimiento permite la producción de piezas con contornos exteriores relativamente exactos. Este proceso de formación es adecuado para la fabricación de piezas con superficies lisas y convexas.

Formación de burbujas

Un blanco recubierto de grafito se sujeta sobre una 'bandeja' que contiene un molde macho calentado. La presión del aire obliga al metal a entrar en estrecho contacto con el molde. La diferencia entre este y el proceso de formación hembra es que el molde es, como se indicó, macho y el metal se fuerza sobre la forma que sobresale. Para la formación de la hembra, el molde es hembra y el metal se introduce a la fuerza en la cavidad. El utillaje consta de dos cámaras de presión y un contrapunzón, que se puede desplazar linealmente. De manera similar a la tecnología de formación de cavidades, al comienzo del proceso, la pieza en bruto firmemente sujeta se abomba por la presión del gas.

La segunda fase del proceso consiste en formar el material sobre la superficie del punzón aplicando una presión contra la dirección de formación anterior. Debido a un mejor uso del material, que es causado por las condiciones del proceso, se pueden usar piezas en bruto con un espesor inicial más pequeño en comparación con la formación de cavidades. Por lo tanto, la tecnología de formación de burbujas es particularmente adecuada para piezas con altas profundidades de formación.

Formación de diafragma

Se coloca un blanco recubierto de grafito en una prensa calentada. Se usa presión de aire para forzar el metal en forma de burbuja antes de empujar el molde macho hacia la parte inferior de la burbuja para hacer una impresión inicial. Luego se usa presión de aire desde la otra dirección para dar forma final al metal alrededor del molde macho. Este proceso tiene tiempos de ciclo largos porque las velocidades de deformación superplástica son bajas. El producto también sufre de un bajo rendimiento de fluencia debido a los pequeños tamaños de grano y puede haber porosidad por cavitación en algunas aleaciones. Sin embargo, la textura de la superficie es generalmente buena. Con herramientas dedicadas, los troqueles y las máquinas son costosos. La principal ventaja del proceso es que se puede utilizar para producir grandes componentes complejos en una sola operación. Esto puede ser útil para mantener la masa baja y evitar la necesidad de trabajos de montaje, una ventaja particular para los productos aeroespaciales. Por ejemplo, el método de formación de diafragma (DFM) se puede utilizar para reducir la tensión de flujo de tracción generada en un material compuesto de matriz de aleación específico durante la deformación.

Aluminio y aleaciones a base de aluminio

Las aleaciones de aluminio formadas superplásticamente (SPF) tienen la capacidad de estirarse varias veces su tamaño original sin fallar cuando se calientan entre 470 y 520 °C. Estas aleaciones diluidas que contenían circonio, más tarde conocidas con el nombre comercial SUPRAL, se trabajaron intensamente en frío para formar láminas y cristalizaron dinámicamente en un tamaño de grano fino y estable, normalmente de 4 a 5 μm, durante las etapas iniciales de la deformación en caliente. Además, el conformado superplástico es una tecnología de procesamiento de forma neta que reduce drásticamente los costos de fabricación y ensamblaje al reducir la cantidad de piezas y los requisitos de ensamblaje. Con la tecnología SPF, se anticipó que se puede lograr una reducción del costo de fabricación del 50 % para muchos ensamblajes de aeronaves, como los ensamblajes de cono de morro y cañón de morro. Otros efectos secundarios incluyen la reducción de peso, la eliminación de miles de sujetadores, la eliminación de características complejas y una reducción significativa en la cantidad de piezas. El avance de las aleaciones superplásticas de Al-Cu fue realizado por Stowell, Watts y Grimes en 1969 cuando la primera de varias aleaciones de aluminio diluido (Al-6 % Cu-0,5 % Zr) se convirtió en superplástica con la introducción de niveles relativamente altos de circonio en solución que utiliza técnicas de fundición especializadas y un tratamiento eléctrico posterior para crear precipitados de ZrAl₃ extremadamente finos.

Aleaciones comerciales

Algunas aleaciones comerciales se han procesado termomecánicamente para desarrollar superplasticidad. El esfuerzo principal se ha centrado en las aleaciones de la serie Al 7000, las aleaciones Al-Li, los compuestos de matriz metálica a base de Al y los materiales aleados mecánicamente.

Compuestos de aleación de aluminio

La aleación de aluminio y sus compuestos tienen amplias aplicaciones en la industria automotriz. A temperatura ambiente, los compuestos suelen tener una mayor resistencia en comparación con su aleación componente. A alta temperatura, aleación de aluminio reforzada con partículas o filamentos como SiO₂, Si₃N₄, y SiC puede tener resistencia a la tracción alargamiento superior al 700%. Los compuestos a menudo se fabrican mediante pulvimetalurgia para garantizar tamaños de grano finos y una buena dispersión de los refuerzos. El tamaño de grano que permite que ocurra la deformación superplástica óptima suele ser de 0,5 a 1 μm, menos que el requisito de la superplasticidad convencional. Al igual que otros materiales superplásticos, la sensibilidad a la velocidad de deformación m es superior a 0,3, lo que indica una buena resistencia contra el fenómeno de estrechamiento local. Algunos compuestos de aleación de aluminio, como la serie 6061 y la serie 2024, han mostrado una superplasticidad de alta velocidad de deformación, lo que ocurre en un régimen de velocidad de deformación mucho más alto que otros materiales superplásticos. Esta propiedad hace que los compuestos de aleación de aluminio sean potencialmente adecuados para la formación de superplásticos porque todo el proceso se puede realizar en poco tiempo, ahorrando tiempo y energía.

Mecanismo de deformación para compuestos de aleación de aluminio

El mecanismo de deformación más común en los compuestos de aleación de aluminio es el deslizamiento del límite de grano (GBS), que a menudo va acompañado de difusión de átomos/dislocaciones para adaptarse a la deformación. El modelo del mecanismo GBS predice una sensibilidad a la velocidad de deformación de 0,3, lo que concuerda con la mayoría de los compuestos de aleación de aluminio superplástico. El deslizamiento de los límites de grano requiere la rotación o migración de granos muy finos a una temperatura relativamente alta. Por lo tanto, es importante el refinamiento del tamaño de grano y la prevención del crecimiento de grano a alta temperatura.

También se dice que la temperatura muy alta (cerca del punto de fusión) está relacionada con otro mecanismo, el deslizamiento interfacial, porque a altas temperaturas aparecen líquidos parciales en la matriz. La viscosidad del líquido juega el papel principal para acomodar el deslizamiento de los límites de grano adyacentes. La cavitación y la concentración de tensiones causadas por la adición de refuerzos de segunda fase son inhibidas por el flujo de fase líquida. Sin embargo, demasiado líquido conduce a la formación de vacíos, lo que deteriora la estabilidad de los materiales. Por lo tanto, la temperatura cercana pero sin exceder demasiado el punto de fusión inicial suele ser la temperatura óptima. La fusión parcial podría dar lugar a la formación de filamentos en la superficie de fractura, que se pueden observar con un microscopio electrónico de barrido. La morfología y la química de los refuerzos también influyen en la superplasticidad de algunos compuestos. Pero aún no se ha propuesto ningún criterio único para predecir sus influencias.

Métodos para mejorar la superplasticidad

Se han sugerido algunas formas de optimizar la deformación superplástica de los compuestos de aleación de aluminio, que también son indicativas para otros materiales:

1. Buena dispersión de refuerzos. Esto también es importante para el rendimiento de la temperatura ambiente.
2. Refina el tamaño del grano de la matriz. El refinamiento crea más granos que pueden deslizarse unos sobre otros a alta temperatura, facilitando el mecanismo deslizante del límite de granos. Esto también implica una mayor tasa de tensión óptima. La tendencia del aumento de la tasa de cepa se ha observado en materiales de granos finos. Se ha reportado que la deformación plástica severa como el prensado angular de igual canal puede lograr materiales de grano ultrafina.
3. Elegir apropiadamente la temperatura y la tasa de tensión. Algunos compuestos tienen que calentarse cerca de fundirse, lo que podría tener efectos opuestos en otros compuestos.

Titanio y aleaciones a base de titanio

En la industria aeroespacial, las aleaciones de titanio como Ti–6Al–4V encuentran un amplio uso en aplicaciones aeroespaciales, no solo por su resistencia específica a altas temperaturas, sino también porque una gran cantidad de estas aleaciones exhiben un comportamiento superplástico. El termoformado de láminas superplásticas se ha identificado como una ruta de procesamiento estándar para la producción de formas complejas, especialmente y que son susceptibles de formación superplástica (SPF). Sin embargo, en estas aleaciones, las adiciones de vanadio las hacen considerablemente caras y, por lo tanto, existe la necesidad de desarrollar aleaciones de titanio superplásticas con adiciones de aleación más baratas. La aleación Ti-Al-Mn podría ser un material candidato. Esta aleación muestra una deformación posuniforme significativa a temperatura ambiente y cercana a la temperatura ambiente.

Aleación Ti-Al-Mn (OT4-1)

La aleación de Ti-Al-Mn (OT4-1) se utiliza actualmente para componentes de motores aeronáuticos, así como para otras aplicaciones aeroespaciales mediante la formación a través de una ruta convencional que suele ser intensiva en costos, mano de obra y equipos. La aleación Ti-Al-Mn es un material candidato para aplicaciones aeroespaciales. Sin embargo, existe prácticamente poca o ninguna información disponible sobre su comportamiento de formación superplástica. En este estudio, se estudió la formación de protuberancias superplásticas a alta temperatura de la aleación y se demostraron las capacidades de formación superplástica.

El proceso de abultamiento

El abultamiento por presión de gas de las láminas de metal se ha convertido en un método de formación importante. A medida que avanza el proceso de abultamiento, se hace evidente un adelgazamiento significativo en el material laminar. Se realizaron muchos estudios para obtener la altura del domo con respecto al tiempo de formación útil para el diseñador del proceso para la selección del espesor de la pieza inicial así como el adelgazamiento no uniforme en el domo después de la formación.

Estudio de caso

La aleación Ti-Al-Mn (OT4-1) estaba disponible en forma de lámina laminada en frío de 1 mm de espesor. La composición química de la aleación. Se utilizó una prensa hidráulica de 35 toneladas para la formación de protuberancias superplásticas de un hemisferio. Se fabricó y ensambló una matriz con el sistema de tuberías que permitía no solo el lavado con gas inerte del conjunto de matriz antes de la formación, sino también la formación de componentes bajo presión inversa, si fuera necesario. El diagrama esquemático de la configuración de formación superplástica utilizada para la formación de protuberancias con todos los accesorios necesarios y la fotografía de la matriz superior (izquierda) e inferior (derecha) para SPF.

Se cortó una lámina circular (en blanco) de 118 mm de diámetro de la lámina de aleación y se pulieron las superficies cortadas para eliminar las rebabas. La pieza en bruto se colocó en el troquel y la cámara superior se puso en contacto. El horno se encendió a la temperatura establecida. Una vez que se alcanzó la temperatura establecida, la cámara superior se redujo aún más para lograr la presión requerida del soporte del blanco. Se dejaron aproximadamente 10 minutos para el equilibrio térmico. El cilindro de gas argón se abrió gradualmente hasta la presión establecida. Simultáneamente, el transformador diferencial variable lineal (LVDT), instalado en la parte inferior de la matriz, se configuró para registrar la protuberancia de la hoja. Una vez que el LVDT alcanzó los 45 mm (radio de la matriz inferior), se detuvo la presión del gas y se apagó el horno. Los componentes formados se sacaron cuando la temperatura del juego de troqueles había descendido a 600 °C. En esta etapa fue posible retirar fácilmente el componente. La formación de protuberancias superplásticas de hemisferios se llevó a cabo a temperaturas de 1098, 1123, 1148, 1173, 1198 y 1223 K (825, 850, 875, 900, 925 y 950 °C) a presiones de formación de 0,2, 0,4, 0,6 y 0,87 MPa. A medida que avanza el proceso de formación de protuberancias, se hace evidente un adelgazamiento significativo en el material laminar. Se utilizó una técnica ultrasónica para medir la distribución del espesor en el perfil del componente formado. Los componentes se analizaron en términos de distribución del espesor, deformación del espesor y factor de adelgazamiento. Se realizaron estudios microestructurales posteriores a la deformación en los componentes formados para analizar la microestructura en términos de crecimiento de grano, elongación de grano, cavitaciones, etc.

Resultados y debates

La microestructura del material tal como se recibió con un tamaño de grano bidimensional de 14 μm se muestra en la Fig. 8. El tamaño de grano se determinó utilizando el método de intercepción lineal en las direcciones longitudinal y transversal de la lámina enrollada.

La formación superplástica exitosa de hemisferios se llevó a cabo a temperaturas de 1098, 1123, 1148, 1173, 1198 y 1223 K y presiones de formación de gas argón de 0,2, 0,4, 0,6 y 0,8 MPa. Se dio un límite de tiempo máximo de 250 minutos para la formación completa de los hemisferios. Este tiempo límite de 250 minutos se dio por razones prácticas. La Fig. 9 muestra una fotografía del blanco (espécimen) y un componente con forma de protuberancia (temperatura de 1123 K y una presión de gas de formación de 0,6 MPa).

Los tiempos de formación de componentes formados con éxito a diferentes temperaturas y presiones de formación. A partir del recorrido del LVDT instalado en la parte inferior de la matriz (que midió la altura/profundidad de la protuberancia) se obtuvo una estimación de la velocidad de formación. Se vio que la velocidad de formación fue rápida inicialmente y disminuyó gradualmente para todos los rangos de temperatura y presión como se indica en la Tabla 2. A una temperatura particular, el tiempo de formación se redujo a medida que aumentaba la presión de formación. De manera similar, a una presión de formación dada, el tiempo de formación disminuyó con un aumento de la temperatura.

El grosor del perfil de la protuberancia se midió en 7 puntos, incluida la periferia (base) y el poste. Estos puntos se seleccionaron tomando como referencia la línea entre el centro del hemisferio y el punto base y desplazándolos 15° hasta alcanzar el punto polar. Por lo tanto, los puntos 1, 2, 3, 4 y 5 subtienden un ángulo de 15°, 30°, 45°, 60° y 75° respectivamente con la base del hemisferio como se muestra en la Fig. 10. El espesor se midió en cada de estos puntos en el perfil de la protuberancia mediante el uso de una técnica ultrasónica. Los valores de espesor para cada uno de los componentes hemisféricos formados con éxito.

fig. 11 muestra el grosor del polo de los hemisferios completamente formados en función de la presión de formación a diferentes temperaturas. A una temperatura particular, el grosor del polo se redujo a medida que aumentaba la presión de formación. Para todos los casos estudiados, el grosor del poste estaba en el rango de aproximadamente 0,3 a 0,4 mm del grosor original del blanco de 1 mm.

La tensión del espesor In()S/S0){displaystyle {text{ln}}(S/S_{0}}, donde S{displaystyle S. es el espesor local y S0{displaystyle S_{0} es el espesor inicial, se calculó en diferentes ubicaciones para todos los componentes formados con éxito. Para una presión particular la tensión del espesor se redujo a medida que la temperatura de formación se incrementó. Fig. 12 muestra la tensión del espesor, In()S/S0){displaystyle {text{ln}}(S/S_{0}} como función de posición a lo largo de la sección de la cúpula en caso de un componente formado a 1123 K a una presión de formación de 0.6 MPa.

La microestructura posformada reveló que no hubo cambios significativos en el tamaño del grano. La Fig. 13 muestra la microestructura del componente con forma de protuberancia en la base y el polo para un componente formado a una temperatura de 1148 K y una presión de formación de 0,6 MPa. Estas microestructuras no muestran cambios significativos en el tamaño de grano.

Conclusión

Se estudió el comportamiento de deformación a alta temperatura y la capacidad de formación superplástica de una aleación de Ti-Al-Mn. La formación exitosa de hemisferios de 90 mm de diámetro utilizando la ruta superplástica se llevó a cabo en un rango de temperatura de 1098 a 1223 K y un rango de presión de formación de 0,2 a 0,8 MPa. Se podrían sacar las siguientes conclusiones:

1. El tiempo de formación disminuyó abruptamente cuando se aumentó la presión o la temperatura del gas. La tasa de formación fue inicialmente alta, pero se redujo progresivamente con el tiempo.
2. A una temperatura particular, el espesor del polo se redujo a medida que la presión de formación se incrementó. Para todos los casos estudiados el espesor del poste se sitúa en el rango de alrededor de 0,3 a 0,4 mm del espesor original en blanco de 1,0 mm.
3. El factor de adelgazamiento y la tensión del espesor aumentaron a medida que uno se movía de la periferia al polo. Las microestructuras postformadas no muestran cambios significativos en el tamaño del grano.

Hierro y acero

Principalmente en materiales no calificados, como el acero austenítico de la aleación Fe-Mn-Al, que tiene algunos de los parámetros específicos del material estrechamente relacionados con los mecanismos microestructurales. Estos parámetros se utilizan como indicadores de la potencialidad superplástica del material. El material fue sometido a ensayos de tracción en caliente, dentro de un rango de temperatura de 600 °C a 1000 °C y velocidades de deformación que varían de 10−6 a 1 s−1. El parámetro de sensibilidad de la velocidad de deformación (m) y el alargamiento máximo observado hasta la ruptura (εr) pudieron determinarse y también obtenerse a partir de la prueba de tracción en caliente.

Fe con aleaciones de Mn y Al

Los experimentos establecieron la posibilidad de un comportamiento superplástico en una aleación de Fe-Mn-Al dentro de un rango de temperatura de 700 °C a 900 °C con un tamaño de grano de alrededor de 3 μm (tamaño de grano 12 de ASTM) y una sensibilidad de velocidad de deformación promedio de m ∼ 0,54, así como un alargamiento máximo a la rotura en torno al 600%.

Fe con aleaciones de Al y Ti

El comportamiento superplástico de las aleaciones Fe-28Al, Fe-28Al-2Ti y Fe-28Al-4Ti se ha investigado mediante pruebas de tracción, microscopía óptica y microscopía electrónica de transmisión. Las pruebas de tracción se realizaron entre 700 y 900 °C en un rango de velocidad de deformación de aproximadamente 10⁻⁵ a 10⁻²/s. Se encontró que el índice de sensibilidad m de la velocidad de deformación máxima era de 0,5 y el alargamiento más grande alcanzó el 620 %. Las aleaciones Fe3Al y Fe Al con tamaños de grano de 100 a 600 μm exhiben todas las características de deformación de las aleaciones superplásticas convencionales de tamaño de grano fino.

Sin embargo, se encontró un comportamiento superplástico en aluminuros de hierro de grano grande sin los requisitos habituales para la superplasticidad de un tamaño de grano fino y deslizamiento del límite de grano. Los exámenes metalográficos han demostrado que el tamaño de grano promedio de los aluminuros de hierro de grano grande disminuyó durante la deformación superplástica.

Cerámica

Las propiedades de la cerámica

Las propiedades de los materiales cerámicos, como todos los materiales, están dictadas por los tipos de átomos presentes, los tipos de enlace entre los átomos y la forma en que los átomos están empaquetados. Esto se conoce como la estructura de escala atómica. La mayoría de las cerámicas se componen de dos o más elementos. Esto se llama un compuesto. Por ejemplo, alúmina (Al₂O₃ ), es un compuesto formado por átomos de aluminio y átomos de oxígeno.

Los átomos de los materiales cerámicos se mantienen unidos por un enlace químico. Los dos enlaces químicos más comunes para los materiales cerámicos son el covalente y el iónico. Para los metales, el enlace químico se llama enlace metálico. La unión de los átomos entre sí es mucho más fuerte en los enlaces covalentes e iónicos que en los metálicos. Por eso, en general, los metales son dúctiles y las cerámicas son quebradizas. Debido a la amplia gama de propiedades de los materiales cerámicos, se utilizan para una multitud de aplicaciones. En general, la mayoría de las cerámicas son:

• duro
• resistente al desgaste
• Brittle
• refractario
• aislantes térmicos
• aislante eléctrico
• no magnética
• resistente a la oxidación
• prone to térmica shock
• buena estabilidad química

Se ha observado una superplasticidad de alta velocidad de deformación en aleaciones a base de aluminio y magnesio. Pero para los materiales cerámicos, la deformación superplástica se ha restringido a velocidades de deformación bajas para la mayoría de los óxidos y nitruros con la presencia de cavidades que conducen a fallas prematuras. Aquí mostramos que un material cerámico compuesto que consta de óxido de circonio tetragonal, aluminatos de magnesio espinal y fase de alfa-alúmina exhibe superplasticidad a velocidades de deformación de hasta 1,0 s⁻¹. El material compuesto también exhibe un gran alargamiento a la tracción, superior al 1050 % o una velocidad de deformación de 0,4 s⁻¹. Los metales superplásticos y las cerámicas tienen la capacidad de deformarse más del 100 % sin fracturarse, lo que permite la formación de formas netas a altas temperaturas. Estos intrigantes materiales se deforman principalmente por el deslizamiento de los límites de grano, un proceso que se acelera con un tamaño de grano fino. Sin embargo, la mayoría de las cerámicas que comienzan con un tamaño de grano fino experimentan un rápido crecimiento del grano durante la deformación a alta temperatura, lo que las hace inadecuadas para la formación superplástica prolongada. Se puede limitar el crecimiento del grano usando una segunda fase menor (Zener pinning) o haciendo una cerámica con tres fases, donde se minimiza el contacto grano a grano de la misma fase. Una investigación sobre alúmina-mullita trifásica de grano fino (3Al₂O₃·2SiO₂)-zirconia, con fracciones de volumen aproximadamente iguales de las tres fases, demuestra que las velocidades de deformación superplásticas son tan altas ya que se pueden alcanzar 10⁻²/seg a 1500 °C. Estas altas velocidades de deformación colocan la formación de superplásticos cerámicos en el ámbito de la viabilidad comercial.

Cavitaciones

La conformación superplástica solo funcionará si no se producen cavitaciones durante el deslizamiento de los límites de grano; esas cavitaciones dejan la acomodación por difusión o la generación de dislocaciones como mecanismos para acomodar el deslizamiento de los límites de grano. Las tensiones aplicadas durante la formación superplástica de la cerámica son moderadas, generalmente de 20 a 50 MPa, por lo general no lo suficientemente altas como para generar dislocaciones en monocristales, por lo que debería descartarse la acomodación de dislocaciones. Sin embargo, se revelarán algunas características inusuales y únicas de estas cerámicas superplásticas trifásicas, lo que indica que las cerámicas superplásticas pueden tener mucho más en común con los metales de lo que se pensaba anteriormente.

Zirconio tetragonal policristalino estabilizado con itria

El óxido de itrio se utiliza como estabilizador. Este material tiene una estructura predominantemente tetragonal. Y-TZP tiene la mayor resistencia a la flexión de todos los materiales a base de zirconio. El tamaño de grano fino de Y-TZP se presta para su uso en herramientas de corte donde se puede lograr y mantener un filo muy afilado debido a su alta resistencia al desgaste. Se considera que es la primera cerámica policristalina verdadera que se muestra como superplástica con un porcentaje de 3 moles Y-TZP (3Y-TZP), que ahora se considera el sistema cerámico modelo. El tamaño de grado fino conduce a una cerámica no porosa muy densa con excelente resistencia mecánica, resistencia a la corrosión, tenacidad al impacto, resistencia al choque térmico y muy baja conductividad térmica. Por sus características Y-TZP se utiliza en piezas de desgaste, herramientas de corte y recubrimientos de barrera térmica.

Tamaño de grano

Las propiedades superplásticas del 3Y-TZP se ven muy afectadas por el tamaño del grano desplazado en la Fig. 3, el alargamiento hasta la falla disminuye y la resistencia al flujo aumenta mientras que el tamaño del grano aumenta. Se realizó un estudio sobre la dependencia del esfuerzo de flujo con el tamaño de grano, el resultado –en resumen- muestra que el esfuerzo de flujo depende aproximadamente del tamaño de grano al cuadrado:

σ σ ∝ ∝ d2{displaystyle sigma propto d^{2},}

Dónde:

σ σ {displaystyle sigma ,} es el estrés del flujo.

d es el tamaño de grano instantáneo.

Alúmina (Al2O3)

La alúmina es probablemente una de las cerámicas estructurales más utilizadas, pero la superplasticidad es difícil de obtener en la alúmina, como resultado del rápido crecimiento anisotrópico del grano durante la deformación a alta temperatura. Independientemente de cuál, se han realizado varios estudios sobre la superplasticidad en Al₂O₃. Demostró que el tamaño de grano de Al₂ El O₃ que contiene 500 ppm de MgO se puede refinar aún más agregando varios dopantes, como Cr₂O₃, Y₂O₃, y TiO2. Se obtuvo un tamaño de grano de aproximadamente 0,66 μm en una Y₂₃ dopada con 500 ppm Al₂O₃. Como resultado de este tamaño de grano fino, el Al₂O ₃ exhibe un alargamiento de ruptura del 65 % a 1450 °C bajo una tensión aplicada de 20 MPa.