Materialele cu memorie a formei PDF

Preview

Summary

Materialele cu memorie a formei sau metalul cu memorie au fost descoperite în anii1930. În 1932 A. Ölander a descoperit comportarea pseudoelastic a aliajului Au-Cd. Mai târziu Greninger şi Mooradian (1938) au observat, la aliajele Cu-Zn, formarea şi dispariţia fazei martensitice odată cu creşterea s...

Description

Materialele cu memorie a formei sau metalul cu memorie au fost descoperite în anii1930. În 1932 A. Ölander a descoperit comportarea pseudoelastic a aliajului Au-Cd. Mai târziu Greninger şi Mooradian (1938) au observat, la aliajele Cu-Zn, formarea şi dispariţia fazei martensitice odată cu creşterea sau scăderea temperaturii. Despre efectul de memorie, datorat comportării thermoelastice a fazei martensitice, pentru anumite aliaje, au fost publicate ample rapoarte de către Kurdjumov şi Khandros (1949), respectiv Chang şi Read (1951). Abia în anii 1962-1963, în cadrul Laboratorului Naval Ordnance Laboratory , a fost realizat şi lansat primul aliaj cu memorie a formei destinat utilizării pe scară largă, Nitinolul, fiind comercializat ulterior sub numele de Nitinol (un acronym de la Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratories). Aliajul care a dat naştere acestui material conţine 58,8% Nichel, Oxigen – maxim 0,05%, Carbon 0,02%, restul de procente (relativ la masă) fiind Titan. Chiar dacă aceste valori sunt aproximativ exacte cu cele folosite la fabricarea respectivului aliaj, proprietăţile care caracterizează denumirea de material cu memorie se datorează tratamentului termic şi modului în care a fost realizat acets aliaj. Memoria acstui aliaj constă în proprietatea materialului de a fi supus unei solicitări mecanice care conduce la deformarea plastică a corpului alcătuit din acest material, deformare care este înlăturată numai în clipa în care materialul cu memorie este supus unei temperaturi ridicate de recuperare a formei. O altă proprietate deosebită a acestui aliaj constă în superelasticitatea prezentată de aliajele cu memorie a formei, superelasticitate exploatată cu succes, mai ales în construcţia arcurilor. Aceste fenomene se explică prin prezenţa fazei de transformare martensitică de simetrie redusă, pentru temperaturi scazute sau temperatura ambiantă, respectiv, odată cu încălzirea materialului, trecerea la o fază cu simetrie cristalografică ridicată austenită. Această reorganizare structurală are efecte macroscopice care conduc la variaţii dimensionale ale aliajelor, fapt ce poate fi exploatat în construcţia unor dispozitive eficiente energetic şi miniaturizabile. Cele mai cunoscute aliaje care prezintă efectul de memorie a formei sunt NiTi (Nichel – Titanium), CuZnAl, şi CuAlNi. Martensită – temperatură

Austenită – temperatură

Figura 1 . Aliaj de Cu-Al-Ni, supus unei transformări termice. Dimensiunea mostrei este de 370 microni

Cele două proprietăţi amintite anterior : efectul de memorie şi pseudoelasticitatea se datorează unor transfomări de fază solidă, ceea ce constă în rearanjarea moleculară a aliajului fără a intervene schimbări de fază (solid în lichid sau gaz). Explicaţia constă în modificarea în anumite limite a distanţelor interatomice, intermoleculare, fără a apărea distrugerea acestror legături, materialul rămânând în continuare în stare solidă. Cele mai multe aliaje care au proprietaţile menţionate, prezintă iniţierea aceste modificări la variaţii ale temperaturii de minim 10°C. Cele două faze care permit modificările caracteristicilor fizice ale aliajului, în condiţii termodinamice specifice poartă numele de faza Martensitică, şi faza Austenitică. Faza Martensită a fost denumită astfel după numele metalurgistului german , Adolf Martens (1850-1914). Această fază este considerată a avea o structură cristalină

cu o simetrie de tip tetragonal centrat volumetric( body-centred tetragonal - BCT), fiind rezultatul unei răciri rapide a aliajului ajuns în starea austenită.

Figura 2. Imaginea fazei martensitice într-un oţel.

Se remarcă aspectul de ac (discuri martensitice) al modului în care materialul s-a solidificat datorită răcirii rapide. Acestă transformare, datorită procesului rapid de răcire nu are o stabilitate termodinamică deosebită, fapt care permite trecerea din acestă stare în starea de austenită cu un efort termic relative redus. Cei doi termini sunt specifici vocabularului metalurgic, alături de ferrite şi cementite facând parte din diagrama fier carbon. Martensita, nefiind însă o fază stabilă, în cadrul respectivei diagrame, nu a fost reprezentată separat, ea fiind privită, mai mult, sub forma unui defect în aliaj, pentru cazul oţelurilor. Martensita, este o fază uşor deformabilă, în cazul materialelor cu memorie, caracteristică temepraturilor mediului ambient, sau mai general vorbind, temperaturilor scăzute. Structura moleculară, este comprimată, fapt care permite, la acţiunea unei forţe sau efort deformator să aibă loc o modificare structurală nedistructivă, care face parte tot din fazele martensitice posibile. La transferul asupra aliajului a unei energii termice, suplimentare, acesta trece în stare austenită, regulată, pentru ca la refacerea condiţiilor termice iniţiale să se revină în starea martensitică iniţială.

Figura 3. Diagrama Fe-C - http://willyank.sites.uol.com.br

Deoarece martensita are o densitate mai redusă decăt celelalte faze de temperatură scăzută, la aplicarea transformărilor termice care afectează această fază, modificările ce au loc, la trecerea în austenită, conduc la o serie de variaţii volumetrice sensibile. Martensita este privită ca o stare intermediară prin care trece un aliaj sau material , până în clipa în care ajunge într-o stare complet echilibrată termodinamic. Acest fenomen de generare a stării martensitice poartă numele de metastabilitate.

Figura 4. Faza Martensită în aliajul CuZnAl

La producerea oţelurilor, în cadrul procesului de fabricaţie, se induc termic formarea unor stări martensitice abundente, pentru ca apoi prin control termic, reîncălziri controlate, să se inducă starea de echilibru termochimic dorit. Utilizând o serie de modele geometrice care să explice stabilitatea fizico-chimică a fazelor materialelor , se remarcă existenţa următoarelor lattice:

Crystal cubic (sc)

Cristal cubic cu centrare volumetric – Body-Centered Cubic (BCC) – specific martensitei

Cristal cubic cu centrare pe fiecare fa a cristalului – Face-Centered Cubic (FCC) – specific austenitei

Numele de austenită a fost ales după numele lui Sir William Chandler RobertsAusten (1843-1902). Această fază este caracterizată printr-o structură de tip cristalin cu centrare pe fiecare faţă a cristalului (Face-Centred Cubic -FCC). Această fază este o fază metalică, non-magnetică, care există în preajma temperaturii critice a aliajului. Pentru o cât mai clară înţelegere a fenomenului este propusă spre analiză următoarea figură:

Astfel în starea A, aliajul cu memorie a formei este în starea de austenită. În absenţa oricărei solicitări mecanice, printr-o răcire rapidă a aliajului se obţin o variaţie de fază martensitică, care poate avea până la 24 de forme posibile – punctul B. Odată cu aplicarea unui efort mecanic, apare deformarea martensitei, existând posibilitatea ca la finalul solicitării să se obţină o singură formă de martensită – punctul D. La încălzirea acestei faze, are loc simetrizarea şi alinierea cristalografică a aliajului, obţinându-se astfel austenita simetrică, unic structurală, specifică punctului E. O reprezentare corespunzătoare transformărilor structurale, relativ la efortul mecanic aplicat , deformarea mecanică a mostrei  şi temperature T este prezentată sugestiv în figura următoare:

Asfel la aplicarea unei solicitări mecanice are loc orientarea fazelor martensitice până la opţinerea unui singur tip de fază dominant. La continuarea solicitării mecanice, dincolo de această limită, apare distrugerea mostrei. Deformarea maximă indusă, datorată dominanţei martensitice va putea fi recuperată prin încălzirea mostrei, până la obţinerea fazei simetrice molecular, austenită. La răcire se realizează trecerea în starea iniţială în care coexistă mai multe forme martensitice. Principalele aplicaţii ale efectului de memorie a formei sunt implementate în următoarele domenii:  Echipamente electrocasnice  Vehicule spaţiale  Termostate  Conectoare hidraulice în timp ce aplicaţiile pseudoelasticităşii cuprind domenii ca:  Rame de ochelari  Instrumente medicale  Antene de telefoane celulare  Fire orthodontice Sintetizând punctual principalele avantaje şi dezavantaje ale aliajelor cui memorie a formei, putem include în rândul avantajelor:  Bio-compatibilitatea  Diversitatea domeniilor de aplicaţii  Proprietăţi mecanice remarcabile (rezistenţa, protecţie anticorozivă) respectiv în rândul dezavantajelor:  Preţ de cost încă ridicat, în coparaţie cu alte materiale metalice  Rezistenţa la oboseală mai redusă decât anumite oţeluri speciale

TEORIA ŞI COMPORTAMENT GENERAL AL MATERIALELOR CU MEMORIE A FORMEI Efectul SIMPLU de memorie a formei După cum rezultă din Figura 5, aliajele cu memorie a formei au capacitatea de a suferi o modificare a formei la o temperatură joasă sub acţiunea unei forţe şi de a păstra această formă până când sunt încălzite, moment în care revin la forma iniţială. Această schimbare de formă are loc ca urmare a modificării structurii cristaline a aliajului.

Figura 5 . Îndoirea unui fir din aliaj cu memorie a formei Să luăm ca exemplu aliajul nichel-titan, a cărui structură cristalină la temperatură înaltă, numită austenită, este cubică (Figura 6. A). După răcire, aliajul adoptă o structură numită martensită, cu o reţea monoclinică care în plan seamănă cu un paralelogram (Figura 6.B). Când un aliaj cu memorie a formei este răcit, atomii nu se înclină toţi în aceeaşi direcţie, după cum ne-am aştepta, ci se formează şiruri de atomi înclinate alternativ la stânga sau la dreapta (fig. 2.3.B). [A] TEMPERATUR ÎNALT STRUCTUR CUBIC AUSTENITIC

[B] TEMPERATUR JOAS STRUCTUR MARTENSITIC

Figura 6. Structura cristalină a aliajului nichel-titan cu memorie a formei De remarcat că oricare 4 atomi vecini, din structura la temperatură joasă (Figura 7. B), sunt aranjaţi în formă de paralelogram în cazul structurii martensitice. [A] TEMPERATUR INALT

[B] TEMPERATUR JOAS

Figura 7. Reorganizarea atomilor la răcirea aliajului cu memorie a formei Fenomenul prezentat în Figura 7.B se numeşte maclare, deoarece atomii sunt aşezaţi simetric în raport cu un plan, numit plan de simetrie (Figura 8).

Figura 8. Maclarea Când se aplică o forţă asupra aliajului acesta se deformează pe măsură ce atomii, aşezaţi simetric în raport cu planul de simetrie, sunt reorientaţi în aceeaşi direcţie, după cum se arată în Figura 9.

Figura 9 . Deformarea structurii la temperatură joasă prin aplicarea unei forţe În acest proces numit demaclare forţa necesară pentru a reorienta atomii este relativ mică. Dacă aliajul este apoi încălzit, martensita deformată revine la austenită, iar piesa îşi recapătă forma inţială, deoarece poziţiile iniţiale ale atomilor sunt cunoscute în faza de austenită. Întregul proces este rezumat în Figura 10. TEMPERATUR INALT

Figura 10. Transformarea structurală între temperatura înaltă şi cea joasă Trebuie să spunem că descrierea în plan a efectului simplu de memorie a formei, prezentată mai sus, este mult simplificată faţă de fenomenul real, dar este un model adecvat pentru majoritatea scopurilor de proiectare.

Efectul dublu de memorie a formei Până acum am discutat numai de aliaje care prezintă efectul de memorie a formei într-un singur sens; după cum se vede în Figura 5 forma de austenită de la temperatura înaltă este recuperată automat la încălzire, dar este necesară aplicarea unei forţe în starea martensitică pentru a deforma aliajul la temperatură joasă. Este posibilă obţinerea unui efect de memorie a formei în dublu sens, prin care elementul cu memorie revine la răcire la forma de la temperatura joasă, iar la încălzire la forma de la temperatura înaltă. Acest comportament este numit efect de memorie a formei în dublu sens sau efect de memorie a formei reversibil, după cum se vede în Figura 11, pentru un arc elicoidal.

Figura 11. Efectul dublu de memorie a formei De remarcat că, în cazul ambelor efecte de memorie, numai în timpul încălzirii se generează lucru mecanic (adică forţă şi deplasare). În timpul răcirii aliajului cu efectul de memorie în dublu sens, acesta îşi recapătă forma de la temperatura joasă fără a putea furniza forţă unor componente externe. Efectul dublu de memorie a formei prezintă avantajul că permite materialului să treacă spontan de la o formă la alta, atât prin încălzire cât şi prin răcire, atunci când temperatura atinge valorile de transformare corespunzătoare. Aceasta înseamnă că nu mai este nevoie de o intervenţie externă pentru deformarea materialului şi astfel perspectivele de utilizare sunt mult mai favorabile. Este de remarcat în acest caz faptul că, în plus, faţă de cele prezentate anterior, materialul adoptă o formă corespunzătoare şi la răcire. La atingerea temperaturii Ms începe recuperarea formei la răcire şi aceasta se desăvârşeşte la atingerea temperaturii Mf Această comportare este intens studiată şi cercetată în ultimii ani, atât pentru elucidarea mecanismului care guvernează efectul dublu de memorie, cât şi în ceea ce priveşte obţinerea şi utilizarea sa. Cert este că materialele care prezintă efectul simplu de memorie a formei nu prezintă implicit şi efectul dublu. Pentru obţinerea acestui efect este necesară învăţarea materialului în cadrul unui proces numit educare. Educarea pentru obţinerea efectului dublu de memorie a formei presupune efectuarea unor cicluri termomecanice asupra materialului. Acestea constau, în general, în încălzirea şi răcirea repetată a materialului, căruia i s-a impus o anumită solicitare. Explicaţia, în cazul efectului dublu de memorie a formei, este tot de natură microstructurală şi cristalografică. În cazul efectului simplu de memorie a formei s-a arătat că acesta apare la transformarea din faza martensitică în faza mamă, datorită ordinii atomice existente în faza mamă şi care nu lasă decât o singură posibilitate de rearanjare a atomilor. Pentru reluarea formei la răcire, problema este puţin mai dificilă şi aceasta din cauză că există mai multe posibilităţi de orientare a variantelor de martensită formate. De exemplu, pentru o fază mamă cu structura cubică (cazul cel mai întâlnit la aliajele cu memorie uzuale) există 24 de posibilităţi de transformare în martensită. Toate aceste posibilităţi sunt, aşa cum s-a arătat, echiprobabile şi de aceea transformarea la răcire nu se desfăşoară întotdeauna pe aceeaşi cale. Scopul

tratamentului termomecanic de educare este de a forma o variantă favorizată de martensită, care să ia naştere la răcire. În felul acesta materialul este obligat să adopte un aranjament atomic la încălzire şi este “ajutat” să adopte un singur aranjament atomic şi la răcire. O imagine sugestivă a acestui tratament de educare se poate formula gândindu-ne la un călător care ajunge la o bifurcaţie din care se desprind mai multe drumuri şi la capătul cărora se află acelaşi rezultat. Dacă acest călător este condus de mai multe ori pe acelaşi drum, de fiecare dată când se va întoarce la aceeaşi bifurcaţie, el va alege calea pe care o cunoaşte, pentru că aceasta este calea bătută, cu care el sa “obişnuit”. Analizele microstructurale efectuate pe variante particulare prezintă teorii diverse cu privire la formarea variantelor favorizate de martensită. Cele mai probabile ipoteze presupun că în timpul educării apar, fie o martensită reziduală (rămasă netransformată la încălzire), fie defecte în structură şi care favorizează ulterior dezvoltarea doar a unei variante de martensită. Ipoteza prezenţei martensitei reziduale porneşte de la unele observaţii care arată posibilitatea de existenţă a unor formaţiuni de martensită şi la temperaturi mai mari decât temperatura Af, unde ele ar trebui să dispară. Aceste formaţiuni se dezvoltă în continuare, fiind întotdeauna aceleaşi. Ipoteza, privind existenţa unor defecte de structură orientate, pleacă de la observaţia că transformarea martensitică produce defecte în structura fazei mamă şi, la răcire, pe aceste defecte iau naştere variantele de martensită favorizate. Se cunosc cinci procedee de prelucrare de bază pentru a imprima un efect în dublu sens unui element cu memorie a formei: 1. deformarea puternică a elementului în starea martensitică; 2. deformarea elementului, în starea de austenită, prin aplicarea unei tensiuni mai mari decât tensiunea minimă care produce curgerea materialului; 3. deformarea elementului în starea de austenită cu o forţă oarecare, coborând apoi temperatura sub Mf, pentru o perioadă lungă de timp, menţinând permanent forţa aplicată; 4. solicitarea elementului în starea martensitică şi apoi încălzirea lui până trece în starea de austenită; 5. deformarea elementului după îmbătrânirea cauzată de formarea unor mici aglomerări atomice în starea de austenită. Procedeul 1 poate fi folosit pentru aliajele Ni-Ti, dar de regulă în timpul răcirii se obţine numai o recuperare parţială a formei. S-a descoperit că un aliaj Ni-Ti-Cu (aliaj Raychem), care trece printr-o serie de cicluri termice sub o sarcină nominală, capătă progresiv efectul de memorie în dublu sens, efect care se intensifică odată cu creşterea numărului de cicluri. Procedeul 4 se adaptează bine la aliajele Cu-Zn-Al, dar cu un efect de memorie în dublu sens mai mic decât în cazul aliajelor Ni-Ti. Toate procedeele de mai sus produc zone de tensiuni interne precum dislocaţiile, martensita stabilă (martensită care nu se mai transformă în austenită la încălzire) sau aglomerările atomice minuscule. Zonele tensionate servesc la controlul direcţiei în care maclele de martensită se orientează de la sine în timpul răcirii. Deci, există o orientare preferenţială la nivel atomic, care determină, în cazul unui element cu memorie a formei, reluarea formei la temperatură joasă la nivel macroscopic, prin răcire. Efectul de memorie complet reversibil Efectul de memorie complet reversibil diferă de efectul în dublu sens prin următoarele caracteristici: 1. este posibilă o modificare mai mare a formei; 2. formele de temperatură joasă şi înaltă sunt fiecare inversul celeilalte, deci este posibilă o inversare completă a curburii în cazul unei benzi cu memorie a formei.

Se poate obţine un aliaj cu efect de memorie complet reversibil dintr-un aliaj cu compoziţia 50,5% atomi Ni, restul Ti, prin solicitarea aliajului în forma sa de la temperatura înaltă şi îmbătrânirea la o temperatură de 400°C, timp de 50 de ore. Figura 12 ilustrează efectul de memorie complet reversibil.

Figura 12. Efectul de memorie a formei complet reversibil De remarcat că, datorită proceselor suplimentare necesare precum şi lipsei de fiabilitate a aliajelor cu efect de memorie în dublu sens şi complet reversibil, ele nu sunt folosite de regulă pentru a furniza deplasare în direcţie inversă. De aceea se foloseşte o forţă ”ajutătoare” externă pentru a deforma elementul cu memorie a formei la temperatură joasă, iar efectul în dublu sens ajută la scăderea valorii forţei necesare acestei deformări. DETERIORAREA EFECTULUI DE MEMORIE A FORMEI Pierderea parţială sau totală a capacităţii aliajelor cu memorie a formei de a satisface cerinţele unei aplicaţii poate să apară atât datorită solicitărilor de natură termică sau termomecanică cât şi ca urmare a unor transformări care apar în timp, chiar în absenţa solicitărilor. Cauza principală a pierderii stabilităţii în aliajele cu memorie a formei este dată de particularităţile transformării martensitice, care se desfăşoară fără difuzie şi care are ca rezultat obţinerea unei faze metastabile, martensita. Această fază metastabilă nu se află în starea corespunzătoare energiei minime. Ca urmare a teoriei termodinamice apare tendinţa de trecere spre o stare care asigură energia liberă minimă, dar care însă nu mai respectă condiţiile impuse de transformarea martensitică şi ca urmare se ajunge la instabilitatea efectului de memorie a formei. În majoritatea aplicaţiilor aliajelor cu memorie a formei, modificările proprietăţilor sau dimensiunilor, ca urmare a instabilităţii efectului de memorie, sunt mici şi pot fi neglijate. În unele cazuri însă, ele trebuie luate serios în considerare deoarece pot duce chiar la imposibilitatea utilizării unor anumite materiale pentru anumite aplicaţii. Cei mai importan...