INTRODUCERE IN DOMENIUL ALIAJELOR CU MEMORIA FORMEI

INTRODUCERE IN DOMENIUL ALIAJELOR CU MEMORIA FORMEI

1.1.Materiale inteligente

Materialele inteligente constituie o descoperire de varf in stiinta materialelor, aplicatiile tehnice fiind de asemenea de varf: tehnica aerospatiala, sisteme biomecanice, sisteme de infrastructura civile etc.

Principalele grupe de materiale inteligente sunt:

Aliajele cu memoria formei;

Materialele ceramice piezoelectrice;

Materialele magnetostrictive;

Fluidele energetice.

1.2 Aliaje cu memoria formei

Aliajele cu memoria formei fac parte din grupa materialelor inteligente. Datorita proprietatilor speciale acestea ofera largi domenii de aplicare. In ultima perioada se observa peste tot in lume si cu precadere in Uniunea Europeana eforturi sustinute de cercetare si dezvoltare a materialelor noi. Limitele domeniului de investigare sunt inca departe de a fi atinse.

Denumirea aliaje cu memoria formei defineste un grup de materiale metalice care au abilitatea de a reveni la forme predefinite atunci cand li se aplica o procedura termica potrivita. Materialele care isi schimba forma doar la incalzire au efect de memorie intr-un singur sens, numit efect de memorie a formei (EMF). Unele materiale isi pot schimba forma si in timpul racirii. Aceste materiale au efect de memorie in dublu sens (EMFDS).

Aliajele cu memoria formei au constituit inca de la inceputul descoperirii lor o latura inedita si interesanta a metalurgiei, prin spectacolul prin care pot transforma direct energia termica in lucru mecanic.

Primele observatii ale efectului de memorie a formei dateaza din anul 1932 cand L.C. Chang si T.A. Read au pus in evidenta reversibilitatea transformarii in aliajele Au-Cd prin schimbarea rezistivitatii si observatii metalografice. Descoperirea fenomenului de memorie s-a realizat abia in 1962 de catre W.H. Buechler pe un aliaj echiatomic NiTi.

1.3. Clasificarea aliajelor cu memoria formei

Aliajele cu memoria formei se pot clasifica dupa mai multe criterii. Unul dintre aceste criterii il reprezinta elementul de baza al acestor aliaje. Dupa acest criteriu exista doua grupe mari de aliaje cu memoria formei:

aliaje ale metalelor neferoase;

aliaje ale metalelor feroase.

In tabelul 1 sunt prezentate principalele aliaje cu memoria formei din ambele clase mai sus mentionate:

Un alt criteriu de clasificare al acestor aliaje il reprezinta costul acestora:

Aliaje exotice: InTi, Unb, Umo, CuZnGa, alte aliaje care contin: In, Ga, U etc.;

Aliaje pretioase care contin: Au, Ag, Pt, Pd, Au-Cd, Ag-Yn, Ag-Cd, AgPd, FePt, FePd etc.;

Aliaje cu baza fier: Fe-Pt, Fe-Ni, Fe-Mn, Fe-Mn-Si, Fe-Mn-Cr, Fe-Ni-Ti-Co;

Aliaje cu baza cupru: Cu-Al, Cu-Zn, Cu-Mn-Al.

Tabelul 1

Caracteristici ale aliajelor cu memoria formei

Principalele caracteristici de memorie sunt reprezentate de: efectul de memorie a formei (EMF), superelasticitatea (SE) sau pseudoelasticitatea (PSE), tensiunea de redobandire a formei initiale atunci cand se impiedica manifestarea EMF, producerea lucrului mecanic la incalzire, capacitatea de amortizare a vibratiilor, efectul de memorie a formei in dublu sens (EMFDS) si mai nou descoperita tensiune de redobandire a formei de temperatura joasa cand se impiedica redobandirea formei reci.

1.4.1. Pseudoelasticitatea

Pseudoelasticitatea (PSE) este considerata ca fiind orice neliniaritate de pe curba tensiune - deformatie in timpul descarcarii.

In functie de procesul prin care se produce PSE poate fi de doua tipuri: pseudoelasticitate de maclare sau pseudoelasticitate de transformare.

Pseudoelasticitatea de maclare

Acest tip de PSE apare la materialele metalice la care deformarea se produce prin maclare. La descarcarea tensiunii se observa o revenire elastica suplimentara de circa 0,8% datorata tendintei de revenire a limitelor de macla spre pozitii initiale. Proprietatea de pseudomaclare sau asa numita comportare tip cauciuc se pierde daca aliajul este imbatranit sub tensiune deoarece are loc reordonarea pseudomaclelor in pozitii mai stabile.

Pseudoelasticitatea de transformare sau superelasticitate

Superelasticitatea (SE) este o caracteristica a aliajelor cu memoria formei care se produce doar la temperaturi superioare punctului critic A_f. Curba tensiune - deformatie are aspectul unei bucle inchise.

Fig. 1.1. Superelasticitatea

Superelasticitatea este una dintre cele mai utile manifestari ale memoriei formei si are la baza un grad de recuperare a alungirii foarte apropiat de 100%.

1.4.2. Efectul de memorie a formei

Efectul de memorie a formei (EMF) este o caracteristica de importanta practica a AMF, fiind strans legat de existenta unei transformari martensitice termoelastice.

Efectul de memorie a formei este fenomenul prin care materialul, caruia i-a fost aplicata o deformare plastica, in stare martensitica sub temperatura critica M_f, isi redobandeste forma initiala, nedeformata, prin incalzire in domeniul austenitic peste temperatura critica A_f .

Fig. 1.2. Reprezentarea schematica a EMF

l- alungire , t- tensiune , f- forta

Deformarea plastica se aplica doar in domeniul martensitic, tensiunea fiind indepartata inaintea procedurii de incalzire. Deformatia plastica se poate realiza prin: compresiune, intindere sau indoire. Se considera ca valoarea maxima a efectului de memoria a formei, este determinata prin compresiune.

Efectul de memorie a formei reprezinta trecerea spontana de la forma rece la forma calda si se produce o singura data la incalzire. Urmatoarele ciclari de acelasi tip conduc la reveniri diferite, din ce in ce mai mici, pana la echilibrarea cantitatii de dislocatii produse pentru EMF si energia consumata.

Tensiunea de redobandire a formei initiale se genereaza atunci cand se impiedica manifestarea efectului de memorie a formei (figura 1.3).

1.4.3. Tensiunea de redobandire a formei initiale

Un aliaj cu memoria formei deformat plastic in domeniul martensitic prin incalzire in domeniul austenitic va tinde sa isi modifice forma in cea initiala, originala. Daca asupra AMF se va actiona cu o forta care sa impiedice manifestarea EMF materialul va dezvolta o tensiune destul de ridicata (peste 700 MPa), numita tensiune de redobandire a formei initiale.

Aceasta caracteristica sta la baza celor mai vechi si mai reusite aplicatii ale AMF respectiv dispozitivele de cuplare sau fixare precum si aplicatiile spatiale.

Fig.1.3. Tensiunea de redobamdire a formei initiale

1.4.4. Producerea lucrului mecanic

Un AMF poate produce lucru mecanic la incalzire atunci cand redobandirea formei se face prin aplicarea unei forte care se opune acestui fenomen (figura 1.4.).

Fig.1.4. Producerea lucrului mecanic la incalzire

Caracteristica este utilizata in cazul activatorilor sau motoarelor termice.

Capacitatea de amortizare a AMF

Capacitatea de amortizare este mai mare cu un ordin de marime la martensita din aliaje pe baza de Cu fata de martensita din otel. Gradul de amortizare cuprins intre (25-60)% este neliniar functie de amplitudinea vibratiei si depinde de temperatura si de timp. In acest sens este mai mare la temperaturi scazute iar TM este insotita de un maxim de amortizare. Fenomenul se realizeaza prin miscarile atomilor, deplasarile dislocatiilor interfetelor si prin deplasarea limitei de graunte. La transformarea martensitica culoarea materialului se modifica permitand dezvoltarea unei memorii optice, activata prin caldura generata de o radiatie laser.

1.4.6. Tensiunea de redobandire a formei de joasa temperatura

Tensiunea de redobandire a formei de joasa temperatura apare atunci cand la racire este impiedicata modificarea formei pentru obtinerea formei reci.

1.4.7.Efectul de memorie in dublu sens

Celelalte caracteristici de memorie ale AMF sunt spontane fiind conditionate doar de aplicarea unei proceduri termice si mecanice corecte. Efectul de memorie a formei in dublu sens EMFDS este o caracteristica care se poate obtine intr-un aliaj cu memorie a formei doar printr-un procedeu de educare. Educarea reprezinta ansamblul de procedee de ciclare termica si mecanica aplicate in domeniile de transformare martensitica reversibila. Efectul de memorie a formei in dublu sens este fenomenul prin care materialul isi aminteste atat forma calda cat si forma rece (figura 1.5).

Datorita frecarilor interne intre interfata austenita - martensita EMFDS se poate pierde in timp, necesitand reactivare prin educare.

Fig.1.5. Efectul de memorie a formei in dublu sens

Efectul de memorie in dublu sens se induce prin deformare accentuata cand se introduc dislocatii in material si se stabilizeaza configuratia martensitei. Aceste dislocatii raman in faza initiala chiar si dupa TMI desfasurata la incalzire. Campul de tensiune creat in jurul lor induce anumite variante de plane habitus la racire.