En el presente tema de Memoria se estudió el comportamiento mecánico de una aleación superelástica Cu-11,8%p.Al-0,5%p.Be, dentro del rango de temperatura y frecuencia propias de un fenómeno sísmico (0,1 a 5 [Hz]; -20 a + 50 [ºC]). Para esto, se realizaron ensayos de tracción de tipo tradicional (monotónicos) y cíclico. Este trabajo es parte de una línea de investigación relacionada con la caracterización de materiales, particularmente de materiales Superelásticos, pertenecientes a las aleaciones con Memoria de Forma, que puedan servir para la fabricación de dispositivos de disipación de energía sísmica en estructuras civiles. Las características relevantes de los materiales superelásticos, es que ellos presentan, en ciclos de carga-descarga, valores relativamente importantes de deformaciones recuperables y de energía disipada por ciclo. Este comportamiento se relaciona con la transformación de fase Austenita-Martensita. Para esta memoria se contó con una aleación CuAlBe, fabricada por Trefimétaux, bajo la forma de barras de 3 [mm] de diámetro; ensayos preliminares a temperatura ambiente indican que este material es superelástico. Los parámetros considerados en los ensayos son los siguientes: Tamaño de Grano Austenítico (64, 95 y 250 [ µm]); Frecuencia (0.1 y 1 [Hz]); Amplitud de Deformación de los ensayos cíclicos (hasta 4% aprox.); y Temperatura del ensayo (20 y 50 [ºC]). El comportamiento del material se caracterizó bajo los términos siguientes: • En ensayos de tracción uniaxial se caracterizaron algunas propiedades mecánicas del material (Módulo Elástico, Esfuerzos de Fluencia, Esfuerzo Máximo y de Rotura, Deformación Máxima, Ductilidad). • En ensayos de tracción cíclicos, se determinó: el esfuerzo y la deformación asociados a la máxima deformación superelástica alcanzable; los esfuerzos asociados al inicio de las transformaciones martensíticas directa e inversa; módulo elástico de la austenita; módulo secante; y coeficiente de amortiguamiento. Finalmente, los resultados se discutieron en la perspectiva de las relaciones microestructura-propiedades pertinentes y de la aplicación considerada.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería Mención Mecánica / Ingeniero Civil Mecánico / El efecto de superelasticidad y memoria de forma presentada por las aleaciones con memoria de forma está relacionado con una transformación martensítica inducida por esfuerzo. Por otro parte, la aleación utilizada Cu-11,8%p.Al-0,5%p.Be policristalina (producida por Trefimetaux, Francia), la cual presenta un comportamiento superelástico a temperatura ambiente, se ha observado que tal comportamiento se extiende hasta aproximadamente 3-4% de elongación, para deformaciones mayores, en el llamado rango post-superelástico (RPSE) se tiene, al retirar la carga, martensita retenida y deformaciones permanentes. El objetivo general de esta tesis es estudiar el mecanismo microestructural que controla el amortiguamiento interno en el rango post-superelástico de esta aleación, sometida a tracción cíclica a temperatura ambiente. Se emplearon unas muestras cilíndricas de 3,5 mm de diámetro y probetas planas de 3 mm de espesor. Con estas se realizaron ensayos de tracción (carga-descarga), hasta distintas deformaciones (ε_i^m= 0 - 13,9 %) a temperatura ambiente y a dos velocidades de deformación de 2,5 mm/min y 10 mm/min. Para las cilíndricas durante los ensayos se midió la temperatura superficial de las probetas, Tp. Se determinaron curvas esfuerzo-deformación σ-ε y temperatura-deformación Tp-ε para un único ciclo de carga-descarga por probeta. Mientras que paras las planas durante los ensayos se tomaron micrografías in-situ. A muestras deformadas se les aplicó metalografía óptica. En las curvas σ-ε se observaron los habituales rangos para estas aleaciones: elástico, superelástico, y post-superelástico. De esas curvas, se determinaron los siguientes valores de propiedades, valores que en general son concordantes con resultados previos: módulo de Young E= 80,4 GPa, esfuerzo de transformación σ_T = 258 MPa, y esfuerzo de fractura σ_UTS= 858 MPa para una elongación de 13,9%, aproximadamente. Se estableció que la deformación asociada al inicio del RPSE corresponde a ε_LSE= 4,16%, aproximadamente a 440 [MPa]. El análisis metalográfico reveló que las probetas deformadas en el RPSE presentaron martensita retenida en una matriz de austenita. Así, al aumentar la deformación impuesta, se verificó que, después de descargar, la fracción en volumen de la austenita (fvA) es decreciente y la de martensita retenida (fvM) es creciente. La nanoindentación reflejó que la martensita tiene un módulo elástico y dureza inferiores a los de la austenita, lo que se traduce en un comportamiento más dúctil que ésta última, lo que sirve para explicar varios fenómenos observados en la fractura. También se observó que el amortiguamiento interno aumenta con la ε_i^m en el RPSE, hasta llegar a un máximo a mediados de este rango. Esto se puede explicar porque, a mayor ε_i^m habrá más martensita y menos austenita, lo que reflejaría una gran influencia en el amortiguamiento interno, dada por la recuperación desde martensita reversible a austenita. Sin embargo, gracias a las observaciones in-situ en muestras cargadas con esfuerzos fue posible observar que siempre se mantiene un 30% de martensita reversible, lo que explicaría la existencia de amortiguamiento interno hasta niveles de 14% de deformación.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Ingeniero Civil Mecánico / En mecánica de medios continuos se estudian distintas relaciones entre esfuerzos y deformaciones que son usualmente denominadas ecuaciones constitutivas. Las ecuaciones constitutivas clásicas para la elasticidad no lineal son las de los sólidos elásticos de Cauchy y de Green, que se muestran en las ecuaciones i.1, en dónde S es el tensor de esfuerzos nominal, F es el gradiente de deformación, W es la energía de deformación y g es un funcional. S=g(F), ∂W/∂F=S. i.1 El tema de investigación de esta tesis se enfoca en estudiar un nuevo tipo de ecuación constitutiva que ha sido desarrollada recientemente. A diferencia de las ecuaciones i.1, el nuevo tipo de ecuación constitutiva se basa en escribir la deformación en función de los esfuerzos. Este tipo de ecuación permite, entre otras cosas, el análisis de materiales en los cuales puede suceder que los esfuerzos se eleven en grandes magnitudes pero no así la deformación. La ecuación i.2 muestra la relación, en dónde ε es el tensor de deformación caso lineal (infinitesimal), T es el tensor de esfuerzos de Cauchy y f es un funcional: ε=f(T). i.2 La presente tesis se centra en el estudio de dicha ecuación en dos áreas de investigación. Primero se estudia un caso simplificado de i.2 para el cual se tiene un comportamiento bilineal , en dónde la relación entre ε y T es lineal por tramos. Interesa en particular que el segundo tramo sea tal que el incremento en ε es muy pequeño, para grandes variaciones de T. Considerando dicha forma simplificada para f(T), se resuelven varios problemas de valor de frontera de forma exacta y semi-exacta . En segundo lugar se realiza un análisis de estabilidad (inestabilidad) para un medio semi-infinito considerando la ecuación constitutiva i.2, y una expresión para f que muestre un límite para la deformación. Los resultados obtenidos para los problemas de valor de frontera y el análisis de estabilidad elástica se comparan con resultados conocidos de la teoría de la elasticidad lineal.

En esta investigación se estudia el comportamiento de cables fabricados con alambres de una aleación de cobre en forma experimental y analítica. La aleación utilizada, Cu-11.8%p.Al-0.5%p.Be, ha sido estudiada en numerosos trabajos anteriores y, en forma de alambres, exhibe un comportamiento superelástico. En la etapa experimental, se fabricaron cuatro probetas de cables con alambres de 0.5 mm de diámetro recocidos a 700ºC por 20 seg. El tamaño de grano nominal es 60 µm. Dos de ellas estaban conformadas por alambres trenzados y las dos restantes, por alambres dispuestos en paralelo. La configuración escogida para los cables trenzados fue de un único torón formado por un núcleo central de un solo alambre sobre el cual se trenzaron dos capas. La primera consistió en 6 alambres enrollados helicoidalmente con un paso de 20 mm en arreglo derecho. Sobre ésta se trenzó una segunda capa de 12 alambres con un paso de 20 mm en arreglo izquierdo. Los cables fueron ensayados cíclicamente en tracción, siguiendo dos rutinas de ensayo. En la primera, se cicló a una amplitud constante (2%). La segunda consistió en ciclos a amplitud variable y creciente entre el 0.5% y el 8%. Se determinó la rigidez, esfuerzo de transformación, rigidez secante, tensiones máximas y factor de amortiguamiento equivalente para cada probeta en cada ensayo realizado. Para el caso de alambres en paralelo, se obtuvo que los valores calculados concuerdan con las propiedades calculadas en alambres singulares. Para las probetas de cables trenzados, los valores de los parámetros citados disminuyen, salvo el factor de amortiguamiento equivalente, donde la variación no es significativa para ciclos dentro del rango superelástico. El amortiguamiento para ciclos a un 2.2% de deformación es cercano al 2%, y para ciclos al 5% de deformación llega al 4.0% y 4.7% para cables trenzados y alambres en paralelo, respectivamente. El amortiguamiento aumenta con la deformación máxima impuesta en la probeta. Para varios ciclos de carga a un mismo nivel de deformación, el factor de amortiguamiento equivalente disminuye con el número de ciclos. Si la deformación de la probeta está dentro del rango superelástico, el valor del amortiguamiento tiende a estabilizarse y converger. El límite superelástico, determinado a través del análisis de las deformaciones remanentes y del decaimiento en la rigidez en función de la amplitud de cada ciclo, llega al 3%. A partir de los datos obtenidos experimentalmente, se extendió un modelo numérico, que predice el comportamiento de cables sometidos a cargas axisimétricas. La simulación utiliza un modelo de ley constitutiva multilineal. Los resultados analíticos estiman en forma precisa (error del 1%) la disminución en el módulo de elasticidad debido al ángulo de la hélice del cable, respecto de la disminución en dicho parámetro observada experimentalmente; predicen tensión máxima en el cable con un error inferior al 10% y son consistentes con las deformaciones remanentes en la probeta. Sin embargo, el amortiguamiento predicho es inferior al obtenido experimentalmente, debido a que la ley constitutiva considera un tramo perfectamente elástico.

El objetivo general de esta memoria es estudiar el comportamiento superel´astico de la aleaci´on Cu-11.8 %pAl-0.5 %pBe, bajo distintas condiciones de temperatura, microestructura, amplitud y frecuencia de oscilaci´on, dentro del rango en que se dan los sismos (0.2 a 5 Hz y -10 a 50 ◦C).

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / El efecto de superelasticidad y memoria de forma presentada por las aleaciones con memoria de forma está relacionado con una transformación martensítica inducida por esfuerzo. Por otro parte, en una aleación Cu-11,8%p.Al-0,5%p.Be policristalina, la cual presenta un comportamiento superelástico a temperatura ambiente, se ha observado que tal comportamiento se extiende hasta aproximadamente 3-4% de elongación; para deformaciones mayores, en el llamado rango post-superelástico (RPSE) se tiene, al retirar la carga, martensita retenida y deformaciones permanentes. En el RPSE se han detectado ciclos de histéresis, asociados a amortiguamiento interno. El objetivo de esta tesis es estudiar las transformaciones microestructurales de una aleación Cu-11,8% p. Al-0,5% p. Be deformada por tracción en el RPSE, para obtener información acerca del mecanismo de amortiguamiento interno en ese rango. Se empleó una aleación Cu-11,8%p.Al-0,5%p.Be producida por Trefimetaux (Francia), bajo la forma de alambres de 3,4 mm de diámetro. Trozos de 100 mm de longitud se sometieron a un envejecimiento convencional a 100ºC por 24 h. Con algunos de esos trozos se realizaron ensayos de tracción (carga-descarga), hasta distintas deformaciones (εim= 0 - 10,7 %) a temperatura ambiente y a una velocidad de deformación de 10 mm/min. Durante los ensayos se midió la temperatura superficial de las probetas, Tp. Se determinaron curvas esfuerzo-deformación σ-ε y temperatura-deformación Tp-ε para un único ciclo de carga-descarga por probeta. A muestras deformadas se les aplicó metalografía óptica. Por calorimetría diferencial de barrido (DSC) se analizaron muestras para distintos εim, aplicando tres ciclos de enfriamiento-calentamiento (-100 a +500°C), a 10°C/min. En las curvas σ-ε se observaron los habituales rangos para estas aleaciones: elástico, superelástico, y post-superelástico. De esas curvas, se determinaron los siguientes valores de propiedades, valores que en general son concordantes con resultados previos: módulo de Young E= 82 GPa, esfuerzo de transformación σT= 237 MPa, y esfuerzo de fractura σF= 692 MPa para una elongación de 10,7%, aproximadamente. Se estableció que la deformación asociada al inicio del RPSE corresponde a εLSE= 3,8%, aproximadamente. Por otra parte, la forma de las curvas Tp-ε presentan rangos, en términos de esfuerzos, que coinciden con aquellos observados en las curvas σ-ε. El análisis metalográfico reveló que las probetas deformadas en el RPSE presentaron martensita retenida en una matriz de austenita. Así, al aumentar la deformación impuesta, se verificó que, después de descargar, la fracción en volumen de la austenita (fV) es decreciente y la de martensita retenida (fVM) es creciente. El análisis por DSC de las probetas deformadas en el RPSE, mostró máximos calorimétricos en el rango inicial de bajas temperaturas del primer ciclo térmico, los cuales son consistentes con que a mayor εim, mayor es la fVM retenida y menor la de austenita. Además, al pasar por primera vez las muestras DSC por el rango de altas temperaturas, se observaron máximos por sobre los 450°C asociados a alguna forma de recuperación. Así, en los dos ciclos térmicos siguientes ya se tenían máximos calorimétricos de baja temperatura asociados a fV cercanos a 1. También se observó que el amortiguamiento interno aumenta con la εim en el RPSE. Esto se puede explicar por que, a mayor εim habrá más martensita y menos austenita, y es sabido que el amortiguamiento interno en la martensita para aleaciones con memoria de forma es mayor que en la austenita. De esta manera, el mecanismo de amortiguamiento que prevalece en el RPSE corresponde a aquel de la martensita.