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Journal of Materials Education University of North [email protected] ISSN (Versión impresa): 0738-7989MÉXICO

2004 P. Rama Rao / K. Balasubramanian

EL MUNDO INEXPLORADO DE LOS MATERIALES: LA NECESIDAD DE ESFUERZOS DE INVESTIGACIÓN EN MÚLTIPLES PAÍSES

Journal of Materials Education, año/vol. 26, número 1-2 Universidad Autónoma del Estado de México: University of North Texas Toluca, México

pp. 55-68

mailto:[email protected]

http://www.redalyc.org/

Journal of Materials Education Vol. 26 (1-2): 55-68 (2004)

EL MUNDO INEXPLORADO DE LOS MATERIALES: LA NECESIDAD DE ESFUERZOS DE INVESTIGACIÓN EN MÚLTIPLES PAÍSES P. Rama Rao1 y K. Balasubramanian2

1International Advanced Research Centre for Powder Metallurgy and New Materials (ARCI), Hyderabad 500 059 India; pallerama [email protected]; 2Nonferrous Materials Technology Develop-ment Centre (NFTDC), Hyderabad 500 058 India; [email protected] RESUMEN El aprendizaje de los materiales requiere un amplio orden experimental, ejercicios computacionales y teóricos. Se ha tenido un estupendo progreso en el último siglo, precedente en su primera mitad y en la segunda después del reconocimiento justo de la ciencia de materiales como una disciplina científica. Una generosa observación del área sugiere regímenes sin vigilancia, siendo éstos en información termodinámica o en mediciones de difusión o en el procesamiento de parámetros o en evaluación de las propiedades físicas y mecánicas. Con la entrada de una variedad de nuevos materiales, se tiene una fuerte necesidad de dirigir los aspectos faltantes de la información básica, del análisis y modelado. Este artículo es un intento por llamar la atención hacia esta característica y hacer una fervorosa interpelación para revitalizar la cooperación internacional para avanzar con más rapidez a las demandas básicas de la investigación por el formidable desarrollo de nuevos materiales. Palabras clave: termodinámica de materiales, multicomponente, multifase, difusión, deformación, proceso espacial. INTRODUCCIÓN La síntesis de materiales y más aún su procesamiento para productos útiles ha involucrado al hombre desde tiempos inmemorables. El progreso de la civilización, en un sentido material, se mide en términos de cantidades y de la variedad de productos que se han producido. La fabricación de materiales (conocimiento técnico) por lo general antecede al entendimiento de los principios

fundamentales y fenómenos (conocimiento científico). Desde el inicio de la revolución industrial, la comprensión científica de la naturaleza de los materiales, sus interacciones con otros materiales y consideraciones energéticas ha proveído el conocimiento básico para dirigir el desarrollo de la investigación de nuevos materiales y procesos innovadores para sintetizar y formar esos nuevos materiales con fines prácticos. Este conocimiento científico básico fue por una parte más fortalecido por la

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llegada de tecnologías de computación avanzadas, y por otra, por procedimientos técnicos, procesos mecánicos y de alto calibre, rápida caracterización de herramientas. Más de dos siglos de exploración ha producido un gran volumen de información, proveyendo reglas empíricas, construcciones teóricas, mientras que la explotación práctica de esos resultados han generado una multitud de nuevas tecnologías y un gran número de productos. La última parte del siglo XX atrajo la concentración hacia lo que concierne al medio ambiente y a su conservación, a la energía y su óptima utilización, a materiales y su disposición/reciclable después de su servicio funcional en el paradigma de síntesis, procesamiento, uso y reuso de materiales. En el mundo actual, el aprovechamiento de materiales probados y su potencial en el horizonte son estipulados primariamente por las fuerzas del mercado y las oportunidades percibidas para crear nuevos mercados o sustituir completamente a los existentes. El ensamblaje a cola de milano que procede de ese aprovechamiento para nutrir nuevas exploraciones ha sido el mayor desafío. Grupos profesionales, tal como el IUMRS, ha provisto una plataforma para vincular a la academia, los laboratorios, la industria y el gobierno. Ellos han jugado un rol clave proveyendo una perspectiva de enlace a través de la revisión del pasado e identificando las oportunidades para la futura acción de la comunidad internacional. El procesamiento y síntesis de materiales se ha basado en el entendimiento de la estabilidad temodinámica de los materiales, la función de la fundición (calor, masa, momento, carga) en la síntesis y en el procesamiento y en condiciones de servicio y estructura, así como su correspondencia con las propiedades, rendimiento y degradación. La determinación de información esencial en elementos puros y sistemas de modelos ha enriquecido y validado muchas teorías. No obstante, el esfuerzo experimental concertado de interés práctico ha permitido el desarrollo de materiales complejos, los cuales son del tipo de multicomponentes y multifases.

Esta contribución es un intento de atraer la atención al hecho de que, a pesar de los esfuerzos científicos colosales del pasado, la región inexplorada aun en simples materiales no es insignificante.1 También apuntamos que cuando uno considera más sistemas complejos, las áreas desfasadas en el conocimiento básico presentan un reto asombroso. Ilustraremos este punto de vista considerando la estabilidad y el equilibrio de fase, ambiente equilibrio-temperatura para síntesis de materiales, valoración de la tensión-condiciones de temperatura para la evaluación de materiales, y finalmente el contexto de selección de materiales. Lo que surge es la necesidad evidente de cooperación internacional en investigación básica de materiales. Se garantiza un esfuerzo de diversos países a fin de que se logre una difusión más amplia de habilidades técnicas, así como se acelere el ritmo de nuestra comprensión encarando el paso del desarrollo de nuevos materiales. FASE DE ESTABILIDAD Y FASE DE EQUILIBRIO La determinación de la fase de estabilidad y mutua fase de estabilidad ha sido centrada al entendimiento de materiales. Ha habido diversos esfuerzos sistemáticos1-5 para determinar información tanto termodinámica como termofísica empezando con elementos que permitan más sistemas complejos. Ahora están disponibles uno de los elementos conocidos en la tabla periódica sobre el número atómico 103 (Lawrencium), un buen número de diagramas de fase de P-T (alrededor de 80 elementos). La determinación de diagramas de fase binaria, cerca de 80 a 90% de esa posibilidad, ha ocupado la atención por más de cinco décadas, y son los binarios que impulsan la solución y fases compuestas que son los bloques constructivos para los sistemas de interés práctico. Así, ésta es la riqueza de la información unitaria y binaria que ha sido el punto de partida principal de los esfuerzos de desarrollo de conducción de la investigación en materiales en sistemas combinados.

El Mundo Inexplorado de los Materiales: la Necesidad de Esfuerzos de Investigación en Múltiples Países


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La determinación de la fase de equilibrio en sistemas ternarios6 está limitada a 5-10% de los ternarios posibles. La ocurrencia y la determinación de precipitaciones en sistemas combinados y estructurados e información de la difracción de rayos X concerniente a materiales inorgánicos han contribuido enormemente a la identificación de fases compuestas de orden superior y ternaria. El conocimiento y la determinación experimental de sistemas de orden superior es apenas (<1%). Los múltiples elementos de las fases compuestas han sido observados en acontecimientos naturales tales como la formación de roca/mineral. La complejidad en la formación de fases de multi elementos en entramados periódicos es formidable y los retos para el entendimiento tanto de las ocurrencias naturales como los materiales sintetizados requieren de exploración en las nuevas regiones de procesos de espacios presión-temperatura como se discutirá en la última sección. La determinación de la fase de equilibrio en sistemas binarios permite entender no sólo la expansión de los campos de fase, sino los energéticos fundamentales de interacción entre cualquiera de dos elementos en varias fases. La extensa base de datos disponible es muy dócil para amplios análisis desde el punto de vista de (1) precisión de información; (ii) consistente en información de diagramas de fase con información termoquímica y (iii) aplicación y validación de modelos. Los energéticos de dos elementos de interacción fueron sistemáticamente probados desde el principios gracias al incremento constante en la velocidad y la capacidad computacional. El método del cálculo del Diagrama de Fase (CALPHAD)7-9 iniciado en los sesenta proveyó las bases más necesitadas para la determinación de la consistencia de información que sirvió tanto al doble propósito de análisis como apuntar el intervalo en información e inadecuaciones en modelos. Los esfuerzos continuos en esta dirección no sólo refinan y actualizan información, sino también mejoran los modelos fundamentales.

Un importante resultado de tal análisis es la determinación de la estabilidad de la energía del entramado de elementos en varias fases, estables e inestables a 1 atm. La existencia de solución y fases compuestas en sistemas binarios permiten la extrapolación9-11 a elementos puros por ellos mismos bajo condiciones normales. Así, es ahora conocida la energía relativamente libre de hcp Fe, bcc Cu, carbón fcc. Estas formas pueden ser estables en condiciones de alta presión y alta temperatura como en el caso del hcp Fe y carbón fcc (diamante). Además, en la información de la estabilidad del entramado de estudios de alta presión y fases de solución binaria en una atmósfera se ve que son consistentes en el ejemplo de hcp Fe como determinado12 del campo de fase Fe-Ru hcp y diagrama P-T9,13 de Fe puro. Ahora, los energéticos de las interacciones más cercanas en sistemas de dos elementos son cuantitativamente bien entendidos y las características del diagrama de fase soportan sintonía de sus efectos tales como en formación compuesta, intervalos en la capacidad de combinarse, solutibilidad retrógrada y fundición congruente. Ya que son conocidas las estabilidades del entramado y las interacciones binarias, ahora son rutinariamente posibles la determinación de la fase de equilibrio metaestable entre cualquier grupo dado de dos o más fases. Más aún, el origen de la estabilidad de entramados de varios elementos ha resuelto el problema de estados estándares y, junto con el acceso a conocer interacciones cercanas de dos elementos, ha abierto el camino para la construcción de microcomponentes de fase unitaria en cualquier entramado de estructura en general y en particular fases terminales de soluciones sólidas. Este resultado de información binaria ha tenido el valor más significativo en explorar nuevos materiales. Aparte de la estabilidad de entramado, y energéticos de interacción, la riqueza de la información en los binarios y unitarios ha provisto reglas de correlación1,9,14,15 las cuales no sólo ayudan al llenado de hendiduras sino también para pulir las salidas, éstas pueden además ser registradas para cualquier efecto



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especial o para evidenciar imprecisiones en la información. En los binarios, las fases compuestas, estequiométricas y no estequiométricas, han arrojado el campo de los intermetálicos6,16 y han iniciado a emanar sistemas multicomponentes de estos campos centrales, justo como las soluciones extremas y líquidas fueron el punto de partida inicial. MULTICOMPONENTES Y MATERIALES DE MULTIFASE Los sistemas de orden superior y cuaternarios plantean un formidable reto y con posibilidades de incrementar en proporciones de N factorial las brechas de las fases de equilibrio que son tan grandes para ser significativamente cuantificadas. La determinación empírica ha estado limitada a pocos sistemas de interés práctico. Una reciente compilación17 de Fe basado en diagramas cuaternarios es una ilustración de uno de esos esfuerzos. El Journal of Phase equilibria está sacando un suplemento especial con énfasis en compilaciones de orden superior y cuaternario en sistemas de aplicación industrial tales como el Fe-Nb-Ti-Nb-C-N (aceros HSLA), Fe-Zn-X1-X2 (galvanizados), Fe-U-Pu-Zr (materiales revestidos y de energía nuclear). Han sido muchos los intentos para el cálculo de la fase de equilibrio en sistemas1,6,18,19 usando predominantemente información relacionada con la fase de líquido, soluciones sólidas extendidas de binarios (Ej. fases terminales de solución sólida) y fases compuestas conocidas. La determinación experimental de información termodinámica como actividad de uno o dos componentes en un sistema de multicomponentes, es decir, que ha sido posible la actividad del carbón en multicomponentes austeníticos y de almacenamiento de sulfuro entre el desperdicio de óxido y el metal líquido, el cual incidentalmente ayudó en la validación de la extensión linear de binarios. El descubrimiento de nuevos componentes de orden superior y ternarios necesariamente resulta en la revisión de todo el diagrama de fase. La fase de flujo ha sido el tema de intensa investigación en sistemas de multicomponentes.

Los sistemas de interés práctico como las soldaduras (más de diez elementos), minerales sin purificar, fundiciones óxidos y fundiciones de sal derretida han recibido una atención adecuada desde un punto de partida experimental y de cómputo. Gracias al interés renovado en vidrio metálico siguiendo el trabajo reproductor de P. Duwez,20 los estudios en termoquímica de multicomponentes han progresado significativamente en las últimas cuatro décadas. Los diagramas de fase binaria correlacionan reglas extraídas de los sistemas binarios y de la información termoquímica de los binarios que juegan un valuable papel en proveer indicadores para potenciar las tendencias de la formación del vidrio en sistemas de multicomponentes permitiendo el rápido descubrimiento de un gran número de tales sistemas.21,22 Si consideramos fases compuestas, se conocen cerca de 30,000 o más compuestos ternarios en alrededor de 1,000 diferentes estructuras6,23 y aún continúa el descubrimiento de nuevos tipos de estructuras ternarias. Se ha conocido considerablemente un número significativo de fases compuestas con cuatro, a veces cinco o seis componentes, y su presencia en combinaciones de interés y cristalización de vidrio metálico/líquidos súper fríos han permitido la determinación de la solutibilidad de productos, y de esta manera su energía libre/entalpía de formación. La síntesis directa de fases compuestas con muchos componentes diferentes a los que naturalmente ocurren en minerales ha sido posible, por ejemplo en el caso de semiconductores óxidos de alto Tc (6 elementos como en HgBa2Ca3Cu3Ox), y suficientemente interesante, se obtuvo incremento de Tc con el aumento del número de componentes, los que provee un puntal para otras exploraciones. Las reglas empíricas de los sistemas binarios predicen que los átomos tienden a ocupar diferentes sitios cuando son significativamente grandes las diferencias en el tamaño atómico, electronegatividad y el número de valencia de electrones. La ICSD (Base de datos de Estructura de Cristal Inorgánico) ha compilado



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cerca de 50,000 estructuras que incluye soluciones sólidas y tipos múltiples. Considerando esta base existente de 50,000 estructuras como una representación de posibilidades, el análisis penetrante de Mackay24 de la frecuencia de la distribución de estructuras como una función del número de elementos (N) interesantemente revela una cercana semejanza a la distribución de la frecuencia del espectro electro magneto asociado con un cuerpo negro. El pico de esta distribución no uniforme ocurre a N=3. La modalidad sobre las escalas de tiempo geológico ha sintetizado muchos multicomponentes minerales que contienen típicamente de tres a seis elementos de diferentes sitios y hasta de un máximo de diez Iones en pocos casos.23 Así, parece que hay un límite a la exclusividad de tal sitio debido al surgimiento de la complejidad de un gran número de diferentes átomos dentro de una unidad celular de dimensiones limitadas, que imposibilita la formación de sistemas de multicomponentes verdaderos más allá de cinco o seis elementos y de esta manera las “soluciones” con sustitución de elementos en sitios de celosías se convierte en una necesidad.

Si nosotros consideráramos los innumerables tipos de estructuras de compuestos conocidos como fases distintas, todos ellos junto con el fluido y fases terminales (un elemento como solvente en fcc, hcp, bcc, bct, ortorómbico, etc.) se constituiría un gran cuerpo de multicomponentes-sistemas multifase (dentro de la restricción de la regla de fase). Mientras son conocidas la estructura y composición de muchos componentes, las propiedades termodinámicas son ampliamente desconocidas, las cuales imposibilitan más o menos el cálculo de la fase de equilibrio. Así, la cuantificación de la riqueza de la información está restringida a un sector de interés práctico, en donde, como se observó anteriormente, la necesidad de explotación de probadas áreas potenciales ha sido la fuerza conductora para la exploración y explotación de la información.

Figura 1. Mapa del Proceso Presión–Temperatura



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PROCESAMIENTO DE MATERIALES Y PROCESO ESPACIAL PRESIÓN-TEMPERATURA Aunque el incremento de grados de libertad y el del número de componentes ofrece un alcance ilimitado para la exploración de nuevos componentes y tipos de estructuras en la “composición/espacio potencial químico, grandes áreas inexploradas aún permanecen en las otras dos dimensiones de los potenciales termodinámicos, es decir, presión y temperatura. El procesamiento de materiales, tal como en la síntesis y transformación es maquinado por la manipulación de fundiciones, llamadas calor, momento, número de especies moleculares en un reactor espacial, mientras los correspondientes potenciales termodinámicos de temperatura, presión y potencial químico definen la magnitud o intervalo del proceso (s) en el reactor. Por ejemplo, calentamiento/enfriamiento y fundición/solidificación de un material se realiza en un horno (reactor) entre la temperatura definida de la cámara y el punto de fundición el cual para todos los propósitos prácticos recae en el intervalo de la temperatura de la cámara de alrededor de 3,000K para la mayoría de los materiales. Si consideramos la licuefacción y también la subsecuente solidificación de gases, el intervalo de este proceso se extiende sintomáticamente a cero absoluto. El punto de fusión cambia con la presión y así los procesos anteriores se pueden definir en espacio P-T extendido casi de cero absoluto a alrededor de algunos miles de grados Kelvin. De manera similar, los procesos naturales y aquellos imitados por el hombre en reactores pueden ser representados25 en el mapa del proceso presión–temperatura (Figura 1). La naturaleza del proceso de materiales en todas las áreas del mapa P-T ordenados de baja presión-baja temperatura en espacio externo a presión alta y temperatura alta en el cielo (estrellas) mientras el hombre tiene que extender limitadamente la explotación regional más allá de una atmósfera. El potencial para mayor explotación es inmenso y la naturaleza ha mostrado el camino. Los elementos puros y los gases son los que más se han estudiado

como una función de presión y temperatura y el rango de estabilidad de varios elementos está disponible para varios elementos como se ilustra en el caso del acero.9 La síntesis del diamante, un material de componente único presenta una historia estimulante de precipitación de carbón en esta forma estructural de CO2 saturado de ricas rocas de Mg a 50 Kb y 1700K que ocurren a profundidades de 150-600 km26,27. La metalización del hidrógeno a alta presión y a muy baja temperatura ha sido mostrada experimentalmente28 y este fenómeno ocurre naturalmente en planetas como Júpiter donde tales condiciones de P y T son satisfechas. El proceso natural de materiales en su corteza terrestre y el interior a altas presiones y temperaturas y la ocurrencia de minerales de multicomponentes y de carácter multifase es el resultado de esta síntesis. La determinación de la fase de estabilidad y de la fase de equilibrio a bajas presiones no han sido exploradas en su totalidad. Gracias a la disponibilidad de la presión de las células que pueden alcanzar presiones de 200 Gpa y experimentos de desdoblamiento de choque, la determinación sistemática de tal información podría extenderse a sistemas binarios y a sistemas multicomponentes de interés práctico. DIFUSIÓN EN MATERIALES Y PROCESOS DE DIFUSIÓN PROPORCIONALES La mayoría de los procesos de manufactura disponibles para la ingeniería de materiales están basados en calor, masa y momento (fuerza/carga) del flujo y manipulación virtuosa del flujo en una secuencia de pasos del proceso optimizado forma la tecnología de manufactura (proceso-integración de la producción) para cualquier producto. Aparte de los modelados termodinámicos y termoquímicos de los sistemas de materiales, más de un siglo de esfuerzos de investigación se han ido en la generación de la información básica y en procesos de modelado en difusión y deformación, lo que será discutido respectivamente en ésta y en la siguiente sección.



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La difusión y los procesos de difusión proporcionales constituyen una herramienta avanzada disponible para que el científico en materiales entienda y utilice los procesos tales como la solidificación, reacciones, fases de transformación y consolidación. La actividad de investigación en la determinación de la información básica para varias clases de difusión, a saber, auto/trazado, superficie y cantidad límite, intersticial, interdifusión binaria, difusión en multicomponentes y sistemas multifase y difusión de materiales amorfos, ha sido una actividad constante a través de muchos grupos en el mundo.29,30 Justo como en el caso de la base de datos de termodinámica en unitarios y binarios, los parámetros de difusión, principalmente la energía activada y el factor pre-exponencial han sido mejor investigados sólo en el caso de auto/trazado, intersticial y en algunos coeficientes de interdifusión binarios. En el caso de sistemas de multicomponentes, no obstante la plétora de las posibilidades de la estructura, los efectos cruzados de la termodinámica afectan el comportamiento de la difusión. La información de la termodinámica en sistemas multicomponentes que traen estos efectos de interacción son mínimos. En segundo lugar, la estructura, la naturaleza del sitio de ocupación y aún más importante el rol de los defectos (predominancia de una clase sobre otra) tiene una interrelación directa en el índice de difusión de varias especies. Esto a su vez refleja los resultados tales como la división de elementos sintetizados y meta estables. En tercer lugar, gracias a la complejidad en sistemas multicomponentes, la difusión por sí misma puede alterar la estructura, y el problema se traslada a uno de naturaleza multifase. Por esto, la correlación o extrapolación basada en información de difusión binaria y terciaria para sistemas de componentes mucargálticos está llena de incertidumbre. En un estudio reciente, usando una técnica de micro seccionado de radio-frecuencia, Chen et al.31 han investigado la difusión del cromo en aleaciones de Ni-Cr-Fe-C. El límite de cantidad de difusión que tiene siempre un orden de difusión de magnitud mayor que aquellos de difusión entramada, está significativamente reducido al mismo nivel que

la difusión entramada en estas aleaciones debido a la presencia de elementos precipitados y de aleaciones a la cantidad límite. La energía activada para la difusión de cantidad límite es típicamente la mitad que para la difusión de trama en metales puros. Esta diferencia se reduce a aleaciones concentradas y multicomponentes debido a la correlación y a los efectos de cruce termodinámica, así como a otros procesos competitivos a la cantidad límite. La determinación empírica de difusión de pocos elementos en sistemas probados y prácticos de multicomponentes ha sido la única fuente importante de datos. Hay mucho más necesidades por hacer para acrecentar la base de datos en verdaderos sistemas multicomponentes, así como obtener correlaciones y tendencias significativas. Otra importante área de valor práctico es la difusión superficial en nuevos materiales, tales como nanomateriales, materiales clasificados como funcionales y sistemas de materiales procesados de aditivos (capas). La mayoría de la información existente en la literatura se ha obtenido a niveles de vacío de 10-5 a 10-6 torr. En estos niveles, la superficie no es lo suficientemente nueva y es conocido que se cubre con átomos de carbón/oxigeno/hidrógeno y otros hidrocarbonos. Los materiales electrónicos son ahora rutinariamente sintetizados a niveles mucho más altos de vacío (10-9 a 10-10 torr) y la necesidad de nueva información a ser generada a estos niveles de vacío, tanto del básico como de la aplicación de los puntos de vista. Además, en materiales que surgen en nanoescala, la mayoría de los átomos están en la superficie y la difusión de la superficie relacionada al control del proceso y determina ambos procesamientos, así como el resultado de las propiedades de estos materiales. El entendimiento de la difusión en sistemas amorfos/vidrio metálico32 trae consigo algunos temas importantes. En relación con la metaestabilidad y el flujo viscoso asociado con tales sistemas, la determinación cuantitativa de transferencia de masa y su distribución entre el flujo viscoso y el flujo de difusión se vuelve difícil. Las características de la transferencia de



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masa de la forma en que son determinadas por técnicas convencionales e instrumentos se vuelven esencialmente en parámetros unidos y uno obtiene una irrazonable activación de energía. Se necesita mayor información en cuanto a la naturaleza y el mecanismo de difusión y los avances en modelado de transferencia de masa en sistemas de vidrio metálico de dimensiones de multicomponentes antes de que obtengamos un dibujo más exacto de los procesos de evaluación en tales casos. COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE MATERIALES Y PROCESOS PROPORCIONALES DE DEFORMACIÓN La deformación como un proceso proporcional es la respuesta de los materiales a la aplicación de carga en una fase condensada. Tal respuesta depende no sólo de la carga aplicada y de la temperatura, sino también de las características del material, particularmente propiedades básicas como las determinadas por el enlace interatómico en cristales y las características microestructurales como las determinadas por los elementos de las fases, sus tamaños y distribución, así como los defectos.

Estas características por sí mismas padecen concurrentes cambios reversibles e irreversibles durante el proceso de deformación. El proceso de deformación es entonces concerniente con estos cambios en las características del material que eleva las propiedades requeridas y la respuesta de esfuerzo irreversible que determina el nivel de modelado y formado de los materiales. En la práctica, el proceso de deformación se realiza por el control de la proporción de aplicación de carga y temperatura. La respuesta del esfuerzo del material es controlada de una manera determinada para lograr un estado estable de trabajo (proporción de esfuerzo constante) o el mismo proceso determina el rango y porcentaje en el que el material está esforzado. Así, varios procesos de deformación se pueden considerar en un proceso espacial P-T como se dio anteriormente que es equivalente a la carga aplicada vs. temperatura o en términos de respuesta del material, por ejemplo, porcentaje de esfuerzo vs. temperatura (ε - T) como se ilustra en la Figura 2. Se observa25 que

Figura 2.

Mapa de Porcentaje de Esfuerzo – Temperatura



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el procesamiento de materiales se realiza sobre 14 órdenes de magnitud de porcentaje de esfuerzo y a todas las temperaturas entre el ambiente y el punto de fusión y aún más allá, lo cual no está figurado en el diagrama. Como se observó anteriormente, la naturaleza opera en todos los regímenes figurados en el diagrama. Porcentajes muy lentos de deformación de glaciares y movimientos tectónicos sobre escalas de tiempo geológicas ocupan un extremo, mientras las erupciones explosivas, procesos inducidos de choque de olas ocupa el otro alto extremo. La información empírica sobre respuesta de materiales a la aplicación de carga ha sido determinada en su mayoría en una pequeña ventana de porcentajes de esfuerzo (10-2 a 1). La información a porcentajes de esfuerzo mayor tal como en balística, formando una tasa de energía mayor y a tasas de esfuerzo menor como en la formación y avance lento de súper plásticos existe y tal información ha producido índices particulares conocidos como sensibilidad de tasas de esfuerzo m e índices de endurecimiento del esfuerzo n. Estos dos importantes parámetros determinan la ecuación constitutiva del estado describiendo el comportamiento de la deformación de materiales. Ya que los índices m y n de respuesta de material son parámetros aglomerados dependientes de la estructura, así como de variables del proceso, éstos necesitan estar determinados empíricamente por nuevos materiales y varias condiciones. El comportamiento mecánico de materiales de un componente, en cristal sencillo y forma policristalina, ha sido bien investigada. La simulación de la dinámica molecular más reciente33 se ha usado para entender la deformación plástica fundamental del proceso atomístico y fracturas en cristales sencillos metálicos. Los materiales de un componente han servido bien, por una parte, como modelo de material para entender la relación entre el enlace interatómico, el rol de los defectos y límites del cristal, y por otra parte, las propiedades macroscópicas del material.

Un gran volumen de información sobre propiedades mecánicas y su correlación con la estructura ha sido determinado por muchos sistemas multicomponentes comerciales. Estos sistemas han sido estudiados principalmente como una fase de solución sólida terminal con una o muchas fases secundarias (tanto estable como metaestable) o como fases dobles, por ejemplo en los compuestos diseñados. Rastrear la cantidad de un componente en interfases o en un pequeño límite puede afectar desproporcionalmente las propiedades comparadas con los otros componentes. La apreciación de este aspecto ha permitido el tratamiento del comportamiento mecánico más en términos de la magnitud del efecto de los componentes que su proporción o fracciones de fase. En general, los productos son materiales de multifase diseñados y esencialmente están conducidos apropiadamente y el entendimiento de materiales multifase en términos cuantitativos está basado en parámetros aglomerados como m y n, superposición y efectos jerárquicos de rasgos. La mayoría de la información empírica sobre materiales, como se mencionó anteriormente, fue confinada a una pequeña ventana de tasas de esfuerzo y presiones con incursiones limitadas dentro de regímenes extremos. Gracias al desarrollo y diseño de celdas de presión y del trabajo pionero experimental básico de Bridgman34, se hizo posible el comportamiento de materiales bajo un ambiente de alta presión. Se ha observado que la imposición de presión sobre una fase condensada puede promover el surgimiento de nuevos alótropos como se ilustra en el caso de polímeros de hielo35 o cuasi cristales36 como en el caso de una aleación de Al-Mn. Las celdas de presión (20 GPa to 200 Gpa) combinadas con difracción de rayos X ha proveído la génesis de la cristalografía de alta presión. La presión induce cambios en propiedades físicas y químicas tales como la densidad, índice de refractividad, resistencia, conducción térmica, compresión, viscosidad, licuefacción de gases y ahora está bien establecida la naturaleza supercrítica de fluidos.



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El estudio del comportamiento mecánico de materiales, particularmente la plasticidad y fractura de sólidos, bajo presión hidrostática ha ocupado la atención de investigadores por muchas décadas y esto ha impulsado la formación de metal de alta presión en una escala industrial. La plasticidad inducida por presión en los materiales frágiles como cerámicas y silicatos es todavía un descubrimiento científico, más que está empezando a convertirse en conocimiento técnico para la fabricación de productos. Las presiones inducidas por choque de olas han empujado los límites a niveles muy altos aunque en periodos cortos. La metalización de hidrógeno inducida por choque de olas nos provee vislumbrar nuevos materiales excitantes. Ahora tenemos que regresar a la generación de información sistemática básica en unitarios, binarios y multicomponentes y sistemas multifase no cubiertos para explorar el régimen de alta presión para el uso de este régimen para la fabricación de productos. Además, la mayoría de las pruebas realizadas, incluyendo aquellas bajo los extremos, están restringidas a modos uniaxiales. La prueba multimodal para el comportamiento de la tensión, arrastramiento, fatiga y de la fractura es un gran hueco que requiere ser llenado, tal como se refleja en el desempeño funcional en situaciones reales. Así, la generación de información en regímenes inexplorados de presión, tasas de presión y pruebas multimodales tienen que ser dirigidas y una base de datos completa como una función de estas condiciones es una meta necesaria que debe ser alcanzada. NUEVOS MATERIALES EN EL HORIZONTE La búsqueda de nuevas estructuras y ensambles, así como la mejora de propiedades ha facilitado la dirección de la fuerza inicial para la investigación y exploración de materiales. Los nuevos procesos y la aplicación innovadora de procesos existentes y una incursión limitada dentro de regímenes inexplorados de temperatura, presión, potencial químico, tasas de esfuerzo nos han dado una tentadora muestra

preliminar de las ilimitadas posibilidades. El campo de acción de los materiales que uno tiene que contender está en constante expansión, con la entrada de materiales basados en combinaciones de metales, cerámicas y polímeros de varias formas. Mientras la física y la química facilitaron los cimientos sobre los cuales se construyó el gran edificio de los materiales, la biología está ofreciendo una promesa para una nueva clase de materiales (biomiméticos). Siguiendo la ventaja de la naturaleza y de la imitación de los procesos naturales se está presentando en boga rápidamente como un medio de exploración. Como se observó anteriormente, la naturaleza ha procesado componentes únicos tales como multicomponentes complejos–sistemas multifases, en los que percibimos como condiciones extremas de temperatura, presión y aplicación y retiro de calor (rápido calentamiento y enfriamiento) y rápida aplicación o retiro de carga (tasas de esfuerzo). Los nuevos materiales que han sido descubiertos recientemente, tales como superconductores óxidos de alto Tc, multicomponentes amorfos y materiales cuasi cristalinos, polímeros conductores, nanomateriales, biomimética y supramoléculas diseñadas o autoensambladas, y los materiales evaluados funcionalmente han sido posibles gracias a dedicados esfuerzos de investigación en pocas islas de posibilidades. Algunos de los últimos accesos dentro de la frontera de los multicomponentes son los “gum metal” multifuncionales de Japón37 y las aleaciones de alta entropía nanoestructuradas de Taiwan38 hechas de seis a siete componentes en proporciones iguales. Otra frontera que está en constante avance es el nivel de pureza de metales básicos junto con el impacto en la investigación básica, así como el desarrollo de nuevos productos. Como lo ha señalado Cahn en su reciente tratado sobre la historia de la ciencia de los materiales,39 la exploración dentro de los extremos, ya sea en términos de tratamiento o condiciones del proceso, o en dimensiones, o en estructura, o en composición, o en pureza, es la que ha promovido el surgimiento de nuevos materiales que parecen



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apuntar el futuro camino de la ciencia de materiales. Nuestro objetivo ha sido atraer la atención de que la exploración y explotación de una variedad desconcertante de materiales y condiciones de procesos tienen que estar fortalecidas con experimentación sistemática, complementada con modelos asistidos por computadora y simulación para información básica en termoquímica y fase de equilibrio, difusión y transferencia de masa, propiedades mecánicas y deformación. La labor es estupenda y minúscula investigación individual. Claramente, es imposible para cualquier grupo de individuos o incluso instituciones, o para esa materia en cualquier país, no importa cuán grande y con recursos, para hacer frente a los desafíos comprendidos en el acervo del conocimiento aún por ser descubiertos. La cantidad de artículos científicos con autores derivados de más de un país es una tendencia creciente y bienvenida, y se desea que sea alentada. El camino para acelerar los adelantos es diseñar imaginativamente y financiar sin restricciones programas de múltiples países y multiinstitucionales involucrando la investigación básica de materiales. El potencial del IUMRS es estupendo para lograr una amplia difusión internacional de habilidades técnicas y para la formación y ejecución de proyectos entre varias instituciones y países. Esta estrategia se ha vuelto inevitable para dirigir los retos de la investigación asociados con los nuevos materiales que han surgido y aquéllos del futuro. RECONOCIMIENTOS El autor agradece al Prof. S. Ranganathan del Instituto Hindú de Ciencias, Bangalore, India, y al Dr. G.P. Tiwari, anteriormente del Centro de Investigación Anatómico de Bhaba, Mumbai, India, por sus útiles discusiones. Uno de los autores (PRR) está agradecido con el Departamento del Espacio, Gobierno de la India por el premio de profesor asociado.

REFERENCIAS

1. APIDC-Alloy Phase Diagram International Commission and “Pauling File-Inorganic Materials Database and Design System- Binaries Edition” ASM International, Materials Park, Ohio, 2003.

2. M. Hansen y K. Anderko, “Constitution of

Binary Alloys”, 1958; y R.P Elliot, “Constitution of Binary Alloys, First Supplement”, McGraw-Hill, Nueva York, 1965.

3. R. Hultgren, R.L. Orr, P.D. Anderson y

K.K. Kelley, “Selected Values of Thermodynamic Properties of Metals and Alloys”, Wiley, Nueva York, 1963.

4. O. Kubaschewski y T.G. Chart, J. Inst.

Metals 93, 329 (1964). 5. “Phase Stability in Metals and Alloys”,

eds., P.S. Rudman, J. Stringer y R.I. Jaffe, McGraw-Hill, Nueva York, 1967.

6. P. Villars, A. Prince y H.Okamoto,

“Handbook of Ternary Alloy Phase Diagrams”, Vols. 1-10, ASM International, Materials Park, Ohio, 1995.

7. L. Kaufman, “Energetics in Metallurgical

Phenomena III”, ed. W. Mueller, Gordon and Breach, Nueva York, 1967.

8. L. Kaufman, Progress in Materials Science,

14, 55, (1969) 9. L. Kaufman y H. Bernstein, “Computer

Calculation of Phase Diagrams”, Academic Press, Nueva York y Londres, 1970.

10. J. Lumsden, “Thermodynamics of Alloys”,

Instituto de Metales, Monografía, Servicio de Reportes, No.11, Instituto de Metales, Londres, 1952.

11. J.L. Meijering, Acta Met. 5, 257, (1957).



66

12. G.S. Stepakoff y L. Kaufman, Acta Met. 16, 13, (1968).

13. L. Kaufman, “Solids Under Pressure”, ed.

W. Paul y D. Warschauer, p. 303, McGraw-Hill, Nueva York, 1963.

14. W. Hume-Rothery, Acta Met. 15, 567,

(1967) y W. Hume-Rothery, Progress in Materials Science 13, (5), 229, (1967).

15. “Rules of Thumb for the Physical

Scientist”, compilado por David J. Fisher, Trans Tech Publications, 1983.

16. G. Sauthoff, “Intermetallics”, VCH:

Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, Alemania, 1995.

17. V. Raghavan, “Monograph on Phase

Diagrams of Quaternary Iron Alloys”, publicado por el Instituto Hindú de Metales, Kolkatta, India, 1996.

18. K. Hack , (editor) “The SGTE Casebook:

Thermodynamics at Work”, publicados por el Instituto de Materiales, Londres, 1996.

19. N. Saunders y A.P. Miodownik,

“CALPHAD: Calculation of Phase Diagrams – A Comprehensive Guide”, Pergamon, Oxford, 1998.

20. P. Duwez, ASM Transactions, 60, 607- 633

(1967). 21. W.L. Johnson, Current Opinion in Solid

State and Materials Science, 1, 383 (1996). 22. A. Inoue, Progress in Materials Science,

43, 365, (1998); y Acta Materialia, 48, 270, (2000).

23. F. DiSalvo, “Challenges and Opportunities

in Solid State Chemistry”, Pure and Applied Chemistry, 72, (10), 1799-1807, (2000).

24. A. Mackay, “On Complexity”, Crystallography Reports, 46, (4), 524-526, (2001).

25. K. Balasubramanian y P. Rama Rao,

“Science and Art of Processing Materials” in “Dyanamics of Technology”, ed. R. Narasimha, J. Srinivasan and S.K. Biswas, Sage Publications, Nueva Delhi, 2003.

26. J. Mallikharjuna Rao y S. Nirmal Charan, J.

Geological Society of India, 42, (5), 477, (1993).

27. R. Hazen, “The New Alchemists: Breaking

Through the Barriers of High Pressure”, Times Books, Random House, Nueva York, 1999.

28. S.T. Weir, A.C. Mitchell y W.J. Nellis,

“Metallization of Fluid Molecular Hydrogen at 140 Gpa(1.4Mbar)” , Physical Review Letters, 76, (11), Marzo, 1996.

29. Serie: Landolt-Bernstein: Nuevas series,

Vol. 25, “Atomic Defects in Metals”, ed. H. Ullmaier, Springer-Verlag, Berlin, 1990.

30. I. Kahn y W. Gust, “Fundamentals of

Grain and Interphase Boundary Diffusion” Vol I y I, Zieglar Press, Stuttgart, 1989.

31. Tien-Fu Chen, G. P. Tiwari, Y. Iijima y K.

Yamauchi, “Volume and Grain Boundary Diffusion of Chromium in Ni Base Ni-Cr-Fe Alloys”, Materials Transactions, 44, (1), 40-60 (2003).

32. G.P. Tiwari, R.V. Ramanujan, M.R. Gonal,

R. Prasad, R.Raj, B.P Batguzar y G.C. Goswami, Materials Science and Engineering A, 304-6, 499-504, (2001).

33. M. Doyama, “Simulation of Dislocation

Core, Plastic Deformation and Fracture in Metallic Crystals”, en la memoria de Nuevos Materiales del Seminario Académico de Asia”, pp 131-142, eds. P. Rama Rao, M. Doyama, G. Sundararajan, y R. Mahajan y K. Oda., publicado por ARCI



67

(India) y JSPS (Japón) ISBN : 81-901739-0-1, 2003.

34. P.W. Bridgman, “Studies in Large Plastic

Flow and Fracture, Special Emphasis on the Effects of Hydrostatic Pressure”, McGraw-Hill, Nueva York, 1952.

35. N.A. Gokcen y R.G. Reddy,

“Thermodynamics”, Plenum Press, Nueva York, 1996.

36. J.A. Sekhar y P. Rajasekaran, “A rapid

pressurization experiment on a Al-Mn alloy”, Nature, 320, 153, (1986).

37. T. Saito, T. Furuta, J-H. Hwang, S.

Kuramoto, K. Nishino, N. Suzuki, R. Chen, A. Yamada, K. Ito, Y. Seno, T. Nonaka, H. Ikehata, N. Nagasako, C. Iwomoto, Y. Ikuhara, T. Sakuma, “Multifunctional alloys obtained via a dislocation-free plastic deformation mechanism”, Science 300, 464 (2003).

38. Jien-Wei Yeh, Swe-Kasi Chen, Su-Jien Lin, Jon-Yiew Gan, Tung Hsu, Tsung-Shune Chin, Tao-Tsung Shun, Chun-Huei Tsau y Shou-Yi Chang, “Development of New Alloy Systems-High Entropy Alloys with Multicomponent Elements”, pre-impresión referida a S. Ranganathan, Current Science, en prensa 2003.

39. R.W. Cahn, “The Coming of Materials

Science”, Pergamon Materials Series, Pergamon, Amsterdam, 2001.

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