En esta sección se hace una recopilación de las características más relevantes expuestas en literatura de los sistemas a los que pertenecen las aleaciones estudiadas.
1.8.1 Sistema Ni-Mn-Ga
Dentro de los materiales funcionales destaca el sistema Ni-Mn-Ga. Gracias a que es uno de los pocos cuyas aleaciones cumplen con las condiciones necesarias para el efecto memoria de forma magnético. Se han hecho una gran cantidad de estudios sobre este sistema y aún se mantiene un gran interés científico y tecnológico sobre él. Sin embargo, presenta un gran inconveniente: es extremadamente frágil, por lo que el esfuerzo al que puede ser sujeto es muy pequeño. Por esta razón, un número considerable de investigaciones se han enfocado en reducir o eliminar estas desventajas sin menguar sus atractivas propiedades. Resulta conveniente incluir un breve resumen de las características y estudios que se le han hecho al sistema para hacer una comparación con las aleaciones de estudio.
1.8.1.1 Características de la aleación Ni-Mn-Ga estequiométrica
La aleación Ni2MnGa pertenece a la familia de aleaciones tipo Heusler y obviamente presenta las características mencionadas en la sección 1.1. Su temperatura de fusión es Tfus=1382 K y su temperatura de ordenamiento (correspondiente a la transición de una estructura B2 a una L21) es Tord=1071 K (28). Es ferromagnética a temperatura ambiente y presenta una temperatura de Curie TC =374 K (29). La transformación martensítica se lleva a cabo a TM=202 K y los parámetros de red que presenta son: a=5.825 Å (austenita) y a=5.92 Å y c=5.57 Å (martensita) (30). El mecanismo de transformación se acompaña de una distorsión de la red con modulación periódica y acompañada de un pequeño cambio de volumen. En el caso de la aleación estequiométrica esta modulación corresponde a cinco capas atómicas. Por ello, se le denomina como una estructura modulada tipo 5M (31).
1.8.1.2 Características de la aleación Ni-Mn-Ga no estequiométrica
Este apartado estará dedicado a revisar las principales características de las
aleaciones Ni-Mn-Ga con una ligera desviación de la composición
estequiométrica. En ellas, la temperatura de Curie (TC) muestra una débil dependencia respecto a la composición, mientras que; la temperatura de transformación martensítica y la estructura de baja temperatura son muy dependientes de este factor (31) (32) (33). Además, se ha establecido que la estabilidad de las fases en las aleaciones de Ni-Mn-Ga está controlada en gran medida por el número de electrones de conducción por átomo ó parámetro e/a (34) (35) (36). Las estructuras de red moduladas que se pueden encontrar son: 5M (e/a < 7.55) (37), 5M ó 7M (7.55 < e/a < 7.7) (38) (39) y 10M ó 8M (e/a > 7.7) (39) (40). Como material funcional, cobró gran notoriedad desde que en un monocristal (cuya composición se aproximaba a la estequiométrica) se logró una deformación del 0.19 % al girar un campo magnético aplicado de la dirección [100] a la [110] (9). Destacan además, deformaciones de hasta 1.18 % en presencia de un campo magnético H=8 kOe (41) y de hasta 10 % para una aleación modulada tipo 7M (15). Cabe recordar aquí que el material magnetostrictivo más popular hasta el descubrimiento de estas aleaciones era el Terfenol-D, con deformaciones de solo 0.17 %.
1.8.1.3 Efectos de la adición de un elemento dopante en el sistema Ni-Mn-Ga
Con la intención de aumentar sus posibilidades de aplicación tecnológica muchas investigaciones se han concentrado en controlar la temperatura de operación, propiedades mecánicas y perfeccionamiento de su proceso de fabricación. Una línea de investigación prominente en el sistema es estudiar el efecto de adicionar elementos dopantes al sistema. La tabla 1.1 muestra los elementos que se han adicionado y sus efectos más importantes.
Elemento Adicionado Efectos relevantes
Fe
La aleación Ni49.9Mn16Ga20.1Fe1.7 logró producir una deformación del 5.5% (42). Además la adición de Fe en el sistema Ni-Mn-Ga disminuye las temperaturas de transformación, incrementa la temperatura de Curie y mejora la ductilidad de la aleación(43).
Co
Cuando sustituye al Ni produce un descenso en las temperaturas de transformación y aumenta la TC (44) (45) (46). Si reemplaza al Mn, las temperaturas de transformación se incrementan e incluso pueden sobrepasar la TC (44) (45) (47).
Si, Ge Disminución de temperaturas de transformación(48).
In
Efecto similar al que produce el Si y Ge. Disminuyen las temperaturas de transformación (49).
Nd, Sm, Tb
No existen cambios fundamentales de las temperaturas de transformación y Tc respecto al sistema ternario. Se encuentra un incremento en la magnetización de saturación para la muestra con Nd (50).
Al, Cu, Ge, Sn Reduce la dependencia de la relación e/a para el sistema ternario (51).
In, V, Cu La sustitución de Ga por In así como, Mn por V o Cu causa un ligero descenso en la Tc (46) (47).
Tabla 1.1: Principales elementos adicionados al sistema Ni-Mn-Ga y sus efectos relevantes.
1.8.2 Sistema Ni-Fe-Ga
Otros sistemas han atraído la atención en los últimos años como alternativas al Ni-Mn-Ga, entre los que destaca el Ni-Fe-Ga. Oikawa et al. (52) fueron los primeros en advertir que este sistema podría presentar el efecto de memoria de forma magnético. Para la composición estequiométrica Ni-Fe-Ga se ha encontrado una temperatura de transformación alrededor de los 142 K, una temperatura de Curie de 430 K, la magnetización es de 73 A m2/kg y un pequeño campo de saturación de 0.6 T. Las muestras texturizadas con granos orientados en una dirección preferencial muestran un doble efecto de memoria de forma completamente recuperable con una deformación de 0.3 %, que resulta promisoria para muchas aplicaciones.
Se ha reportado la síntesis de la aleación con composición estequiométrica por el método de “Melt-spinning”, obteniendo una aleación con 100 % de austenita. Cuando se emplea la solidificación común se obtiene la mezcla de fases austenita y de fase (53). Entonces para evitar la aparición de la fase (FCC) se requiere un método que permita la solidificación rápida (52). Así mismo, la ductilidad es
superior a la que se presenta en Ni-Mn-Ga debido a la fase como ocurre en las aleaciones con memoria de forma del sistema Ni-Al (54). La temperatura de transición de orden se ha encontrado alrededor de los 970 K (55), además las estructuras de martensita que presenta son 10M y 14M (52). Por otra parte, martensita con un periodo de 6 planos ha sido observada por Pons et al. (56) y Li et al. (57).
Adicionalmente, se ha observado martensita con estructura tetragonal tipo L10 en un monocristal de Ni54Fe19Ga27 cuando se ha inducido la fase martensita mediante esfuerzo (55). Para la composición Ni54.2Fe19.3Ga26.5 en estado de una sola variante de orientación de la martensita se ha medido una deformación inducida por campo magnético de sólo 0.02 % a 100 K (58). Entre los elementos dopantes se ha considerado al Co el cual ha permitido incrementar la deformación, particularmente en la aleación Ni51Fe18Ga27Co3. Morito et al. observaron una deformación inducida por campo magnético de 0.7 % a 300 K (59). Con un porcentaje mayor de Co, la aleación Ni49Fe18Ga27Co6 presentó una constante de anisotropía magnetocristalina de K = 1.2 x 106 erg/cm3 a 300 K (60). En la aleación Ni50Fe17Ga25Mn8 se midió una magnetoresistencia negativa de -9 % en un campo de 50 KOe (61).
CAPITULO II
Selección de aleaciones y condiciones
experimentales
Una parte importante de este trabajo se enfoca en estudiar la transición martensítica. Por ello, se han empleado diversas técnicas de caracterización que proporcionan la información necesaria para formar conclusiones sobre la investigación. Las técnicas que se presentan son calorimetría diferencial de barrido (DSC) (convencional y su variante en presencia de un campo magnético) y la determinación del efecto elastocalórico mediante el sistema construido para medir deformación. Otras técnicas complementarías como microscopía electrónica de barrido y magnetometría se utilizaron para ampliar la caracterización.
2.1 Selección de aleaciones
La existencia de investigaciones sobre el sistema Ni-Mn-Ga ha resuelto muchas preguntas sobre los fenómenos que presenta, desde sus características estructurales hasta sus propiedades magnéticas. Es nuestro interés aportar mayor información al sistema, además como se mencionó en la introducción de este trabajo, establecer si una combinación de factores externos (esfuerzo en compresión y campo magnético) permite controlar los efectos elastocalórico y magnetocalórico en las aleaciones de estudio. De manera particular se eligió una muestra de este sistema dopada con Cobalto. Como se observa en la tabla 1.1, la adición de Co modificará las temperaturas de transformación cuando sustituya al Manganeso. Para evaluar los efectos calóricos (y de manera real el potencial de aplicación tecnológica) es importante que las muestras de estudio presenten la transformación martensítica cercana a temperatura ambiente. Considerando lo anterior se eligió fabricar una aleación policristalina cercana a la composición Ni50Mn25-xGa25Cox (x=3).
Para seleccionar una aleación de interés del sistema Ni-Fe-Ga nos apoyamos en la caracterización térmica y magnética de una serie de 6 aleaciones. Los detalles será expuestos en la sección de resultados.