Estudio del efecto elastocalórico en aleaciones con memoria de forma con distintas transformaciones de fase martensítica

Abstract

"Una de las alternativas para economizar energía en la refrigeración comercial está relacionada con el uso de efectos calóricos en materiales sólidos. Este método no involucra el uso de gases que pueden afectar el medio ambiente por su efecto invernadero como actualmente ocurre, ya que se trata de utilizar sólidos con un efecto calórico producido por la aplicación ya sea de campo magnético, eléctrico o bien esfuerzo. En particular el efecto elastocalórico se debe a una transformación de fase de tipo martensítica, es decir, que el efecto ocurre por un cambio en la estructura cristalina del material. Así, materiales que presentan transformación martensítica termoelástica pueden presentar efecto elastocalórico, como las aleaciones de los sistemas Ti-Ni, Cu-Zn-Al, Ni-Mn-Ga, entre otras. En este trabajo se realizaron estudios del efecto elastocalórico en aleaciones de los sistemas Ti-Ni y Ni-Mn-Ga. Se hizo énfasis en el efecto que puede tener el tipo de fases involucradas en la transformación martensítica con el efecto elastocalórico. Este efecto, donde se mide el cambio de entropía isotérmico, fue determinando indirectamente mediante las medidas de la deformación producida durante el ciclado térmico, bajo la aplicación de un esfuerzo constante. En el sistema Ti-Ni, se estudió una aleación con una composición tal que, la transformación de fase ocurre en 2 etapas, B2→R y R→B19’, separando las temperaturas de transformación para determinar el efecto calórico solo en la transformación B2→R. Los resultados indican que los valores más altos de ΔSiso fueron 15.3 y 16.7 J kg-1 K-1 para un esfuerzo de 222 MPa durante el calentamiento y enfriamiento, respectivamente. El valor máximo del cambio de entropía isotérmico reversible encontrado fue de 14.6 J kg-1 K-1 al aplicar 222 MPa. Asimismo, en el sistema Ni-Mn-Ga se elaboraron aleaciones para obtener diferentes fases martensíticas como la fase tetragonal y fases moduladas como la 5M y la 7M, todas ellas a partir de la austenita L21. Por un lado, el efecto elastocalórico de la fase tetragonal no se pudo evaluar, debido a que esta fase no presentó transformación martensítica. Por otro lado, en las martensitas moduladas y contrariamente a lo esperado, el efecto elastocalórico tuvo mayor valor para la transformación de fase hacia la martensita 5M comparada con la martensita 7M. Para 10 MPa, los valores máximos de ΔSiso obtenidos para la aleación con martensita 5M fueron de 1.91 J kg-1 K-1 (enfriamiento) y de 1.83 J kg-1 K-1 (calentamiento). Para ese mismo valor de esfuerzo, la aleación con martensita 7M presentó 0.19 y 0.26 J kg-1 K-1 en enfriamiento y calentamiento, respectivamente."

"An alternative method for saving energy in commercial refrigeration is the use of caloric effect in solids materials. This method does not concern the use of gases with potential damage on the environment due to greenhouse effect as usual, but it uses solids with a caloric effect produced by the application of a magnetic field, an electrical field or a mechanical stress. In particular, the elastocaloric effect is due to a martensitic phase transformation, i.e., that the origin of this effect is related to a crystal structure change in the solid. Therefore, materials presenting a thermoelastic martensitic transformation can produce an elastocaloric effect, just like Ti-Ni, Cu-Zn- Al, Ni-Mn-Ga alloy systems. In this work, elastocaloric effect studies were carried out in alloys of the Ti-Ni and Ni- Mn-Ga systems, and focused on the role of different phases involved on the transformation from which elastocaloric effect is produced. The method used to measure the elastocaloric effect was the indirect one, consisting isothermal entropy change determination from strain induced by a thermic cycling at constant stress. In Ti-Ni system alloys the used compositions were those producing a two-step transformation: B2→R and R→B19’, putting away the transformation temperature of both transitions, in order to obtain the elastocaloric effect of just the B2→R transition. Results indicate that the highest ΔSiso values were 15.3 and 16.7 J kg-1 K-1 under 222 MPa in heating and cooling respectively. The maximum reversible isothermal entropy change was 14.6 J kg-1 K-1 under 222 MPa. In addition, in the Ni-Mn-Ga system, the alloys were prepared in order to obtain different martensitic phases, such as, tetragonal, 5M and 7M modulated structures, all obtained from L21 austenite. On one hand, tetragonal phase cannot be evaluated because none martensitic transformation was presented. On the other hand, in the modulated martensites and contrary to expected, the highest elastocaloric effect value was obtained on the 5M martensite compared to the 7M one. For 10 MPa, the maximum obtained values of ΔSiso for the alloy presenting 5M martensite were 1.91 J kg-1 K-1 and 1.83 J kg-1 K-1 during cooling and heating respectively. By the other side, the alloy with 7M martensite presented 0.19 and 0.26 J kg-1 K-1 in the same way."