Caracterización de la transformación martensítica en aleaciones con memoria de forma magnética

GABRIELA POZO LÓPEZ; ADRIANA M. CONDÓ; ELIN L. WINKLER; SILVIA E. URRETA; LUIS M. FABIETTI

Mendoza

Congreso; 1er. Congreso Interuniversitario I+D+i Mendoza; 2021

Universidades de Mendoza

Las aleaciones con memoria de forma ferromagnética Ni-Mn-Ga se caracterizan por ser materiales inteligentes y multifuncionales, que combinan las propiedades del ferromagnetismo con aquellas de la transformación martensítica termoelástica. Presentan el efecto memoria de forma convencional, activado por temperatura o tensión mecánica, y exhiben además deformaciones macroscópicas relativamente elevadas bajo la aplicación de un campo magnético externo, fenómeno que las convierte en candidatas para aplicaciones tecnológicas (controladores, sensores y actuadores magnéticos) y que se conoce con el nombre de deformación inducida por campo magnético. Este efecto se observa en un rango de composiciones alrededor de la composición estequiométrica Ni50Mn25Ga25 y tiene su origen en la reorientación microestructural de las variantes martensíticas. Se han reportado deformaciones inducidas recuperables de hasta un 10% en monocristales bajo la acción de un campo magnético externo. Sin embargo, este efecto resulta casi despreciable en policristales, debido a la distribución aleatoria de las orientaciones cristalográficas de sus granos. A pesar de esto, el estudio y producción de muestras policristalinas ha continuado en los últimos años, debido a que los procesos de fabricación son más simples y de menor costo, tratando de mejorar esta funcionalidad mediante la optimización de la microestructura y un control especial de la textura cristalográfica. En este sentido, recientes resultados en cintas Ni50Mn25Ga25 avalan a las técnicas de solidificación ultra-rápida como métodos efectivos para producir aleaciones policristalinas, en las que la textura cristalográfica y el estado de tensiones internas en el material dan origen al efecto memoria de forma magnético. En el presente trabajo se producen cintas con composiciones no-estequiométricas Ni50Mn28Ga22 (Mn28) y Ni50Mn30Ga20 (Mn30) por la técnica de twin-roller melt spinning, empleando una velocidad tangencial de rodillos de 15 m/s. Las cintas que resultan, de 2,0-2,3 mm de ancho promedio y alrededor de 30 um de espesor medio, se estudian en estado as-cast, analizando su microestructura, textura cristalográfica, temperaturas de transformación martensítica, propiedades de histéresis magnética y temperaturas de Curie. La microestructura de las cintas se caracteriza por difracción de rayos X (XRD) a temperatura ambiente, en un difractómetro PANalytical Empyrean, empleando radiación Cu-Ka, y por microscopía electrónica de transmisión (TEM), en un microscopio Philips CM200 UT, operando a 200 kV, equipado con accesorio para microanálisis por rayos X (XEDS). Las propiedades magnéticas se caracterizan en un magnetómetro de muestra vibrante (VSM) Lakeshore 7300 en el rango de temperaturas de 100 K a 400 K. Adicionalmente, se realizan mediciones de resistividad empleando la configuración de cuatro puntas, entre temperatura ambiente y 100 K. Las cintas Mn28 se encuentran, a temperatura ambiente, en fase cúbica austenítica con orden L21, mientras las muestras con composición Mn30 exhiben una estructura martensítica 7M monoclínica modulada. Debido al método de procesamiento se observa una orientación cristalográfica preferencial en ambas aleaciones. Los parámetros de red de cada fase, obtenidos por refinamiento Rietveld, resultan: aL21 = (5,8256 ± 0,0001) Å para la fase austenítica y a7M = (4,2694 ± 0,0002) Å, b7M = (5,5132 ± 0,0002) Å, c7M = (42,370 ± 0,001) Å y β = (93,283 ± 0,003)º para la martensita 7M. Los patrones de difracción de electrones confirman ambas estructuras a temperatura ambiente; adicionalmente, resultados de XEDS ratifican la composición nominal en las muestras. Las temperaturas de transformación martensítica se determinan a partir de curvas de magnetización en función de la temperatura (σ vs. T), medidas bajo un pequeño campo magnético aplicado de 5 mT, resultando valores de (247 ± 2) K y (316 ± 2) K para las muestras con composiciones Mn28 y Mn30, respectivamente. Estos valores resultan indistinguibles de aquellos obtenidos de las curvas de resistencia eléctrica en función de la temperatura. Las temperaturas de transición magnéticas también se determinan a partir de las curvas σ vs. T. La temperatura de Curie de la fase austenítica es (366 ± 2) K para la composición Mn28 y (357 ± 2) K para la Mn30. Finalmente, se analizaron los ciclos de histéresis magnética (σ vs. H) medidos con el campo aplicado paralelo y perpendicular al plano de las cintas, a diferentes temperaturas. La fase austenítica exhibe para ambas muestras propiedades típicas de un ferromagneto blando, con bajas coercitividades y bajas remanencias, mientras que la fase martensítica presenta mayores valores para la magnetización de saturación y coercitividades un orden de magnitud superiores. La magnetización es más elevada, en ambas fases, en la aleación con menor contenido de Mn. Además, en fase martensítica, las curvas σ vs. H para ambas muestras presentan dos "escalones" o cambios de concavidad, indicativos de un mecanismo de reversión de la magnetización que involucra el movimiento de bordes de maclas inducido por el campo magnético, característica base de la memoria de forma magnética y de la capacidad de actuación.