Cuando hablamos en el primer tema de los objetos de estudio en ciencia de materiales señalamos que se centran en la relación entre la estructura y las propiedades con la intención de diseñar nuevos materiales para aplicaciones concretas. Asimismo, especificamos que las propiedades dependían no solo de la composición del material, sino de cómo se había sintetizado o del posterior procesamiento. Hasta ahora hemos estudiado ya varios materiales cuyas propiedades emanan fundamentalmente de su propia naturaleza. Por ejemplo, hemos explicado las notables diferencias de comportamiento entre el acero y el aluminio, que si bien es cierto que admiten tratamientos térmicos diferentes que hacen variar sus propiedades, ya parten de rasgos claramente distintivos por tratarse de elementos químicos diferentes. En esta sección vamos a ver un caso extremo en el que un determinado procesado hace que materiales de distinta naturaleza se comporten de forma sorprendentemente similar.
Nos estamos refiriendo a la superplasticidad, que es la capacidad que tienen algunos materiales policristalinos de deformarse plásticamente hasta alcanzar elongaciones extraordinariamente grandes antes de fracturarse. Este fenómeno fue observado originalmente en metales, aunque se han encontrado cerámicas que también lo manifiestan, sin olvidar a los polímeros, que ya de por sí presentan una gran plasticidad de forma generalizada. En el apartado 1.6 describimos con cierto detalle el ensayo de tracción de un metal típico. Como se indicó, ese ensayo está normalizado y se realiza con unas muestras o probetas de dimensiones prefijadas, a temperatura ambiente y a una velocidad de deformación dada. En este tipo de ensayos mecánicos nada se deja al azar y todas las condiciones y variables están claramente especificadas para poder comparar distintos materiales independientemente del instrumento, el lugar o las personas que realicen el ensayo.
El descubrimiento de la superplasticidad a nivel científico se produjo en 1912 y desde entonces el fenómeno ha sido ampliamente estudiado, especialmente en metales cuando se observan deformaciones mucho mayores de las habituales. En 1934 se observó una aleación de bismuto y estaño llegó a alcanzar unas deformaciones de hasta el 2000% antes de fracturarse, algo inimaginable en un ensayo de tracción estándar. Desde entonces, la superplasticidad en metales, aleaciones y cerámicas ha sido objeto de estudio relevante durante décadas y aún es de interés, puesto que los mecanismos de deformación no han sido aclarados completamente. Este fenómeno de la superplasticidad puede darse en muchos tipos de aleaciones comerciales, por ejemplo de aluminio o de titanio. Es decir, muchos metales convencionales pueden ser deformados de forma superplástica si las condiciones son las adecuadas.
Ahora se sabe que para que se dé este comportamiento deben cumplirse al menos tres condiciones: (1) que el material tenga un tamaño de grano muy fino (< 1 μm), (2) que las velocidades de deformación sean muy pequeñas (< 10–2 o 10–3 s–1) y (3) que la temperatura sea suficientemente alta, al menos la mitad del punto de fusión expresado en escala absoluta. La ausencia de alguno de estos tres factores desfavorece el comportamiento superplástico. Es decir, cuanto mayores sean las velocidades de deformación y el tamaño de grano o estemos a bajas temperaturas, menor va a ser la posibilidad de encontrar un comportamiento superplástico y más nos acercaremos al ensayo de tracción típico de un metal, ya descrito.
En la figura 3.12 podemos observar el comportamiento superplástico en una aleación de aluminio con una composición parecida a las de las comerciales de la serie 5000. Se muestran tanto las curvas tensión-deformación de los ensayos de tracción como el aspecto de las probetas fracturadas una vez concluido el ensayo. También se muestra la microestructura de la aleación tras el ensayo.
Como hemos indicado, el mecanismo microscópico por el cual se da la deformación superplástica está aún sometido a cierto debate dentro de la comunidad científica, pero se sabe que no es el resultado de alguna transición de fase cristalográfica como ocurre con las aleaciones con memoria de forma (apartado 3.5). Por el contrario, existe consenso acerca de que la deformación transcurre debido al deslizamiento de las fronteras de grano. Es decir, a velocidades de deformación suficientemente pequeñas los granos comienzan a deslizar unos con respecto a otros, reordenándose y provocando una deformación global tal como la que se muestra en la figura 3.12. Por ello se requieren tamaños de grano muy pequeños y velocidades de deformación lentas a temperaturas altas.
Este mecanismo también es congruente con la microestructura que se observa en la figura 3.12, donde se aprecia que la forma de los granos permanece prácticamente inalterada tras el ensayo, mientras que cuando las deformaciones son de naturaleza difusiva los granos tienden a alargarse considerablemente. A este respecto, la deformación superplástica guarda muchas similitudes con la deformación por fluencia que vimos en las superaleaciones de níquel (apartado 2.6). Para ese caso ya se señaló que, cuanto más grandes son los tamaños de grano, más se impide la deformación por fluencia, de ahí que para algunas aplicaciones se usen directamente monocristales, que son menos susceptibles a la deformación a alta temperatura. Esto es porque la fluencia también se debe a deformaciones por deslizamiento de fronteras de grano y no exclusivamente por difusión.
Sin embargo, lo que no está tan claro en estos modelos microscópicos simples para materiales metálicos es cómo encontrar una expresión satisfactoria que determine la velocidad de deformación que se encuentra en los experimentos. Para ello se han desarrollado modelos más complejos basados en esta idea general que asumen el reordenamiento de los granos antes señalado y con el añadido de que se involucrarían movimientos de dislocaciones en las regiones cercanas a los límites de grano, ya sea a través de las mismas fronteras de grano o a través de la red cristalina. Incluyendo estos factores relacionados con el movimiento de dislocaciones, la expresión para la velocidad de deformación sí se asemeja más a la de los experimentos[2].
Desde el punto de vista de las aplicaciones, lo más relevante del comportamiento superplástico en metales es que ha permitido aplicar una serie de técnicas de procesado propias de los polímeros en la tecnología de materiales metálicos. En concreto, nos estamos refiriendo al conformado superplástico y a la unión superplástica. El conformado superplástico consiste en valerse de un molde en el que se deformará plásticamente el metal para adquirir su forma. Como a velocidades de deformación suficientemente bajas y altas temperaturas pueden darse deformaciones muy grandes, se procede de forma análoga a como se haría con un plástico.
Por su lado, la unión superplástica hace referencia a la técnica de unión que consiste en poner en contacto dos piezas metálicas de tamaño de grano suficientemente fino y aplicar tensión y temperatura. Como la deformación superplástica transcurre a través del deslizamiento de los granos, va a haber una transferencia de granos entre ambas piezas que dará como resultado su unión permanente si se ha intercambiado suficiente material. En la figura 3.13 podemos observar varias piezas que se han confeccionado mediante conformado y unión superplástica. En el caso de las piezas huecas con forma esférica primero se han hecho por conformado las dos mitades y posteriormente se han unido. En el caso de los perfiles se ha procedido de una forma análoga.
Cabe destacar que el resultado de la unión superplástica es excelente, ya que las dos partes quedan íntimamente ligadas a nivel microscópico, pues los granos de una y otra se han mezclado en una interfaz que no queda bien definida. Con este método, no es necesario suministrar material adicional para la unión como ocurre en las soldaduras tradicionales, y además puede controlarse el acabado según los valores de tensión y temperatura aplicados. Sin embargo, tiene el inconveniente obvio de que solo se puede aplicar a materiales que tengan comportamiento superplástico y cumplan los requerimientos señalados, sobre todo en lo que respecta al tamaño de grano, ya que la temperatura y la velocidad de deformación son variables más fácilmente controlables.
[1] Z. Horita. et al. Acta Mater. 48 (2000) 3633-3640. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(00)00182-8.
[2] Para una discusión más detallada sobre los mecanismos de deformación (tanto en metales como en cerámicas) puede consultarse T. G. Nieh, J. Wadsworth y O. D. Sherby. Superplasticity in Metals and Ceramics. Cambridge University Press (1997).
[3] J. C. Huanga y T. H. Chuang. Mater. Chem. Phys. 57 (1999) 195-206. https://doi.org/10.1016/S0254-0584(98)00224-7.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
