Um aspecto importante da caracterização e utilização das SMAs diz respeito ao treinamento. Devido a diversos fenômenos, uma SMA apresenta um comportamento que muda de acordo com os ciclos de carga-descarga, tendendo a uma estabilização na medida que o número de ciclos aumenta. Desta forma, apesar das condições de teste serem as mesmas, o material apresenta respostas diferentes.
Desta forma, o treinamento é uma etapa importante para a caracterização e utilização de ligas com memória de forma. Os testes são realizados em uma máquina de teste universal INSTRON, com garras pneumáticas, célula de carga de 5 kN, 0,001 mm de resolução de posição e 0,01 mm de precisão da posição e com extensômetro acoplado ao fio por meio de fixadores elásticos, Figura 3.2. Para os ensaios de pseudoelasticidade com variação de temperatura é utilizada uma servo hidráulica MTS, com célula de carga de 30kN, com os mesmos parâmetros de resolução e precisão do equipamento anterior, equipada com forno de temperatura controlada, Figura 3.3. A análise dos parâmetros de teste é realizada através do programa Task Work 4.
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Figura 3. 2: Montagem para levantamento das características mecânicas do fio
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Diferentes condições de treinamentos são efetuadas visando verificar a influência de parâmetros como carregamento, temperatura, taxa de carregamento e número de ciclos de teste. São realizados treinamentos em diferentes amostras, todas com fios novos do mesmo material.
O objetivo do treinamento é estabilizar a resposta do material. Conforme o material é carregado e descarregado o laço de histerese se movimenta, se estabilizando depois de um determinado número de ciclos. O fenômeno responsável por esse comportamento típico das SMAs é o TRIP.
Neste contexto, considere diferentes carregamentos cíclicos. As Figuras 3.4, 3.5 e 3.6 apresentam 50 ciclos, 60°C, com diferentes carregamentos com cargas máximas: 2,5 kN (1132 MPa); 2,6 kN (1179 MPa) e 2,7 kN (1200 MPa). Cada um dos testes é realizado com as frequências de 0,0028 Hz e 0,1 Hz, associadas às taxa de carregamento de 2 e 78 mm/min, consideradas taxas baixa e alta de carregamento, respectivamente.
Observa-se que o carregamento cíclico tende a movimentar o laço de histerese, reduzindo a altura do platô de transformação de fase. Além disso, a deformação residual se acumula progressivamente e que a quantidade acumulada depende do valor da carga aplicada. Esse comportamento tende a se estabilizar após alguns ciclos.
Nas Figuras 3.4, 3.5 e 3.6 a carga aplicada não é alta o suficiente para promover a estabilização do laço de histerese em poucos ciclos de carregamento. Nesses ensaios as cargas de teste são inferiores à carga de escoamento (2,7 kN). Note que o laço de histerese gradualmente dimunui, após alguns ciclos, uma dissipação constante de energia é obtida. O laço de histerese fechado é formado devido a transformação da fase austenítica para a fase martensítica e sua transformação reversa e está relacionado com a capacidade de absorver energia do material. Uma resposta estável da curva carga-deformação ocorre depois que o laço de histerese está fechado. Chama-se de treinamento ao processo de carregamento cíclico responsável pela estabilização da resposta do material.
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Figura 3. 4: Carga de 2,5 kN (1132 MPa), frequência de 0,0028 Hz (a) e 0,1 Hz (b), respectivamente.
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Figura 3. 6: Carga de 2,7 kN (1200 MPa), frequência de 0,0028 Hz (a) e 0,1 Hz (b).
Existe uma competição entre a energia gerada-absorvida pela transformação de fase e o processo de troca de calor com o meio através da convecção. Nota-se que para uma mesma carga, a maior frequência de teste apresenta uma redução mais acentuada do laço de histerese. Outra característica que pode ser observada é que a maior frequência de teste propicia a estabilização do laço de histerese com um número menor de ciclos de carregamento. Para os testes realizados na carga limite do regime elástico (2,7 kN), Figuras 3.6 (a) e (b), observa-se que para baixa frequência a resposta do material após treinamento apresenta os platôs superior e inferior de transformação de fase definidos, enquanto que para frequência de 0,1 Hz não se observa essa tendência.
A Figura 3.7 apresenta a tensão crítica de início da transformação martensítica (σMS) em função do número de ciclos, levando em consideração o carregamento e a frequência no qual são realizados os treinamento. Observa-se que para a maior frequência de treinamento (f = 0,1 Hz), representada pelo triângulo invertido, curvas vermelha (2,5 kN), preta (2,6 kN) e laranja (2,7 kN), menor é a tensão de início da transformação martensítica. De outro modo, quanto menor a
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carga e frequência, maior é a tensão. Para alta carga e alta frequência (curva laranja) nota-se a tendência de estabilização da tensão em poucos ciclos de carregamento.
Figura 3. 7: Tensão de início da transformação martensítica (σAS) em função do número de ciclos.
Neste momento é analisada a influência da carga e da temperatura no treinamento do material. Na Figura 3.8 (a) é mostrado o treinamento para a tensão de 1087 MPa (2,4 kN), a temperatura de 100°C, 15 ciclos. Nessa situação não se observa a inclinação abrupta da curva indicando a completa transformação da fase austenítica em martensítica (LAGOUDAS et al., 2003).
Posteriormente, eleva-se a tensão para 1132 MPa (2,5 kN), mantendo-se constantes os demais parâmetros, a Figura 3.8 (b) apresenta a resposta do material. Nota-se que ocorre a transformação completa da fase austenítica para a fase martensítica, pela mudança da inclinação da parte final do platô superior. Mantendo as mesmas condições, são treinadas duas novas amostras, Figuras 3.9 (a) e (b). Apesar das amostras serem idênticas e os treinamentos serem
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realizados em condições semelhantes obtém-se diferentes respostas do material. A deformação residual encontrada é de 6mm e 5,5 mm, respectivamente. Segundo (LAGOUDAS et al., 2003) essa diferença ocorre devido à não-linearidade da resposta do material durante a transformação de fase martensítica, onde pequenas mudanças na tensão conduzem a grandes mudanças na deformação.
Figura 3. 8: Treinamento a 1087 MPa (2,4 kN) a 100°C, 15 ciclos (a) e 1132 MPa (2,5 kN) a 100°C, 15 ciclos (b).
Figura 3. 9: Treinamento 1132 MPa (2,5 kN) a 100°C, 15 ciclos (a) e (b), respectivamente.
(a) (b)
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A Figura 3.10 apresenta resultados a uma a temperatura mais alta 120°C, 15 ciclos, na tensão de 1132 MPa (2,5 kN). Nesse caso observa-se uma mudança significativa na resposta.
Figura 3. 10: Treinamento 1132 MPa (2,5 kN) a 120°C, 15 ciclos.
A Figura 3.11 apresenta resultados onde a tensão é novamente aumentada para o valor de 1179 MPa (2,6 kN), a temperatura de 120°C, 15 ciclos. Mais uma vez nota-se que a variação da temperatura e da tensão podem alterar o comportamento do material.
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Em um novo experimento, a tensão é reduzida para 1132 MPa (2,5 kN), uma vez que a tensão de 1176 MPa (2,6 kN) pode provocar a ruptura, iminente da amostra. Considera-se uma temperatura de 60°C (metade da temperatura anterior) e 20 ciclos (aumento do número de ciclos). A Figura 3.12 apresenta a resposta do material nessas condições. Nota-se que a curva apresenta regiões de transformação de fase bem definidas.
Figura 3.12: Treinamento 1132 MPa (2,5 kN) a 60°C, 20 ciclos.
Para a realização dos experimentos que se seguem são utilizadas duas amostras treinadas. Inicialmente, a amostra treinada na tensão de 1132 MPa (2,5 kN) a 60°C, 20 ciclos, que apresenta boa estabilização do laço de histerese. Posteriormente, um novo treinamento é realizado: temperatura de 100°C e 10 ciclos. A Figura 3.13 apresenta as curvas do treinamento para a tensão de 1132 MPa (2,5 kN) a 100°C, 10 ciclos.
Com o objetivo de observar a influência do treinamento na resposta pesudoelástica do material, os experimentos pseudoelásticos, realizados anteriormente com a amostra treinada a 1132 MPa, 60°C, 20 ciclos, são repetidos para a amostra treinada a 100°C, 10 ciclos e, obtêm-se respostas semelhantes.
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Figura 3.13: Treinamento a 100°C, 10 ciclos.