2.3.1 Análisis elemental
Una vez fabricadas la aleaciones nos apoyamos en el microscopio electrónico de barrido a través de su sistema de microanálisis para determinar su composición real. La preparación de las aleaciones consistió en extraerles mediante una cortadora de hilo una porción en forma de placa que fue posteriormente pulida con la siguiente secuencia en la graduación del papel de lija: 500, 800, 1200, 2400 y 4000. Posteriormente, se les dio acabado espejo con alúmina de 0.3 µm.
Se realizaron 10 mediciones por aleación en diferentes zonas para asegurar representatividad y fueron hechas en un sistema de microanálisis EDS (energy- dispersive X-ray spectroscopy) de EDAX instalado en un microscopio electrónico de barrido JEOL 5800LV. Los parámetros de medición en el microscopio fueron: 15 Kv, distancia de trabajo de 10 mm, spot size 12 y apertura 2.
2.3.2 Calorimetría diferencial de barrido (DSC)
El calorímetro diferencial de barrido (DSC) es un instrumento de medición muy útil para determinar la ocurrencia de procesos endotérmicos o exotérmicos en los materiales durante una transición física (cambio de fase, fusión, oxidación, etc.). Su función es determinar la temperatura y flujo de calor asociados con dichas transiciones en función del tiempo y la temperatura.
A través de esta técnica es posible determinar las temperaturas de transformación martensítica, así como; la entalpía y entropía presente en aleaciones con memoria de forma convencionales y ferromagnéticas.
La preparación de las aleaciones para esta técnica de caracterización consistió en cortar de la placa empleada en análisis elemental una pequeña porción no mayor a 200 mg de masa.
Se emplearon dos calorímetros para caracterizar las aleaciones. Un calorímetro
comercial de TA Instruments modelo DSC Q200 y un calorímetro para
El principio físico de la calorimetría diferencial de barrido y detalles particulares del calorímetro para transiciones sólido-sólido aparecen en el apéndice A.
2.3.2.1 Calorimetría en presencia de campo magnético
Para determinar el efecto magnetocalórico se empleó un calorímetro DSC que comparte el principio de funcionamiento y muchas características del descrito en el apéndice A para transiciones sólido-sólido. Sin embargo, presenta algunas diferencias principalmente en su arquitectura. En esta adaptación se colocó el calorímetro al interior de un criostato equipado con una bobina superconductora. El rango de temperatura de operación es de 10 a 300 K y se pueden aplicar hasta 5 T de campo magnético. El bloque termostático consiste en un bloque de cobre en forma de carrete, con un diámetro de 16 mm y una altura de aproximadamente 5 cm. Esta pieza está acoplada mecánicamente en su parte superior a un tubo de acero de 8 mm de diámetro y 120 cm de longitud. En el interior de este tubo pasan todos los cables eléctricos del sistema. Las dos celdas termoeléctricas están conectadas en modo diferencial y están colocadas en ambos costados sobre la superficie del bloque de cobre. La muestra y la referencia se colocan directamente sobre las celdas termoeléctricas y se sujetan con un hilo de nylon fino para asegura un buen contacto con los sensores. La lectura de la temperatura del calorímetro se realiza mediante una resistencia de carbón insertada en la pieza de cobre.
Es importante mencionar que las porciones de aleación empleadas en calorimetría convencional se emplearon en esta medición para determinar el efecto magnetocalórico. La aleación del sistema Ni-Mn-Ga con una masa de 88.6 mg se midió bajo los siguientes campos magnéticos: 0, 0.3, 0.6 y 0.9 T. La aleación seleccionada del sistema Ni-Fe-Ga tuvo una masa de 160 mg y los campos magnéticos ensayados fueron: 0.15, 0.29, 0.44, 0.57, 0.72, 0.83 y 0.99 T. En ambos casos a partir de estas condiciones se realizó la comparación con las pruebas de efecto elastocalórico.
2.3.3 Caracterización magnética
Se realizaron mediciones de magnetización de saturación hasta 2 T y de termomagnetización a 50 Oe en algunas composiciones seleccionadas. La
preparación de las aleaciones consistió en formar paralelepípedos con dimensiones aproximadas de 1 mm x 1 mm x 5 mm mediante la cortadora de hilo.
El equipo de medición fue un PPMS® de Quantum Design.
2.3.4 Caracterización de la deformación bajo diferentes estímulos
Una parte fundamental del desarrollo de esta investigación fue el diseño, construcción y puesta en marcha de un dispositivo para medir deformación en presencia de distintos estímulos externos: campo magnético, temperatura y esfuerzo. Como se mencionó, una característica interesante de las aleaciones con efecto memoria de forma magnético es el efecto generado en la transición de fase por un campo magnético aplicado. De aquí surge el interés por contar con un dispositivo capaz de caracterizar la respuesta de estos materiales en diferentes condiciones. Las capacidades, limitaciones, características y posibilidades de mejora del equipo desarrollado son descritas a detalle en los apéndices B y C. En este apartado sólo serán incluidas las condiciones experimentales que se siguieron en la caracterización de las aleaciones de estudio.
2.3.4.1 Determinación del efecto elastocalórico en la aleación del sistema Ni-Mn- Ga
Para determinar el efecto elastocalórico en la muestra de estudio se le extrajo un paralelepípedo mediante una cortadora de hilo. Esta pieza fue posteriormente pulida para eliminar los defectos del corte y sus características fueron: longitud
0
L 4.39 mm, sección transversal 4.05 mm2 y masa de 0.14 g.
El diseño experimental que se consideró incluye 6 valores de fuerza y 5 valores de campo magnético aplicado. Los valores de fuerza, esfuerzo correspondiente y campo magnético considerados aparecen en la tabla 2.2. De esta manera, se efectuaron 30 mediciones, considerando todas las posibles combinaciones entre los valores de fuerza y campo magnético. Es importante señalar que en calentamiento se cumplen todas las combinaciones, mientras que en enfriamiento se ensayaron sólo los tres primeros valores de campo magnético.
Fuerza aplicada (N) Esfuerzo en compresión (MPa)
Campo magnético aplicado (T)
1.76 0.43 0 10.28 2.54 0.357 15.76 3.89 0.500 19.92 4.92 0.750 30.26 7.48 0.875 39.64 9.79
Tabla 2.2: Parámetros experimentales empleados para estimar el efecto elastocalórico en la aleación seleccionada del sistema Ni-Mn-Ga.
Para la estimación del efecto elastocalórico en función de la longitud y fuerza nos apoyamos en la ecuación (1.19), la cual bajo las condiciones experimentales se expone como: dF T L m d T H T S F F
0 0 0 1 1 ) , , ( (2.1)donde m0 0 es la masa de la muestra y 0 L0 su volumen. La sección transversal se asume constante y F es la fuerza aplicada, mientras que representa el esfuerzo aplicado. La deformación está dada por L/L0 donde
0
L L L
, L es la longitud de la muestra al realizar la medida y L0 corresponde
a su longitud inicial.
El procesamiento de la señal de medición sigue el procedimiento descrito en la sección B.5.3 para considerar el cambio de dimensiones de la base y la muestra.
2.3.4.2 Determinación del efecto elastocalórico en la aleación del sistema Ni-Fe- Ga
Para la determinación del efecto elastocalórico se cortó un paralelepípedo con una cortadora de hilo y se pulió para eliminar los defectos del corte. Sus características fueron: longitud L0 8.62 mm, sección transversal 10.65 mm
2
y masa de 0.71 g. El arreglo experimental consideró 8 valores de fuerza y los 5 valores de campo magnético utilizados en la caracterización de la aleación del sistema Ni-Mn-Ga, todos aparecen (además del esfuerzo) en la tabla 2.3.
Fuerza aplicada (N) Esfuerzo en compresión
(MPa) Campo magnético aplicado (T)
1.76 0.17 0 10.28 0.96 0.357 20.14 1.89 0.500 29.98 2.81 0.750 49.05 4.60 0.875 71.41 6.70 100.11 9.39 175.40 16.45
Tabla 2.3: Parámetros experimentales empleados para estimar el efecto elastocalórico en la aleación seleccionada del sistema Ni-Fe-Ga.