Estira e estira sen romper

2006/01/01 Urdanpilleta, Marta - Ingeniaritzan doktorea Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Ingeniaritza
• Materialak

(Foto: R. Carton)

En Bélxica hai un vello chiste sobre os holandeses que din que inventaron tirar dunha moeda e que así conseguiron facer o primeiro cable de Amsterdam a Róterdan. Está claro que o chiste é un abuso porque non hai metal que se alargue tanto. Con todo, á marxe da cobiza dalgúns, é sorprendente a cantidade de material metálico que se pode alargar.

A maioría dos materiais metálicos alárganse entre o 50% e o 100%, até un máximo de dobre lonxitude, pero non todos. Algúns materiais poden alargarse moito máis, entre o 200% e o 1.000%. E una aliaxe de chumbo e estaño pode alargarse un 7.000%, é dicir, setenta veces máis. Pensemos que temos una culleriña de sobremesa feita con esta aliaxe, pois se tiramos de ambas as caras á vez, alcanzaría una lonxitude de 10 metros. Non é de estrañar que este material sexa denominado superplástico.

O termo superplástico indica que estes materiais teñen una enorme capacidade de estiramento. Aínda que sexan metais, son 'moi brandos' dentro dun rango de temperaturas e teñen una pequena tensión suficiente paira estirarse. Normalmente, o material alárgase máis facilmente por encima da metade da temperatura de fusión. Por exemplo, a aliaxe de níquel ten una temperatura de fusión duns 1.300ºC, sendo a maior superplasticidad a uns 950ºC.

O estudo microscópico dos metais permite observar como se produce este fenómeno. Lembremos que en xeral os materiais metálicos son policristalinos, é dicir, están constituídos por pequenos cristalinos. Dentro de cada cristalino, os átomos están ordenados de forma periódica. O tamaño destes cristalinos varía moito dependendo da forma en que se forme esta estrutura metálica: algúns metais teñen cristalinas microscópicas, outros teñen un tamaño milimétrico ou centímetro, e algúns fragmentos de metal son monocristales, é dicir, toda a peza é un único cristal.

Imaxe dunha aliaxe de níquel superplástica realizada cun microscopio electrónico.

M. Urdanpilleta

Pois ben, nos superplásticos o tamaño destes cristalitos é pequeno, só unas micras (una micra é a milésima parte dun milímetro), e a clave do seu estiramento está nesa pequena pequeñez dos cristais: ao longo da deformación os cristais non aumentan. Lembrade que o metal debe quentarse paira ter un comportamento superplástico, e segundo a física de base, este quecemento amplía os cristalitos e faios máis grandes. Pero isto non ocorre cos metais superplásticos, xa que a estrutura microscópica mantén certo tamaño do cristal.

O tamaño dos cristalinos non cambia ao estirar o material, senón que cambia o tamaño e a posición destes cristais. Ademais, normalmente son materiais bifásicos, xa que o metal superplástico está formado por dous tipos de cristais de diferente composición química. Por último, hai outros factores, quizá máis técnicos: por exemplo, os cristais deben poder virar en ángulo grande.

Aplicación industrial

A maioría dos materiais metálicos alárganse entre o 50% e o 100%, até un máximo de dobre lonxitude, pero non todos.

G. Roia

Era necesario na industria, especialmente na industria aeronáutica. Neste campo utilízanse principalmente aliaxes de titanio, aluminio e níquel, combinando conformado superplástico e soldadura de difusión paira producir pezas de morfología complexa. A combinación de ambos os procedementos permite obter as pezas nunha soa operación, reducindo o custo do material e reducindo o tempo de produción en comparación coas técnicas convencionais. As pezas obtidas presentan un excelente acabado superficial e son moi lixeiras. Con todo, esta técnica tamén presenta desvantaxes como que o material de partida é caro e que o espesor das pezas terminadas non é uniforme.

Hai moitas formas de traballar con superplásticos, quizá a técnica máis común sexa a chamada conformación de inflado. Este procedemento ten a forma de soprado de vidro: nun aparello estanco, nunha lámina superplástica situada xunto a un molde introdúcese gas argón a unha presión non moi elevada e a lámina adopta a forma do molde. As máquinas de presión extrema son as habituais na industria, pero paira tratar metais superplásticos bastan 10 megapascales, é dicir, aproximadamente cen veces a presión atmosférica.

O feito de que non se necesite moita presión non significa que se trate dun proceso instantáneo. Paira alargar un anaco de metal quéntase á temperatura óptima e tardan moitos minutos, ás veces horas. Por tanto, para que o procedemento teña un interese industrial, a velocidade de deformación debe ser o máis elevada posible paira reducir o tempo de produción. A esa velocidade tamén inflúe o tamaño dos cristalinos. En xeral, canto máis pequenos son os cristalinos, maior é a velocidade de deformación. Por tanto, as características microscópicas do metal superplástico son moi importantes á hora de tratar este material. Son materiais específicos moi difíciles de realizar e por tanto caros.

Os materiais superplásticos utilízanse principalmente na industria aeronáutica.

de arquivo

Na industria a miúdo utilízase a soldadura de difusión xunto co conformado superplástico. Comezou a expandirse na década de 1960 e actualmente utilízase principalmente na industria aeronáutica, nuclear e na tecnoloxía espacial. Este proceso consiste na difusión do material superplástico entre dous ou máis materiais iguais, cunha presión moderada e una temperatura elevada. Como consecuencia, tras unha pequena deformación macroscópica, as dúas pezas únense. Paira mellorar a calidade da unión pódese dar una pequena presión ao gas.

Euskal Herria

Mediante esta técnica pódense obter diferentes tipos de xeometrías. Combinando a conformación industrial con simulacións de dispositivos de orde de deformación, na actualidade están a desenvolverse numerosas aplicacións, controlando cada vez mellor todos os parámetros. Esta tecnoloxía aplícase tamén a empresas do País Vasco. Por exemplo, a empresa aeronáutica ITP, situada no Parque Tecnolóxico de Zamudio, fabrica motores de avión mediante conformado superplástico, cun importante esforzo en I+D neste campo.

A superplasticidad aínda ten moito que facer.

de arquivo

O futuro da superplasticidad parece interesante e a medida que se controlan mellor os parámetros da deformación vanse creando novas aplicacións. A superplasticidad de alta velocidade tamén xerou esperanza. É posible que no futuro póidase aplicar en técnicas non desenvolvidas. A verdade é que a superplasticidad aínda ten un longo camiño por percorrer.

Explicación microscópica

Os mecanismos de deformación teñen gran importancia non só nos metais superplásticos, senón tamén no resto. En xeral, o tipo de deformación máis común é o movemento de dislocación a temperatura moderada.

Paira saber que é una dislocación, podemos imaxinala cunha alfombra: paira mover una alfombra pesada, o máis conveniente non é tirar dun lado, senón crear una “casiña” na alfombra e mover esa onda dun lado a outro da alfombra. Así, a alfombra móvese aos poucos e o traballo é moito máis lixeiro.

No interior do metal pódese utilizar un mecanismo similar paira mover os cristalitos do interior do metal e, en definitiva, paira producir deformación. Paira deformar o cristal, e por tanto o metal, o máis fácil non é mover de súpeto un plano enteiro do cristal, senón crear un "erro" no cristal e mover ese defecto "" dun lado a outro do cristal, como a onda da alfombra. Este mecanismo permite que os cristalinos sufran una deformación e alárguense, pero entre uns cristalinos e outros aparecen "buracos" que poden dar lugar a gretas e cavidades no metal.

(Foto: G. Roia)

Con todo, na deformación superplástica considérase que o mecanismo de deformación máis importante é a lubricación no límite de gran. Neste caso, os cristalinos escorréganse un contra outro sen alterar moito o aspecto do material.

Por utilizar un modelo sinxelo, podemos pensar que cada cristal está formado por un núcleo duro e un límite brando e viscoso. Cando se produce a lubricación, o límite é o que sofre a maior deformación (mediante dislocaciones) e o núcleo non sofre grandes alteracións. Así, as gretas, e por tanto as fracturas, aparecen con maior dificultade, xa que a cavidade en certa medida impide os límites. Enténdese, por tanto, a importancia do tamaño de gran: canto máis pequeno sexa o gran, máis límites de gran e, por tanto, máis lubricación entre os grans (e maior superplasticidad).

Aínda que os exemplos máis coñecidos deste fenómeno son os metálicos, tamén se atopou un comportamento superplástico noutro tipo de materiais, como cerámicas, materiais compostos de matriz metálica e intermetálicos.

A autora deste artigo, Marta Urdanpilleta, realizou una tese paira investigar a superplasticidad a través da colaboración dos centros tecnolóxicos ITP e CEIT.