Ligas com memória de forma são bem conhecidas por suas propriedades notáveis ​​- superelasticidade, a memória de forma e a atuação permitem que eles sejam amassados ​​e voltem à forma original "lembrada".

Mas o material avançado permanece drasticamente subutilizado em aplicações comerciais, usos que podem incluir transformar a forma de estruturas de aviões para tornar o voo mais eficiente ou implantar antenas de comunicação e painéis solares no espaço.

Pesquisadores da Colorado School of Mines estão trabalhando para entender melhor como suas complexas microestruturas internas mudam durante comportamentos de memória de forma e os resultados de seus experimentos inéditos foram publicados recentemente por três importantes jornais de ciência e mecânica de materiais, Acta Crystallographica , Jornal da Mecânica e Física dos Sólidos e Scripta Materialia .

"Descoberto há mais de 70 anos, a promessa de ligas com memória de forma (SMAs) levou a mais de 10, 000 patentes nos EUA e 20, 000 em todo o mundo. Contudo, essa promessa não foi correspondida por seu impacto tecnológico - apenas um número limitado desses 20, 000 patentes SMA foram realizadas como produtos comercialmente viáveis, "disse Ashley Bucsek Ph.D. '18, autor principal dos três artigos e agora bolsista de pós-doutorado do presidente na Universidade de Minnesota. "A história é semelhante para muitos outros materiais avançados, levando décadas para passar do desenvolvimento à implementação. Uma razão para essa lacuna entre o desenvolvimento e a implementação é que os pesquisadores estão literalmente apenas arranhando a superfície com técnicas convencionais de microscopia, quando a maioria dos micromecanismos em SMAs são 3-D, fora do plano e sensível às restrições internas. "

Para preencher essa lacuna, Bucsek e seus colegas pesquisadores colocaram níquel titânio - o SMA mais amplamente usado e disponível - em alguns dos microscópios 3-D mais poderosos disponíveis hoje, localizado na Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) na Cornell University no interior do estado de Nova York.

Especificamente, ela usou microscopia de difração de alta energia de campo próximo e campo distante (HEDM), que caem sob a égide de técnicas de difração de raios-X 3-D, permitindo que ela visualize a microestrutura interna do material em três dimensões enquanto responde em tempo real.

"Embora o HEDM tenha sido desenvolvido no CHESS e outros síncrotrons ao redor do mundo por mais de uma década, os procedimentos para aplicar HEDM para estudar materiais avançados com características como misturas de fase de baixa simetria e grandes disparidades de tamanho de cristal eram essencialmente inexistentes, "Disse Bucsek." Como resultado, cada um desses três experimentos exigiu o desenvolvimento de novos experimentos, análise de dados e técnicas de visualização de dados para extrair as informações desejadas. Muitos dos resultados foram surpreendentes, lançando luz sobre áreas de contenção com décadas de existência na micromecânica da SMA. "

Em SMAs, é frequentemente a fase de alta simetria chamada "austenita" que é estável a uma temperatura mais elevada, mas se estresse suficiente for aplicado ou a temperatura for reduzida, ele irá se transformar em uma fase de baixa simetria chamada "martensita".

O primeiro artigo, "Medindo microestruturas de martensita induzida por estresse usando microscopia de difração de alta energia de campo distante, "publicado em setembro em Acta Crystallographica Seção A:Fundações e avanços , procurou prever a variedade específica de martensita que se formaria.

"Usando esta abordagem, descobrimos que as microestruturas de martensita dentro de SMAs violaram fortemente as previsões do critério de trabalho de transformação máxima, mostrando que a aplicação do critério de trabalho de transformação máxima amplamente aceito precisa ser modificado para os casos em que os SMAs podem ter características e defeitos de microestrutura de grau de engenharia, "Disse Bucsek.

O segundo experimento abordou o rearranjo duplo induzido por carga, ou reorientação de martensita, um mecanismo de deformação reversível pelo qual os materiais podem acomodar grandes cargas e deformações sem danos por meio de rearranjos de gêmeos cristalográficos.

O papel, "Mecanismos de reorientação dupla ferroelástica em ligas com memória de forma elucidados com microscopia de raios-X 3-D, "está programado para ser publicado em março em Jornal da Mecânica e Física dos Sólidos .

"Uma sequência específica de micromecanismos de rearranjo duplo ocorre dentro das bandas de deformação macroscópica à medida que se propagam através da microestrutura, e mostramos que a localização da deformação dentro dessas bandas faz com que a rede se curve em até 15 graus, que tem implicações importantes na deformação elástica, tensão de cisalhamento resolvida, e maximizar o rearranjo duplo, "Bucsek disse:" Essas descobertas guiarão os futuros pesquisadores no emprego do rearranjo duplo em novas tecnologias multiferróicas ".

A atuação de estado sólido é uma das aplicações mais importantes dos SMAs, usado em uma série de sistemas nanoeletromecânicos e microeletromecânicos, biomédico, amortecimento ativo e sistemas de atuação aeroespacial.

O alvo do experimento final foi um fenômeno no qual limites especiais de grãos de alto ângulo emergem dentro dos grãos de austenita quando os SMAs são acionados. Durante a atuação, a transformação de fase de austenita em martensita, em seguida, de volta à austenita é induzida por aquecimento, resfriar e reaquecer o SMA sob carga constante.

O papel, "Caracterização 3-D in situ da transformação de fase induzida pelo refinamento do grão de austenita em níquel-titânio, "aparecerá em março em Scripta Materialia .

"Usando microscopia eletrônica, foi observado que a austenita pode apresentar grandes rotações quando a amostra é reaquecida, o que é prejudicial tanto para a produção de trabalho quanto para a fadiga. Contudo, por causa dos pequenos tamanhos de amostra necessários para microscopia eletrônica, essas rotações foram observadas de forma muito inconsistente, aparecendo, mas não aparecendo nas mesmas condições de carregamento, ou aparecendo depois de alguns ciclos, mas não aparecendo depois de alguns milhares de ciclos, "Disse Bucsek." Nossos resultados mostraram que essas rotações de grãos podem ocorrer após apenas um ciclo em condições moderadas. Mas por causa do baixo volume e dispersão heterogênea das rotações, um volume a granel é necessário para observá-los. "

O financiamento para a pesquisa de Bucsek veio da bolsa de estudos de pós-graduação da National Science Foundation (NSF), bem como o Prêmio NSF CAREER 2015 de seu Ph.D. conselheiro e co-autor, Aaron Stebner, Rowlinson Professor Associado de Engenharia Mecânica em Minas. O financiamento adicional para usar os computadores de alto desempenho necessários para analisar os dados veio do programa NSF XSEDE.

"O trabalho de tese da Dra. Bucsek documentado nestes artigos mostra a importância do uso de técnicas 3-D para estudar a estrutura 3-D dos materiais. Ela foi capaz de observar e compreender mecanismos que foram postulados e debatidos por mais de 50 anos pela primeira vez Tempo, "Stebner disse." O maior obstáculo para a adoção de novos materiais, como a maioria das tecnologias, é o medo do desconhecido. Essa compreensão, sem dúvida, levará a uma maior aceitação e aplicação desses materiais milagrosos, pois aumenta nossa confiança no desenvolvimento de meios para certificá-los e qualificá-los. "

A operação da Fonte Síncrotron Cornell de Alta Energia, que foi usado para realizar as medições de microscopia de raios-X, também foi fornecido pela NSF.

"Ao longo de seu trabalho de tese, Dr. Bucsek desenvolveu novos, maneiras criativas de aplicar métodos HEDM ao estudo de sistemas de ligas com memória de forma, "disse Darren Pagan, cientista da equipe do CHESS. "Sua capacidade de superar desafios associados ao processamento e interpretação de dados permitiu que novos insights fossem obtidos na micromecânica da deformação da liga com memória de forma."