Transformaciones estructurales y anomalías magneto-volúmicas en soluciones sólidas Fe100-xNix y Fe100-xCux obtenidas por aleación mecánica

Resumen

El comportamiento magnético del Fe y sus aleaciones binarias es objeto actualmente de un gran esfuerzo investigador dado el interés, tanto desde el punto de vista científico como tecnológico, de tales compuestos. En dichos materiales se ha puesto de manifiesto una importante correlación entre la estructura cristalina y el ordenamiento magnético. En particular, el estudio del magnetismo del Fe en la estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC), denominada g-Fe, ha revelado un rico y complejo escenario donde tienen lugar inestabilidades magneto-volúmicas, tales como los comportamientos Invar y anti-Invar, caracterizados por un menor y mayor coeficiente de dilatación térmica, respectivamente, que el debido al término Grüneisen. Por otra parte, el g-Fe sólo es estable a altas temperaturas, siendo una tarea compleja su estabilización a temperatura ambiente (RT). Los métodos habituales de alcanzar este objetivo consisten en la sustitución por átomos de Fe de estructuras FCC metálicas con similar parámetro de red cristalina. Para elementos puros, existen sólo dos posibles candidatos: Ni y Cu; donde, mientras que el primer elemento proporciona una matriz FCC magnética, el Cu es no magnético. En este sentido, el aleado mecánico es una técnica de síntesis que permite la fabricación de grandes cantidades de muestras másicas en ambos sistemas, Fe100-xNix y Fe100-xCux, que son soluciones sólidas metaestables con estructura FCC en un amplio rango composicional. El objetivo final de esta memoria de la tesis doctoral es el estudio de dichas anomalías magneto-volúmicas en diversas muestras Fe100-xNix y Fe100-xCux fabricadas mediante aleación mecánica. Tal análisis ha sido realizado combinando medidas de difracción de polvo con técnicas como: la microscopía electrónica, medidas de termo-calorimetría y de la imanación en función de la temperatura y el campo magnético. El aleado mecánico en ambos sistemas binarios conduce a la formación de soluciones sólidas con estructuras cristalinas FCC y/o cúbica centrada en el cuerpo (BCC) en todo el rango composicional, dependiendo de la concentración atómica de Fe, cuyos dominios cristalinos poseen un tamaño en torno a los 20 nm y las microdeformaciones pueden alcanzar valores de 1%. El aumento de la temperatura en estas fases metastables fuera del equilibrio termodinámico conduce no sólo a la relajación de dicha microestructura sino que, también, en las fases BCC-FeNi se originan transformaciones martensíticas, entre estructuras cristalinas BCC y FCC, mientras que en las aleaciones FeCu se establecen procesos de segregación, que dan lugar a la formación de fases cristalinas FCC y BCC ricas en Cu y Fe, respectivamente. Además, en este último caso se observa que, en las muestras Fe100-xCux con elevada composición en Cu, la transformación estructural BCC a FCC de la fase rica en Fe se produce a temperaturas inferiores a las medidas en el Fe puro, pudiéndose estabilizarse precipitados g-Fe a RT. Finalmente, todas estas transformaciones estructurales parecen estar dirigidas por la microestrucutura y su relajación térmica, de modo que, en el caso de las transformaciones martensíticas en el sistema FeNi, se observa que dichas transiciones estructurales pueden adelantarse hasta más de 200 K, dependiendo de la composición y de la cinética empleada durante el calentamiento. Por otra parte, se ha comprobado directamente la existencia de efecto Invar para las aleaciones FCC con composición Fe100-xNix (30x40) y Fe100-xCux (25x70) a partir de la evolución de sus parámetros de celda cristalina con la temperatura, deducidos del análisis de los difractogramas de polvo medidos en los distintos experimentos de termo-difracción con neutrones. Además, hemos observado, en la composición Invar arquetípica Fe64Ni36, que la molienda mecánica produce un aumento en el rango de temperaturas donde el efecto Invar se manifiesta, ampliándose hasta 150 K el valor de la temperatura de Curie, TC, y la persistencia de un bajo coeficiente de expansión térmica lineal en la región ferromagnética. Estos resultados están en consistencia con el crecimiento observado a RT en la presión crítica, PC, necesaria para eliminar el ordenamiento ferromagnético, determinada indirectamente a partir de la dependencia con la presión del parámetro de celda cristalina. Por último, también hemos observado el efecto anti-Invar en los precipitados de g-Fe, puesto de manifiesto en el elevado coeficiente lineal de la expansión térmica y en la aparición de ferromagnetismo a alta temperatura asociados a dicha fase.