1 cap.metode şi instalaŃii pentru cercetarea aliajelor cu
TRANSCRIPT
1 Cap.Metode şi InstalaŃii pentru Cercetarea Aliajelor cu Memoria Formei
Un rol foarte important în studiul aliajelor cu memoria formei este utilizarea
echipamentelor electronice, nou apărute, în vederea studiul compoziŃional, structural,
comportaŃional, evolutiv al acestor aliaje cu proprietăŃi extraordinare.
Aceste echipamente au utilizări largi, în industrie şi cercetare, dar ca o ramură foarte importantă de
studiu este metalurgia prin interesul ridicat pentru structura materialelor, comportarea lor şi diferitele aplicaŃii
ale acestor aliaje cu memoria formei din care face parte şi studiul temei de doctorat.
Dintre aceste instalaŃii cele mai utilizate sunt:
- calorimetru cu scanare diferenŃială (DSC)
- spectrometrul electronic Auger (SEA)
- spectrometrul cu fotoelectroni prin raze X (SFX)
- microscopul cu scanare de electroni (MSE)
- microscopul cu transmisie de electroni (MTE)
- microscopul de forŃă atomică (MFA)
- nanoindenter (nano test module)
- analizor mechanic dinamic (DMA)
1.1 Calorimetru cu scanare diferenŃială :
Principiu fizic :
Calorimetria diferentiala cu baleiaj (DSC) face parte din categoria metodelor
calorimetrice de analiza al caror obiectiv este masurarea schimbului de caldura.
Tehnica DSC reprezinta metoda cel mai frecvent utilizata pentru studiul
descompunerilor exoterme in vederea determinarii caldurii totale de reactie si pentru evaluarea
cineticii reactiei chimice prin prelucrarea ulterioara a datelor primare. Deoarece majoritatea
reactiilor chimice si multe tranzitii fizice sunt insotite de generare sau consum de caldura,
metoda calorimetrica este o metoda generala si pentru investigarea unor astfel de procese.
Metoda DSC este aplicata pentru caracterizarea materialelor, control calitativ,
identificare de substante sau amestecuri de substante, investigarea stabilitatii, evaluarea
diagramelor de faza, determinari de puritate, investigatii cinetice, cercetare in vederea prevenirii
accidentelor.
Folosind metoda DSC se poate determina caldura de reactie care apare in domeniul de
temperatura analizat (de obicei de la temperatura camerei pana la aproximativ 600oC in functie
de firma furnizoare de aparat).
Datorita cantitatii mici de proba utilizata (aproximativ 1 mg) este exclus orice pericol
de explozie. Aceasta cantitate de substanta se aseaza in interiorul unui mic creuzet din metal,
natura materialului din care este realizat creuzetul fiind functie de procesul pentru care este
utilizat, tranzitii fizice sau efecte exoterme.
Deoarece in urma unui efect exoterm se degaja o cantitate considerabila de gaze,
pentru a nu fi distrus creuzetul se practica folosirea pentru astfel de procese a unor creuzete cu
capac perforat sau in unele cazuri folosirea de creuzete fara capac. Creuzete inchise sunt folosite
pentru substantele cu volatilitate ridicata pentru prevenirea evaporarii.
Efectele termice din proba apar ca deviatii de la linia de baza fiind functie de cantitatea
de energie furnizata probei, care este mai mica sau mai mare in comparatie cu energia furnizata
materialului de referinta.
Din evaluarea ariei picului exoterm si a celui endoterm se vor obtine valorile
corespunzatoare caldurii reactiei de descompunere, respectiv caldura tranzitiei fizice implicate.
Din curba DSC este posibila nu numai caracterizarea unui proces ca exoterm sau
endoterm, ci si definirea tipurilor de tranzitii implicate. Daca pe diagrama apar mai multe picuri,
endoterme sau exoterme, acestea se raporteaza la picul endoterm ce reprezinta topirea substantei
si care este cunoscut.
Daca are loc o suprapunere a picurilor atunci trebuie ca experimentele ulterioare sa fie
realizate in conditii in care sunt variate masa probei sau viteza de incalzire, pentru a avea o buna
rezolutie a picurilor.
Prin folosirea unor viteze din ce in ce mai mici are loc o reproductibilitate mai buna a
semnalului. O data cu cresterea vitezei de incalzire picul exoterm si temperatura sa de start se
deplaseaza spre valori mai ridicate, in timp de picul endoterm ramane la aceiasi temperatura.
Pentru a studia procesul de descompunere in absenta picului endoterm, de topire,
experimentele se realizeaza in regim izoterm.
Acesta reprezinta procesul de incalzire a probei pana la o temperatura prestabilita si de
mentinere izoterm, la acea temperatura o perioada determinata de timp.
In continuare voi prezenta un model de calorimetru cu scanare diferenŃială produs de
firma Netzsch şi care are următoarele caracteristici :
- domeniul de temperatură : 25…..700ºC, cu răcire cu apă intre -85 …600ºC şi
cu răcire, mecanică, cu azot -180…700ºC
- viteza de încălzire : 0.001 până la 100 K/min
- viteza de răcire : 0.001 până la 100 K/min
- controlul gazelor din incintă cu ajutorul unui microcontroler pe 24 biŃi AD
utilizând un soft specific.
- timpul de inregistrare a datelor din sistem poate fi controlat si menŃinut
constant dacă este cazul : 0,6 până la 3s.
- sistem automat de schimbare a probei, pentru un număr maxim de 64 de
probe.
În figura următoare este prezentat acest calorimetru într-o formă de ultimă generaŃie a
echipamentului :
Fig. 1.1 Calorimetru cu scanare diferenŃială varianta actuală
Utilizarea acestui echipament în analiza materialelor metalice are o mare importanŃă
pentru că arată o diferenŃiere bună între punctele de topire a diferitelor elemente care alcătuiesc
aliajul.
Acest calorimetru are un senzor de temperatură foarte precis care face o excelentă
diferenŃiere între punctele de topire a elementelor componente pentru domeniul de temperatură
450-680ºC.
Elemente constructive :
Schema de principiu a acestui aparat este prezentată în următoarea imagine:
Comment [S1]:
Comment [S2R1]:
Comment [S3R2]:
Fig. 1.2 Schema de principiu a unui calorimetru cu scanare diferenŃială
Prelucrarea datelor experimentale, care se pot stoca uşor sub formă de tabel în excel, se
relizează cu un soft specializat obŃinut de la firma producătoare şi prin interpretarea datelor se
obŃin rezultatele analizei.
Utilizarea softului acestui utilaj de măsură şi control creşte numărul de informaŃii, prin
analiză, şi pentru alte probleme cum ar fi: termocinetica cu analiză folosind mai multe curbe prin
regresie neliniară, simulări termice a procesului cu precizie şi la scară de producŃie, evaluarea
purităŃii componentelor, separarea vârfurilor care indică elementele componente.
Proba de analizat:
Probele care pot fi analizate cu ajutorul calorimetrului cu scanare diferenŃială sunt de
dimensiuni mici şi sunt inchise în vase speciale din aluminiu, masa unei astfel de probe trebuie
sa fie între 1 şi 10 mg iar vasul se poate comanda în funcŃie de aplicaŃie existând vase etanşe,
vase deschise sau vase pentru presiune ridicată, împreuna cu proba mai trebuie şi un vas gol.
Este foarte important pentru interpretarea rezultatelor măsurarea corectă a greutăŃii
probei supuse testului cât şi faptul că inaintea testelor proba nu trebuie atinsă cu mâinile goale.
Pentru dezvoltarea cu succes a proiectării actuatorior din aliaj cu memoria formei este
necesară o măsurare precisă a temperaturilor de transformare, lucru uşor de realizat cu ajutorul
calorimetrului cu scanate diferenŃială..
Calorimetria cu scanare diferenŃială poate fi folosită ca metodă de obŃinere a
informaŃiilor cu privire la temperaturile de transformare care sunt asociate cu procesele de
supapă de evacuare a gazului
cuptor de argint creuzet senzor ce controlează fluxul de căldură supapă de evacuare gaz protector răcitor pentru intrare răcitor pentru ieşire răcitor termocuplu
fabricare a aliajului, metodele de formare şi prezicerea caracteristicilor termice pentru cazul
proiectării actuatorului pentru că există o legătură directă între datele obŃinute pe calorimetru şi
performanŃele actuatorilor obŃinuŃi şi testaŃi în practică.
Cercetările realizate cu ajutorul calorimetrului cu scanare diferenŃială asupra aliajelor
cu memoria formei sunt multiple şi se axează de obicei pe identificarea tempereturilor de
transformere care au loc în aliaj, temperature deosebit de importante pentru investigarea efectului
de memoria formei.
AplicaŃii:
În continuare voi prezenta în schimb unul din studiile realizate cu ajutorul
calorimetrului asupra aliajului cu memoria formei care are la bază TiNi în vederea studierii
efectului de memorie a temperaturii.
O transformare incompletă în unele aliaje cu memoria formei au avut ca rezultat un
fenomen interesant în care temperatura de întrerupere a fost memorată şi a apărut mai târziu în
procesul de încălzire. Acest fenomen a fost numit în mai multe feluri una din denumiri fiind
efectul de memorie al temperaturii.
În unele aliaje tip Ti-Ni în timpul răcirii apare o fază intermediară între austenită şi
martensită numită faza R şi care nu apare şi în timpul încălzirii când transformarea este directă.
Deşi acest fenomen a fost investigat destul de mult înŃelegerea acestuia este abia la
început şi este destul de limitată. Astfel pentru realizarea acestui lucru au fost efectuate mai
multe teste cu ajutorul unui calorimetru cu scanare diferenŃială.
A fost supus testării un aliaj policristalin NiTi sub formă de fir cu diametrul de
0,55mm şi care a fost supus încălzirii la 500 ºC timp de 1 oră iar după acest tratament termic firul
a fost găsit cu efect de memoria formei şi o mică parte din el(cu masa de aproximativ 7,11 mg) a
fost supus analizei cu ajutorul unui calorimetru digital modelul 2920.
Viteza de încălzire-răcire a fost de 10 ºC/min pentru toate testele făcuteşi după cum se
vede din figura... după răcire apare faza R, şi în acest test cea mai joasă temperatură de răcire
este de -50ºC temperatură care este mai jos decât Mf temperatura de sfârşit de transformare
martensitică şi pentru fiecare test materialul a fost încălzit la 150ºC pentru a fi siguri ca
materialul se află în formă austenitică.
O diagramă clasică cu DSC este arătată în figura următoare pentru aliajul studiat şi în
care se observă la răcire apariŃia fazei R cât şi paşii 0,1, 3 prin care s-a testat aliajul.
Temperatura ºC
Fig. 1.3 Diagramă tipică DSC pentru aliajul cu memoria formei pe bază de Ni-Ti
Asupra aliajului au fost efectuate două tipuri de teste: primul fiind de genul multi-pas test iar al
doilea de genu un singur pas test. Rezultatele obŃinute în urma testului prin mai multi paşi sunt
arătate în figura următoare:
Temperatura ºC
Fig. 1.4.Rezultatul analizei cu calorimetru cu scanare diferenŃială pentru testul prin mai multi paşi
În testul prin mai mulŃi paşi temperaturile la care s-au făcut analize au fostde: 0, 1, 3, 5, 9, 17, 33
expuse şi în figură iar pentru testul cu un singur pas au fost utilizate următoarele temperaturi:
39,6; 42,2; 45,7; 52,7; 56,2 şi 59,7 ºC. diagramele representative pentru testele cu un singur pas sunt
expuse în figura următoare:
Fluxul de încălzire W/g
Fluxul de încălzire J/g
Temperatura ºC Temperatura ºC
Fig. 1.5 Rezultatul clasic obŃinut cu un calorimetru cu scanare diferenŃială pentru un test cu un singur pas în primul ciclu termic. Figura introdusă cu zoom arată două cazuri în care paşii de temperatură sunt de 39,6 şi de 42,2 ºC.
Aceste teste arată că temperatura de început şi cea de sfârşit de transformare austenitică
As şi Af pot creşte foarte mult dacă apare fenomenul de memorie a temperaturii şi acest lucru se
vede foarte bine în cazul testat prin metoda multi-paşi. După cum se observă şi din diagramă As
creşte foarte puŃin cu 5 ºC dacă pragul de temperatură rămâne în jurul temperaturii iniŃiale As iar
temperatura Af creşte doar cu 2,5 ºC în aceleaşi condiŃii.
Efectul de memorie a temperaturii nu modifică semnificativ absorbŃia de energie pentru
transformarea de fază în finalul procesului de încălzire ceea ce arată ca acest fenomen este unul local în
mare cauzat de energia care apare intre faze.
Utilizarea calorimetrului cu scanare diferenŃială are foarte multe aplicaŃii în studiul
aliajelor cu memoria formei, lucru arătat pe parcursunl capitolelor discutate până acum cu
ajutorul lui putându-se studia lucruri de bază în cercetarea AMF-urilor cum ar fi temperaturile de
transformare (Ms, Mf, As, Af), puncte critice şi domenii ce sunt intâlnite în obŃinerea,
prelucrarea şi testarea acestor aliaje.
1.2 Spectrometrul electronic Auger (SEA)
Principiul fizic:
Spectrometrul electronic Auger este utilizat în analiza chimică localizată a suprafeŃelor
şi are o rezoluŃie maximă de câŃiva nanometri.
Principiul fizic care stă la baza alcătuirii spectrometrului se bazează pe efectul Auger.
Când suprafaŃa de analizat este iradiată cu un fascicul de electroni de o anumită energie,
Fluxul de încălzire J/g
electronii situaŃi în straturile din apropierea nucleului (de exemplul stratul K în fig.) sunt
expulzaŃi.
Odată ce atomul a fost ionizat, el trebuie să se dezexcite. Acest lucru se poate realiza fie
prin emisia unui foton, fie prin acoperirea golului de către un electron dintr-un strat superior
(L2,3).
Conform principiului conservării energiei, această tranziŃie este însoŃită de expulzarea
altui electron din stratul superior (L2,3), denumit electronul Auger KL2,3L2,3, sau mai simplu
electronul Auger KLL.
Fig. 1.6 Schematica efectului Auger
Energia cinetică a electronului KLL este aproximativ egală cu diferenŃa dintre energia
golului de pe stratul K şi energiile celor 2 electroni din stratul superior L2,3 ( termenul L2,3 este
folosit deoarece pentru elementele uşoare L2 şi L3 nu pot fi diferenŃiate).
Pentru o calculare exactă a acestei energii cinetice trebuie avute în vedere atât energiile
nivelelor implicate în tranziŃie, cât şi energiile de interacŃiune ale golurilor L2,3 (în fig. 1.6).
Un mod de calcul empiric, care ia în considerare toate aceste aspecte, poate calcula
satisfăctor energia electronului Auger în functie de nivelele electronice implicate ale atomului
analizat, dar şi ale atomului următor din tabelul periodic, conform relaŃiei:
)]1()([)()(3,23,23,23.2
++++++++−−−−==== ZEZEZEZE LLKLKL
Energia cinetică a electronului Auger 3,23.2 LKLE este specifică fiecarui material şi nu depinde de
compoziŃia sau energia fasciculului electronic incident.
Elemente constructive:
Într-o abordare simplistă, orice spectrometru Auger conŃine: proba de analizat, un tun
electronic pentru iradierea primară a acesteia şi un analizor pentru energia electronilor, toate
conŃinute intr-o cameră aflata sub vid ultra înalt.
În practică vor mai exista o camera de vid adiŃională pentru pregătirea probelor şi un
sistem de aciziŃionare şi procesare a datelor.
Proba de analizat. O condiŃie necasară pentu analiza Auger este aceea ca proba de analizat să
fie stabilă în timp după ce este introdusă în camera de vid ultra înalt. Materialele foarte poroase
(unele materiale ceramice şi unii polimeri), dar şi cele cu componente ce au o presiune de vapori
ridicată (10-7 mbar) sunt greu de analizat cu spectrometrul Auger.
Tunul electronic
Componentele esenŃiale ale tunului electronic sunt sursa de electroni şi ansamblul de
lentile pentru focalizarea, formarea şi scanarea fasciculului de electroni. Sursele de electroni pot
fi termoionice sau cu emisie de câmp.
Lentilele pot fi electrostatice, sau, pentru aparatele cu rezoluŃie înaltă,
electromagnetice.
Un tun de electroni de înalta rezoluŃie, cu o sursa de emisie de câmp este prezentat în Error!
Reference source not found..
Figure 1.7 Tunul de electroni al spectrometrului Auger
Analizorul pentru energia electronilor.
Există două tipuri de analizoare utilizate pentru SEA: analizorul tip oglindă cilindrică
şi analizorul sector de emisferă (ASE). Primul este folosit când rezoluŃia nu este forte importantă
şi este necesară colectarea de electroni dintr-o arie relativ mică. Al doilea este folosit când este
necesară o rezoluŃie foarte înaltă.
Fig. 1.8 Analizorul sector de emisferă al unui spectrometru Auger
Error! Reference source not found. prezinta părŃile componente ale unui ASE. Electronii
incidenti sunt frânaŃi de nişte ansambluri de lentile pentru a permite obŃinerea unei rezoluŃii
înalte. Între cele două emisfere este aplicată o diferenŃă de potential V∆∆∆∆ .
Doar electronii cu energia
++++∆∆∆∆====
21
21
RR
RRVeE vor ajunge la detectorul multi-canal (e este
sarcina electonului, 21 ,RR sunt razele de curbura ale emisferelor interioara, respectiv
exterioara). ASE poate fi operat în două moduri: energie constantă a analizorului (ECA) sau rată
de retardare constantă (RRC).
Imaginea completă a unui sistem SEA este prezentată în Fig. 1.9:
Fig. 1.9 Spectrometru electronic Auger
Modul de funcŃionare
După ce proba de analizat este introdusă în camera de vid ultra înalt se alege cu ajutorul
unui monitor aria dorită pentru analiză. Se portneşte detectorul multicanal şi apoi tunul electronic
astfel că se iradiaza suprafaŃa de analizat cu un fasciculul colimat de electroni.
În prealabil se aplică anumite setări pentru părŃile componente ale tunului electronic şi
ale analizorului, în functie de tipul probei de analizat şi de informaŃiile ce trebuie obŃinute.
Spectrul este colectat şi analizat cu ajutorul unui calculator.
Caracteristici tehnice, avantaje şi dezavantaje
SEA are o adâncime de pătrundere în suprafaŃa de analizat de 5-10 nm şi o rezoluŃie
spaŃială mai mică de 12 nm. Acest fapt crează atât avantaje, cât şi dezavantaje.
Principalul avantaj constă în faptul că poate distinge cu precizie şi cuantifica
componentele chimice ale materialelor pe arii submicronice. De asemenea, cu ajutorul
calculatorului, poate crea imagini tridimensionale cu compoziŃia chimică a ariilor analizate.
Principalele dezavantaje constau în faptul că nu poate analiza materialele organice sau
cele volatile, nu poate detecta prezenŃa hidrogenului şi prepararea probelor necesită un timp
relativ îndelungat.
AplicaŃii
SEA are numeroase aplicaŃii, în special în domeniul ştiintei materialelor. Dintre
acestea, amintim domeniul metalurgiei, unde SEA este foarte utilizat, datorită faptului că
majoritatea studiilor investighează difuzia unor elemente în matricele metalice. Contributia
majoră a SEA este la investigarea grain-boundary segregation şi embrittlement în oŃelurile
structurale.
Alte domenii unde SEA are numeroase aplicaŃii sunt: structura electronică a aliajelor
metalice, ştiinŃa şi ingineria suprafeŃelor, ştiinta corodărilor, domeniul materialelor ceramice,
microelectronica şi materialele semiconductoare, polimerii. Câteva imagini reprezentative sunt
prezentate în Fig. 1.10.
(a) (b)
Fig. 1.10 Imagini obŃinute cu SEA (a) suprafaŃă de aliaj metalic lustruită în care se poate observa separarea elementelor componente; (b) structura chimică a siliciului (natural si oxid)
Ca exemplu de utilizare a SEA în domeniul aliajelor cu memoria formei voi arăta o
experienŃă pentru identificarea compoziŃiei chimice pentru un aliaj care are la bază Ti-Ni şi a
cărui strat exterior a fost îmbogăŃit cu ioni de N.
Majoritatea formaŃiunilor care se află după acoperire sunt de tipul TiN dar pot fi
întâlnite şi mici formaŃiuni de Ti3O5 şi TiO2. modificarea stratului exterior al materialului cu
memoria formei duce la imbunătăŃirea proprietăŃilor mecanice cât şi la împiedicarea eliberării de
Ni, care devine toxic în cantităŃi mari şi care poate produce diferite grave alergii, din structura
aliajului, în vederea reducerii problemei biocompatibilităŃii aliajului Ti-Ni cu corpul uman.
Spectrometrul electronic utilizat a fost modelul JAMP-7810 cu un unghi de înclinare de
30ºC şi aliajul testat a fost unul echiatomic cu 49,8%Ti şi 50,2%Ni. În continuare sunt prezentate
rezultatetele obŃinute cu SEA şi din care se obeservă prezenŃa elementelor: N, O, C, Ti, Ni pe
toată suprafaŃa scanată :
Energia/eV
Energia/eV
Fig. 1.11 Profilul obŃinut cu spectrometrul electronic Auger pentru suprafaŃa unui aliaj din Ti-Ni care a fost imbogăŃit cu N pentru 1X1016 ioni/cm2
Se observă că vârfurile care identifică Ti sunt foarte apropiate de cele pentru N, dar s-a
constatat cu siguranŃă prezenŃa N pe supraŃa aliajului cu memoria formei prin analiza cu raze X.
1.3 Microscopul cu scanare de electroni (MSE)
Principiul fizic
Microscopul cu scanare de electroni (MSE) se bazează pe aceleaşi principii ca şi microscopul
optic, cu singura deosebire că „sursa de lumina” este în acest caz un fascicul de electroni, iar
lentilele nu sunt optice, ci electromagnetice.
Inte
nsit
atea
/num
ărăt
ori
Inte
nsitat
ea/n
umăr
ător
i
Fig. 1.12 Microscop cu scanare cu electroni – schema de funcŃionare
Lungimile de undă mult mai mici asociate electronilor din fascicul (conform
principiului lui de Broglie) permit formarea unor imagini cu o rezoluŃie de 1000 de ori mai mare
decât în cazul microscopului optic. Astfel MSE-ul permite studiul în profunzime al probei de
analizat şi poate produce o imagine care să fie o bună reprezentare 3D a probei.
Schema de principiu a MSE-ului este prezentată în Fig. 1.12. Fasciculul electronic, care
are o energie cuprinsă între câteva sute de eV şi 50 KeV, are o traictorie verticală prin coloana
principală a microscopului. El trece prin sistemul de lentile care-l focalizează şi concentrează pe
suprafaŃa probei până la secŃiuni de ordinul 1-5 nm în diametru .
Fasciculul traversează o serie de spirale de scanare situate în lentila obiectiv, care
baleiază fasciculul pe o arie dreptunghiulară a probei de analizat. Deîndată ce loveşte suprafaŃa
probei electronii retrodifuzaŃi şi secundari incep să fie expulzaŃi din probă.
Detectorii captează atât electronii secundari cat şi cei retrodifuzaŃi şi îi transformă intr-
un semnal care este trimis pe un ecran similar cu cel al unui televizor clasic unde se formează
imaginea.
Elemente constructive
Principalele elemente constructive ale MSE-ului sunt: tunul electronic, lentilele
magnetice, camera de vid, detectorii de captare şi transformare a semnalului electronic.
Sursa de electroni. Fasciculul de electroni este produs de un filament pentru care pot fi
folisite diferite tipuri de materiale; cel mai des întâlnit este un filament în formă de „U” din
tungsten ce este folosit drept catod. Pe acest „U” se aplica un voltaj care duce la încălzirea lui si
la emisia termoionică.
Anodul, care este legat la pământ, atrage electronii emişi de catod şi îi accelerează spre
proba de analizat.
De asemenea, ca şi in cazul SEA, pot exista tunuri electronice cu emisie de câmp.
Fig. 1.13 Sursa de electroni - principiu de funcŃionare
Camera de vid. Coloana principală şi proba de analizat trebuie să se afle întotdeauna în
vid. Există mai multe motive pentru care este necesară o cameră vidată.
Unul din ele ar fi că filamentul s-ar arde imediat dacă ar fi înconjurat de aer; un alt
motiv ar fi că, dacă coloana străbătută de fasciculul electronic ar fi plină de aer, electronii ar intra
în coliziune cu moleculele de gaz şi nu ar ajunge niciodată la probă; de asemenea, moleculele de
gaz ar putea reacŃiona cu proba apărând diferiŃi compuşi pe suprafaŃa acesteia.
Toate acestea ar scade foarte mult calitatea imaginii care trebuie obŃinută.
Detectorii de electroni secundari. Imaginea MSE se formează prin monitorizarea
electronilor secundari de energii joase.
Aceşti electroni provin de la adâncimi de doar caŃiva nanometrii faŃă de suprafaŃa
probei. Electronii sunt detectati de un scintilator-fotomultiplicator şi semnalul obŃinutut este
transformat într-o distribuŃie bidimensională a intensitaŃii electronilor, care poate fi vazută şi ca o
imagine digitală.
Procesul are la bază baleierea fasciculului primar de electroni. Luminozitatea
semnalului colectat depinde de numarul de electroni secundari ce ajung la detector.
Dacă fasciculul are o incidentă perpendiculară pe probă, un număr de electroni
secundari vor fi emisi sub unghiuri de incidenŃă ce nu vor fi captate de detector. Cu cât unghiul
de incidenŃă creşte, cu atât vor fi emişi şi detectaŃi mai mulŃi electroni secundari.
Astfel, regiunile abrupte din suprafaŃa analizată apar mai luminoase decât suprafeŃele
plate. Rezultatul final este o imagine bine definită, în care se pot observa caracteristicile
tridimensionale ale probei. RezoluŃia maximă este în jur de 1 nm.
Detectorii de electroni retrodifuzaŃi. Pe lângă electronii secundari, electronii
retrodifuzaŃi pot fi de asemenea detectaŃi.
Aceşti electroni pot fi utilizaŃi pentru a observa diferenŃele între arii cu compoziŃii
chimice diferite. Acest lucru este posibil când numărul atomic al diverselor regiuni analizate este
diferit.
Electronii retrodifuzaŃi pot fi utilizaŃi de asemenea la formarea unui imagini de
difracŃie, cu ajutorul căreia se poate determina structura cristalografică a probei analizate.
Electronii retrodifuzaŃi sunt mai puŃini la număr decât cei secundari. Detectarea lor se face fie
prin plasarea detectorului în partea laterală a probei, fie prin plasarea unui detector in formă de
covrig deasupra probei, în imediata ei vecinătate (Fig. 1.12).
O imagine generală a unui MSE modern este prezentată în Fig. 1.14.
Fig. 1.14 O versiune modernă a MSE-ului
Modul de funŃionare
Pregătirea probelor. Toate probele care urmează să fie analizate cu ajutorul MSE-ului trebuie
pregătite în prealabil. De obicei este necesară o cameră adiŃională dedicată pregătirii probelor. În
urma pregătirii trebuie ca:
• toate urmele de apă, solvenŃi sau materiale care s-ar putea evapora în camera vidată să fie
îndepărtate;
• probele trebuie introduse în suportul de prindere;
• probele nemetalice (insecte, plante, ceramice,) trebuiesc acoperite cu un strat care să le
facă conductoare (probele metalice pot fi introduce direct în camera de lucru a MSE-ului).
Modul de operare. Se pornesc detectorii de electroni secundari şi retrodifuzaŃi, la care se aplică
în prealabil setări specifice, in funcŃie de tipul probei de analizat si a gradului de magnificare
dorit. Apoi se porneşte tunul de electroni şi se înregistrează imaginea formată pe ecran.
Caracteristici tehnice, avantaje, dezavantaje
Ca dezavantaje ale MSE-ului se pot aminti:
• incapacitatea de a reproduce culoarea (electronii nu au culoare);
• probele trebuie să fie stabile în vid;
• probele trebuie să fie conducătoare de electricitate.
Ca avantaje ale MSE-ului se pot enumera:
• puterea de focalizare a fascicului, ceea ce duce la obŃinerea de imagini pentru diferite
forme ale suprafeŃelor;
• largă gamă de măriri de la 20× până la > 80000×;
• se pot obŃine imagini 3D şi date despre compoziŃie chimică dacă acest lucru este dorit
În figura de mai jos sunt prezentate schematic principalele informaŃii ce pot fi obŃinute cu MSE
dotat cu detectori pentru raze X, electroni Auger sau fotoni.
Fig. 1.15 InformaŃiile ce pot fi obŃinute cu MSE dotat cu tehnici adiŃionale
InteracŃiunile din imediata vecinătate a probei de analizat duc la producerea atât a
electronilor secundari si retrodifuzaŃi, cât si la producerea de raze X. Dacă MSE este dotat cu
detectori pentru aceste radiaŃii se pot obŃine informaŃii despre natura chimică a probelor
analizate.
Tehnica rezultată poarta numele de „Dispersie energetică de raze X”.
AplicaŃii
Cu ajutorul MSE-ului s-au obŃinut imagini remarcabile în mai multe domenii de cercetare
(biologic, alimentar, industrial, etc). În continuare sunt prezentate câteva fotografii metalografice
reprezentative din domeniul materialelor metalice:
166 × 163 pixels × 1000 320 × 200 pixels × 500
315 × 246 pixels × 1000 Figure 1.16 Exemple de fografii metalografice realizate cu ajutorul MSE la diferite puteri de mărire şi rezoluŃii
1.4 Microscopul cu transmisie de electroni(MTE)
Principiul fizic
Microscopul cu transmisie de electroni (MTE) se bazează pe un principiu fizic
asemănător cu microscopul cu scanare de electroni. Pricipala diferenŃă este că electronii ajunşi la
suprafaŃa probei nu mai sunt retrodifuzaŃi, ci transmişi prin probă şi colectaŃi în spatele acesteia.
Sursa de electroni emite un fascicul ce traversează coloana verticală a microscopului
aflată în vid. Fasciculul este colimat de lentile electromagnetice şi ajunge la suprafaŃa probei de
analizat, pe care o strabate.
În funcŃie de densitatea materialului din proba de analizat unii electroni din fascicul
sunt împrăştiaŃi şi părăsesc fascicul. Electronii neîmprăştiaŃi ajung la un ecran fluorescent, unde
se formează imaginea.
Această imagine are zone cu luminozităŃi diferite, în funcŃie de densitatea materialului
în diferitele zone ale ariei analizate. Imaginea poate fi studiată direct de utilizator sau fotografiata
şi stocată pe calculator.
Fig. 1.17 Principiul de funcŃionare al MTE
Elemente constructive
Principalele elemente constructive sunt aceleaşi ca la orice microscop electronic, şi
anume: tunul electronic, sistemul de lentile electromagnetice, detectorii, camera de vid. Ele au
acelaşi mod de funcŃionare ca şi în cazul MSE.
Lungimea microscopului este mult mai mare, deoarece electronii nu sunt „reflectaŃi”
de suprafaŃa probei, ci transmişi prin aceasta.
O imagine generala a unui MTE este prezentata in 1.8:
Fig. 1.18 Imagine generală a MTE
Modul de functionare
Modul de funcŃionare este asemănător cu cazul MSE-ului. DiferenŃe apar la pregătirea
probelor de analizat, care trebuie să fie în forma unor filme foarte subŃiri montate pe nişte site
foarte fine.
Pentru o rezoluŃie înaltă este nevoie ca grosimea filmului să fie de numai câŃiva
angstromi, ceea ce limitează numărul materialelor ce pot fi analizate la cele pentru care nu se
produc modificări structurale în cadrul procesului de subŃiere.
Caracteristici tehnice, avantaje, dezavantaje
Avantaje
Noile MTE de înaltă rezolutie pot analiza cu uşurinŃă structura cristalină a materialelor.
S-au obŃinut rezoluŃii de până la 0.78 Angstromi la imagini marite de 50 de milioane de ori.
Posibilitatea de a determina poziŃia atomilor în materiale face din MTE de înaltă
rezoluŃie o uneltă indispensabilă in domeniul nanotehnologiilor.
Dezavantaje
Principalele dezavantaje sunt timpul îndelungat necesar preparării probelor pentru a le
aduce la grosimi foarte mici. Din acest motiv numărul de probe ce pot fi analizate este relativ
mic. De asemenea, este posibil ca se se producă modificări structurale ale materialului în timpul
subŃierii.
Câmpul de observare al microscopului este relativ mic, ceea ce crează posibilitatea de
a analiza regiuni ce nu sunt caracteristice întregii probe. Un ultim dezavantaj îl reprezintă
posibilitatea ca proba să fie degradată de fasciculul de electroni, în special în cazul probelor
biologice.
Aplicatii
Câteva imagini reprezentative obŃinute pe probe biologice sunt prezentate in Fig. 1.199:
(a) (b)
(c) (d)
Fig. 1.19 (a)Particule de corona virus într-o celulă ciliată din căile respiratorii ale unei tinere suferind de raceală; (b) Bacteria Salmonella (c) O celula trombocită din sânge (d) Celulă citoplasmatică din ficat
Deoarece atât MSE-ul cât şi MTE-ul au principiul de funcŃionare asemănător, ambele
aparate sunt utilizate în cercetarea aliajelor cu memoria formei pentru aceleaşi studii de caz, din
acest motiv voi prezenta câteva aplicaŃii practice ale utilizării celor două echipamente electronice
în analiza acestor aliaje.
În următorul studiu s-au utilizat MSE-ul şi MTE-ul pentru investigarea fazelor
martensitice 2H şi 18R care apar în aliajul cu memoria formei Cu-11,92wt%Al-3,78wt%Ni.
Aliajul folosit a fost obŃinut prin topirea elementelor componente de puritate foarte ridicată
(99,9%) în atmosferă de argon şi răcite sub formă cilindrică cu diametrul de 1cm şi lungimea de
10cm şi cu compoziŃia chimică de mai sus.
S-au obŃinut 2 probe apoi cu ajutorul unui fierăstrău cu diamant din proba iniŃială care
au fost introduse în 2 tuburi din quartz şi supuse la tratamente termice în domeniul fazei de
echilibru β. Prima probă A a fost incălzită la 950 ºC timp de 1h apoi răcită în apă fierbinte în
timp ce a doua probă B a fost menŃinută timp de 2h la aceeaşi temperatură şi răcită în apă cu
gheaŃă.
După acest tratament termic aplicat cele 2 probe au fost supuse analizei microstructurii
şi structurii cristalografice obŃinute.
Pentru obeservaŃiile facute cu ajutorul MSE-ului suprafaŃa probei a fost intâi prelucrată
mecanic prin lustruire şi atacată chimic cu soluŃie de 2,5gFeCl 6H2O şi 48ml metanol în 10ml
HCl timp de 4 minute. Pentru observaŃiile făcute pe MTE ambele probe au fost prelucrate.
Discuri cu grosimea aproximativ de 0,4mm au fost tăiate cu ajutorul unui fierăstrău cu diamant
de viteză redusă şi subŃiate apoi până la 0,2mm cu hartie metalurgică de 800 --1200 şi apoi
perforate în discuri cu diametrul de 3mm. În final discurile au fost atacate cu o soluŃie de
30%HNO3 -70% metanol la temperature de -10 ºC şi un voltaj de 10V.
În continuare sunt prezentate microstructurile probelor observate pe MSE, după
tratamentul termic aplicat.
a)
b)
c)
Figure 1.20 Micrografii realizate cu ajutorul MSE-ului care arată microstructuri de martensită ale probelor: a) variante tipice de martensită β’
1 în zig-zag pentru proba A b) variantă brută de acomodare pentru martensita γ’
1 în proba B c) variante tipice de martensită β’1 cu auto-acomodare în proba B.
Este evident din micrografii că microstructura martensitei se modifică după tratamentul
aplicat şi martensita sub forma β’1 şi γ
’1 apare sub diferite morfologii. În proba A, tratată timp de
1h, se observă grupurile de variante de martensită în zig-zag care sunt tipice martensitei β’1,
acest tip de martensită se află sub formă mică şi au un comportament termoelastic foarte ridicat
în timpul creşterii lor controlate în grupuri auto-acomodate.
Amândouă fazele β’1 şi γ
’1 apar în cea de-a doua probă, cea menŃinută timp de 2h la
tratament termic, prima tot sub formă tipică de zig-zag iar a doua sub formă de plăci brute.
S-a observat că această fază M18R tip secvenŃe stivuite este tipică probei A. O
micrografie realizată cu ajutorul MTE-ului pentru acestă probă este expusă în fotografia
următoare a) deasemenea modelul unei arii selectate pentru probă este dat în fig.. b) cu axele
principale în zona [0 1 0] acest model diferă însă cu 0,63nm de la periodicitatea tipică pentru
ordonarea tip stive a fazei 18R.
Fig. 1.21 a) Imaginea realizată cu MTE-ul în câmp luminat a martensitei M18R sub formă de plăci pentru proba supusă tratamentului timp de 1h, b) modelul unei arii selectate prin difracŃie electronică pentru proba A şi în diagrama se prezintă valoarea actuală pentru unghiul β.
Este clar că prin apariŃia celor două puncte (006) şi (0012) între punctul central şi
punctul (0018) se sugerează că plăcile de martensită au o secvenŃă de aşezare de tipul 18R şi
deasemenea şi unghiul β este foarte apropiat de 90º.
Deasemenea cu ajutorul MTE-ului au fost făcute imagini şi pentru β’1 şi γ
’1 care se
găsesc în proba B, cea care a fost supusă la tratament termic timp de 2 h şi răcită în apă cu
gheaŃă.
Fig. 1.22 Micrografii realizate cu ajutorul MTE-ului în care este arătată martensita care se formează în aliajul tratat timp de 2h şi modelul aliajului pentru o arie selectată prin difracŃie a) micrografie cu câmp luminat a fazei martensitice γ’
1 b) modelul pentru a) obŃinut prin difracŃie pe o zonă selectată c) micrografie cu camp luminat a fazei martensitice β’
1 d) modelul pentru c) obŃinut prin difracŃie pe o zonă selectată.
Este arătat că doar un punct apare între centru (000) şi (0018), acest punct este în
notaŃia hexagonală (00.1) şi apare ca aranjare tip 2H şi confirmă astfel noul tip de aranjare care
este ăn aliajul B. DiferenŃa între aşezarea tipic romboedru 18R şi cea hexagonală 2H din
modelele de difracŃie cu orientarea [010] este obeservată clar în imaginile prezentate anterior.
Deasemenea în aliajul B se observă şi martensita 18R care este la fel cu cea obŃinută în
aliajul A.
Se poate concluziona că structura cristalină pentru un aliaj tip Cu-Al-Ni tratat termic se
schimbă cu timpul de tratament aplicat, modul de răcire sau temperatura la care se efectuează. Se
poate aştepta ca odată cu creştrea vitezei de răcire faza β’1 să scadă şi să facă loc fazei γ’
1.
1.5 Microscopul de forŃă atomică (MFA)
Principiul fizic
Microscopul de forŃă atomică este o invenŃie relativ recentă, care utilizează o probă mecanică
pentru a genera imagini mărite ale suprafeŃelor. Poate fi utilizat atât în aer, cât şi în mediul lichid
sau în vid, pentru a obtine detalii tridimensionale ale probei de analizat cu o rezoluŃie în
domeniul angstromilor. Principiul fizic are la bază măsurarea forŃelor (repulsive sau atractive)
dintre atomii situaŃi în vârful senzor al probei de investigare şi atomii din suprafaŃa de analizat.
Elemente constructive
Microscopul de forŃă atomică este alcătuit dintr-o probă senzor de investigare, materiale
ceramice piezoelectrice, un circuit electronic de feedback şi un computer care achiziŃionează şi
prezintă imaginile. O imagine generală a unui MFA este prezentată în Fig. 1.23.
Fig. 1.23 Imagine generală a unui MFA
Vârful foarte ascuŃit (cu o rază de câŃiva nanometri) al probei de investigare este situat la capătul
unei console-suport. Pe măsură ce vârful ascuŃit urmăreşte formele din suprafaŃa de analizat,
consola se arcuieşte. Un fascicul laser este proiect pe acest suport mobil şi se reflecta pe
suprafaŃa unui fotodetector cu patru secŃiuni individuale. Un aşa numit „senzor forŃă” măsoară
diferenŃele în intensitatea luminoasă de pe jumătatea de jos şi de sus a fotodectorului (Fig. 1.24)
Fig. 1.24 Senzorul forŃă al MFA
DeviaŃia parametrului senzor forŃă este proporŃională cu forŃa exercitată de suprafaŃa de analizat
asupra varfului probei de investigare conform legii lui Hook: kxF −−−−==== . Un circuit electronic de
feedback este corelat cu parametrul senzor forŃă şi cu materiale ceramice piezoelectrice (Z
PIEZO) pentru a crea mecanismul de poziŃionare (Fig. 1.25), care menŃine vârful probei la o
distanŃă constantă de suprafaŃa de analizat. Aceste materiale piezoelectrice sunt constuite astfel
încât îşi modifică dimensiunile fizice în prezenŃa unui câmp electric.
Fig. 1.25 Circuitul de feedback al senzorului forŃă
Microscopul este format prin adăugarea a două materiale ceramice piezoelectrice în direcŃiile X
şi Y şi un computer care captează eroarea de semnal dintre un integrator şi mecanismul de
poziŃionare.
Fig. 1.26 Sistemul de scanare al microscopului de forŃă atomică
Modul de functionare
Atunci când vârful senzor se apropie de suprafaŃa probei de analizat, semnalul de ieşire
al circuitului de feedback creşte. Amplificatorul diferenŃial compară aceasta valoare crescută a
semnalului de ieşire cu o valoare de referinŃă şi emite un voltaj de corecŃie. Acest voltaj de
corecŃie excită materialul ceramic piezoelectric astfel încât vârful probei de investigare se
îndepărtează de suprafaŃa de analizat. În acest mod vârful senzor al probei de investigare este
menŃinut la o distanŃă constantă de suprafaŃa de analizat.
Imaginea suprafeŃei este obŃinuta prin baleierea vârfului senzor deasupra suprafeŃei de
analizat şi stocarea semnalului piezo pe cele trei direcŃii x, y şi z în computer.
Carecteristici tehnice, variatii, avantaje şi dezavantaje
MFA are rezoluŃii diferite pe cele 3 direcŃii X, Y, Z. RezoluŃia maximă în planul XY
este determinată de geometria probei de investigare. La analiza suprafeŃelor foarte plate,
rezoluŃia este determinată de diametrul clusterului de atomi aflaŃi în vecinatatea vârfului probei.
RezoluŃia spaŃiala maximă în planul XY este de ordinul angstromilor, în timp ce aria maximă ce
poate fi analizată este de ordinul a zeci de microni. Pe direcŃia Z rezoluŃia maximă este de
ordinul nanometrilor.
MFA pot prezenta mai multe variaŃii. Una din cele mai importante este modul de
achiziŃionare al imaginii. Acest mod poate fi selectat între contact sau non-contact. În modul
contact – cel mai des utilizat – forŃa este de natură repulsivă şi consola suport este dintr-un
material maleabil. Acest mod poate fi utilizat pentru un spectru larg de aplicaŃii, atât pentru
analiza unor probe dure, cât şi moi.
Modul non-contact utilizează forŃa atractivă şi o consolă dintr-un material dur. Acest
mod este folosit în general la analiza suprafeŃelor foarte moi sau a filmelor cu foarte slabă
aderenŃă la substrat. Alte variaŃii ale sistemelor MFA sunt reprezentate de: contaminarea
suprafeŃei de analizat, geometria vârfului probei de investigare, metodele de feedback ale
circuitului electronic.
Printe avantajele acestei tehnici de analiza se pot enumera: rezolutia înaltă, posibilitatea
de a face analize în diferite medii, posibilitatea de a analiza diferite tipuri de probe (inclusiv
probe lichide).
Printre dezavantaje se pot aminti: aria maximă de analiza relativ redusa (de ordinul 10-
100 µm), imposibilitatea de a distinge natura chimică a particulelor din suprafaŃa de analizat.
AplicaŃii
Câteva imagini reprezentative achizitionate cu MFA pentru materiale cu diferite rugozităŃi sunt
prezentate în imaginile de mai jos.
40 µm
0 µm
20 µm
40 µm0 µm 20 µm
90.0°
-90.0°
Area Ra:
Area RMS:
Avg. Height:
Max. Range:
4.9972 nm
8.5927 nm
33.4304 nm
188.7839 nm
Whole Image
(a)
20 µm
0 µm
10 µm
20 µm0 µm 10 µm
90.0°
-90.0°
Area Ra:
Area RMS:
Avg. Height:
Max. Range:
19.9499 nm
25.7045 nm
171.9650 nm
282.6281 nm
Whole Image
(b)
40.59 µm
20.29 µm
0 µm
40.59 µm
20.29 µm
0 µm
169.89 nm
84.94 nm
0 nm
(c)
Fig. 1.27 Imagini reprezentative achiziŃionate cu MFA (a) siliciu; (b) plastic PEEK; (c) structură amorfă de carbon pe o suprafaŃă de siliciu (3D)
Utilizarea acestui echipament în studiul aliajelor cu memoria formei îşi are utilitatea în
majoritatea cazurilor de acoperiri, depuneri de straturi. Din acest punct de vedere problema poate
fi împărŃită în două şi anume se pot face acoperiri pe aliaje cu memoria formei stratul depus
îmbunătăŃind caracteristicicile mecanice şi fizice ale aliajului sau ajutând proprietatea de
biocompatibilitate în cazul în care este folosit în domeniul medical sau se pot depune straturi
subŃiri din aliaj cu memoria formei pe un suport care să nu aibă această proprietate; în orice
situaŃie se impune studierea stratului depus în vederea stabilirii caracteristicilor şi proprietăŃilor
acestuia.
În continuare voi prezenta o utilizare a microscopului de forŃă atomică în studiul
depunerii unui aliaj cu memoria formei tip Ni-Mn-Ga pe o tabliŃă de Mo. Aliajul cu memoria
formei a fost depus în trei dimensiuni de 0,1, 0,4 şi 1 µm pe un suport de Mo.
În figura următoare este ilustrată o topografie tipică pentru o suprafaŃa în 3D şi
imaginile corespondente pentru structurile peliculare micromagnetice a acelor filme depuse.
Toate cele trei filme arată o suprafaŃă aproape plată brăzdată de unele şanŃuri
unidirecŃionale care au apărut datorită tratamentului mecanic aplicat pentru obŃinerea suportului
de Mo. Valoarea efectivă pentru rugozitatea suprafeŃelor este de 15-20 nm iar cu efectele
benzilor deformate de Mo ajunge la 35 nm.
Adâncimea benzii de deformare este în medie 50-100 nm iar în cazul filmelor
compozite Ni-Mn-Ga/Al2O3 valoarea efectivă a rugozităŃii este de 40 nm şi respectiv adâncimea
de 200nm.
Fig. 1.28 Imagini topografice ale aliajului Ni51,4Mn28,3Ga20,2 în partea de jos şi imaginile lor corespondente domeniilor magnetice pentru pentru grosimea stratului depus de a)1µ b)0,4µm c)0,1µm nota:sunt utilizate scări diferite
Toate caracteristicile stratului depus, inclusiv rugozitatea, influenŃează caracteristicile
materialului obŃinut, de aceea este foarte important să le cunoaştem în amănunt, astfel s-au
dezvoltat aparatele de analiză nanometrică printre care şi microscopul de forŃă atomică.
1.6 Aparat de testare a proprietăŃilor mecanice la nivel nanometric-nanoindenter (Nano test module):
Aparatul de testare a proprietăŃilor la nivel nanometric este un centru de testare care analizează
proprietăŃile nano-mechanice a materialelor sau a unor filme depuse. Sistemul deŃine trei module
de analiză diferite:identifică amprenta, prin măsurarea unei zgârieturi şi prin impact. Modulul de
identificare a amprentei este utilizat pentru determinarea durităŃii şi a modulului de reducere
pentru filmele depuse, în timp ce modulul cu zgâriere este folosit pentru a determina adeziunea
filmului la substrat.
Elemente constructive şi funcŃionare:
La baza acestui aparat stă un pendul care se poate roti pe un pivot fără frecare(ca-n fig….). În
vârful pendului este montat un inel împreună cu unul permanent, inelul este este atras spre un
magnet permanent producând mişcarea diamantului spre şi în suprafaŃa probei. Dispunerea
diamantului este măsurată prin intermediul unor plăci capacitoare paralele, una din ele fiind
ataşată pe suportul diamantului. Când diamantul se mişcă capacitatea se modifică şi este
înregistrată printr-o punte de capacităŃi. Puntea de capacitate este aşezată aproape de capacitorul
de măsurare pentru a micşora efectul de dispersie capacitivă.
Figure 1.29 Schema de principiu a unui modul nano test
Deplasarea probei se face cu ajutorul a trei motoare de curent continuu care mişcă suportul
probei pe direcŃiile XYZ. Totul este controlat de o placă de bază care conŃine trei module de
putere, o interfaŃă de reŃea şi un dispozitiv de retragere sau mers în gol a suportului probei, placa
de bază are legătură directă cu calculatorul care este dotat cu un soft adecvat controlului acestui
aparat.
Limita stop reprezintă maximul vizibil de inaintare a diamantului cât şi orientarea de operare a
pendulului atunci când o încărcare este aplicată. După limita stop şi după ce se fixează încărcarea
calculatorul prin soft-ul pe care-l deŃine continua apropierea şi realizează testul propus.
Identificarea amprentei (nanoindentation):
Prin această tehnică aparatul de testare măsoară mişcarea diamantului în contact cu o suprafaŃă
prin mărirea încărcării aplicate când diamantul străpunge suprafaŃa, după cum este arătat şi în
figura:
Fig. 1.30 Reprezentarea schematică a procesului de încărcare –descărcare în timpul modulului de identificare a amprentei
Prin această încercare se măsoară adâncimea penetraŃiei unui diamant calibrat Berkovich pe post
de identificator ca fiind în funcŃie de încărcarea aplicată şi timpul ciclului de încărcare-
descărcare. La descărcare componenta elestică de deplasare îşi începe revenirea producând o
curbă înclinată în loc de una orizontală ceea ce arată că proprietăŃile elestice şi cele plastice pot
deriva.
Pentru scopuri statistice este bine să se realizeze pentru determinarea durităŃii şi a modulului de
reducere a 5-10 teste pentru aceeaşi parametri de testare.
În urma testului soft echipamentului va expune pe lângă rezultatul durităŃii şi al modulului de
reducere şi următoarele valori: htotal (hmaxim) şi hplastic(hc adâncimea de contact).
Fig. 1.31 Adâncimea plastică în timpul experimentului
În analiza cu forma diamantului de piramidă, adâncimea funcŃie de încărcare-descărcare poate fi:
a) fie o variaŃie liniară – o tangentă la curba de descărcare la încărcare maximă sau b) o lege a
puterii (Oliver şi Pharr).
Fig. 1.32 Determinarea adâncimii plastice din curba de încărcare-descărcare
Ambele metode sunt descrise în continuare:
Determinarea durităŃii şi a modulului de reducere conform legii liniare:
Duritatea după Meyer este definită ca fiind max
max
A
PH = unde Pmax este încărcarea maximă şi Amax
este aria de contact proiectată pentru încărcarea maximă calculată din adâncimea de contact hc.
pentru un material cu o revenire elastică se presupune că aria de contact între diamant şi material
rămâne constantă şi se modifică elastic în timpul descărcării. O altă presupunere este aceea că
aria plastică este întotdeauna egală cu aria de contact, deşi în practică aria plastică poate fi mai
largă sau mai îngustă. Pentru o suprafaŃă de contact cilindrică constantă revenirea elastică este
descrisă de relaŃia:
eradEP 2=
unde P=încărcarea maximă, Er=modulul de reducere, a=raza ariei de contact, de=deformaŃia
elastică.
0
20
2 111
E
n
E
n
Er
−+
−= unde n=coeficientul lui Poissonpentru probă, n0=coeficientul lui
Poisson pentru diamant(0.07), E=modulul lui Young pentru probă, E0=modulul lui Young pntru
diamante(1141GPa).
Pentru un material omogen şi pentru un vârf perfect geometric se poate defini un parametru de
revenire elastic R, care este reprezentativ pentru înclinaŃia curbei de descărcare şi care este
proporŃional cu raportul H/E astfel:
E
kpnH
h
hhR
c
c
2
))(1( 5.02max −
=−
= unde k este un factor care Ńine de geometria vârfului de
diamant. Curba de descărcare este dată de următoarea formulă:
5.0
5.0
2 AEC
r
π= unde C este capacitatea de arcuire a corpului. După corecŃiile aduse lui C
se poate calcula modulul de reducere al materialului.
Duritatea şi modulul de reducere : calculate cu o lege a puterii
După corecŃiile aplicate capacităŃii de arcuire a corpului funcŃia adâncime-încărcare se
încadrează într-o lege a puterii care are expresia:
m
fhhaP )( −=
unde a, hf şi m sunt constante, acestea se justifică în baza teoriei elasticităŃii. Adevărata
adâncime de contact este determinată de formula:
)( maxmax PChhc ⋅−= ε
unde C este capacitatea de arcuire a zonei de contact şi este egală cu tangenta la
încărcarea maximă. Valoarea lui ε depinde de geometria vârfului de diamante, de exemplu pentru
un paraboloid de rotaŃie este 0.75, iar experimental s-a stabilit că vârful de diamant Berkovich
produce o revenire elastică tipică unui paraboloid de rotaŃie.
Nici un diamant nu este perfect ascuŃit, din această cauză este necesar să determinăm
adevărata arie de contact ca o funcŃie de adâncimea de contact. Cu ajutorul unor teste deja
realizate pentru diferite încărcări se poate calcula pe baza relaŃiilor teoretice numeroase suprafeŃe
de contact.
Un vârf din diamant ideal are aria dată de relaŃia 25.24 chA ⋅= . Pentru determinarea
proprietăŃilor elastice ale materialului este necesar să se elimine chiar şi cele mai mici deformaŃii
elastice ale instrumentului.
Testul de zgâriere (scratch test):
În cadrul acestui modul de teste vârful de diamant este Ńinut nemişcat în timp ce
mişcăm piesa, o forŃă în creştere este aplicată asupra vârfului de diamante în acelaşi timp cu
adâncirea penetraŃiei şi mişcarea probei dintr-un punct de referinŃă pe o anume direcŃie.
Vârful utilizat în cadrul acestui test este diferit de cel folosit pentru identificarea
amprentei şi este de tip Rockwell, lungimile zgârieturilor fiind în medie de 500-1000 µm iar
forŃa aplicată de 50-250 mN.
Pentru a testa parametru adeziune a stratului depus pe substrat se introduce un nou
coefficient r = încărcarea critică/grosimea stratului, acesta se calculează şi se compară pentru
fiecare probă în parte.
Nanoindenterul a fost utilizat şi în caracterizarea câtorva proprietăŃi mecanice ale
aliajelor cu memoria formei şi în special la caracterizarea filmelor depuse din sau pe aliaje cu
memoria formei.
Un exemplu este caracteriazarea aliajului CuAlNi, cu memoria formei, cu ajutorul
nanoindenterului în mai multe faze de temperatură. Un aliaj monocristalin Cu-14wt%Al-
4,12wt%Ni ce prezintă efect de memoria formei a fost studiat din punct de vedere al reacŃiei pe
care o are la solicitarea şi descărcarea unui indentor. Temperaturile de transformare au fost
determinate cu ajutorul unui calorimetru cu scanare diferenŃial şi stabilite la Ms=0,5ºC, Mf=-3 ºC,
As=26ºC, Af=36ºC după care proba a fost lustruita mecanic cu o soluŃie de Al2O3 de 0,05µm.
Indenterul folosit este de tip Berkovich cu raza de 100-150nm iar proba înainte de test a fost
încălzită la 100ºC şi apoi lăsată să se răcească la temperature camerei pentru a nu exista faza
martensitică în aliaj. Asupra aliajului s-au aplicat mai multe forŃe de testare de 10000, 5000 şi
1000 µm iar apoi proba a fost supusă la încălzire la temperaturile de 40, 70 şi 100ºC. În figura
următoare sunt prezentate imagini în vid ale revenirilor aliajului cu memoria formei de la
temperatura camerei până la 100 ºC.
Fig. 1.33 Imagini în vid ale testului la care a fost supus aliajul cu memoria formei CuAlNi cu ajutorul nanoindenterului la a)25ºC, b) 40 ºC, c) 70ºC, d) 100 ºC
Toate urmele lăsate de indentor sunt foarte ascuŃite inainte de încălzire după cum se
observă în figura a), odată cu creşterea temperaturii colŃul de jos al urmei lăsate de indentor
devine neclar b) şi c). La 100ºC colŃul de jos aproape a dispărut în totalitate d). În timpul testului
o transformare martensitică indusă de presiune A→M are loc dar după ce proba a fost încălzită
mai mult de 40ºC deformaŃia reziduală indusă se recuperează printr-o transformare de fază
M→A. SecŃiunea transversală a suprafeŃei măsurată la diferite temperaturi pentru maximul de
încercare de 10000µN este prezentată în figura următoare.
DistanŃa laterală µm
Fig. 1.34 SecŃiune transversală a profilului suprafeŃei la diferite temperature pentru o forŃă de 10000 µN.
Este evidentă revenirea pe adâncime a semnelor lăsate odată cu creşterea temperaturii,
deasemenea la temperature ridicate urmele lăsate de indentor devin umbroase, inceŃoşate. Gradul
de recuperare a urmei lăsate de indenter se poate calcula cantitativ de pe profilul suprafeŃei cu
formula:
δD=(DTo max-DT max)/D
To max
unde Dmax reprezintă adâncimea maximă după ce este îndepărtată incărcarea, iar T şi T0 sunt
temperatura de încălzire respectiv cea a camerei. Similar se poate calcula şi gradul de revenire pe
direcŃie laterală cu formula:
δL=(LTo -LT)/LTo
unde L reprezintă lungimea urmei lăsate de indenter de-a lungul direcŃiei laterale. În următorul
tabel sunt prezentate rezultate pentru cele două grade la diferite temperaturi şi pentru diferite
încărcări:
Tabelul 1
Încărcarea µN Temperatura (ºC) δD δL
10000 40 0,36 0,10
10000 70 0,72 0,11
10000 100 0,75 0,12
5000 40 0,11 0,05
5000 70 0,55 0,11
5000 100 0,67 0,16
Adâncimea de pătrundere µm
1000 40 0,09 0,04
1000 70 0,22 0,07
1000 100 0,79 0,14
Concluzionând se observă că procentul de revenire este ridicat 0,7-0,8 pentru temperatura de
încălzire de 100ºC şi este predominant fenomenul de memoria formei pentru încărcări mai mici
de 10000 µN.
1.7 Spectroscop Fotoelectronic cu raze X (SFX)
Principiul tehnicii SFX este bazat pe efectul fotoelectric. Un anod de cupru acoperit cu
aluminiu (Al) sau magneziu (Mg), cu energiile caracteristice 1253.6 şi respectiv 1486.6 eV ,
emite fotoni de raze X care ionizează atomii-Ńintă.
Aceşti atomi se relaxează prin procesul de emisie de fotoelectroni şi spectrul acestor
fotoelectroni, asociat direct cu energia de legatură a electronilor de la atomii-Ńintă, reprezintă
‘amprente’ chimice ale suprafeŃei.
Fig. 1.35 SecŃiune transversală a analizorului emisferic concentric
Scala energetică face referire la energia de legatură (EL) la nivelului iniŃial sau la
energia kinetică a fotoelectronilor colectaŃi de analizor. Energia cinetică (EC) şi de legatură sunt
asociate dupa relaŃia:
ELhEC −Φ−= ν Ec. 1.1
unde νh este energia fotoelectronilor incidenŃi de raze X şi Φ este funcŃia de lucru a
aparatului.
Spectrul constă într-o serie de maxime observate pe fond, care în general măresc
energia de legatură (scad energia cinetică) şi care de asemenea arată treapta mărită în energia de
legătură înaltă pe fiecare parte a vârfurilor semnificative. Ec. 1.1 presupune că această process de
fotoemisie este elastic. Astfel fiecare rază X caracteristică ne va da o serie de maxime ale
fotoelectronilor care reflectă o energie de legătură diferită de electronii prezenŃi în solid.
Intensitatea maximelor depinde de secŃiunea transversală a fotoemisiei de atomi,
precum transmisia caracteristică a analizorului, insăşi funcŃia energiei electronilor. LăŃimea
maximei, sau laŃimea completă la maximul jumătaŃii E∆ , este transformarea câtorva contribuŃii :
( )222apn EEEE ∆+∆+∆=∆ Ec 1.2
unde pn EE ∆∆ , şi aE∆ sunt lăŃimile naturale ale nivelului central, sursa de fotoni (linia
de raze X) şi respectiv rezoluŃia analizorului.
Maximele sunt de trei tipuri: maxime datorate fotoemisiei de la nivelul interior (la
nivelul înalt al EL) şi nivelul valenŃei (la nivelul coborât al EL) şi maximele datorate emisiei
Auger, provocate de razele X. Fotoemisia secŃiunii transversale, şi deci, intensitatea maximei,
este mult micşorată pentru valenŃă decât pentru nivelul interior.
Schimbând sursa de raze X de la Mg Kα la Al Kα va creşte energia cinetică a
fotoelectronilor aproape de 233 eV, lăsând maximele Auger neschimbate.
Fondul-scăriŃă creşte treptat procesul inelastic de fotoemisie: o fracŃie de fotoelectroni
contribuie la maximele izolate semnificante şi eliberarea energiei înainte de a părăsi eventual
suprafaŃa şi a ajunge la analizor.
Prin proiectul SFX indiferent de sursa de la VG Escalab 200D sistemul poate fi utilizat
pentru constatarea stării chimice a elementelor prezente în film şi pentru determinarea raŃiei de
sp3/sp2 legat în atomii de carbon.
FracŃia sp3 deternimată prin tehnica SEAX. Sursa de raze X utilizată Kα (1486.6 eV). C
1s şi O 1 şi au fost colectate cu energia de trecere de 20eV şi pasul de 0.1eV/canal, spectrul C
KLL a fost colectat cu energia de trecere de 20eV în paşi de 0,2eV/canal. Probele pot fi
depozitate într-o cutie de plastic după depunere şi apoi introduse în camera de analiză SFX în
serii de 6.
În continuare voi prezenta un studiu realizat cu ajutorul spectrometrului fotoelectronic
cu raze X asupra suprafeŃei unui aliaj cu proprietăŃi de memoria formei tip Ni2.1Mn0.9Ga pentru
diverse condiŃii de pulverizare şi recoacere.
Aliajul studiat este de tip feromagnetic Heusler şi prezintă calităŃi deosebite cât şi
posibilitatea de utilizare în diferite aplicaŃii cum ar fi actuatori, senzori, răcitoare magnetice.
Aliajul tip NiMnGa prezintă modificări interesante ale proprietăŃilor o dată cu ssal
chimbarea compoziŃiei, de exemplu cu creşterea lui x din Ni2+xMn1-xGa punctul de
temperatură Curie, temperatura de tranziŃie martensitică variaiază sistematic mai mult
anizotropia magnetocristalină, magnetizarea, rezistivitatea şi rezistenŃa magnetică se schimbă
deasemenea cu compoziŃia. Pentru diferite aplicaŃii filme de NiMnGa epitaxial au fost depuse pe
suport de Si, GaAs şi aliaj bulc de NiMnGa.
S-a obŃinut un lingou policristalin Ni2.1Mn0.9Ga prin topire în cuptor şi apoi recopt timp
de 9 zile în vid la 827 ºC, probele fiind apoi călite în apă cu gheŃă. Structura a fost determinată
prin difracŃie cu raze X, stoechiometria a fost realizată prin însumarea greutăŃilor diferitelor
elemente proporŃionate pentru topire iar din rezistivitate s-a stabilit temperatura de tranziŃie
martensitică la 272 K. analiza cu raze X a energiei de dispersie arată că proba este omogenă.
Măsurătorile realizate cu ajutorul SFX-ului s-au făcut la o presiune de
1x10-10 mbar utilizând un analizor comercial de energie a electronilorcu cinci canale de la firma
germană Specs GmbH cu o sursă tip AlKα razeX care produce 1486,6 eV fotoni. Energia de
trecere a analizorului a fost setată la 20eV şi s-a lucrat cu o deschizătură de 6mm în diametru
astfel energia de rezoluŃie este de aproximativ 1eV.
Pentru a determina compoziŃia suprafeŃei suprafaŃa de sub vârfurile spectrului interior SFX a fost
determinată folosind o rutină de minimizare a erorii a ultimului pătrat.
În figura următoare sunt prezentate liniile de mijloc pentru Ni 3p, Mn 3p şi Ga 3d pentru diferite
condiŃii de pulverizare.
Energia de legătură (eV)
Fig. 1.36 Liniile mijlocii ale spectrului SFX pentru Ni 3p, Mn 3p şi Ga 3d depus prin pulverizare pe aliajul Ni2.1Mn0.9Ga în funcŃie de energia ionilor de Ar(Ei)
Aceste linii de mijloc apar la energiile de legătură de 66,8±0,2 eV, 47,4±0,2eV,
18,6±0,2 eV. Aceste linii de centru au fost alese pentru determinarea compoziŃiei pentru că
energiile lor de legătură nu sunt foarte diferite cum sunt cele din analizorul de aşteptare cu λ
foarte mic.
În figura următoare este prezentat spectrul de linii mijlocii pentru Ni3p, Mn3p, Ga 3d
pentru aliajul Ni2.1Mn0.9Ga pulverizat la 3KeV în funcŃie de temperatura de recoacere.
Energia de legătură (eV)
Fig. 1.37 Diagrama liniilor centrale a spectrului pentru Ni 3p, Mn 3p şi Ga 3d în funcŃie de temperatura de recoacere.
Intensitatea (unitate arbitrară)
Intensitatea (unitate arbitrară)
Vârfurile Mn 3p şi Ni 3p arată clar că odată cu creşterea temperaturii de recoacere Mn
creşte în timp ce Ni descreşte. S-au găsit următoarele compoziŃii pentru 100 ºC Ni2,47Mn0,44Ga1,09
respectiv pentru 200ºC Ni2,42Mn0,5Ga1,09 şi pentru 350°C Ni2,14Mn0,76Ga1,1. rapotul Ni/mn dedus
din aceste compoziŃii este expus în următorul grafic ca o funcŃie de temperatura de recoacere
Temperatura de recoacere (ºC)
Fig. 1.38 Raportul Ni:Mn ca o funcŃie de temperatura de recoacere, săgeata indică temperatura unde compoziŃia bulcului este regenerată.
În fig....(următoare) sunt arătate modificările ce au loc în banda de valenŃă a aliajului
Ni2.1Mn0.9Ga, se observă foarte bine principalele vârfuri centrale în jurul valorii de 1,4 eV pentru
legătura de valenŃă.
Energia de legătură (eV)
Figure 1.39 a) Spectrul bandei de valenŃă pentru aliajul studiat pentru diferite rapoarte Ni:Mn 6,4(0,5 keV pentru pulverizare), 5,6 (recopt la 100ºC), 3,2(recopt la 300ºC). b) Spectre diferite între rapoartele pentru Ni:Mn de 6,4 şi 3,2 şi între 5,6 şi 3,2 c) spectrul bandei de valenŃă SFX pentru nichel.
Principalul vârf pentru aliajul supus investigării Ni2.1Mn0.9Ga este de 0,7 eV trecând pe
partea cu legături energetice înalte. În fig…c) este supusă comparaŃiei banda de valenŃă obŃinută
Raportul Ni/Mn
Intensitatea (unitate arbitrară)
cu SFX pentru aliajul cu memoria formei studiat şi banda de valenŃă pentru Ni pur luată din
literatura de specialitate.
În fig 1.39 b) este arătată diferenŃa dintre spectrele obŃitute prin pulverizare, (cu
raportul Ni:Mn de 6,4), după recoacere la 100 ºC (cu raportul Ni:Mn de 5,6) şi spectrul pentru
aliajul recopt la 300ºC (cu raportul Ni:Mn de 3,2).
În concluzie s-a arătat că se poate obŃine o suprafaŃă curată de material Ni2.1Mn0.9Ga cu
compoziŃie de bulc prin pulverizare şi recoacere. Dovezile modificării structurii electronice prin
pulverizare şi recoacere sunt schimbările care au loc în banda de valenŃă.
1.8 Analizorul mecanic dinamic DMA
Acest aparat este un instrument de presiune(forŃă) controlată ca parametru de comandă
al acestuia se utilizează amplitudinea (solicitarea) iar schema de principiu este expusă în figura
de mai jos
Fig. 1.40 Schema de principiu de funcŃionare a unui analizor mechanic dinamic
Elementele componente ale instalaŃiei sunt un motor care aplică o forŃă asupra probei şi
un dispozitiv de senzori care măsoară amplitudinea (solicitarea), iar funcŃionarea este simplă se
aplică o forŃă (controlabilă) asupra probei până când se ajunge la amplitudinea pe care dorim s-o
atingă proba. În continuare voi prezenta un model relative nou de analizor dinamic:
Fig. 1.41 Analizor mecanic dinamic
O dată cu evoluŃia computaŃională şi acest echipament a beneficiat de acest lucru prin
integrarea unui computer în controlul procesului de determinare a amplitudinii unui material.
Controlarea este total automatizată şi utilizatorul impune doar o deformare a
materialului care se manifestă prin amplitudine după care preia şi prelucrează rezultatul. ForŃa
variabilă aplicată, care este controlabilă, se modifică în funcŃie de schimbările rigidităŃii probei
pentru a menŃine constantă amplitudinea.
ForŃa aplicată se poate controla şi modifica de la motor iar senzorul utilizat este de tip
optic ceea ce înseamnă că amplitudinea comandată trebuie să fie între limitile inferioară şi cea
superioară de măsurare a blocului de captarea a semnalului. Principalii factori care caracterizează
o astfel de instalaŃie sunt:
-domeniul forŃei care se poate aplica este între 0,0001N şi 18N, astfel în calcule forŃa
este cunoscută iar dacă amplitudinea dorită nu cere nici măcar 0,0001N atunci măsurătoarea va fi
în afara specificaŃiilor.
-amplitudinile pe care le poŃi obŃine cu acest echipament sunt cuprinse între ±0,5 µm
În literatură există câteva studii despre frecarea internă la aliajele tip CuAlNi fiind
propuse chiar trei metode de investigare a spectrului de frecare internă: metoda vitezei
temperaturei, metoda izotermică şi metoda iterativă.
Primele două necesită mai obŃinerea mai multor spectre şi sunt mari consumatoare de
timp, a treia în schimb necesită un singur spectru de frecare internă la temperatură constantă şi
este simplu de aplicat.
Deoarece cercetările deja realizate s-au concentrat pe influenŃa diferiŃilor factori de
obŃinere a aliajului asupra frecării interne, obiectivul următorului studio prezentat este de
investigare a spectrului de frecare internă a unui aliaj cu memoria formei tip Ti50Ni27Cu23 cu
ajutorul unui analizor mecanic dinamic, analiza cantitativă a frecării interne printr-o metodă
iterativă şi prezicerea spectrului de frecare internă la diferite frecvenŃe de oscilaŃie.
Experimental un lingou din aliajul supus investigării a fost omogenizat la 880ºC timp
de 4 ore şi tăiat prin metoda scânteierii în probe pentru analiza frecării interne cu dimensiunile de
57,96x4,94x1,14 mm. Echipamentul utilizat pentru analiză a fost un analizor mecanic dnamic tip
TA Q800 cu o dublă contrafişă iar probele au fost încălzite de la 40 la 135 ºC cu o viteză de 3
gradeC/min iar amplitudinea solicitării a fost controată la 5x10-5 în timp ce frecvenŃa oscilaŃiei a
fost de 1, 2, 4 şi 6Hz.Spectrul de frecare internă din timpul transformării martensitice reversată
pentru diferite frecvenŃe de oscilaŃie a aliajului Ti50Ni27Cu23 este prezentat în figura următoare:
până la 10000 µm, deasemenea dimensiune care este considerată cunoscută.
-domeniul de frecvenŃă este între 0,01 şi 200 Hz
-rigiditatea trebuie să fie în domeniul de 100 N/m până la 10000000 N/m
Utilizarea acestui echipament şi-a găsit dese aplicaŃii în studiile inginereşti fiind utilizat
şi în cercetarea aliajelor cu memoria formei şi anume la investigarea frecării interne. Aliajul cu
memoria formei TiNiCu a atras foarte mult atenŃia datorită histerezisului de temperaturi reduse,
răspuns rapid de actuaŃie şi capacitate mare de absorbŃie în comparaŃie cu mai mult cunoscutele
aliaje Ti-Ni. Este ştiut faptul că există trei factori diferiŃi când vorbim despre spectrul frecarii
interne (intrinsec, tranzitoriu şi transformarea de fază) din timpul transformării martensitice.
Termenul intrinsec este notat cu IFIN(T) şi reprezintă amestecul contribuŃiei intrinseci a frecării
interne a martensitei şi austenitei. Termenul tranzitoriu notat cu IFTR(T) reprezintă termenul
cinetic care apare doar în timpul procesului de încălzire sau răcireşi este legat de fracŃia de volum
transformat. Termenul de tranziŃie de fază notat cu IFFT(T) este asociat cu deplasarea interfeŃelor
martensitice şi austenitice pe distanŃe largi produse de transformările cinetice.
Temperatura (ºC)
Fig.1.41 Spectrul frecării interne pentru aliajul studiat în timpul transformării martensitice reverse pentru diferite frecvenŃe a)1Hz b) 2Hz c) 4Hz d) 6Hz
Tan δ
După cum se observă exită un singur vârf care este localizat la aproximativ 91±0,1 ºC
pentru fiecare spectru. Valorile frecării interne descresc clar în timpul transformării martensitice
reverse o dată cu creşterea frecvenŃei de oscilaŃie.
Este arătat deasemenea că că valoare frecării interne a martensitei(fazele de la
temperatură joasă) este mai mare decât a austenitei(fazele de la temperatură înaltă).
Datorită abundenŃei de graniŃe din starea martensitică care pot fi uşor mişcate prin
tensiuni externe capacitatea de amortizare este deasemenea mai mare în această stare decât în cea
austenitică.
Termenii care reprezintă tranziŃia de fază şi tranzitorii pot fi uşor calculaŃi prin
extragerea termenului de frecare internă intrinsec din spectrul original de frecare.
Datorită poporŃionalităŃii termenului intrinsec cu fracŃia de transformare acesta se poate
calcula uşor. În figurile următoare sunt prezentate contribuŃiile tranzitorii ale frecării interne
pentru diferite frecvenŃe de oscilaŃie.
Temperatura (ºC) Temperatura (ºC)
a) b)
Fig. 1.42 Frecarea internă de tranziŃie pentru diferite frecvenŃe de oscilaŃie a) la frecvenŃa de 1Hz b) la frecvenŃa de 2Hz (a)la frecvenŃa de 4Hz (b) şi la frecvenŃa de 6Hz (c)
Pentru că termenul de frecare internă de tranziŃie de fază este foarte mic acesta se poate neglija. Din figura 1.43 b) este evident că valorile frecării interne tranzitorii în timpul transformării de fază descresc cu creşterea frecvenŃei de oscişaŃie iar valorile din starea martensitică sunt aproape identice cu cele din starea austenitică. DiferenŃa dintre spectrul total al frecării interne şi cel pentru frecarea tranzitorie fiin dat de spectrul frecării interne intrinseci, care este prezentat în figura următoare:
Tan δ
Tan δ
Temperatura (ºC)
Fig. 1.43 Spectrul frecării interne intrinseci şi fracŃia de transformare pentru aliajul studiat la frecvenŃa de oscilaŃie de 1Hz determinat prntr-o metodă iterativă unde n(T) reprezintă fracŃia de transformare
Există câteva modele teoretice de prezicere a frecării interne tranzitorii care în general se bazează pe aceleaşi expresii şi care sunt prezentate în lucrarea referinŃă şi conform cărora s-au obŃinut următoarele spectre puse în comparaŃie cu cele măsurate, pentru diferite frecvenŃe de oscilaŃie:
Temperatura(ºC) Temperatura(ºC)
Temperatura(ºC)
Fig. 1.44 ComparaŃie între spectrele de frecare internă tranzitorie între a) date experimentale şi b) date calculate pentru diferi frecvenŃe de oscilaŃie
Tan δ
Tan δ
Tan δ
2Hz 4Hz
6Hz
Eroarea maximă relativă între rezultatele obŃinute practice şi cele teoretice este 2,2%
astfel că putem ca acceptabile rezultatele obŃinute teoretic.
Prin acest studiu s-a expus o metodă de analiză a frecării interne, utilizând analizorul
dinamic mecanic, în timpul transformării martensitice cât şi o metodă iterativă de calcul a
acesteia, ambele având rezultate foarte apropiate şi deasemenea în concordanŃă cu rezulatatele
obŃinute din alte cercetări luate din literatura de specialitate ca referinŃe.
Bibliografie:
1. Ugur Sarı, Ilhan Aksoy, Yah Electron microscopy study of 2H and 18R martensites in Cu–
11.92 wt%Al–3.78 wt% Ni shape memory alloy
3. V.A. Chernenko et al., Structural and magnetic characterization of martensitic Ni–Mn–Ga,
Acta Materialia (2006), doi:10.1016/j.actamat.2006.06.058
4. Cheng Liu a, Ya-Pu Zhao a, Tongxi Yu Measurement of microscopic deformation in a
CuAlNi single crystal alloy by nanoindentation with a heating stage b
5. C. Biswas, S.R. Barman X-ray photoelectron spectroscopy study of sputter-annealed
Ni2.1Mn0.9Ga surface
6. Yong-Hua Li, Shu-Wei Liu b, Hai-Chang Jiang , Yong Wang , Zi-Yu Denga, Yu-Hai Li,
Cheng-Zhi Wang Analysis of the internal friction spectrum of TiNiCu alloy