capitolul i - final

8/3/2019 Capitolul I - FINAL

1/44

CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica

1

CAPITOLULI.

NOIUNIGENERALEPRIVINDDEFORMAREAPSEUDO-ELASTO-PLASTIC

1.1.Introducere.

Tendinele actuale ale cercetrii n domeniul tiinei i inginerieimaterialelor se ndreapt din ce n ce mai mult ctre dezvoltarea unor

materiale metalice cu performane superioare, care s rspund exigenelor

sporite ale industriei moderne, simultan cu aplicarea unor tehnologi de

prelucrare de maxim eficien economic. n acest context, trebuie

precizat c deformarea plastic, datorit avantajelor de ordin tehnic i

economic pe care le prezint, este n prezent cel mai utilizat procedeu deprelucrare a materialelor metalice, ceea ce explic interesul sporit al

cercetrii tinifice pentru optimizarea proceselor aferente acestui

domeniu.

Din aceast perspectiv, este fireasc preocuparea de a gsi noi

modaliti de cretere a utilizrii de noi materiale, n aceast sfer de

interes nscriinduse i cercetrile privind materialele cu plasticitate

anormal (materiale care manifest diverse efecte, cum ar fi:

pseudoelasticitate sau superelasticitate, pseudoplasticitate sau efectul

simplu dememorie aformei, efectul dublu de memorie a formei, emisie

termoacustic, etc.). Cea mai important caracteristic a materialelor care

manifest aceste tipuri de efecte, este aceea a recuperrii unei dimensiuni

sau a formei schimbate prin deformare, atunci cnd asupra acestora se


2/44


2

acioneaz cu un gradient de temperatur, deformaia recuperat astfel

putnd depi 8%, tiind fiind c prin dilatare sau contracie termic se

poate recupera cel mult (1 2)%.

Dei pe plan mondial primele cercetri n domeniul acestor tipuri de

materiale au fost semnalate cu 50 de ani n urm, o amploare deosebit a

investigaiilor privind aceste fenomene sa nregistrat deabia n ultimi 20

de ani, n prezent aplicaiile industriale fiind deja numeroase.

Cu toate c la nivel internaional aceste efecte particulare,

manifestate de unele categorii de materiale, nu mai sunt o curiozitate,

rezultatele nregistrate fiind uneori spectaculoase, la noi n ar acest tip de

comportare la deformare este puin cunoscut, cercetrile n acest domeniu

fiind de dat recent, reduse ca extindere i profunzime, iar aplicaiile

foarte reduse.

Dat fiind relativa noutate a acestui subiect la noi n ar, se impune

nainte de toate prezentarea unor particulariti ale comportamentului la

deformare i a propriettilor materialelor care manifest aceste tipuri de

efecte.

1.2. Particulariti ale comportamentului la deformare aaliajelorcareconinelementedincategoriametalelordetranziie.

1.2.1.Noiunigenerale.

n cele ce urmeaz vor fi prezentate schematic, fr referiri la un tip de

aliaj anume, o serie de componente ale deformrii mediilor continue care se

altur componentelor elastic, plastic i vscoas, bine cunoscute n

momentul de fa. Aceste tipuri speciale de deformare apar n o serie de

superaliaje i sunt strns legate de specificul transformarii martensitice, la


3/44


3

care evident c factorul temperatur intervine direct cnd se analizeaz acest

tip de transformri.

Pentru analiza transformrii martensitice sau acceptat urmtoarele

notaii:

(,T) deformaia total; e () deformaia elastic; p () deformaia plastic; pe () deformaia pseudoelastic (superelastic); pp (,T) deformaia pseudoplastic (efectul simplu dememorie aformei);

T (T) deformaia datorat dilatrii sau contraciei termice; 2E(T) deformaia datorat efectului dublu de memorie a formei; T temperatura; tensiunea datorat solicitrii mecanice exterioare; Mf temperatura de sfrit de transformare martensitic; Ms temperatura de nceput detransformare martensitic; Af temperatura de sfrit de transformare austenitic; As temperatura de nceput de transformare austenitic.Componentele deformaiei totale pentru anumite condiii de solicitare

exterioar (tensiune , temperatur) sunt prezentate n tabelul 1.1


4/44


4

Tabelul1.1.

Componenteledeformaieitotalenfunciedecondiiiledesolicitare.

Tensiunea 0 = 0 = 0 = 0

Temperatura T < Mf T < MfT > Af

nclzireT < Afrcire

Deformaia=

e+pe+p+pp=p+pp =p =p+2E

Pentru aa numitele materiale normale (oeluri, aliaje de aluminiu,etc.) din acest punct de vedere deformaia total respect relaia [1]:

( ) ( ) ( ) ( )TT Tpe ++=, (1.1)

Dintre materialele la care apar i celelalte componente ale deformaiei

pe(); pp(,T); 2E(T) se pot meniona: superaliaje pe baz de titan (dintre

care unele prezint efecte de memorie a formei), aliajele neferoase cu efectede memorie a formei (CuZn; CuSn; CuAlNi, etc.) i unele materiale

biocompatibile. Pentru toate acestea, deformaia total respect, n general,

relaia [1]:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )TTTT ETppppee 2,, +++++= (1.2)

Sau precizat n felul acesta i clasele de materiale care intereseazdin punct de vedere al elasticitii i plasticitii anormale.

O alt observaie important pentru aceste materiale este aceea c

sunt dependente direct de temperatur dou din componentele deformaiei

i anume: deformaia pseudoplastic pp(,T) i deformaia datorat

efectului dublu de memorie a formei 2E(T).


5/44


5

1.2.2.Transformareamartensiticipseudo-elasto-plasticitatea.

n acest paragraf se vor prezenta doar unele idei de baz care vizeaz

mecanismele microstructurale care determin comportamentul special la

deformate al unor clase de aliaje care prezint transformarea martensitic.

Se poate preciza de la nceput c exist practic trei posibiliti de a obine o

morfologie a fazei de baz (inpropriu numit austenit) i a martensitei (fig.

1.1) [2, 3, 4].

Fig.1.1.Reprezentareaschematicatransformriimartensitice,

A,B,CiD variantedeplachetedemartensit.

Primul caz se refer la morfologia i structura fazei de baz

(austenita) care, pentru aliajele cu efect de memoria formei reprezint

varianta policristalin, cea care confer materialului forma la temperatur

ridicat (fig. 1.1a). Cea dea doua variant reprezint o structur

martensitic obinutn mod obinuit prin simpla rcire sub temperatura Mf

(fig. 1.1b). Se observ c, de fapt, structura fazei de baz se subdivide n

cristale mozaic. Dac nu se aplic nici o solicitare mecanic (o tensiune) din

exterior sau nu exist un aa numit antrenament prealabil al materialului,

constnd din cicluri termice i de deformaie, se conserv forma de

temperatur nalt (fig. 1.1a) fr a fi prezent efectul de memorie a

formei.[5, 6]. n final a treia variant (fig. 1.1c) este aa numita martensit


6/44


6

oblic. Aceasta se poate obine fie prin deformarea martensitei sub

temperatura Mf sau prin deformarea austenitei (fazei de baz) la o

temperatur care depete cu puin punctul Af. Aa cum se observ n

figura 1.1c de data aceasta apare i o modificare a formei globale a

cristalului datorit modificrii formei subcristalelor mozaic. Diferena de

form ntre martensita ilustrat n figura 1.1b i martensita ilustrat n

figura 1.1c st la baza efectului de memorie a formei care, n situaia cnd

modificarea formei nu se obine prin simpla alternan a temperaturii n

jurul punctului Mf poart numele de pseudoplasticitate sau efect simplu de

memorie a formei. n plus, pentru a se obine acest efect este necesar ca

materialul snvee s rein aceast formi aici intervine cu rol decisiv

antrenamentul materialului [5, 6].

Se poate preciza c pseudoplasticitatea, sau efectul simplu de

memoria formei, depinde de aplicarea unei solicitri exterioare i de

temperatura la care acest proces are loc, deci deformaia fiind o funcie de

ambele variabile, pp(,T). n cazul n care, dup un antrenament

corespunztor se obine efectul dublu de memoria formei datorit cruia

recuperarea (uneori parial) a formei se obine prin simpla variaie a

temperaturii, deformaia va fi o funcie care depinde numai de temperatur,

(T).

De cele mai multe ori pseudoplasticitatea este nsoit de aa numita

pseudoelasticitate. ntro prezentare mai simpl, se poate face n acest caz

analogia cu comportamentul cauciucului la deformare. Acest material

recupereaz integral forma iniial dup ce solicitarea exterioar a fost

nlturat. n mod asemntor se pot compara, pentru un anumit regim de

solicitri, superaliajele care prezinti proprieti de pseudoelastictate.


7/44


7

Aa cu sa precizat mai sus, transformarea martensitic poate aprea

att ca rezultat al unei subrciri cti ca urmare a deformrii la temperaturi

superioare punctului Ms (nceputul transformrii martensitice). Tensiunea

critic (M) pentru inducerea martensitei crete o dat cu creterea

temperaturii la care are loc deformarea (fig. 1.2) [7, 8, 9].

Dac tensiunea critic de alunecare (S) este foarte sczut, respectiv

pn la nivelul (SL), aa cum se observn figura 1.2 efectul pseudoplastic

nu apare la nici o temperatur, situaie care se datoreaz faptului c

deformarea prin mecanisme de alunecare precede transformrile induse dedeformarea la o anumit temperatur. Dac totui, tensiunea critic de

alunecare S este foarte mare, atingnd valoarea (SH), se constat apariia

perfect a efectului de pseudoplasticitate [10, 11].

n figura 1.3 se prezint curbele tipice n coordonate tensiune

deformaie pentru elasticitate normal (fig. 1.3a) i pentru

pseudoelasticitate (fig. 1.3b...d).

Fig.1.2.Diagramatensiune-temperaturcareindicdomeniiledeexisten

alepseudoplasticitii -pseudoelasticitii.


8/44


8

Fig.1.3.Curbetipicetensiune - deformaiepentrumateriale

cucomportamentelasticipseudoelastic.

Suprafaa notat E1 reprezint densitatea de energie disipat n

timpul unui ciclu, n timp suprafaa notat E2 reprezint densitatea de

energie pe unitatea de volum care este nmagazinat i disponibil dup

suprimarea ncercrii. Dac ntreaga cantitate de energie este (E1+E2),

eficiena nmagazinrii energiei poate fi definit de raportul: E/(E1+E2).

Propritile de pseudoplasticitate sunt avantajoase n situaia n care se

urmrete nmagazinarea energiei mecanice, deoarece E2 asociat cu

pseudoelasticitatea (PE) n curba (c) din figura 1.3 este mult mai mare dect

elasticitatea prezentat n figura 1.3 (b). De exemplu, valoarea energiei E2

pentru un superaliaj TiNi supus unui tratament termomecanic special este

de aproximativ 40 de ori mai mare dect pentru arcuri.

Comparnd curbele (b) i (c) din figura 1.3 este uor de neles c att

energia E2 ct i eficiena nmagazinrii energiei cresc o dat cu creterea

valorii tensiunii critice M. Totui, n cazul n care M depete tensiunea

S, efectul de pseudoelasticitate devine incomplet datorit apariiei

deformaiei reziduale p (fig. 1.3d). Concluzia necesar este aceea c pentru

a obine efecte pseudoelastice i pseudoplastice stabile este necesar s se


9/44


9

creasc valoarea tensiunii S . n acest scop sunt deosebii de importani

urmtorii doi factori:

temperatura de recoacere;

temperatura de mbtrnire.Pentru superaliajele Ni Ti recoacerea la temperaturi inferioare

temperaturii de recristalizare are proprietatea de a rearanja densitatea de

dislocaii care a fost generat de deformarea plastic la rece anterioar

tratamentului termic de recoacere.

Tratamentul terrmic de mbtrnire pentru acelai superaliaje TiNi,

produce precipitate fine de tipul Ti3Ni4 care la rndul lor dau natere

durificrii prin mbtrnire. Densitatea unor astfel de precipitate crete o

dat cu creterea concetraiei de nichel n aliaj i de aceea efectul

mbtrnirii este mai pregnantn aliajele bogate n nichel.

Acest tip de structur intern previne deplasarea dislocaiilor i are

drept rezultat creterea valorii tensiunii critice C.

1.3.Particularitialeproprietilorpentrualiajecuplasticitate

anormal.

Noile generaii de materiale (n particular superaliajele) pun

probleme deosebite referitoare la comportamentul acestora, att in fazele

de procesare ctin exploatare.

Multitudinea de categorii de microstructuri care pot fi obinute prin

procesarea acestora conduce la obinerea unor proprieti deosebite i care


10/44


10

dac sunt cunoscute, pot fi folosite eficientn diferitele domenii practice de

exploatare ale materialelor metalice.

n cele ce urmeaz vor fi analizate aceste proprieti, n special cele

care in de aa numita plasticitate anormal, n corelaie cu tipul

structural de aliaj i cu condiiile concrete de lucru ale acestor aliaje.

1.3.1.Proprieticarensoescplasticitateaanormal.

Dac un material este supus unei tensiuni uniaxiale, n mod normal el

se alungete dup o lege liniari apoi, dup depirea limitei de curgere, se

deformeaz plastic. Pentru foarte multe scopuri, informaiile care descriu

rezultatele unui astfel de experiment sunt: modulul de elasticitate liniar

(E), limita de curgere (Rp0:2), limita de rupere (Rm). De asemenea se poate

constata caracterul ruperii precizinduse dac este vorba de o rupere

ductil sau fragil.

Cele descrise mai sus pot fi denumite proprieti normale care pot fideterminate dintrun experiment simplu de traciune. n principiu toate

materialele metalice posed aceste proprieti, sensul i interpretarea lor

fiind bine cunoscute.

Totui pentru noile generaii de materiale o serie de detalii semnalate

n experimentele de traciune i/sau compresiune au relevat i aa numitele

proprieti plastice anormale. Acestea sunt: curgerea fragmentar, emisia

acustic, termoelasticitatea, pseudoelasticitatea, pseudoplasticitatea, etc .

n continuare se va insista asupra acelora care prezint interes n

raport cu obiectivul acestei lucrri i anume: termoelasticitatea,

pseudoelasticitatea i pseudoplasticitatea. Multe din aceste proprieti se

leag de specificul transformrii martensitice.


11/44


11

1.3.2.Termoelasticitatea.

Transformarea termoelastic a martensitei are drept caracteristic

faptul c aceasta continu pe msur ce temperatura scade [12].

n contrast cu modul uzual de evoluie al transformrii martensitice,

varianta de transformare termoelastic nu este nsoit de apariia brusci

ireversibil a grupelor de plachete. Efectul acestor transformri este

reversibil, fracia de volum de martensit transformat descrescnd

continuu ctre zero pe msur ce temperatura revine la valori normale.

Pentru unele aliaje, ca de exemplu Ti Nb cu compoziia chimic

apropiat de cea folosit pentru semiconductori, se pare c aceast

reversibilitate a transformrii martensitice se extinde spre temperaturi

extrem de coborte (cca.2000C) dei nu exist determinri microscopice

care s evidenieze nici un indice, nu pledeaz pentru extensia domeniului

martensitic la temperaturi aa de sczute.

Cercetri mai recente [12, 13] au indicat c responsabil pentru

efectul termoelastic este mai de grab transformarea atomic. Un calcul

geometric simplu conduce la predicia c o contracie net de aproximativ

3% are loc perpendicular pe planul (112 )n timpul transformrii .

1.3.3.Pseudoelasticitatea.

Pseudoelasticitatea este mai cunoscut i sub numele de

superelasticitatei este ilustrat schematic n figura 1.4.

Din aceast figur se constat c o prob dup ce se deformeaz elastic

pnn punctul B, i continu deformarea pnn punctul C ntro manier


12/44


12

aparent de deformare plastic. La descrcare, deformaia atinge valoarea

punctului B cu o net disipare de energie, deci cu o revenire elastic sau

aproximativ elastic la starea iniial corespunztoare punctului A.

Fig.1.4.Ilustrareaschematicapseudoelasticitii.

Dac se face o analogie mecanic cu efectul termoelastic,

transformarea progreseaz continuu cu creterea sarcinii aplicate i

regreseaz continuu pe msur ce sarcina este ndeprtat.

Pentru nivele suficient de coborte ale tensiunii, materialul manifest

proprieti elastice normale. Aparenta deformare plastic este deci

rezultatul unei transformri martensitice reversibile indus de tensiunea

aplicat.

Comportarea din domeniul plastic sugereaz c acest efect ar fi mai

corect s fie numit pseudoplasticitate, totui, termenul de pseudoelasticitate

sau superelasticitate sub care este cunoscut acest fenomen, este corect

deoarece provine de la constatarea c materialul revine la starea iniial

dup ndeprtarea solicitrii exterioare, ceea ce ar corespunde unui

comportament de tip elastic.


13/44


13

Transformarea martensitic ndus de cmpul de tensiune aplicat,

apare cu certitudine n aliajele titanului cu metalele de tranziie [13, 14].

Aceast transformare poate fi stimulat de aplicarea unei mici deformaii n

momentul incipient al transformrii.

Caracteristica de baz a pseudoelasticitii, sau superelasticitii, este

reversibilitatea acesteia. Acest fenomen poate s apar uneori n absena

transformrii martensitice dar atunci esta legat de procesele de acomodare

naturalntre perechi de structuri maclate.

n general o curb care indic proprieti de pseudoelasticitate (fig. 1.5)

este caracterizat de regiuni cu tensiuni constante de ncrcare (i), respectiv

pentru descrcare (d). Aceste valori ale tensiunilor de palier sunt indicatori

mai buni ai rezistenei mecanice dect valoarea tradiional a tensiunilor de

curgere. Valorile tipice ale acestor caracteristici penrtu un aliaj de tip Ti Ni se

prezintn talelul 1.2.

Fig.1.5.Diagramaschematiccumrimilecaracteristice

superelasticitii.

Transformarea martensitic indus de cmpul de tensiuni nu poate

avea loc la o temperatur mai mare dect cea notat Md (fig. 1.6).


14/44


14

Temperatura Md este definit ca temperatura maxim la care poate fi

indus transformarea martensitic datorat cmpului de tensiune aplicat.

ntre temperaturile Ms (temperatura nceputului transformrii

martensitice) i Md, materialul se transform continuu din austenit n

martensit, aceast transformare fiind nsoit de variaia limitei de curgere.

Fig.

1.6.

Variaialimiteidecurgerecutemperatura.

Caracteristici tipice pentru curbele de ncrcare descrcare:

Pseudoelasticitatea este putrnic dependent de temperatur (fig.1.7).

Dac se modific compoziia chimic sau tratamentu termic, domeniul

de temperaturn care se poate manifesta comportamentul superelastic se

extinde de la 1000C la +1000C.

Pseudoelasticitatea are caracteristici diferite pentru anumitealiaje, la temperaturi coborte respectiv la temperaturi ridicate


15/44


15

[15]. Aliajele care manifest aceste proprieti la temperaturi

sczute sunt de tipul Ti Nb cu mici adaosuri de aluminiu.

Fig.1.7.Dependenavalorilortensiunilorcorespunztoarepalierului

dencrcare - descrcare,detemperatur.

Dac ciclurile de ncrcare descrcare se repet deformaiarezidual are valori diferite. Pentru unele aliaje de interes tehnic,

cum este cunoscutul Ti6Al4V este necesar s se aplice mai multe

cicluri de deformaie pentru a se pune n eviden proprietile de

pseudoelasticitate la temperatura camerei.

Tabelul1.2.

ValoriletipicealemrimilorpseudoelasticitiipentruunaliajNi-Ti.

i [MPa] 450 700d [MPa] >250

Deformaia elastic [%] 11Deformaia permanent [%] 6

Energia maxim nmagazinat [j/cm3] 40 50


16/44


16

1.3.4.Pseudoplasticitatea.

Aceast proprietate poate fi considerat ca o combinaie a

termoelasticitii i a pseudoelasticitii, considernduse c dup ce

transformarea martensitic este indus prin cmpul de tensiuni,

transformarea invers este posibil prin creterea temperaturii

materialului.

Transformarea martensitic are loc astfel nct interfaa dintre

martensit, care se transformi faza de baz este n realitate un plan, care

nu se rotete i nu se distorsioneaz, numit plan invariant. n felul acesta

este minimizat energia de deformaie. O asemenea transformare

martensitic necesit o microdeformare de tip forfecare n reeaua

cristalografic, iar fora motrice necesar pentru a avea loc o asemenea

transformare este diferena dintre energia liber chimic a fazei de baz a

materialului deasupra punctului AS.

Regenerarea complet a formei se datoreaz transformrii

cristalografice reversibile prin care se restabilete orientarea iniial a fazei

de baz i apare datorit deplasrii interfeei dintre faza de baz i faza

martensitic dupnclzire.

n cazul n care prezint i o transformare premartensitic,

regenerarea formei prezint unele particulariti. Se pare c nainte de

formarea fazei R apar mai nti microdomenii antifazi doar dup scderea

temperaturii apare structura acicular.

Prima transformare a fost descris ca o transformare de ordinul doi

iar a doua ca o transformare de ordinul nti [13, 16]. Secvenele


17/44


17

transformrii pot varia i depind de temperatura de tranziie TR i de

temperatura de nceput de transformare martensitic.

Valorile punctelor de transformare TR i MS depind de compoziia

aliajului i de prelucrarea termomecanic precedent.

n unele aliaje, prin anumite metode, sa evideniat o lrgire a

intervalului de temperaturi TR MS prin coborrea punctului MS. Aceste

metode sunt:

substituia unui element de baz al superaliajului cu o anumitcantitate de elemente formate din metale de tranziie;

recoacerea la temperatur sczut urmat de deformare plastic larece;

tratamente termice de mbtrnire pentru aliaje bogate n nichel.Unii autori [12, 17] au constatat c transformarea premartensitic

este analog cu efectul termoelastic datorit faptului cn experimentele de

traciune exist un palier de curgere, care este justificat prin transformarea

premartensitic indus de deformare.

Alte experimente au semnalat c pseudoplasticitatea poate s apari

n aliaje care prezint o transformare de tipul sau n materiale a

cror structur iniial este n ntregime martensitic, caz n care efectul ia

natere prin reorientarea plachetelor de martensit.

n ceea ce privete transformarea , care este nsoit de o

dilatare considerabil, apariia acestui experiment realizat fie izoterm (efect

pseudoelastic) fie adiabatic (efect pseudoplastic), pe curba caracteristic

= f () apar o serie de anomalii de tipul buclelor sau a curgerii ntrerupte.


18/44


18

1.4. Aliajele care conin elemente din categoria metalelor detranziie.

1.4.1.Noiunigenerale.

Termenul de aliaje cu memorie a formei (ShapeMemoryAlloys -

SMA) sau aliaje cu plasticitate anormal este folosit pentru un grup de

materiale metalice, care au demonstrat abilitatea de a recupera o form sau

mrime definit, schimbat prin deformare, cnd este supus unui ciclu

termic corespunztor. n general, aceste materiale pot fi deformate plastic

la o temperatur relativ sczuti n urma nclzirii la o temperatur relativ

ridicat acestea i vor recpta, ntro proporie anumit, forma lor iniial.

Materialele care manifest efectul de memorie a formei la nclzire sunt

cunoscute ca avnd efectul simplu de memorie a formei (one-way shape

memory effect) [18, 19, 20, 21]. Unele materiale i manifest efectul de

memorie a formei la rcire, aceste materiale sunt cunoscute ca avnd efectul

dublu de memorie a formei (two-wayshapememoryeffect) [18, 19, 20, 21].

Tabelul1.3.

Aliajecareauefectedememorieaformei.

Aliajul CompoziiaIntervalul de

temperatur detransformare

Intervalul detemperatur a

ciclului de Histerezis 0C 0F 0C 0F

AgCd 44/49 %at. Cd 190 50 310 60 15 25AuCd 46,5/50 %at. Cd 30 100 85 212 15 25

CuAlNi 14/14,5 %gr. Al3/4,5 %gr. Ni

140 100 220 212 35 65

CuSn aprox. 15 %at. Sn 120 30 185 85 CuZn 38,5/48,5 %gr.

Zn180 10 290 15 10 20

CuZnXX=Si, Sn, Al

cteva %gr. X 180 200 290 390 10 20

InTi 18/23 %at. Ti 60 100 140 212 4 7NiAl 36/38 %at. Al 180 100 290 212 10 20


19/44


19

NiTi 49/51 %at. Ni 50 110 60 230 30 55FePt 25 at.% Pt 130 200 4 7

MnCu 5/35 %at. Cu 250 180 420 355 25 45FeMnSi 32 %gr. Mn,

6 %gr. Si

200 150 330 300 100 180

Sunt cunoscute o larg varietate de aliaje care manifest efecte de

memorie a formei, ns doar acelea care manifest o regenerare substanial

a formei iniiale au un interes comercial. Dintre aliajele cu efect de memorie

a formei cele mai cunoscute sunt aliajele pe baz de NiTi i aliajele pe baz

de Cu, cum ar fi CuZnAl i CuAlNi (tabelul 1.3).

Efectele de memorie a formei sunt explicate prin aciunea martensitei

termoelastice. n acest caz, n material este indus o transformare

martensitic printrun mecanism termomecanic (temperaturdeformare),

obinnduse n material o anumit structur (martensitic). Forma iniial

este apoi recuperat, ntro anumit proporie, atunci cnd structura finaltrece, prin nclzire, n structura iniial a materialului metalic.

Pe msur ce efectul de memorie a formei a devenit mai bine neles

au fost investigate un numr mare de sisteme de aliaje, care manifest

aceste efecte de memorie a formei.

1.4.2.Caracteristicigenerale.

Transformarea martensitic care are loc n aliajele cu memorie a

formei induce o martensit termoelestic, care la nclzire, deasupra unei

anumite temperaturi, se transform n austenit. Martensita care se

dezvolt, n urma transformrii martensitice, este alctuit din plachete


20/44


20

alternnde. Transformarea martensitici transformarea austenitic, nu au

loc la o anumit temperatur ci au loc ntrun anumit interval de

temperaturi, diagrama de caracterizare a ciclului de transformare fiind

prezentatn figura 1.8.

Ciclul de transformare manifest un histerezis i anume

transformrile la nclzire i la rcire nu se suprapun. Dup cum se vede din

figura 1.8 histerezisul de transformare este definit gradientul de

temperatur T, care este diferit pentru diferite materiale metalice.

Fig.1.8.Curbeletemperatur- transformarepentrunclzireircire.

Dup cum se observ din fig. 1.8 se pot definii astfel cinci temperaturi:

T diferena de temperatur a ciclului de histerezis; Mf temperatura de sfrit de transformare martensitic

(martenitefinish);

Ms temperatura de nceput de transformare martensitic(martenitestart);


21/44


21

As temperatura de nceput de transformare austenitic (austenitestart);

Af temperatura de sfrit de transformare austenitic (austenitefinish).

1.4.3.Cristalografiaaliajelorcumemoriaformei.

Cristalele de martensit termoelastic sunt caracterizate printro

energie cobort i prezena interfeelor glisante, care i pot schimba

poziia sub aciunea unor gradiente mici de temperaturi/sau schimbrilor

tensiunii de siolicitare. Prezena interfeelor glisante i a energiei mici a

cristalelor de martensit termoelastic, duc la pierderea simetriei cristalului

n timpul transformrii.

Martensita termoelastic este reversibil cristalografic, aceasta

nseamn c structura iniial din care a fost obinut prin rcire martensita,se poate regenera complet din martensit prin nclzire.

Fig.1.9.Evoluiastructutriiunuicristaldefazntimpulunuiciclu,a - cristaldefazdebaz,b - variantedeplachetedemartensitA,B,CiD,

duprcireitransformareamartensitic,c - variantdestructur

martensiticrezultatdupaplicareatensiuniidesolicitare.


22/44


22

Structura de plachete altermnde a martensitei prezentat n figura

1.9b, a fost obinut din faza de baz (austenita), care are o temperatur

mai mare dect temperatura de sfrit de transformare austenitic (T > Af).

n urma transformrii martensitice, care are loc la o temperatur mai mic

dect temperatura de nceput de transformare martensitic (T < Ms), sunt

generate microdeformaii, cristalele de martensit ne alctuind forma

geometric a cristalului de austenit din care sau format. Prin solicitarea

cristalelor de martensit cu o anumit tensiune are loc deformarea

cristalelor de martensit cu un anumit grad de deformare . Totodat are

loc i o ordonare n dispunerea plachetelor de martensit, iar dac

temperatura este mai mic dect temperatura de sfrit de transformare

martensitic (T < Mf), rezult o structur ca n figura 1.9c. nclzind n

continuare la o temperatur mai mare dect temperatura de sfrit de

transformare austenitic (T > Af) se obine regenerarea formei iniiale (fig.

1.9a).

1.4.4.Comportamentultermo-mecanic.

Proprietile mecanice ale acestor tipuri de materiale sunt foarte mari

n intervalul temperaturilor de transformare. n figura 1.10, unde sunt

prezentate curbele tensiunedeformaie pentru un aliaj NiTi, care a fost

testat la traciune, n intervalul de temperaturi corespunztor transformrii

austenitmartensiti deasupra acestui interval de temperatur. Dup cum

se observ, martensita este uor deformat la grade mici de deformare, fiind

necesare pentru aceasta tensiuni mici, n timp ce austenita (faza de

temperatur ridicat) necestit o tensiune de deformare mai mare pentru

realizarea curgeri.


23/44


23

Fig.1.10.Curbeletensiune-deformaieladiferitetemperaturi,

a - austenita,b -martensita,c - comportamentulpseudoelastic.

Un comportament interesant este observat i n figura 1.10c, unde

curba tensiunedeformaie, pentru materialul testat la o temperatur puin

mai mare dect tempareatura de transformare, are o form de histerezis. La

o temperatur puin mai mare dect temperatura de transformare,

martensita poate fi indus de tensiune. Astfel la o tensiune relativ constant,

mai mic dect tensiunea de curgere, la ncrcare, are loc o deformare AB

relativ mare, o dat cu ndeprtarea tensiunii de solicitare (descrcare),

materialul i recupereaz structura iniial (austenitic) i totodat forma

iniial dup palierul CD, la o tensiune tot relativ constant. Acest efect, care

face ca materialul s fie foarte elastic, este cunoscut sub denumirea de

pseudoelasticitate (superelasticitate). Pseudoelasticitatea nu este "liniar",

modulul de elasticitate al lui Young este dificil de determinat, deoarece el

depinde att de temperatur cti de dependena teniunedeformaie.


24/44


24

n cele mai multe cazuri, dintre efectele de memorie care se pot

manifesta este prezent doar efectul simplu de memorie a formei i aceasta

deoarece dup rcire nu intervin nici un fel de schimbri majore n forma

corpului, chiar i atunci cnd structura este n totalitate martensitic.

Deabia dup inducerea tensiunii n martensit i nclzire este prezent

efectul simplu de memorie a formei.

Este posibil ca unele aliaje s prezinte i efectul dublu de memorie a

formei, ceea ce nseamn c forma iniial poate fi recuperat att prin

nclzire ct i prin rcire. Au fost propuse o serie de metode pentru

obinerea efectului dublu de memorie a formei cum ar fi de exemplu

efectuarea unui numr de cicluri de tratamente termice i mecanice, numit

antrenament. Acest antrenament este utilizat pentru introducerea de

concentratori microstructurali de tensiune care fac ca plachetele de

martensit s se orienteze pe anumite direcii la rcire, rezultnd schimbri

de formn direcii dorite [23, 24].

1.4.5.Aliajepebazdecupru.

Aliajele pe baz de cupru folosite sunt din sistemul ternar CuAlX,

categoria CuZnAl i CuAlNi, care mai prezint i adaosuri mici de Mn.

Elementele ca borul, cobaltul, fierul titanul, vanadiul i zirconul suntadugate n compoziie pentru micorarea dimensiunii grunilor. Unele din

proprietilor importante ale acestor tipuri de aliaje cu memorie a formei

sunt prezentate n tabelul 1.4 [25].

Temperatura de nceput de transformare martensitic (Ms) i

compoziia aliajelor CuZnAl sunt prezentate n fig. 1.11. Uzual compoziiile


25/44


25

acestor aliaje sunt de obicei n intervalul (11 14,5)%gr.Al i (3 5)%gr. Ni

[26, 27, 28].

Temperatura de transformare martensitic poate fi ajustat prinvarierea compoziiei chimice. Astfel pentru aliajele CuZnAl i CuAlNi au

fost obinute urmtoarele relaii empirice ale temperaturii de transformare:

pentru CuZnAl [27]:( )M C at Zn at Als

0 2212 66 9% 90 65%= , . , . (1.3)

pentru CuAlNi [28]:( )M C gr Al gr Nis

0 2020 134% 45%= . . (1.4)

Tabelul1.4.

ProprietilealiajelorpebazdeCu.

Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni

Proprietitermice

Temperatura de topire, 0C 950 1020 1000 1050

Densitatea, g/cm3 7,64 7,12

Rezistivitatea, cm 8,5 11 13

Conductivitatea termic, W/m0C 120 30 43

Capacitatea termic, J/kg0C 400 373 547

Proprietimecanice

Modulul lui Young, Gpa pentru:

Faza 72 85 Martensit 70 80


26/44


26

Efortul de curgere, Mpa pentru:

Faza 350 400 Martensit 80 130

Efortul de rupere, Mpa 600 500 800

Proprietidememorieaformei

Intervalul de transformare, 0C < 120 < 200

Temperatura de histerezis, 0C 15 25 15 20

Fig.1.11.TemperaturaMsicompoziiapentrualiajelecuefectdememorie

aformeipebazdeCuZnAl.

Manganul ca element nsoitor n aceste aliaje coboar intervalul

temperaturilor de transformare att pentru aliajele CuZnAl ct i pentru

aliajele CuAlNi.


27/44


27

1.4.6.AliajepebazdeNi-Ti.

1.4.6.1.DiagramadeechilibruNi-Ti.

Aliajele pe baza de NiTi sunt la momentul actual farte bine cunoscute

i drescrise n literatura de specialitate.

Analiznd diagrama de echilibru

NiTi, diagram prezentat n figura

1.12, se poate observa existenta

urmtoarelor faze (n funcie de

concentraia pentru elementul Ni) [29]:

Ni = (0,0 0,30)%, faza existent

se noteaz Ti, simbolul Pearce pentru

aceast faz este hP2, iar grupul spaial

al acestei faze este P63/mmc;

Ni = (0,00 12,0)%, faza

existent se noteaz Ti, simbolul

Pearce pentru aceast faz este cl2, iar grupul spaial al acestei faze este

lm3m;

Ni = (~10,0)%, faza existent se noteaz (a), simbolul Pearce

pentru aceast faz este hP3, iar grupul spaial al fazei este P6/mmm sau

P3m1,aceasta este o faz metastabil;

Ni = (< 38,0)%, faza existent se noteaz NiTi2, simbolul Pearce

pentru aceast faz este cF96, iar grupul spaial al fazei este Fd3m;

Fig.1.12.Diagramadeechilibru

Ni-Ti.


28/44


28

Ni = (< 58,0)%, faza existent se noteaz NiTi(a), simbolul Pearce

pentru aceast faz este mP4, iar grupul spaial al fazei este P21/m, aceasta

este o faz metastabil;

Ni = (47,6 53,0)%, faza existent se noteaz NiTi, simbolul Pearce

pentru aceast faz este cP2, iar grupul spaial al fazei este Pm3m;

Ni = (~ 77,0)%, faza existent se noteaz TiNi3(a), simbolul Pearce

pentru aceast faz este hR21, iar grupul spaial al fazei este R3m , aceasta

este o faz metastabil;

Ni = (< 79,0)%, faza existent se noteaz TiNi3, simbolul Pearce

pentru aceast faz este hP16, iar grupul spaial al fazei este P63/mmc;

Ni = (86,0 90,0)%, faza existent se noteaz TiNi3(a), simbolul

Pearce pentru aceast faz este cP4, iar grupul spaial al fazei este Pm3m,

aceasta este o faz metastabil;

Ni = (88,4 100,0)%, faza existent se noteaz (Ni), simbolul Pearce

pentru aceast faz este cF4, iar grupul spaial al fazei este Fm3m;

Diagrama prezentat n figura 1.12 este o relativ complet, unii

autorii ns au propus utilizarea unor diagrame de echilibru NiTi, care

prezint alt aspect. Astfel, diagrama prezentat n figura 1.12 rezult din

extrapolarea altor dou diagrame de echilibru, diagrame ce sunt prezentate

in figurile 1.13 i 1.14 [30, 31]. Exist ns i alte variante de diagrame de

echilibru NiTi, propuse de diveri cercettori, dar acestea nu sunt att de

exacte ca cele prezentate n figurile 1.12, 1.13 i 1.14. n toate aceste

diagrame sunt prezente aceleai faze dar difer poziiile liniilor i curbelor

ce separ domeniile din diagrame, diferite fiind i unele valori ale


29/44


29

temperaturilor de transformare n stare solid. Aceste diferene au fcut

imposibil realizarea unei diagrame de echilibru unice.

Diagrama de echilibru NiTi a fost studiat, de diveri cercettori, pe

domenii de compoziie i astfel se poate spune c aceast diagram a fost

studiat pe urmtoarele domenii:

aliaje NiTi bogate n Ni; aliaje NiTi bogate n Ti.

1.4.6.1.1.AliajeNi-TibogatenNi.

Existena soluiilor solide bogate n Ni a fost indicat pentru prima

dat prin msurarea conductivitii [32, 33]. Constituenii structurali

pentru aliajele a cror compoziie variaz ntre (70 100)%gr.Ni au fost

analizai pentru prima dat de R. Vogel i H.J. Wallbaum prin analize

termice i micrografice [34], preciznd faptul c o soluie solid bogat n Ni

formeaz un eutectic cu compoziia TiNi3 (78,61 %gr.Ni i temperatura de

topire 13780C) la 83,8%gr. (80,8%at.)Ni i la temperatura de topire de

Fig.1.14.Diagramadeechilibru

Ni-Ti.Fig.1.13.Diagramadeechilibru

Ni-Ti.


30/44


30

12870C. Solubilitatea n stare solid a titanului n nichel descrete, de la

10,8%gr.Ti la 12870C i ajunge la 3,3%gr.Ti la 8500C.

Prin msurarea parametrilor celulei elementare a fost demonstrat c

solubilitatea titanului n nichel poate s ajung la 11%gr. (13,2%at.)Ti la

11500C i de 8%gr. (9,6%at.)Ti la 7500C (dup cu se vede i n figura 1.12).

Parametrii celulei elementare pentru aliajele NiTi bogate n Ni i cu

%Ti mai mare de 3%at. au fost msurai de A. Taylor i R.W. Floyd [35, 36].

Temperatura Currie pentru aceste tipuri de aliaje (artat n figura

1.12), este influenat de compoziia chimic, i a fost determinat pentru

prima dat de V. Marian n 1937 [37].

Pe lng faza TiNi3 mai exist alte dou faze, TiNi (55,06%gr.Ni) i

Ti2Ni (37,99%gr.Ni), care au fost investigate pentru prima dat prin

difracie de raze X. n 1941 H.G. Wallbaum n urma unor analize termice i

rentgenografice a propus o diagram de echilibru pentru intervalul (70 100)%gr.Ni, n care a fost artat c [38, 39]:

eutecticul TiNiTiNi3 apare la aproximativ 66%gr. (61,3%at.)Ni ila temperatura de 11000C;

faza TiNi se formeaz ca urmare a unei reacii peritectice latemperatura de 12700C.

Trebuie menionat c titanul folosit de H.G. Wallbaum avea o puritate

de 95%gr i c aliajul a fost obinut prin elaborare ntrun creuzet din

corindon. ntre (054)%gr.Ni diagrama realizat de H.G. Wallbaum a fost

ipotetic.


31/44


31

1.4.6.1.2.AliajeNi-TibogatenTi.

Primele tentative de trasare a diagramei NiTi pentru aliaje bogate n

Ti au fost fcute de J.R. Long, E.T. Haynes i de D.C. Root n 1949. Ei au

folosit aliaje NiTi preparate dup principiile metalurgiei pulberilor [40].

Diagrama obinut a scos n eviden existena unui eutectoid la

aproximativ 7,3%gr. (6,0%at.)Ni, i aproximativ la temperatura de 7650C.

Faza Ti cu 12%gr. (10%at.)Ni, formeaz un eutectic la 33%gr.

(28,7%at.)Ni i aproximativ la temperatura de 9650C cu o faz

intermediar. A fost facut i afirmaia c punctul eutectoid este localizat la

7%gr. (5,8%at.)Ni i 7650C, aceast localizare a punctului eutectoid a fost

realizat prin extrapolare matematic.

Ali autori au studiat diagrama NiTi pentru concentraii de (0

68)%gr.Ni, printre acetia fiind i H. Margolin, E. Ence i J.P. Nielsen, care au

studiat aceast poriune a diagramei NiTi ncepnd cu anul 1953 [41].

Rezultatele cercetrilor efectuate de ei sunt nglobate n diagrama

prezentat n figura 1.12 unde au evideniat existena unui eutectic la

aproximativ 28,5%gr. (24,5%at.)Ni, a unei transformari peritectice la

aproximativ 37,5%gr. (33%at.)Ni i maximul temperaturii de topire pentru

faza TiNi. Compoziia pentru eutectic este de aproximativ 6,2%gr.

(5,1%at.)Ni i solubilitatea maxim a nichelului n Ti este mai mic de

0,2%gr.Ni.

1.4.6.1.3.StructurilecristalinealealiajelorNi-Ti.

Faza Ti2Ni prezint o reea spaial de tipul C.F.C., cu parametrul

reelei variind ntre a=11,331 [42], a=11,3230,0004 [43],

a=11,2780,001 [44].


32/44


32

Faza TiNi prezint o structur spaial tip B2 [38, 45, 46, 47], cu

parametrul reelei variind ntre a=3,013 [46] i a=3, 015 [47]. A fost

demonstrat c faza NiTi se poate descompune (n urma unui tratament

termic la temperaturi cuprinse ntre 650 8000C) n fazele Ti2Ni i TiNi3.

Descompunerea fazei TiNi n fazele Ti2Ni i TiNi3 poate avea loc i la

temperaturi sczute [45].

Faza TiNi3 prezint o reea spaial de tip hexagonal [45, 48, 49],

parametrii celulei elementare fiind de a=5,1010 , c=8,3067 i raportul

c/a=1,6284 [49].

Prin difracie de raze X sa demonstrat c limita de solubilitate a

titanului n nichel este de 10%at [47].

G.R. Purdy i J.G. Parr au observat c la 51%at.Ni la temperatura de

360C, apar anumite schimbri ale structurilor cristaline ale fazei TiNi3 i au

demonstrat c aceste schimbri sunt reversibile [50].

Tabelul1.5.

Parametrii reelei martensitice ale aliajelor Ni-Ti cu efecte de plastcitate

anormal.

Autorii Compoziia

%at Ni

Simetria Parametrii reelei [nm] Unghiul

a b c

W. Buhrer [53] 49,2 P21/m 0,2884(2) 0,4665(3) 0,4110(2) =98,10

G. Michal [54] P21/m 0,2885(4) 0,4622(5) 0,4120(5) =96,80

K. Otsuka [55] 50,0 P2/c 0,2889 0,4622 0,4120 =96,80

G. Sandrock [56] 50,5 Monoclinic 0,288 0,463 0,414 =970

S.P. Gupta [57] 48,0 Monoclinic 0,29 0,463 0,411 =96,70,=90,10

D. Dautovich[58]

48,0 Triclinic 0,460 0,286 0,411 =90,90

M. Marcinkowski[59]

50 Monoclinic 0,519 0,496 0,425 =990

50 Monoclinic 0,519 0,552 0,425 =1160

F.E. Wang [60] 51 Triclinic 0,424 0,300 0,6701 =96,10,=108,40


33/44


33

Pentru compoziii de aliaje NiTi care au procentul de nichel mai mic

de 4%at. G.W. Barton, G.R. Purdy i R. Taggart au demonstrat ca la rcire se

formeaz o faz , care are o reea cristalografic a celulei elementare de

tip hexagonal cu urmtorii parametrii ai celulei elementare: a=4,572 i

c=4,660 [51, 52]. Tot ei au demonstrat c pentru compoziii cu (5

10)%at.Ni apare o faz metastabil, tranzitorie, notat cu .

n ceea ce privete parametrii structurii martensitice, ce poate fi

obinut pentru diverse concentraii de Ni, pe cale termic sau

termomecanic din faza iniial de temperatur nalt, literatura despecialitate indic datele ce sunt prezentate n tabelul 1.5.

1.4.6.2.NoiunigeneraleprivindaliajelorNi-Ti.

1.4.6.2.1.Aliajecuproprietideplasticitatenormal.

Prin aliaje cu proprieti de plasticitate normal se neleg acele

tipuri de aliaje care respect legile clasice ale elasticitii i ale plasticitii.

Exist ns i aliaje care nu respect n totalitate aceste legi, de aceea despre

aceste aliaje se spune c au, sau sunt cu, plasticitate anormal.

Aliajele din sistemul NiTi sunt considerate ca fcnd parte din

categoria aa numitor superaliaje. Prin superaliaje se nelege acele

grupuri de materiale, care au rezisten ridicat i stabilitate a suprafeei la

temperaturi ridicate, care pot ajunge pn la 85% din tempeartura lor de

topire (0,85Ttop) [61]. n general superaliajele sunt folosite la temperaturi

mai mari de 5400C (10000F) [61], i sunt folosite n construcia turbinelor

de gaze utilizate n industria aviatic.


34/44


34

Pentru prima dat aceste tipuri de superaliaje au fost desvoltate n

Statele Unite ale Americi, unde Compania Austenal n 1942 ncepe s

produc palete de turbin din aceste tipuri de aliaje. Astfel, n 1945 U.S.A. a

devenit principalul productor de turbine cu gaz din lume.

Aliajele pe baz de nichel i datoreaz rezistena ridicat la

temperaturi mari existenei fazai (Ni3Al sau Ni3Ti). Aceast faz confer i

proprieti mecanice ridicate, rezisten ridicat la uzur, la oboseal i

stabilitate termic.

Primul aliaj comercial utilizat de industria civil cunoscut sub numele

de Nimonic75 a fost produs n Marea Britanie la nceputul anilor 40. Apoi

un alt aliaj numit Nimonic80.

Dup anii 60 se cunoate o desvoltare mult mai intens a acestor

tipuri de aliaje, datorit nceperii utilizrii pe scar industrial a

cuptoarelor de topire prin inducie n vid (VacuumInductionMelting,V.I.M.),

eliminnduse astfel dificultiile elaborrii acestor aliaje.

Pentru aceste tipuri de superaliaje n compoziia chimic a acestora,

principalul element este nichelul n timp ce titanul fiind al treilea sau al

patrulea element ca preponderen n compoziia chimic, dup crom,

volfram i/sau aluminiu (concentaia titanului fiind ntre (1 5)%).

Proprietile mecanice realizate de aceste tipuri de superaliaje nu pot fi

realizate de majoritatea aliajelor clasice i de aceea utilizarea lor este

singura soluie n momentul actual.

Aceste tipuri de superaliaje sunt folosite n special pentru:

elemente ale turbinelor cu gaze folosite n industria aeronautic:palete, boluri, valve, tubulaturi, camere de combustie, etc;


35/44


35

matrie i scule de deformare la cald; forme metalice (matrie) pentru turntorie pentru aplicaii medicale: implanturi dentare, implanturi osoase,

instrumentar medical, etc.

1.4.6.2.2.Aliajecuproprietideplasticitateanormal.

Tot n categoria superaliajelor intr i acele aliaje de NiTi care

manifest unele proprieti aa zis anormale, cum sunt urmtoarele:

termoelasticitatea, emisia termoacustic, efectul Baushinger,

pseudoelasticitatea, pseudoplasticitatea (efectul simplu de memorie a

formei one-wayshapememory), efectul dublu de memorie a formei (two-

wayshapememory), acestea din urm caracteriznd aliajele cu memorie a

formei.

Din acest sistem binar de aliaje NiTi cel mai utilizat este compusul

intermetalic stoechiometric NiTi. Acest compus este deosebit de folosit

deoarece are un grad moderat de solubilitate pentru excesul de Ni sau Ti i

care manifest o ductilitate comparabil cu a aliajelor obinuite.

Solubilitatea permite aliajului, prin intermediul elementelor n exces, s i

modifice proprietile mecanice i proprietile de transformare. Excesul deNi (mai mult de 1%), coboar intervalul temperaturilor de transformare i

crete tensiunea de curgere a austenitei. Alte elemente nsoitoare folosite

sunt fierul i cromul, care coboar intervalul temperaturilor de

transformare i cuprul care coboar temperatura ciclului de histerezis i

tensiunea de deformare a martensitei. Deoarece oxigenul i carbonul

degradeaz proprietile mecanice i cresc intervalul de temperaturi de


36/44


36

transformare, concentraia acestora n masa de baz a aliajului este limitat

[62, 63].

Proprietilor fizice i mecanice majore pentru aliajele binare NiTi

frecvent folosite, sunt prezentate n tabelul 1.6 [64].

Tabelul1.6.

ProprietilefiziceimecanicealealiajelorNiTicuefectedeplastcitateanormal.

Temperaturadetopire, 0C(0F) 1200 1300 (2100 2370)Densitatea, g/cm3 6,45 7,03

Rezistivitatea, cm pentru: Austenit 100 Martensit 70

Conductivitateatermic, W/cm0C pentru: Austenit 18 Martensit 8,5

Rezistenalacoroziune foarte bunModululluiYoung, Gpa pentru:

Austenit 83

Martensit 28 41Efortuldecurgere, Mpa pentru: Austenit 195 690 Martensit 70 140

Efortulderupere, MPa 850Intervaluldetemperaturidetransformare,

0C(0F)200 110

(325 230)Clduralatentdetransformare,

kJ/kgatom167

n ceea ce privete temperaturile de transformare i anume tranziia

de la structura de tip martensitic la structura de tip austenitic i invers au

fost determinate de o serie de autori sunt prezentate n tabelul 1.7.

Transformrile structurale n aliajele NiTi pot fi mprite n [71]:


37/44


37

transformarea martensitic, la care faza de temperatur nalt, detip structural B2 este transformat ntro structur de tip

monoclinic;

instabiliti premartensitice (premartensitic instabilities) saufenomene prescursoare, care au loc, la temperaturi mai mari

dect temperatura de nceput de transformare martensitic, n

structura iniial.

Structura martensitic este o distorsiune monoclinic a structurii de

tip B19 [72, 73, 74]. Martensita a fost descris ca un amestec dintre o

structur hexagonal i dou structuri triclinice [75], sau ca un amestec

dintre cteva tipuri de structuri maclate de simetrie hexagonal sau

romboedral [76].

Deasupra temperaturii de nceput de transformare martensitic

(40500C), n unele aliaje NiTi, poate fi observat i prezena unei

transformri reversibile, nonmartensitice, caracterizat printro ordonare

a structurii, produs printro distorsiune continu a structurii de baz [77].

Tabelul1.7.

Temperaturile de transformare ale aliajelor Ni-Ti cu efecte de plastcitate

anormal.

Autorii

Compo

ziia%at Ni

Temperatura [0C]

Metoda deanalizMs Mf As Af

I.I. Kornilov,Ye.V. Kachur,

O.K. Belousov [65]

46,6 57 12 81 117 Dilatometrie47,6 37 18 79 13449,6 33 13 75 11450,2 51 30 33 3251,0 136 178 9451,5 4 38 12 4652,8 28 14 44 278

K.N. Melton [66] 49,4 57 5 63 106 Dilatometrie49,7 20 20 39 77


38/44


38

50,4 30 53 12 0G.A. Levshin [67] 50,0 78 45 100 120 DilatometrieR.V. Milligan [68] 49,7 45 67 Difracie de

raze X (XRD)50,0 44 120

50,1 10 52 50,5 9 21 F.E. Wang [69] 51,0 20 60 Dilatometrie

D.B. Cernov,Yu.I. Paskal [70]

48,1 100 60 123 140 Rezistivitateelectric

Dilatometrie Difracie deraze X (XRD)

48,6 101 74 178 15349,0 66 16 56 9349,5 47 19 53 8050,5 5 31 8 4451,0 52 85 39 34

1.4.7.Utilizareaaliajelorcuplasticitateanormal.

n ultimii cincisprezece ani a aprut necesitatea de a realiza

dispozitive de comand, control i acionare obinute din materiale cu

memorie a formei (SMA). Astfel, au fost realizate ndeosebi micropompe i

valve, acestea sunt utilizate ca elemente de control i acionare, sau caelemente flexibile, datorit propietilor superelastice (pseudoelastice). De

exemplu, K. Ikufa [78] a realizat un sistem de prindere cu ajutorul a dou

arcuri din materiale cu memorie a formei, iar D. Reynaerts [79] a realizat un

sistem de dozare a medicamentelor perfuzabile, format dintrun ansamblu

de fire (srme), din materiale cu memorie a formei, care tranguleaz un

tubul flexibil prin care cicrcul aceste medicamente. n aceste exemple seobserv c sistemele sunt alctuite din mai multe pri componente.

n cazul microroboticii sau microsistemelor de comand, control i

acionare, unde aceste elemente trebuiesc s aibe dimensiuni mici, apare

impedimentul realizrii ansamblrii acestor sisteme, cunoscut fiind faptul

ca n componena acestora intr mai subansamble. Din aceast cauz

tendina actual este aceea ca aceste subansamble s fie realizate dintrun


39/44


39

minim de elemente componente, pentru a simplifica operaiile de

prelucrare i ansamblare i n consecin scderea costului acestor

elemente.

Plecnd de la premiza de mai sus, a aprut conceptul de dispozitivei

micro-dispozitive monobloc. Acest concept implic realizarea ntregului

ansamblu n aceeai bucat de material care manifest efecte de memorie a

formei. De exemplu n cazul unui element de acionare, de tipul micro

manipulator, prile componente ale acestuia: partea mobil, care realizeaz

prindereadesprinderea, i partea fix, sunt realizate n acelai bloc (bucat)

de material.

Problema cea mai important n designul acestor tipuri de sisteme

construite din aliaje cu memorie a formei, este aceea a realizrii unei

micri reversibile. Efectul simplu de memorie a formei (One-Way Shape

MemoryEffect- OWSMF) este o consecin a proprietilor rezultate n urma

transformrii martenist austenit, acesta realiznd (furniznd) doar o

micare, n timp ce pentru aceste elemente de acionare, dezideratul fiind

acela al realizrii unei micri reversibile, recuperarea formei poate fi

obinut printrun tratament termomecanic complex, numit generic i

proces de antranament, asupra materialului sau folosind un mediu (agent)

exterior, numit generic i efectdearcreactiv (BiasSpringEffect - BSE). n

cazul micropompelor sau microvalvelor, efectul de arc reactiv estefurnizat de presiunea fluidului sau gazului ce trece prin aceste elemente. n

cazul aplicaiilor n microrobotic (cum ar fi cazul mecanismelor de

translaie, mecanismelor de manipulare, mecanismelor de prindere, etc.)

efectul de arc reactiv trebuie proiectati inclus n dispozitivul de acionare.

Pentru dispozitivele monobloc efectul de arc reactiv este furnizat chiar de

ctre materialul cu memorie a formei din care este construit dispozitivul.


40/44


40

Pentru a induce un efect reversibil n dispozitivele monobloc exist

patru soluii:

Efectuldubludememorieaformei(Two-WayShapeMemoryEffect

- TWSME): printrun tratament termomecanic asupra materialului poate fi

indus o tensiune intern care va genera la rcire formarea unei structuri

martensitice, cu o orientare preferenial, astfel fiind posibil memorizarea

unei forme specificate, memorizare ce se manifest doar la rcire;

nclzirealocalamaterialului: o parte din material se aflntro

stare structural martensitic, pe cnd cealalt parte se afl ntro stare

structural austenitic. Partea martensitic putnd fi folosit drept surs de

efect de arc reactiv (BSE);

Design-ul antagonist: principiul acestui tip de design const n

nclzirea separat a unei pri a materialului, n funcie de partea care este

nclzit dispozitivul se va deplasa ntro direcie sau alta;

Recoacerealocal: principiul acestei metode const din efectuarea

unei recoaceri locale asupra zonei, din cadrul dispozitivului monobloc, n

care vrem s se manifeste efectele de memorie a formei. Transformarea

martensit austenit va apare doar n zona n care materialul a fost

recopt. Aceast metod este foarte noui promitoare.

n exemplul urmtor se va prezenta cazul unui micromanipulator

creat pentru a prinde i manipula tuburi, lentile, fire, n general piese cu

dimensiuni foarte mici de pn la 500m (figura 1.15).


41/44


41

Fig.1.15.Exempludemicro-manipulator

(piesamaipulat aredimensiunilede250500m).

Elementul de execuie este construit dintrun monobloc din material

care manifest efecte de memorie a formei, acesta este nclzitrcit cu

ajutorul unui deispozitiv termoelectric, micarea reversibil fiind obinut

prin efectul dublu de memorie a formei (TWSME), procesul de antrenare

fiind executatn felul urmtor (figura 1.16):

1 Micromanipulatorul, aflat ntro stare structural martensitic,

este deformat i apoi blocat la unghiul de blocare, (definim unghiul de

blocare ca fiind unghiul dintre braul mobil i blocul fix al dispozitivului);

2 Micromanipulatorul blocat sufer o ciclare termic de nclzire

rcire de un anumit numr de ori;

3 Micromanipulatorul a memorizat forma deschis, form

corespunztoare strii structurale martensitice, aceast memorizare fiind

datorat efectului dublu de memorie a formei (TWSME), pe cnd forma

nchis, corespunztoare strii structurale austenitice, se datoreaz

efectului simplu de memorie a formei (OWSME).


42/44


42

De remarcat este faptul cn timpul procesului de antrenare apare o

deformaie remanent rezidual.

Fig.1.16.Schemaprocesuluideantrenare.

n urma ciclrii termomecanice deformaia ce poate fi recuperat ca

urmare a efectului dublu de memorie a formei este de ordinul (1,5 2,5)%,

care conduce la un interval de micare de ordinul (100 150)m. n urma

efectului simplu de memorie a formei deformaia ce poate fi obinut este de

ordinul (6,5 8,5)%.

Au fost efectuate determinri experimentale pentru a se stabili cel

mai bun raport ntre amplitudinea micrii i numrul de cicluri termice.

Pentru a se obine o micare reversibil de tip efect dublu de memorie a

formei numrul de ciclri variaz de la cteva la cteva sute de cicluri, i

anume n funcie de tipul materialului care manifest efecte de memorie a

formei.


43/44


43

1.5.Concluzii.

Din cele prezentate mai sus se pot trage concluzii importante cu

privire la utilizarea acestor tipuri de materiale, care manifest aa zisele

proprieti anormale. Astfel, avnd n vedere proprietile acestora i

cerinele tehnologiilor din prezent, sa conturat utilizarea pe o scar tot mai

larg a acestora, mai ales n industriile care utilizeaz tehnologii de vrf,

cum ar fi de exemplu n construcia de microroboi, n construcia

diverselor subansamble ale sateliilor spaiali, n construcia diverselor

implanturi metalice medicale, etc. Un alt considerent care a fcut ca aceste

tipuri de materiale s se impun n expluatare este acela al miniaturizrii,

datorit faptului c utilizarea acestor materiale duce, de cele mai multe ori,

la simplificri constructive, cum este de exemplu n cazul microrobotici,

unde pentru realizarea unui clete de prindere (convenional acesta era

realizat din cel puin dou piese) la care se utilizeaz un material cu

memorie, acesta poate fi confecionat dintro singur pies.

Avnd n vedere c aceste materiale se folosesc sub forma unor piese

obinute prin deformare plastic, trebuie avut n vedere completarea

cunotinelor actuale din domeniul comportamentului la deformare,

deoarece materialele cu aa zisa plasticitate anormal sunt caracterizate

de o complexitate ridicat a procesului de deformare. Se impune astfel

studierea comportamentului la deformare a acestor materiale, cel puinprin prisma parametrilor numii rezistena la deformarea elastic i

rezistenaladeformareaplastic.

Dintre toate proprietile anormale manifestate de ctre aceste

tipuri de aliaje cele mai importante sau dovedit a fi pseudoelasticitatea

(superelasticitatea) i efectele de memorie a formei: pseudoplasticitatea

(efectul simplu de memorie a formei) i efectul dublu de memorie a formei,


44/44


aceasta datorit gamei largi de aplicaii care se bazeaz pe aceste

proprieti ale materialelor.

tiind c aceste componente ale deformaiei sunt puternic influenate

de efortul de ncrcare i de evoluia temperaturii, rezult necesitatea

obinerii unor ecuaii care s realizeze legtura dintre aceti parametri.

Aceste ecuaii de legtur, dintre deformaia rezultat, efortul de deformare

i factorii de influen, care intervin n desfurarea procesului (influena

gradientului de temperatur, influena ciclrii termice, etc.), sunt foarte

importante n prognozarea i designului comportamental al acestor

materiale, deoarece piesele construite din aceste tipuri de materiale

trebuiesc s satisfac anumite cerine tehnologice impuse nc din faza de

proiectare.

Avnd n vedere mrimea dimensional a deformaiilor ce pot fi

realizate de aceste materiale (n cazul microroboilor acetia lucreaz cu

deformaii de ordinul 50 ~ 150 m) se contureaz ideea ca determinrile

experimentale s fie efectuate la o scar dimensional apropiat (la un

ordin de mrime comparabile), de unde, rezult c cea mai indicat metod

de investigare a acestui tip de comportament este metoda micro

deformaiilor locala (indentationmethode), care asigur producerea de zone

microdeformate cu dimensiunea variind ntre 100m 2 mm.

Din cele artate mai sus se poate admite c realizarea de lucrri, care

s cerceteze legtura dintre aceste proprieti anormale i factorii de

influen a acestora, i s cuantifice aceste dependene sub forma unor

ecuaii de tipul = f (efort, temperatur, ciclare termic) este necesar,

corespunznd n acelai timp i nevoilor ridicate de ctre tehnologiile

d

capitolul i - final

Documents