Estira i estira sense trencar

Urdanpilleta, Marta

Ingeniaritzan doktorea

Un material que s'estira cinquanta vegades sense trencar... és polimèric? És possible que els metalls sofreixin tanta deformació? Aquest tipus de metalls existeixen i es denominen superplásticos.
Estira i estira sense trencar
01/01/2006 | Urdanpilleta, Marta | Doctor en Enginyeria
(Foto: R. Carton)

A Bèlgica hi ha un vell acudit sobre els holandesos que diuen que van inventar tirar d'una moneda i que així van aconseguir fer el primer cable d'Amsterdam a Rotterdam. És clar que l'acudit és un abús perquè no hi ha metall que s'allargui tant. No obstant això, al marge de la cobdícia d'alguns, és sorprenent la quantitat de material metàl·lic que es pot allargar.

La majoria dels materials metàl·lics s'allarguen entre el 50% i el 100%, fins a un màxim de doble longitud, però no tots. Alguns materials poden allargar-se molt més, entre el 200% i el 1.000%. I un aliatge de plom i estany pot allargar-se un 7.000%, és a dir, setanta vegades més. Pensem que tenim una cullereta per a postres feta amb aquest aliatge, perquè si tirem de totes dues cares alhora, aconseguiria una longitud de 10 metres. No és d'estranyar que aquest material sigui denominat superplástico.

El terme superplástico indica que aquests materials tenen una enorme capacitat d'estirament. Encara que siguin metalls, són 'molt tous' dins d'un rang de temperatures i tenen una petita tensió suficient per a estirar-se. Normalment, el material s'allarga més fàcilment per sobre de la meitat de la temperatura de fusió. Per exemple, l'aliatge de níquel té una temperatura de fusió d'uns 1.300 °C, sent la major superplasticidad a uns 950 °C.

L'estudi microscòpic dels metalls permet observar com es produeix aquest fenomen. Recordem que en general els materials metàl·lics són policristalinos, és a dir, estan constituïts per petits cristal·lins. Dins de cada cristal·lí, els àtoms estan ordenats de manera periòdica. La grandària d'aquests cristal·lins varia molt depenent de la forma en què es formi aquesta estructura metàl·lica: alguns metalls tenen cristal·lines microscòpiques, uns altres tenen una grandària mil·limètrica o centímetre, i alguns fragments de metall són monocristalls, és a dir, tota la peça és un únic cristall.

Imatge d'un aliatge de níquel superplástica realitzada amb un microscopi electrònic.
M. Urdanpilleta

Doncs bé, en els superplásticos la grandària d'aquests cristalitos és petit, només unes micres (una micra és la mil·lèsima part d'un mil·límetre), i la clau del seu estirament està en aquesta petita petitesa dels cristalls: al llarg de la deformació els cristalls no augmenten. Recordeu que el metall ha d'escalfar-se per a tenir un comportament superplástico, i segons la física de base, aquest escalfament amplia els cristalitos i els fa més grans. Però això no ocorre amb els metalls superplásticos, ja que l'estructura microscòpica manté certa grandària del cristall.

La grandària dels cristal·lins no canvia en estirar el material, sinó que canvia la grandària i la posició d'aquests cristalls. A més, normalment són materials bifàsics, ja que el metall superplástico està format per dos tipus de cristalls de diferent composició química. Finalment, hi ha altres factors, potser més tècnics: per exemple, els cristalls han de poder girar en angle gran.

Aplicació industrial

La majoria dels materials metàl·lics s'allarguen entre el 50% i el 100%, fins a un màxim de doble longitud, però no tots.
G. Rosegui

Era necessari en la indústria, especialment en la indústria aeronàutica. En aquest camp s'utilitzen principalment aliatges de titani, alumini i níquel, combinant conformat superplástico i soldadura de difusió per a produir peces de morfologia complexa. La combinació de tots dos procediments permet obtenir les peces en una sola operació, reduint el cost del material i reduint el temps de producció en comparació amb les tècniques convencionals. Les peces obtingudes presenten un excel·lent acabat superficial i són molt lleugeres. No obstant això, aquesta tècnica també presenta desavantatges com que el material de partida és car i que el gruix de les peces acabades no és uniforme.

Hi ha moltes maneres de treballar amb superplásticos, potser la tècnica més comuna és l'anomenada conformació d'inflat. Aquest procediment té la forma de bufat de vidre: en un aparell estanc, en una làmina superplástica situada al costat d'un motlle s'introdueix gas argó a una pressió no gaire elevada i la làmina adopta la forma del motlle. Les màquines de pressió extrema són les habituals en la indústria, però per a tractar metalls superplásticos basten 10 megapascales, és a dir, aproximadament cent vegades la pressió atmosfèrica.

El fet que no es necessiti molta pressió no significa que es tracti d'un procés instantani. Per a allargar un tros de metall s'escalfa a la temperatura òptima i triguen molts minuts, a vegades hores. Per tant, perquè el procediment tingui un interès industrial, la velocitat de deformació ha de ser el més elevada possible per a reduir el temps de producció. A aquesta velocitat també influeix la grandària dels cristal·lins. En general, com més petits són els cristal·lins, major és la velocitat de deformació. Per tant, les característiques microscòpiques del metall superplástico són molt importants a l'hora de tractar aquest material. Són materials específics molt difícils de realitzar i per tant cars.

Els materials superplásticos s'utilitzen principalment en la indústria aeronàutica.
d'arxiu

En la indústria sovint s'utilitza la soldadura de difusió juntament amb el conformat superplástico. Va començar a expandir-se en la dècada de 1960 i actualment s'utilitza principalment en la indústria aeronàutica, nuclear i en la tecnologia espacial. Aquest procés consisteix en la difusió del material superplástico entre dos o més materials iguals, amb una pressió moderada i una temperatura elevada. Com a conseqüència, després d'una petita deformació macroscòpica, les dues peces s'uneixen. Per a millorar la qualitat de la unió es pot donar una petita pressió al gas.

Euskal Herria

Mitjançant aquesta tècnica es poden obtenir diferents tipus de geometries. Combinant la conformació industrial amb simulacions de dispositius d'ordre de deformació, en l'actualitat s'estan desenvolupant nombroses aplicacions, controlant cada vegada millor tots els paràmetres. Aquesta tecnologia s'aplica també a empreses del País Basc. Per exemple, l'empresa aeronàutica ITP, situada al Parc Tecnològic de Zamudio, fabrica motors d'avió mitjançant conformat superplástico, amb un important esforç en I+D en aquest camp.

La superplasticidad encara té molt a fer.
d'arxiu

El futur de la superplasticidad sembla interessant i a mesura que es controlen millor els paràmetres de la deformació es van creant noves aplicacions. La superplasticidad d'alta velocitat també ha generat esperança. És possible que en el futur es pugui aplicar en tècniques no desenvolupades. La veritat és que la superplasticidad encara té un llarg camí per recórrer.

Serveis
Una mica d'història
Per a trobar referències al fenomen dels metalls que s'allarguen enormement és necessari retrocedir en la història. Molt enrere. De fet, avui dia es qüestiona si els bronzes d'arsènic antics, utilitzats en l'Edat del Bronze a Turquia, i si els acers de Damasc eren o no materials superplásticos -A. Tots dos es van estendre a partir de l'any 300- però podrien existir.
En l'era moderna, XX. Cal anar al segle XX per a conèixer el que avui considerem superplásticos. El fenomen va ser descrit per primera vegada pels científics en 1912 i el terme superplasticidad es va estendre cap a 1945.
En una famosa obra de 1934, Pearson va demostrar l'existència de la superplasticidad analitzant un Bi-Sn eutèctic (anteriorment hi havia altres treballs com el de Jenkins). La paraula eutèctic significa en grec allò que es fundi amb facilitat.
Aquest material es va incrementar en un 1.950%. Però és més interessant que la dada de l'estirament, és a dir, que per primera vegada en aquest article es va proposar un mecanisme possible per a explicar-lo: la lubricació al límit.
Explicació microscòpica
Els mecanismes de deformació tenen gran importància no sols en els metalls superplásticos, sinó també en la resta. En general, el tipus de deformació més comuna és el moviment de dislocació a temperatura moderada.
Per a saber què és una dislocació, podem imaginar-la amb una catifa: per a moure una catifa pesada, el més convenient no és tirar d'un costat, sinó crear una “caseta” en la catifa i moure aquesta ona d'un costat a un altre de la catifa. Així, la catifa es mou a poc a poc i el treball és molt més lleuger.
A l'interior del metall es pot utilitzar un mecanisme similar per a moure els cristalitos de l'interior del metall i, en definitiva, per a produir deformació. Per a deformar el cristall, i per tant el metall, el més fàcil no és moure de sobte un pla sencer del cristall, sinó crear un "error" en el cristall i moure aquest "defecte" d'un costat a un altre del cristall, com l'ona de la catifa. Aquest mecanisme permet que els cristal·lins sofreixin una deformació i s'allarguin, però entre uns cristal·lins i uns altres apareixen "forats" que poden donar lloc a esquerdes i cavitats en el metall.
(Foto: G. Rosegui)
No obstant això, en la deformació superplástica es considera que el mecanisme de deformació més important és la lubricació en el límit de gra. En aquest cas, els cristal·lins es rellisquen l'un contra l'altre sense alterar molt l'aspecte del material.
Per utilitzar un model senzill, podem pensar que cada cristall està format per un nucli dur i un límit tou i viscós. Quan es produeix la lubricació, el límit és el que sofreix la major deformació (mitjançant dislocacions) i el nucli no sofreix grans alteracions. Així, les esquerdes, i per tant les fractures, apareixen amb major dificultat, ja que la cavitat en certa manera impedeix els límits. S'entén, per tant, la importància de la grandària de gra: com més petit sigui el gra, més límits de gra i, per tant, més lubricació entre els grans (i major superplasticidad).
Encara que els exemples més coneguts d'aquest fenomen són els metàl·lics, també s'ha trobat un comportament superplástico en una altra mena de materials, com a ceràmiques, materials composts de matriu metàl·lica i intermetàl·lics.
Un senzill experiment
No és necessari utilitzar un material car i sofisticat per a observar el comportament superplástico, ben visible amb un senzill experiment a temperatura ambient. Per a això pot valer el fil d'estany que s'utilitza per a soldar en circuits elèctrics (la composició del fil ha de ser la següent: 60% estany, 38% plom i 2% coure). En un fil d'un mil·límetre de diàmetre, amb un retolador es fan dues marques, penjant al fil masses de 250, 480 i 900 grams. Cal anar amb compte amb el nus: si el fil es flexiona molt en el nus, la tensió es pot concentrar aquí, per la qual cosa el fil es pot trencar per aquest punt abans d'hora. Amb el temps, la distància entre totes dues marques augmenta considerablement.

L'autora d'aquest article, Marta Urdanpilleta, ha realitzat una tesi per a investigar la superplasticidad a través de la col·laboració dels centres tecnològics ITP i CEIT.

Urdanpilleta, Marta
Serveis
216
2006
1.
042
Materials
Babesleak
Eusko Jaurlaritzako Industria, Merkataritza eta Turismo Saila