Superplasticidad

En ciencia de los materiales , la superplasticidad es un estado en el que un material cristalino sólido se deforma mucho más allá de su punto de ruptura habitual, generalmente más del 400% durante la deformación por tracción. ^{[ 1 ]} Este estado se suele alcanzar a una temperatura homóloga alta . Ejemplos de materiales superplásticos son algunos metales y cerámicas de grano fino. Otros materiales no cristalinos (amorfos), como el vidrio de sílice ("vidrio fundido") y los polímeros, también se deforman de forma similar, pero no se denominan superplásticos, porque no son cristalinos; más bien, su deformación se describe a menudo como la de un fluido newtoniano . El material deformado superplásticamente se adelgaza de forma muy uniforme, en lugar de formar un "cuello" (un estrechamiento local) que conduce a la fractura. ^{[ 2 ]} Además, se inhibe la formación de microvacíos, que es otra causa de fractura prematura. La superplasticidad no debe confundirse con la superelasticidad .

Se han encontrado algunas evidencias de flujo similar a la superplasticidad en metales en algunos artefactos, como en los aceros Wootz de la antigua India, aunque la superplasticidad fue reconocida científicamente por primera vez en el siglo XX en el informe sobre elongación del 163% en latón de Bengough en 1912. ^{[ 3 ]} Posteriormente, Jenkins reportó una elongación mayor del 300% en aleaciones de Cd-Zn y Pb-Sn en 1928. ^{[ 4 ]} Sin embargo, esos trabajos no fueron más allá para establecer un nuevo fenómeno de propiedades mecánicas de los materiales. Hasta que se publicó el trabajo de Pearson en 1934, se encontró una elongación significativa del 1950% en la aleación eutéctica Pb-Sn. ^{[ 5 ]} Este se convirtió fácilmente en el informe de elongación más extenso en la investigación científica hasta ese momento. No hubo más interés en la superplasticidad en el mundo occidental durante más de 25 años después del trabajo de Pearson. Posteriormente, Bochvar y Sviderskaya continuaron investigando la superplasticidad en la Unión Soviética con numerosas publicaciones sobre aleaciones de Zn-Al. En 1985, se fundó en Ufa, Rusia, el Instituto de Problemas de Superplasticidad de Metales, un instituto de investigación centrado en la superplasticidad. Este instituto ha sido el único a nivel mundial dedicado exclusivamente a la investigación en superplasticidad. El interés por la superplasticidad surgió en 1982, cuando se celebró en San Diego la primera gran conferencia internacional sobre «Superplasticidad en Materiales Estructurales», editada por Paton y Hamilton. ^{[ 6 ]} A partir de entonces, se han publicado numerosas investigaciones con resultados significativos. La superplasticidad constituye actualmente la base del conformado por deformación superplástica, una técnica esencial para aplicaciones aeroespaciales. ^{[ 7 ]}

En metales y cerámicas, los requisitos para que sean superplásticos incluyen un tamaño de grano fino (menos de aproximadamente 10 micrómetros) y una temperatura de operación que suele ser superior a la mitad del punto de fusión absoluto. Varios estudios han encontrado superplasticidad en materiales de grano grueso. ^{[ 8 ]} Sin embargo, la comunidad científica ha acordado que el umbral de tamaño de grano de 10 micrómetros es la condición previa para activar la superplasticidad. Generalmente, el crecimiento de grano ocurre a alta temperatura, por lo que mantener la estructura de tamaño de grano fino a temperatura homóloga es el principal desafío en la investigación de la superplasticidad. La estrategia típica de microestructura utiliza una dispersión fina de partículas térmicamente estables, que fijan los límites de grano y mantienen la estructura de grano fino a las altas temperaturas y la existencia de múltiples fases requeridas para la deformación superplástica. La microestructura más típica de la aleación para la superplasticidad es la estructura eutéctica o eutectoide, como se encuentra en las aleaciones de Sn-Pb o Zn-Aleación. Para ser considerados superplásticos, los materiales que cumplen con estos parámetros deben tener una sensibilidad a la velocidad de deformación (una medida de cómo reacciona la tensión en un material a los cambios en la velocidad de deformación) superior a 0,3. La sensibilidad ideal a la velocidad de deformación es de 0,5, valor que se suele encontrar en las microaleaciones dúplex.

Los mecanismos de superplasticidad en metales se determinan mediante el deslizamiento de límites de grano (GBS). Sin embargo, el deslizamiento de límites de grano (GBS) puede provocar la concentración de tensiones en la triple unión o en el límite de grano de las fases duras. Por lo tanto, el GBS en materiales con estructura policristalina debe ir acompañado de otros procesos de acomodación, como la difusión o la dislocación. Los modelos de difusión propuestos por Ashby y Verall explican un cambio gradual en la forma de los granos para mantener la compatibilidad entre ellos durante la deformación. ^{[ 9 ]} Los cambios en la forma de los granos se producen por difusión. El límite de grano migra para formar una forma equiaxial con una nueva orientación en comparación con los granos originales. El modelo de dislocación explica que la concentración de tensiones por GBS se relaja mediante el movimiento de dislocaciones en los granos bloqueados. Las dislocaciones se acumulan y su ascenso permite la emisión de otras dislocaciones. Los detalles del modelo de dislocación aún están en debate, con varias propuestas por Crossman y Ashby, Langdon y Gifkins. ^{[ 10 ]}

En general, la superplasticidad suele ocurrir a una velocidad de deformación lenta, del orden de 10 ⁻⁴ s ⁻¹ , y puede ser energéticamente costosa. Además, un tiempo prolongado de exposición a altas temperaturas de operación también degrada las propiedades mecánicas de los materiales. Existe una fuerte demanda de aumentar la velocidad de deformación en la deformación superplástica al orden de 10 ⁻² s ⁻¹ , denominada Superplasticidad de Alta Velocidad de Deformación (HSRS). El incremento de la velocidad de deformación en la deformación superplástica se logra generalmente mediante la reducción del tamaño de grano en el rango ultrafino de 100 a menos de 500 µm. Un mayor refinamiento del grano a una estructura nanocristalina con un tamaño de grano inferior a 100 nm es ineficaz para aumentar la velocidad de deformación o mejorar la ductilidad . ^{[ 11 ]} El proceso de refinamiento de grano más común para la investigación de HSRS utiliza la Deformación Plástica Severa (SPD). ^{[ 12 ]} La SPD puede fabricar un refinamiento de grano excepcional al rango submicrométrico o incluso nanométrico. Entre las numerosas técnicas de deformación plástica severa (SPD, por sus siglas en inglés), las dos más utilizadas son el prensado angular de canal igual (ECAP, por sus siglas en inglés) y la torsión a alta presión (HPT, por sus siglas en inglés). Además de producir un tamaño de grano ultrafino, estas técnicas también generan una alta proporción de límites de grano de alto ángulo. Estos límites de grano de alto ángulo ofrecen la ventaja específica de aumentar las velocidades de deformación. Dada la importancia del procesamiento de refinamiento de grano para la investigación de la superplasticidad, ECAP y HPT se han consolidado como técnicas principales en los estudios de superplasticidad en metales.

El proceso ofrece una serie de ventajas importantes, tanto desde el punto de vista del diseño como de la producción. Para empezar, permite conformar componentes con doble curvatura y contornos suaves a partir de una sola lámina en una sola operación, con una precisión dimensional y un acabado superficial excepcionales, y sin el efecto de recuperación elástica propio de las técnicas de conformado en frío . Dado que solo se emplean herramientas de una sola superficie, los plazos de entrega son cortos y la creación de prototipos es rápida y sencilla, ya que se puede probar una amplia gama de espesores de aleación de lámina en la misma herramienta.

Actualmente se utilizan tres técnicas de conformado para aprovechar estas ventajas. El método elegido depende de criterios de diseño y rendimiento como el tamaño, la forma y las características de la aleación .

Una pieza en bruto recubierta de grafito se introduce en una prensa hidráulica calentada. A continuación, se utiliza presión de aire para forzar la lámina a entrar en contacto directo con el molde. Al principio, la pieza en bruto entra en contacto con la cavidad del molde, lo que dificulta el proceso de conformado debido a la fricción en la interfaz entre la pieza en bruto y el molde . De este modo, las zonas de contacto dividen la protuberancia inicial en varias protuberancias que se expanden libremente. Este procedimiento permite la producción de piezas con contornos exteriores relativamente precisos. Este proceso de conformado es adecuado para la fabricación de piezas con superficies lisas y convexas.

Una pieza en bruto recubierta de grafito se sujeta sobre una bandeja que contiene un molde macho calentado. La presión del aire fuerza el metal a entrar en contacto directo con el molde. La diferencia con el proceso de conformado hembra radica en que, como se mencionó, el molde es macho y el metal se fuerza sobre la forma sobresaliente. En el conformado hembra, el molde es hembra y el metal se fuerza dentro de la cavidad. El utillaje consta de dos cámaras de presión y un contrapunzón, que es desplazable linealmente. De forma similar a la tecnología de conformado de cavidades, al inicio del proceso, la pieza en bruto, firmemente sujeta, se abomba por la presión del gas.

La segunda fase del proceso consiste en dar forma al material sobre la superficie del punzón aplicando presión en sentido contrario a la dirección de conformado anterior. Gracias a un mejor aprovechamiento del material, derivado de las condiciones del proceso, se pueden utilizar piezas con un espesor inicial menor en comparación con el conformado por cavidad. Por lo tanto, la tecnología de conformado por burbuja es especialmente adecuada para piezas con grandes profundidades de conformado.

Una pieza en bruto recubierta de grafito se coloca en una prensa caliente . Se utiliza presión de aire para forzar el metal a adoptar una forma de burbuja antes de que el molde macho se empuje en la parte inferior de la burbuja para hacer una impresión inicial. Luego se utiliza presión de aire desde la otra dirección para dar forma final al metal alrededor del molde macho. Este proceso tiene tiempos de ciclo largos porque las velocidades de deformación superplástica son bajas. El producto también sufre de un rendimiento de fluencia deficiente debido a los tamaños de grano pequeños y puede haber porosidad de cavitación en algunas aleaciones. Sin embargo, la textura superficial es generalmente buena. Con herramientas, matrices y máquinas dedicadas son costosas. La principal ventaja del proceso es que se puede utilizar para producir componentes grandes y complejos en una sola operación. Esto puede ser útil para mantener la masa baja y evitar la necesidad de trabajo de ensamblaje, una ventaja particular para productos aeroespaciales. Por ejemplo, el método de conformado de diafragma (DFM) se puede utilizar para reducir la tensión de flujo de tracción generada en un compuesto de matriz de aleación específico durante la deformación .

Las aleaciones de aluminio conformadas superplásticamente (SPF) tienen la capacidad de estirarse varias veces su tamaño original sin fallar cuando se calientan entre 470 y 520 °C. Estas aleaciones diluidas que contienen circonio , posteriormente conocidas por el nombre comercial SUPRAL, se trabajaron en frío intensamente hasta obtener láminas y se cristalizaron dinámicamente a un tamaño de grano fino y estable, típicamente de 4 a 5 μm, durante las etapas iniciales de la deformación en caliente. Además, el conformado superplástico es una tecnología de procesamiento de forma final que reduce drásticamente los costos de fabricación y ensamblaje al disminuir el número de piezas y los requisitos de ensamblaje. Utilizando la tecnología SPF, se preveía que se podría lograr una reducción del 50 % en el costo de fabricación para muchos ensamblajes de aeronaves, como el cono de nariz y los conjuntos del cañón de nariz. Otras ventajas incluyen la reducción de peso, la eliminación de miles de sujetadores, la eliminación de características complejas y una reducción significativa en el número de piezas. El gran avance en el campo de las aleaciones superplásticas de Al-Cu lo lograron Stowell, Watts y Grimes en 1969, cuando la primera de varias aleaciones diluidas de aluminio (Al-6% Cu-0,5% Zr) se volvió superplástica mediante la introducción de niveles relativamente altos de circonio en solución, utilizando técnicas de fundición especializadas y un posterior tratamiento eléctrico para crear precipitados _de ZrAl3 extremadamente finos .

Algunas aleaciones comerciales se han sometido a procesos termomecánicos para desarrollar superplasticidad. Los principales esfuerzos se han centrado en las aleaciones de la serie Al 7000, las aleaciones Al-Li, los compuestos de matriz metálica a base de aluminio y los materiales aleados mecánicamente.

_La aleación de aluminio y sus compuestos tienen amplias aplicaciones en la industria automotriz. A temperatura ambiente, los compuestos suelen tener mayor resistencia que su aleación componente. A alta temperatura, la aleación de aluminio reforzada con partículas o bigotes como _SiO₂ , Si₃N₄ y SiC puede tener una elongación a la tracción superior al 700 %. Los compuestos se fabrican a menudo mediante metalurgia de polvos _para asegurar tamaños de grano finos y una buena dispersión de los refuerzos. ^{[ 13 ]} El tamaño de grano que permite que ocurra la deformación superplástica óptima suele ser de 0,5 a 1 μm, menor que el requerido para la superplasticidad convencional. Al igual que otros materiales superplásticos, la sensibilidad a la velocidad de deformación m es mayor que 0,3, lo que indica una buena resistencia contra el fenómeno de estricción local. Algunos compuestos de aleación de aluminio, como las series 6061 y 2024, han mostrado superplasticidad a alta velocidad de deformación, que ocurre en un régimen de velocidad de deformación mucho mayor que otros materiales superplásticos. ^{[ 14 ]} Esta propiedad hace que los compuestos de aleación de aluminio sean potencialmente adecuados para el conformado superplástico porque todo el proceso se puede realizar en poco tiempo, ahorrando tiempo y energía.

El mecanismo de deformación más común en los compuestos de aleación de aluminio es el deslizamiento de borde de grano (GBS) , que suele ir acompañado de difusión de átomos/dislocaciones para acomodar la deformación. ^{[ 15 ]} El modelo del mecanismo GBS predice una sensibilidad a la velocidad de deformación de 0,3, lo que concuerda con la mayoría de los compuestos de aleación de aluminio superplásticos. El deslizamiento de borde de grano requiere la rotación o migración de granos muy finos a temperaturas relativamente altas. Por lo tanto, el refinamiento del tamaño de grano y la prevención del crecimiento de grano a altas temperaturas son importantes.

Se dice que la temperatura muy alta (cercana al punto de fusión) también está relacionada con otro mecanismo, el deslizamiento interfacial, ya que a altas temperaturas aparecen líquidos parciales en la matriz. La viscosidad del líquido desempeña un papel fundamental para acomodar el deslizamiento de los límites de grano adyacentes. La cavitación y la concentración de tensiones causadas por la adición de refuerzos de segunda fase se inhiben por el flujo de la fase líquida. Sin embargo, un exceso de líquido produce poros, lo que deteriora la estabilidad de los materiales. Por lo tanto, una temperatura cercana al punto de fusión inicial, pero que no lo supere en exceso, suele ser la temperatura óptima. La fusión parcial podría dar lugar a la formación de filamentos en la superficie de fractura, que pueden observarse mediante microscopía electrónica de barrido . ^{[ 16 ]} La morfología y la química de los refuerzos también influyen en la superplasticidad de algunos compuestos. Pero aún no se ha propuesto ningún criterio único para predecir sus influencias. ^{[ 17 ]}

Se han sugerido algunas maneras de optimizar la deformación superplástica de los compuestos de aleación de aluminio, las cuales también son indicativas para otros materiales:

1. Buena dispersión de los refuerzos. Esto también es importante para el rendimiento a temperatura ambiente.
2. Refinar el tamaño de grano de la matriz. Este refinamiento crea más granos que pueden deslizarse unos sobre otros a alta temperatura, facilitando el mecanismo de deslizamiento de los límites de grano. Esto también implica una mayor velocidad de deformación óptima. Se ha observado una tendencia al aumento de la velocidad de deformación en materiales con tamaños de grano más finos. Se ha informado que la deformación plástica severa, como el prensado angular de canal igual, permite obtener materiales de grano ultrafino. ^{[ 18 ]}
3. Es fundamental elegir adecuadamente la temperatura y la velocidad de deformación. Algunos materiales compuestos deben calentarse cerca del punto de fusión, lo que podría tener efectos opuestos en otros.

En la industria aeroespacial , las aleaciones de titanio como Ti-6Al-4V se utilizan ampliamente en aplicaciones aeroespaciales, no solo por su resistencia específica a altas temperaturas , sino también porque un gran número de estas aleaciones exhiben un comportamiento superplástico. El termoformado superplástico de láminas se ha identificado como una ruta de procesamiento estándar para la producción de formas complejas, especialmente y son susceptibles al conformado superplástico (SPF). Sin embargo, en estas aleaciones, las adiciones de vanadio las hacen considerablemente costosas, por lo que existe la necesidad de desarrollar aleaciones de titanio superplásticas con adiciones de aleación más económicas. La aleación Ti-Al-Mn podría ser un material candidato para ello. Esta aleación muestra una deformación postuniforme significativa a temperaturas ambiente y cercanas a la ambiente.

La aleación Ti-Al-Mn (OT4-1) se utiliza actualmente en componentes de motores aeronáuticos y otras aplicaciones aeroespaciales mediante un proceso de conformado convencional que suele ser costoso, laborioso y requiere mucho equipo. Esta aleación es un material prometedor para aplicaciones aeroespaciales. Sin embargo, existe muy poca información sobre su comportamiento de conformado superplástico. En este estudio, se investigó el conformado superplástico por abultamiento a alta temperatura de la aleación y se demostraron sus capacidades de conformado superplástico.

El abombamiento de láminas metálicas mediante presión de gas se ha convertido en un método de conformado importante. A medida que avanza el proceso de abombamiento, se observa un adelgazamiento significativo del material. Se han realizado numerosos estudios para determinar la altura de la cúpula en función del tiempo de conformado, información útil para el diseñador del proceso a la hora de seleccionar el espesor inicial de la chapa, así como para analizar el adelgazamiento no uniforme de la cúpula tras el conformado.

La aleación Ti-Al-Mn (OT4-1) estaba disponible en forma de una lámina laminada en frío de 1 mm de espesor. La composición química de la aleación. Se utilizó una prensa hidráulica de 35 toneladas para el conformado superplástico de un hemisferio. Se fabricó y ensambló un conjunto de matriz con el sistema de tuberías que permitía no solo el lavado con gas inerte del conjunto de la matriz antes del conformado, sino también el conformado de componentes bajo presión inversa , si fuera necesario. El diagrama esquemático del conjunto de conformado superplástico utilizado para el conformado de abultamiento con todos los accesorios necesarios y la fotografía de la matriz superior (izquierda) e inferior (derecha) para SPF.

Se cortó una lámina circular (pieza en bruto) de 118 mm de diámetro de la lámina de aleación y se pulieron las superficies de corte para eliminar las rebabas. La pieza en bruto se colocó en el troquel y se puso en contacto con la cámara superior. Se encendió el horno a la temperatura programada. Una vez alcanzada dicha temperatura, se bajó aún más la cámara superior para aplicar la presión requerida en el soporte de la pieza en bruto. Se dejaron transcurrir unos 10 minutos para el equilibrio térmico. Se abrió gradualmente la válvula del cilindro de gas argón hasta alcanzar la presión programada. Simultáneamente, se configuró el transformador diferencial variable lineal (LVDT), instalado en la parte inferior del troquel, para registrar la deformación de la lámina. Una vez que el LVDT alcanzó los 45 mm (radio de la parte inferior del troquel), se detuvo la presión del gas y se apagó el horno. Los componentes formados se extrajeron cuando la temperatura del conjunto del troquel descendió a 600 °C. En esta etapa, la extracción del componente fue sencilla. Se realizó el conformado de abultamiento superplástico de hemisferios a temperaturas de 1098, 1123, 1148, 1173, 1198 y 1223 K (825, 850, 875, 900, 925 y 950 °C) con presiones de conformado de 0,2, 0,4, 0,6 y 0,87 MPa. A medida que avanza el proceso de conformado de abultamiento, se hace evidente un adelgazamiento significativo en el material de la lámina. Se utilizó una técnica ultrasónica para medir la distribución del espesor en el perfil del componente conformado. Los componentes se analizaron en términos de la distribución del espesor, la deformación del espesor y el factor de adelgazamiento. Se realizaron estudios microestructurales posteriores a la deformación en los componentes conformados para analizar la microestructura en términos de crecimiento de grano, elongación de grano, cavitaciones, etc.

La microestructura del material tal como se recibió, con un tamaño de grano bidimensional de 14 μm, se muestra en la Fig. 8. El tamaño de grano se determinó utilizando el método de intersección lineal tanto en la dirección longitudinal como en la transversal de la lámina laminada.

Se logró la formación superplástica exitosa de hemisferios a temperaturas de 1098, 1123, 1148, 1173, 1198 y 1223 K y presiones de gas argón de 0,2, 0,4, 0,6 y 0,8 MPa. Se estableció un tiempo máximo de 250 minutos para la formación completa de los hemisferios. Este límite de tiempo se fijó por razones prácticas. La figura 9 muestra una fotografía de la pieza en bruto (muestra) y un componente con abultamiento formado (temperatura de 1123 K y presión de gas de formación de 0,6 MPa).

Tiempos de conformado de componentes formados con éxito a diferentes temperaturas y presiones. A partir del recorrido del LVDT instalado en la parte inferior del troquel (que medía la altura/profundidad del abultamiento), se obtuvo una estimación de la velocidad de conformado. Se observó que la velocidad de conformado era rápida inicialmente y disminuía gradualmente para todos los rangos de temperatura y presión, como se muestra en la Tabla 2. A una temperatura determinada, el tiempo de conformado disminuía al aumentar la presión de conformado. De manera similar, a una presión de conformado dada, el tiempo de conformado disminuía al aumentar la temperatura.

El espesor del perfil del abultamiento se midió en 7 puntos, incluyendo la periferia (base) y el polo. Estos puntos se seleccionaron tomando como referencia la línea entre el centro del hemisferio y el punto base y desplazándola 15° hasta alcanzar el punto polo. Por lo tanto, los puntos 1, 2, 3, 4 y 5 subtienden un ángulo de 15°, 30°, 45°, 60° y 75° respectivamente con la base del hemisferio, como se muestra en la Fig. 10. El espesor se midió en cada uno de estos puntos del perfil del abultamiento mediante una técnica ultrasónica. Los valores de espesor para cada uno de los componentes hemisféricos formados con éxito.

La figura 11 muestra el espesor del polo de hemisferios completamente formados en función de la presión de conformado a diferentes temperaturas. A una temperatura determinada, el espesor del polo disminuyó al aumentar la presión de conformado. En todos los casos estudiados, el espesor del polo se situó en un rango de aproximadamente 0,3 a 0,4 mm con respecto al espesor original de la pieza en bruto de 1 mm.

La deformación del espesor , donde es el espesor local y es el espesor inicial, se calculó en diferentes ubicaciones para todos los componentes formados con éxito. Para una presión determinada, la deformación del espesor disminuyó al aumentar la temperatura de conformado. La figura 12 muestra la deformación del espesor en función de la posición a lo largo de la sección transversal de la cúpula en el caso de un componente formado a 1123 K con una presión de conformado de 0,6 MPa. ${\displaystyle {\text{ln}}(S/S_{0})}$${\displaystyle S}$${\displaystyle S_{0}}$${\displaystyle {\text{ln}}(S/S_{0})}$

La microestructura posterior al conformado reveló que no hubo cambios significativos en el tamaño de grano. La figura 13 muestra la microestructura del componente abultado formado en la base y el polo para un componente formado a una temperatura de 1148 K y una presión de conformado de 0,6 MPa. Estas microestructuras no muestran cambios significativos en el tamaño de grano.

Se estudió el comportamiento de deformación a alta temperatura y la capacidad de conformado superplástico de una aleación de Ti-Al-Mn. Se logró el conformado exitoso de hemisferios de 90 mm de diámetro mediante el método superplástico en el rango de temperatura de 1098 a 1223 K y en el rango de presión de conformado de 0,2 a 0,8 MPa. Se pudieron extraer las siguientes conclusiones:

1. El tiempo de formación disminuyó drásticamente al aumentar la presión o la temperatura del gas. La velocidad de formación fue inicialmente alta, pero se redujo progresivamente con el tiempo.
2. A una temperatura determinada, el espesor del poste disminuyó al aumentar la presión de conformado. En todos los casos estudiados, el espesor del poste se situó en un rango de aproximadamente 0,3 a 0,4 mm con respecto al espesor original de la pieza en bruto de 1,0 mm.
3. El factor de adelgazamiento y la deformación del espesor aumentaron a medida que uno se desplazaba desde la periferia hacia el polo. Las microestructuras postformadas no muestran cambios significativos en el tamaño del grano.

Principalmente en materiales no calificados, como el acero austenítico de aleación Fe-Mn-Al, que posee algunos parámetros específicos estrechamente relacionados con mecanismos microestructurales. Estos parámetros se utilizan como indicadores del potencial superplástico del material. El material fue sometido a un ensayo de tracción en caliente, dentro de un rango de temperatura de 600 °C a 1000 °C y velocidades de deformación que variaron de 10⁻⁶ a 1 s⁻¹. El parámetro de sensibilidad a la velocidad de deformación (m) y la elongación máxima observada hasta la rotura (εr) pudieron determinarse y obtenerse a partir del ensayo de tracción en caliente.

Los experimentos demostraron la posibilidad de un comportamiento superplástico en una aleación de Fe-Mn-Al en un rango de temperatura de 700 °C a 900 °C con un tamaño de grano de alrededor de 3 μm (tamaño de grano ASTM 12) y una sensibilidad promedio a la velocidad de deformación de m ~ 0,54, así como una elongación máxima a la rotura de alrededor del 600 %.

Se ha investigado el comportamiento superplástico de las aleaciones Fe-28Al, Fe-28Al-2Ti y Fe-28Al-4Ti mediante ensayos de tracción, microscopía óptica y microscopía electrónica de transmisión. Los ensayos de tracción se realizaron a 700–900 °C bajo un rango de velocidad de deformación de aproximadamente 10 ⁻⁵ a 10 ⁻² /s. El índice de sensibilidad a la velocidad de deformación máximo m fue de 0,5 y la mayor elongación alcanzó el 620%. En las aleaciones Fe3Al y Fe Al con tamaños de grano de 100 a 600 μm exhiben todas las características de deformación de las aleaciones superplásticas convencionales de tamaño de grano fino.

Sin embargo, se observó un comportamiento superplástico en aluminuros de hierro de grano grueso, sin los requisitos habituales para la superplasticidad, como un tamaño de grano fino y el deslizamiento de los límites de grano. Los análisis metalográficos demostraron que el tamaño medio de grano de los aluminuros de hierro de grano grueso disminuyó durante la deformación superplástica.

Las propiedades de los materiales cerámicos, como las de todos los materiales, están determinadas por los tipos de átomos presentes, los tipos de enlaces entre ellos y la forma en que se empaquetan. Esto se conoce como estructura a escala atómica. La mayoría de las cerámicas están compuestas por dos o más elementos. Esto se denomina compuesto. Por ejemplo, la alúmina ( Al₂O₃ ) es un compuesto formado por átomos _de aluminio y átomos _de oxígeno .

Los átomos en los materiales cerámicos se mantienen unidos por un enlace químico. Los dos enlaces químicos más comunes en los materiales cerámicos son el covalente y el iónico. En los metales, el enlace químico se denomina enlace metálico. La unión de los átomos es mucho más fuerte en los enlaces covalentes e iónicos que en los metálicos. Por eso, en general, los metales son dúctiles y las cerámicas son frágiles. Debido a la amplia gama de propiedades de los materiales cerámicos, se utilizan en multitud de aplicaciones. En general, la mayoría de las cerámicas son:

• duro
• resistente al desgaste
• frágil
• refractario
• aislantes térmicos
• aislante eléctrico
• no magnético
• resistente a la oxidación
• propenso al choque térmico
• buena estabilidad química

Se ha observado superplasticidad a alta velocidad de deformación en aleaciones de aluminio y magnesio. Sin embargo, en materiales cerámicos , la deformación superplástica se ha limitado a bajas velocidades de deformación para la mayoría de los óxidos y nitruros con presencia de cavidades que conducen a fallas prematuras. Aquí mostramos que un material cerámico compuesto por óxido de circonio tetragonal, espinela de aluminatos de magnesio y fase alfa-alúmina exhibe superplasticidad a velocidades de deformación de hasta 1,0 s⁻¹ ^. El compuesto también exhibe una gran elongación a la tracción, superior al 1050% o a una velocidad de deformación de 0,4 s⁻¹ ^. Los metales y cerámicas superplásticos tienen la capacidad de deformarse más del 100% sin fracturarse, lo que permite el conformado de forma final a altas temperaturas. Estos materiales fascinantes se deforman principalmente por deslizamiento de límites de grano, un proceso que se acelera con un tamaño de grano fino. Sin embargo, la mayoría de las cerámicas que comienzan con un tamaño de grano fino experimentan un rápido crecimiento de grano durante la deformación a alta temperatura, lo que las hace inadecuadas para el conformado superplástico prolongado. Se puede limitar el crecimiento de grano mediante una segunda fase menor (anclaje Zener) o creando una cerámica trifásica, donde se minimiza el contacto entre granos de la misma fase. Un estudio sobre una aleación trifásica de grano fino de alúmina-mullita ( _{3Al₂O₃ ·} 2SiO₂ ) _-zirconia , con fracciones volumétricas aproximadamente iguales de las tres fases, demuestra que se pueden alcanzar velocidades de deformación superplástica de hasta 10⁻² ^/ s a 1500 °C. Estas altas velocidades de deformación hacen que el conformado superplástico de cerámica sea comercialmente viable.

La conformación superplástica solo funcionará si no se producen cavitaciones durante el deslizamiento de los límites de grano, ya que dichas cavitaciones dejan como mecanismos de acomodación la difusión o la generación de dislocaciones. Las tensiones aplicadas durante la conformación superplástica de cerámicas son moderadas, generalmente de 20 a 50 MPa, por lo que no suelen ser lo suficientemente altas como para generar dislocaciones en monocristales, lo que debería descartar la acomodación de dislocaciones. Sin embargo, se revelarán algunas características inusuales y únicas de estas cerámicas superplásticas trifásicas, lo que indica que las cerámicas superplásticas pueden tener mucho más en común con los metales de lo que se pensaba.

El óxido de itrio se utiliza como estabilizador. Este material es predominantemente tetragonal en su estructura. El Y-TZP tiene la mayor resistencia a la flexión de todos los materiales a base de zirconia. El tamaño de grano fino del Y-TZP se presta para ser utilizado en herramientas de corte donde se puede lograr y mantener un filo muy afilado debido a su alta resistencia al desgaste. Se considera la primera cerámica policristalina verdadera que demostró ser superplástica con un 3% molar de Y-TZP (3Y-TZP), que ahora se considera el sistema cerámico modelo. El tamaño de grano fino da como resultado una cerámica muy densa y no porosa con excelente resistencia mecánica, resistencia a la corrosión, tenacidad al impacto , resistencia al choque térmico y muy baja conductividad térmica. Debido a sus características, el Y-TZP se utiliza en piezas de desgaste, herramientas de corte y recubrimientos de barrera térmica .

Las propiedades superplásticas del 3Y-TZP se ven muy afectadas por el tamaño de grano, como se muestra en la Fig. 3: la elongación hasta la rotura disminuye y la resistencia a la fluencia aumenta a medida que aumenta el tamaño de grano. Se realizó un estudio sobre la dependencia de la tensión de fluencia con el tamaño de grano; el resultado, en resumen, muestra que la tensión de fluencia depende aproximadamente del cuadrado del tamaño de grano :

${\displaystyle \sigma \propto d^{2}\,}$

Dónde:

${\displaystyle \sigma \,}$es la tensión de fluencia.

d es el tamaño instantáneo del grano.

La alúmina es probablemente una de las cerámicas estructurales más utilizadas, pero la superplasticidad es difícil de obtener en ella, debido al rápido crecimiento anisotrópico del grano durante la deformación a alta temperatura. A pesar de ello, se han realizado varios estudios sobre la superplasticidad en Al₂O₃ dopado de grano fino _{. Se ha} demostrado que el _{tamaño de} grano de Al₂O₃ _que contiene 500 ppm de MgO puede refinarse aún más mediante _la adición de diversos dopantes, como Cr₂O₃ , Y₂O₃ y _TiO₂ . Se obtuvo un tamaño de grano de aproximadamente 0,66 μm en un _Al₂O₃ dopado con 500 ppm _{de Y₂₃} . _Como resultado de este tamaño de grano fino, el _Al₂O₃ presenta una elongación _a la rotura del 65 % a 1450 °C bajo una tensión aplicada de 20 MPa . ^{[ 19 ]}

• Conformación superplástica
• Antitanque de alto poder explosivo

• Agarwal, Sumit (2006). Evaluación y predicción de la respuesta del material durante el conformado superplástico a diferentes velocidades de deformación (tesis doctoral). Universidad de Brown . OCLC  549697889 .
• Superplasticidad: Dr. RH Johnson, Metallurgical Review No. 146, septiembre de 1970. Institute of Metals, Londres, Reino Unido.