METODE DE TESTARE A EFECTELOR DE MEMORIE A FORMEI

Metode de testare a efectelor de memorie a formei

1. Efectul simplu de memorie a formei (EMF)

Efectul simplu de memorie a formei, in sensul strict al cuvantului, constituie efectul cel mai usor de utilizat si de stapanit .

Dupa o 'educare' prin intermediul unui ansamblu de tratamente termice efectuate sub actiunea unor forte (tensiuni) externe se obtine o austenita (faza corespunzatoare temperaturii inalte) care memoreaza forma impusa .

La racire, austenita se transforma in mod reversibil (fara o deformare macroscopica) in martensita, care la randul ei se poate transforma cu usurinta.

La reincalzirea martensitei austenita revine la forma initiala, memorata anterior.

Prin urmare, acest efect se obtine la racirea simpla a materialului aflat in stare austenitica (starea '0', figura 1.), pana la o temperatura situata sub temperatura M_f. Se obtine astfel o stare martensitica (starea '1') fara deformatii macroscopice, datorita efectului de compresare reciproca a forfecarilor diferitelor variante (fenomen denumit autoacomodare) .

Fig. 1. Efect de memorie intr-un singur sens.

La o temperatura T < M_f , aplicarea unei forte suficient de mari poate reorienta variantele, obtinandu-se o deformatie macroscopica (starea '2').

Dupa indepartarea fortei, in material ramane o deformatie pemanenta (starea '3').

Prin reincalzirea materialului la o temperatura T > A_f, in absenta actiunii unei forte, se ajunge la austenita de plecare si la forma initiala (starea '0').

1.1. Efect de superelasticitate (SE) sau pseudoelasticitate de transformare

Daca se ia in considerare un aliaj cu memoria formei la o temperatura constanta superioara temperaturii A_f, caruia i se aplica o tensiune σ, in material se introduc variante orientate de martensita care produc o deformatie apreciabila (pana la cativa centimetri) in acelasi sens cu sensul tensiunii aplicate. Aceasta deformatie este reversibila. La indepartarea fortei are loc transformarea inversa, in austenita.

Efectul respectiv poarta denumirea de 'efect de superelasticitate' (figura 2.).

Fig.2. Efectul de superelasticitate.

Martensita apare la o anumita tensiune denumita 'tensiune critica', σ_c si dispare la o tensiune mai mica, datorita prezentei histerezisului.

Tensiunea critica, σ_c, creste liniar cu temperatura incercarii.

Aplicarea unei tensiuni este echivalenta cu deplasarea temperaturilor de transformare spre valori superioare. In acest sens se poate face o analogie cu ecuatia Clausius-Clapeyron care arata ca temperatura de fierbere a apei scade odata cu crestera presiunii:

unde:

∆S este variatia de entropie molara intre cele doua faze in echilibru (faza gazoasa si faza lichida);

∆V reprezinta variatia volumelor molare ale celor doua faze.

Intuitiv, se poate inlocui actiunea presiunii cu fenomenul de forfecare iar variatia de volum cu variatiile de forma. La scaderea tensiunii aplicate, martensita indusa dispare si se reconstituie forma initiala cu structura austenitica. Aceasta deformatie reversibila foarte importanta care poate sa atinga valori de pana la 8% (sau in cazuri extreme, pana la 17%) este insotita de un schimb de caldura care corespunde entalpiei de transformare.

Forta care actioneaza din exterior produce o degajare de caldura; relaxarea se realizeaza cu absorbtie de caldura.

1.2. Efect tip cauciuc (pseudoelasticitate de maclare)

Prin aplicarea unei tensiuni exterioare asupra unui material aflat in stare martensitica, la temperatura joasa, (T<M_f) in materialul respectiv apare o deformatie macroscopica. La incetarea actiunii fortei exterioare, deformatia ramane permanenta in cea mai mare parte. O mica parte din deformatie este insa reversibila la temperatura de incercare. Acest fenomen poarta denumirea de 'efect de cauciuc' si corespunde unei deplasari partiale in sens invers (unei 'intoarceri') a intrefetelor martensita-austenita (pseudoelasticitate de maclare).

Cea mai mare parte a deformatiei este recuperabila prin reincalzire si acest fenomen constituie efectul de memorie.

In figura se observa ca la o temperatura T<M_f si in absenta actiunii unei forte exterioare, deformarea martensitica datorata reorientarii variantelor este partial reversibila; este cazul trecerii de la starea '2' la starea '3'.

Fig. Efect tip cauciuc.

Plecand de la starea predeformata '3' obtinuta in acest fel, efectul de pseudoelasticitate corespunde trecerii reversibile intre starile '3' si '2' sau '3' si '4'.

Comportarea elastica similara cu cea a cauciucului se intalneste la aliajele din sistemul Au-Cd, In-Cd, Cu-Mn, Cr-Mn si in BaTiO

S-a constatat ca acest fenomen se realizeaza prin demaclarea martensitei iar deformarea in acest caz nu este o deformare elastica ci o deformare plastica.

Comportarea elastica de tip cauciuc apare la aliajele care au o structura maretnsitica cu un grad redus de tertagonalitate (raportul c/a mic) iar distorsiunea retelei care se produce la demaclare este redusa.

1. Efect de memorie a formei in dublu sens , indus (EMFDSI) (supertermoelasticitate)

Acest efect se poate obtine in cazul martensitei induse sub tensiune daca asupra unui aliaj cu memoria formei se aplica la o temperatura T > A_f, o tensiune constanta sau variabila care produce o deformatie pur elastica (starea '1' din figura 4.).

Fig. 4. Efect de memorie a formei in dublu sens, indus.

In cazul unei raciri a materialului apar variante orientate datorita tensiunii aplicate. Aceste variante provoaca o deformatie semnificativa (pana la cativa centimetri) in acelasi sens (starea '2').

La o reincalzire in faza austenitica, aceasta deformatie dispare.

La o racire, martensita indusa de tensiune apare la temperatura M_Sσ care creste in functie de tensiunea aplicata. Acest comportament poarta denumirea de 'efect de memorie in dublu sens, indus' sau 'supertermoelasticitate'.

1.4. Efect de memorie a formei in dublu sens (EMFDS)

Acest efect se poate obtine ca urmare a unui tratament de 'educare' realizat pe produsul final, prin aplicarea unor cicluri termomecanice. Materialul astfel obtinut se considera 'educat'.

Ciclul de tratament termic efectuat in absenta vreunei forte aplicate consta din trecerea reversibila de la o stare de temperatura 'inalta' (starea '1') la o stare de temperatura 'joasa' (starea '2', figura 5.).

Memoria formei in dublu sens se poate obtine prin aplicarea unor cicluri termice si mecanice adecvate. Se creaza astfel un 'reflex conditionat' si proba se deformeaza in mod spontan cand faza initiala se tansforma in martensita si isi reia forma initiala la transformarea inversa.

Fig. 5. Efect de memorie a formei in dublu sens.

In anumite conditii de educare, la racire se poate induce o modificare de forma obtinandu-se astfel o modificare de forma reversibila.

Este posibila obtinerea unui mare numar de astfel de cicluri de racire si incalzire, de ordinul milioanelor, cu o buna reproductibilitate, fara scaderea performantelor.

Deformarea spontana care are loc in material la racire se datoreaza cresterii variantelor preferentiale pe una sau mai multe directii de forfecare, in detrimentul altora.

Din punct de vedere teoretic, efectul dublu de memorie se explica prin prezenta defectelor (dislocatii, vacante) care conduc la formarea anumitor directii de alunecare a interfetelor austenita/martensita.

2. Determinarea experimentala a efectelor termomecanice

Proprietatile termomecanice ale aliajelor cu memoria formei se determina in general pe baza incercarilor mecanice uniaxiale de tractiune sau de compresiune, in care parametrii masurati sunt tensiunea, deformatia sau temperatura. Totusi, pentru utilizarile tehnologice, se recomanda masurarea directa a proprietatilor materialelor respective.

In acest caz, parametrii care se determina in functie de fiecare caz in parte sunt:

• pentru indoire: forta aplicata, curbura si temperatura;
• pentru rasucire: cuplul de rasucire, rotatia unghiulara si temperatura.

Comportarea materialului la solicitarea termomecanica este corelata direct cu comportarea acestuia la tractiune sau la compresiune insa in mod complex, nelinear.

2.1. Masurarea efectului de suprerelasticitate si comportarea tip cauciuc

Aceste efecte se determina simplu, prin masurare cu ajutorul dispozitivelor echipate cu incinta termostatata, in conditiile incercarilor la tractiune definite in standardul de incercari SR EN 10002.

1. Determinarea efectului superelastic

La o temperatura constanta, T > A_f , pe curba σ-ε corespunzatoare unui ciclu de transformare martensitica se pot defini urmatoarele caracteristici dependente de temperatura de incercare (figura 6.):

tensiunea critica conventionala σc_0,2 care corespunde unei deformatii de transformare de 0,2% (figura     pentru definirea teoretica a lui σ_c);

panta curbei d_σ/d_ε in timpul transformarii;

deformatia maxima reversibila ε_rev0,2 si tensiunea corespunzatoare σ_rev0,2 pentru o deformatie reziduala de 0,2% (in absenta tensiunii:σ=0) obtinuta prin incercari succesive de tractiune-descarcare completa;

histerezisul tensiunii H_σ care reprezinta diferenta dintre tensiunile de incarcare si descarcare, pentru o anumita deformatie.

Fig. 6. Determinarea efectului de superelasticitate.

a.     Determinarea efectului tip cauciuc

Acest efect se poate determina pe o proba predeformata la temperatura constanta T < M_f (figura 7.).

Fig. 7. Determinarea efectului tip cauciuc.

Pentru un ciclu de tratament termomecanic efectuat cu o anumita tensiune σ_max, pe curba σ-ε se pot defini urmatoarele caracteristici:

modulul de elasticitate aparent care se calculeaza cu relatia:

histerezisul la deformare H_ε care reprezinta diferenta dintre deformatiile rezultate la incarcare si la descarcarea materialului pentru tensiunea:

2.2. Determinarea efectelor de memorie

a. Masurarea efectului simplu de memorie

Proba de referinta aflata initial in stare austenitica la temperatura T₂ se raceste la temperatura T₁ < M_f, in absenta tensiunilor externe. Formarea variantelor de martensita cu diferite orientari nu conduce la o deformare macroscopica aparenta.

La temperatura constanta T₁, dupa operatiile succesive de incarcare sub tensiune a probei pana la tensiunea σ si descarcarea completa a acesteia, se obtine o deformatie permanenta ε_m, datorita reorientarii variantelor de martensita (figura 8.).

Fig. 8. Determinarea efectului simplu de memorie.

La o reincalzire la temperatura T₂ > A_f se observa revenirea cvasitotala a deformatiei ε_m; se mentine insa o deformatie reziduala ε_a (in general mult mai mica decat ε_m).

Pentru caracterizarea efectului simplu de memorie se definesc urmatorii parametri:

parametri controlati T₁, σ, T₂;

parametri masurati: ε_m si ε_a;

parametri calculati:

Ultima expresie reprezinta randamentul efectului simplu de memorie.

b.            Masurarea efectului de memorie a formei in dublu sens indus (EMFDSI) la tensiune constanta.

Proba de referinta aflata initial in stare austenitica la temperatura T₂ se supune actiunii unei tensiuni constante σ₀ < σ_c si apoi unor cicluri de tratamente termice efectuate intre temperaturile T₂ si T₁ < M_f.

Pentru ciclul termic 'n' (n ≥ 1) se determina deformatiile ε_an la temperatura T₂ si ε_mn la temperatura T₁. Aceste deformatii sunt caracteristice efectului de memorie in dublu sens indus pentru ciclul 'n' si se modifica in functie de numarul 'n' al ciclului (figura 9.).

Fig. 9. Determinarea efectului de memorie in dublu sens.

Se poate constata o stabilizare a acestor deformatii dupa un anumit numar de cicluri. Parametrii care caracterizeaza efectul de memorie in dublu sens indus sunt urmatorii:

parametri controlati: T₂, T₁, σ₀ si n;

parametri masurati: ε_mn si ε_an;

parametrul calculat (ε_mn-ε_an) care reprezinta amplitudinea deformatiei datorate efectului de memorie in dublu sens asistat pentru ciclul 'n' si sub tensiunea σ₀.

c. Masurarea efectului de memorie in dublu sens

Proba de referinta aflata initial in stare austenitica la temperatura T₂, in forma obtinuta dupa tratamentul de educare, se supune actiunii unor cicluri de tratamente termice efectuate intre temperaturile T₂ si T₁ < M_f, fara aplicarea unei tensiuni din exterior.

Pentru ciclul termic cu numarul 'n' (n ≥ 1) se determina deformatia ε_an la temperatura T₂ si deformatia ε_mn la temperatura T₁. Aceste deformatii sunt caracteristice efectului de memorie in dublu sens pentru ciclul 'n' si sunt susceptibile de modificare in functie de numarul 'n' de ciclari ale materialului (figura 6).

Unele tratamente de educare conduc la o evolutie nesemnificativa a deformatiilor ε_an si ε_mn in functie de numarul 'n' de ciclari (figura 5.).

Parametrii caracteristici pentru efectul de memorie in dublu sens sunt:

parametri de control: T₂,T₁ si n;

parametri masurati: ε_mn si ε_an;

parametrul calculat (ε_mn-ε_an) care reprezinta amplitudinea exprimata prin deformatie a efectului de memorie in dublu sens la ciclul cu numarul 'n'.

2. Determinarea capacitatii de amortizare mecanica

Datorita mobilitatii interfetelor la transformarea martensitica directa si inversa, AMF prezinta o mare capacitate de amortizare a vibratiilor care se manifesta in intervalul de temperaturi de transformare martensitica. Aliajele care au aceasta proprietate sunt cele din sistemele Fe-Ni, Mn-Cu, Au-Cd. In cazul aliajelor din sistemul Ti-Ni capacitatea de amortizare se manifesta si in domeniul ultrasunetelor.

Aceasta capacitate se poate determina in urmatoarele cazuri:

pentru studiul materialului in sine si in acest caz se determina o caracteristica intrinseca a materialului si anume: frecarea interna (care este cvasistatica, pentru vibratiile cu frecvente mici sau dinamica, pentru socuri si unde de soc);

pentru aplicatii tehnologice (atenuarea vibratiilor mecanice, amortizarea zgomotului, deplasarea frecventelor de rezonanta) si in acest caz se determina o anumita marime fizica care poate servi drept criteriu pentru amortizare (sunet, frecventa, acceleratie etc.).

In general prin 'amortizare' se intelege atenuarea unei mirimi fizice in interiorul materialului, fenomen care implica o disipare de energie. Principiul de masurare a amortizarii se bazeaza pe disiparea energetica a materialului.

Dispozitivul de masurare a amortizarii depinde astfel de alegerea acestei marimi fizice (de exemplu: nivel de zgomot, nivel de acceleratie etc.).

Factorii principali care influenteaza amortizarea sunt:

amplitudinea de deformatie (sau a tensiunii aplicate);

temperatura;

frecventa de solicitare.

De exemplu, amortizarea in faza martensitica in cazul unui ciclu de tratament 0-σ_max-0 (figura 7.) se caracterizeaza prin raportul:

Aliajele cu memoria formei poseda o capacitate de amortizare mecanica mai puternica in stare martensitica decat in starea lor austenitica. Aceasta amortizare atinge un maxim in zona de transformare. Nivelurile de amortizare obtinute pentru aliajele cu memoria formei permit clasarea acestor materiale alaturi de materialele metalice cu amortizare puternica.