Descomposición espinodal y transformación martensítica en β Cu-Al-Mn

Abstract

En primer lugar, se debe hacer énfasis en que las características de las transiciones que tienen lugar en la fase β del sistema Cu-Al-Mn dependen fuertemente de la composición, más precisamente de la concentración electrónica e/a, que resulta ser el parámetro más relevante en la estabilidad de fases de este sistema. En efecto, de acuerdo a los resultados encontrados en este trabajo, las aleaciones CAM1 y CAM2 se ordenan en segundos vecinos mediante dos transiciones de segundo orden, mientras que la CAM3 lo hace mediante una única transición de primer orden. Por otro lado, el ciclo de transformación-retransformación martensítica tiene diferencias considerables para CAM1 y CAM3, debido a que la fase producto de ambas transformaciones no es la misma, siendo martensita tipo 18R para la CAM1 y 2H para CAM3 respectivamente. Paralelamente, la muestra CAM2 experimenta una transición de ferro a paramagnética a los 540 K.Complementariamente, si se pretende usar este tipo de aleaciones como material con efecto de memoria de forma, es muy importante tener suma precaución en el tratamiento térmico realizado para retener la fase β de forma metaestable. En este trabajo se han investigado los efectos del templado en un amplio rango de temperaturas en dos aleaciones de Cu-Al-Mn con diferente composición química y concentración electrónica. Es generalmente aceptado que el agregado de Mn estabiliza la fase β en aleaciones de base Cu-Al, sin embargo, a pesar de que las concentraciones de Mn las de muestras estudiadas en este trabajo son muy similares, su estabilidad ante la descomposición en fases de equilibrio es muy diferente. A partir de los resultados obtenidos, es evidente que el parámetro más relevante para determinar la estabilidad del sistema es e/a, siendo más estable ante la descomposición la aleación con composición con e/a más próxima a la eutectoide. Por otro lado, pese al amplio rango de temperaturas de templado, y la consecuente variación de concentración de vacancias retenidas, en ningún caso se encontró evidencia de descomposición espinodal para las determinaciones realizadas posteriores al templado, ni inmediatamente, ni luego de 24 horas a temperatura ambiente.Por otro lado, se estudió la cinética de la descomposición espinodal en β Cu-Al-Mn, obteniendo información relevante sobre el proceso de formación de fases durante tratamientos isotérmicos dentro del gap de miscibilidad mediante DSC y microdureza, resultando ambas técnicas adecuadas para el seguimiento de este fenómeno. Los resultados obtenidos muestran que tanto la cinética del proceso de descomposición, como la fracción de volumen, la composición y la distribución del tamaño de los precipitados resultantes, dependen del tiempo y de la temperatura del tratamiento térmico, resultando esta información sumamente relevante para la comprensión del fenómeno de la descomposición espinodal mas allá de las primeras etapas, que están relativamente bien explicadas. Los resultados sugieren fuertemente que:?A temperaturas menores, la cinética de la descomposición es más lenta, y se genera un arreglo de precipitados de menor tamaño y con una distribución de tamaños menos dispersa. Por otro lado, la fracción en volumen de precipitados que se forman es menor, y la composición de los precipitados es más rica en Mn que para tratamientos a temperaturas más altas dentro del gap de miscibilidad.?A temperaturas más altas, se producen precipitados más grandes, la distribución final de tamaños se vuelve más dispersa, la fracción en volumen de precipitados que se forman es mayor que para tratamientos a temperaturas menores, y la composición de los precipitados tiene menos contenido de Mn.Complementariamente, la información relevada a partir del estudio comparativo entre muestras de composiciones diferentes indica que el contenido de Mn parece ser el parámetro fundamental que determina tanto la magnitud como la cinética del proceso de descomposición espinodal. Se observó que para los tiempos de tratamiento térmico alcanzados, ~9x105 s, el proceso de descomposición espinodal alcanza una saturación para las cuatro temperaturas estudiadas, y no se encontraron evidencias de precipitación de fases de equilibrio.A partir del estudio de la disolución isotérmica y no-isotérmica de los precipitados espinodales, los resultados obtenidos indican que los efectos de la descomposición espinodal son revertidos totalmente mediante tratamientos térmicos por encima del gap de miscibilidad, recuperándose el estado original resultante del TTB. Se determinó un valor de 77 kJ/mol para la energía de activación del proceso de disolución de los precipitados. A su vez, el proceso de disolución, así como el de formación, parece estar controlado principalmente por el contenido de Mn. Se investigaron los efectos que tiene la descomposición espinodal a 393 K en β Cu-20,12 at.% Al -8,22 at.% Mn sobre la transformación martensítica, estudiando las curvas calorimétricas de los ciclos de transformación-retransformación. Por un lado, la descomposición espinodal genera una reducción del volumen que transforma martensíticamente a medida que aumenta la fracción en volumen de precipitados tipo L21, producto de la descomposición espinodal. Por otro, las temperaturas características de la transformación martensítica también cambian a medida que progresa la descomposición, la energía elástica aumenta y el ciclo de histéresis se estrecha. Estos cambios pueden interpretarse en términos de la existencia de un campo de tensiones elásticas que se establece como consecuencia del proceso de descomposición, el cual genera, por un lado, una reducción del número de variantes que se forman, que puede explicar el estrechamiento del ciclo de histéresis y parte de la reducción de la fracción volumen de muestra que transforma, y por otro, genera que la transformación espontánea se produzca bajo una tensión aplicada, lo cual aumenta la energía elástica involucrada.El ciclado térmico a través de la transformación martensítica de muestras descompuestas espinodalmente es un experimento inédito para este sistema. Se encontró que el mismo modifica las características de la transformación, revirtiendo parcialmente los efectos producidos por la descomposición: el aumento del volumen transformado, las temperaturas críticas disminuyen y el ciclo de histéresis se amplía, sin llegar a alcanzar nuevamente los valores de las muestras con TTB. La deformación plástica de la martensita debido a la interacción con los precipitados durante las transformaciones directa e inversa puede explicar todos los resultados producidos por el ciclado que fueron observados.Por último, se determinó la existencia del TME simple y múltiple en aleaciones de Cu-Al-Mn con TTB, y descompuestas espinodalmente. Se encontró el resultado sumamente interesante de que mediante la descomposición espinodal es posible magnificar el efecto TME, así como también permite, dentro de ciertos límites, cambiar el rango de temperaturas de trabajo sin cambiar la composición. Estos resultados marcan un comienzo alentador para el estudio de la influencia de la descomposición espinodal sobre los efectos de interés tecnológico de las aleaciones con memoria de forma β Cu-Al-Mn.