Estudio del efecto elastocalórico en aleaciones cuaternarias de las familias Ni-Mn-Ti-Ga, Ni-Mn-In Cr y Ni-Mn-V-In a temperatura ambiente.

Abstract

"En esta investigación se analizó el efecto elastocalórico en aleaciones cuaternarias de los sistemas Ni-Mn-Ti, Ni-Mn-In y Ni-Mn-V, a través de la incorporación parcial de Mn por Ga, Cr y Ni. El objetivo general fue sintetizar y caracterizar aleaciones con memoria de forma de los sistemas Ni-Mn-Ti-Ga, Ni-Mn-In-Cr y Ni-Mn-V-In y , determinando la magnitud del efecto elastocalórico en aquellas aleaciones con transformación martensítica cercana a la temperatura ambiente. Las aleaciones se sintetizaron mediante la fusión en un horno de arco eléctrico de los elementos puros en atmósfera inerte, y posteriormente usando tratamientos térmicos para homogeneizar y disminuir las tensiones. Se emplearon técnicas de caracterización como la calorimetría diferencial de barrido (DSC), la difracción de rayos X (XRD) combinada con el refinamiento Rietveld, la microscopía electrónica de barrido (SEM) con análisis EDS, pruebas mecánicas y finalmente la medición del efecto elastocalórico. En el sistema Ni-Mn-Ti-Ga, la incorporación de Ga redujo las temperaturas características de transformación y modificó la histéresis térmica. El análisis estructural reveló fases B2 y Ni3Ti, con aumento del contenido de B2 al incrementar el e a i mic ( contenido de Ga. La aleación Ni50Mn32Ti16Ga2 presentó transformación martensítica en un intervalo cercano a la temperatura ambiente y un cambio de SISO) máximo de 23.0 J·kg-1·K-1 durante el calentamiento a 160 MPa. En el sistema Ni-Mn-In-Cr, la adición de Cr permitió mantener la fase austenita dentro de los límites de solubilidad y ajustar la transformación martensítica. La aleación Ni50Mn32In15Cr3 m SISO máximo de 9.4 J·kg-1·K-1 a 100 MPa. En la serie de composiciones obtenidas del sistema Ni-Mn-V-In las aleaciones Ni51Mn32V10In7 y Ni52Mn31V10In7 mostraron una inhibición parcial de la transformación martensítica después de la liberación del esfuerzo mecánico, atribuida a la deformación plástica producida durante la carga, con una disminución del 30% en la entalpía de transformación detectada en DSC. El estudio estructural reveló la presencia simultánea de las fases L21 y FCC, la última con una mayor proporción de Ni. En síntesis, los hallazgos demuestran, en cada caso, el efecto de la composición química en las temperaturas de transformación y el efecto elastocalórico en aleaciones con transformación martensítica cercanas a la temperatura ambiente."

"In this research, the elastocaloric effect was analyzed in quaternary alloys of the Ni-Mn-Ti, Ni-Mn-In, and Ni-Mn-V systems through the partial substitution of Mn with Ga, Cr, and Ni. The main objective was to synthesize and characterize shape memory alloys from the Ni-Mn-Ti-Ga, Ni-Mn-In-Cr, and Ni-Mn-V-In systems, determining the magnitude of the elastocaloric effect in those alloys exhibiting martensitic transformation near room temperature. The alloys were synthesized by melting pure elements in an electric arc furnace under an inert atmosphere, followed by heat treatments to homogenize the microstructure and relieve internal stresses. Characterization techniques included differential scanning calorimetry (DSC), X-ray diffraction (XRD) combined with Rietveld refinement, scanning electron microscopy (SEM) with energy-dispersive spectroscopy (EDS), mechanical testing, and ultimately the measurement of the elastocaloric effect. In the Ni-Mn-Ti-Ga system, the addition of Ga reduced the characteristic transformation temperatures and modified the thermal hysteresis. Structural analysis revealed B2 and Ni3Ti phases, with an increase in the B2 phase content as Ga concentration increased. The Ni50Mn62Ti16Ga2 alloy exhibited martensitic transformation within a temperature range close to room temperature and a maximum isothermal entropy change (ΔSISO) of 23.0 J·kg⁻¹·K⁻¹ during heating at 160 MPa. In the Ni-Mn-In-Cr system, the addition of Cr allowed the austenite phase to remain within solubility limits and enabled adjustment of the martensitic transformation. The Ni50Mn32In15Cr3 alloy exhibited a maximum ΔSISO of 9.4 J·kg⁻¹·K⁻¹ at 100 MPa. In the set of compositions from the Ni-Mn-V-In system, the Ni51Mn32V10In7 and Ni52Mn31V10In7 alloys showed partial inhibition of the martensitic transformation after mechanical unloading, attributed to plastic deformation induced during loading, with a 30% decrease in transformation enthalpy detected by DSC. Structural analysis revealed the simultaneous presence of L21 and FCC phases, the latter with a higher Ni content. In summary, the findings demonstrate that the selected substitutions allowed to tune transformation temperatures and enhance the elastocaloric effect in alloys undergoing martensitic transformation near room temperature, providing valuable data for their potential use in solid-state refrigeration."