Upload
ionut-mironica
View
239
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
2/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
3/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
4/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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).
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
5/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
6/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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.
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
7/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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.
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
8/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
9/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
10/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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.
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
11/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
12/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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.
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
13/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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).
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
14/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
15/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
16/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
17/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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.
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
18/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
19/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
20/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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);
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
21/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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.
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
22/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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.
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
23/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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.
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
24/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
25/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
26/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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.
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
27/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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.
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
28/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
29/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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.
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
30/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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.
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
31/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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].
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
32/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
33/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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.
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
34/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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;
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
35/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
36/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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]:
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
37/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
38/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
39/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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.
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
40/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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).
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
41/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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).
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
42/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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.
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
43/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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,
8/3/2019 Capitolul I - FINAL
44/44
CapitolulINotiunigeneraleprivinddeformareapseudo-elasto-plastica
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