Propiedades mecánicas y transformaciones de fase de materiales

Cotidiano: pinchamos y cortamos el bife con tenedor y cuchillo aplicando poca o mucha fuerza según la resistencia que ofrezca  a ser saboreado. En este sencillo acto estamos sometiendo a los utensilios a un ensayo mecánico al aplicar una fuerza sobre ellos. En general  los materiales se arquean (poco o mucho) pero luego recuperan la forma, entonces los deformamos  dentro de su rango elástico. ¿Alguno de ellos queda deformado? (suele ocurrir particularmente si lo compramos por poca plata), entonces lo hemos deformado plásticamente.  Y si los forzamos a recuperar la forma, ¡los estamos deformando más aún! Y repitiendo la operación terminarán rompiendo. ¡No hay solución!

Las propiedades mecánicas están vinculadas con la respuesta de un material cuando se lo somete a fuerzas.  Al  aplicarse una fuerza a la gran mayoría de los metales y aleaciones, éstos sufren una deformación proporcional a la fuerza aplicada, hasta cierto umbral. Al quitarse la fuerza, el material recupera su forma original. Este fenómeno se llama deformación elástica y el umbral recibe el nombre de límite elástico.  Una vez superado el límite elástico, el material empieza a deformarse permanentemente, lo que se conoce como deformación plástica, la que puede continuar hasta la fractura del material. Al quitarse la fuerza en la etapa de deformación plástica (antes de la rotura), el material no vuelve a su forma original, sino que queda deformado de forma permanente por la generación de defectos denominados dislocaciones. Si la forma era una propiedad importante del material, las dislocaciones lo dañan irremediablemente. También hay metales y aleaciones frágiles que pueden romperse antes del inicio de la deformación plástica, pero no los incluiremos aquí.

La selección de materiales para una dada aplicación depende fuertemente entonces de sus propiedades mecánicas.

En las aleaciones (combinación de metales) las propiedades mecánicas dependen no sólo de los metales que la componen, sino también de cómo se distribuyen los átomos. Aún en el estado sólido los átomos se agrupan en forma diferenciada dando lugar a lo que denominamos fases. La respuesta mecánica del material será diferente según las fases presentes.

Este es el campo de estudio de uno de los Grupos del IFIMAT, las transformaciones de fase y las propiedades mecánicas de aleaciones, acerca de las cuales daremos un par de ejemplos.

Un grupo de aleaciones en estudio es el Aluminio con agregado de átomos de Silicio y Magnesio (Al-Mg-Si), donde los átomos de Si y Mg no son mucho más que el 1% del total. Con esta pequeña cantidad de agregados el umbral de deformación plástica es unas diez veces mayor que en el Aluminio puro. Pero además se observa que partiendo de los átomos distribuidos al azar y dejando “envejecer” la aleación a temperatura ambiente el límite elástico crece. Ocurre que los átomos de Si y Mg se ligan formando lo que denominamos conglomerados, y estos dan la mayor resistencia a la aleación. Los conglomerados contienen unos 10 átomos, y su tamaño es del orden del nanómetro (10-9m o  un metro dividido mil millones). No pueden observarse siquiera con microscopios electrónicos de altísimo aumento. Sin embargo, midiendo el endurecimiento que producen podemos estudiar cómo se forman y crecen con el tiempo de envejecimiento. En condiciones apropiadas de envejecimiento a distintas temperaturas y tiempos se forman diversas fases  que estudiamos también mediante los cambios que producen en las propiedades mecánicas.

Estas aleaciones son utilizadas en la industria automotriz, aeronáutica, de la construcción, etc. Pero nuestro interés, lejos de la ingeniería, está en conocer y explicar el comportamiento de los átomos y las dislocaciones en el material.

Otro conjunto de aleaciones en estudio son las que contienen Cobre, Aluminio y Zinc (o Berilio, Manganeso, otros). La combinación en cantidades apropiadas  de estos metales produce las denominadas “aleaciones con memoria de forma”. Estos materiales memoriosos presentan un comportamiento mecánico particular: al aplicar una fuerza deforman elásticamente, superado el umbral elástico pueden deformar hasta un 10% sin romperse. Hasta ahí se asemeja a una deformación plástica.  La diferencia está en que al quitar la fuerza,  la deformación se revierte llegando a recuperar la forma original del material. Esto se denomina súper-elasticidad o pseudoelasticidad.  En condiciones apropiadas, al retirar la fuerza el material queda deformado, sin embargo, al calentarlo recupera la forma original. Este efecto se denomina “memoria de forma”. ¿De dónde proviene esta memoria? Ocurre que no se produce deformación plástica, no se generan dislocaciones, sino una transformación de fase muy particular denominada martensítica. Los átomos bajo la acción de la fuerza se mueven en forma coordinada dando lugar a la fase “martensita”, al retirar la fuerza vuelven a su posición original. Esta transformación de fase puede producirse además por enfriamiento-calentamiento.

Las aleaciones con memoria de forma son utilizadas en sistemas antisísmicos, y entre otras cosas también ¡para mantener abiertas nuestras venas!. Es el caso de los stent, pequeños anillos que se colocan fríos en las venas obstruidas y al alcanzar la temperatura corporal se expanden por recordar su forma a esa temperatura. En este caso las aleaciones son de Titanio y Níquel, biocompatibles. Nuevamente, nuestro interés está en entender lo mucho que aún falta explicar acerca de las transformaciones martensíticas y la memoria asociada.

Las transformaciones de fase y  las distintas fases que se forman en los materiales son estudiadas en el Instituto mediante la determinación de propiedades mecánicas, también propiedades térmicas y eléctricas, y observaciones microscópicas.

Además del estudio de aleaciones, nos dedicamos a proyectos complementarios con colegas de otras disciplinas, como por ejemplo:

- Estudio de propiedades mecánicas de huesos de animales tratados tal como los hallados en reservas arqueológicas por colegas arqueólogos.

- Determinación de fuerzas y energías de rotura de semillas de  oleaginosas con colegas ingenieros químicos.

- Seguimiento de la maduración de ajos mediante la resistencia al punzado con colegas químicos y biólogos.

- Análisis de propiedades mecánicas de órtesis para animales pequeños con colegas veterinarios.

A estas cuestiones nos dedicamos cinco docentes-investigadores, tres becarios doctorales, y estudiantes de Física de la Facultad de Ciencias Exactas, compartiendo la curiosidad y el interés por entender algo más acerca del comportamiento de los materiales.

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