1 Prof. Filomena Viana
Monitora Inês Frada
Mestrado Integrado de EngenhariaMetalúrgicae de Materiais
Licenciatura em Ciências de Engenharia – Engenharia de Minas e Geo-Ambiente
Equipa 5 Carlos Silva Joana Costa Miguel Lapa Ricardo Luís Susana Dias Tiago Rodrigo Vicente Silva 3 de novembro de 2016
LIGAS COM MEMÓRIA
DE FORMA
EDUCAÇÃO DE LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA
Ligas com memória de forma
ii
Resumo
No âmbito da unidade curricular Projeto FEUP realizou-se este relatório de forma a compreender o comportamento e educação das ligas de memória de forma de níquel e titânio, também conhecidas por ligas TiNi.
Para se educar uma liga de memória de forma são necessárias certas condições laboratoriais, sob as quais foi incidida uma pesquisa, bem como o emprego das mesmas a fim de se realizar um trabalho prático.
Este relatório inclui a descrição da atividade laboratorial realizada no dia 18 de outubro no Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais. A experiência procurou consolidar os conhecimentos adquiridos na procura de informação, para além de dar oportunidade aos alunos de educarem uma liga com memória de forma.
A atividade decorreu com sucesso, tendo sido atingidos os objetivos propostos.
Palavras-chave
iii
Agradecimentos
Gostaríamos de agradecer, em primeiro lugar, à FEUP por despertar interesse e uma enorme vontade de aprender, assim como proporcionar as condições ideais para o fazer.
Em segundo lugar, é fundamental dar ênfase ao acompanhamento da Professora Filomena Viana e também da monitora Inês Frada, pois sempre se mostraram disponíveis para esclarecer qualquer dúvida ou questão. Um obrigado ainda ao Sr. Ramiro que se apresentou como uma grande ajuda aquando da atividade prática.
Por fim, há que valorizar a dedicação de todos os formadores que estiveram presentes na semana de receção aos novos estudantes, na medida em que visaram a integração dos alunos na faculdade e ofereceram um leque de conhecimentos que se transformaram numa ótima preparação para nos tornarmos melhores profissionais.
Ligas com memória de forma iv
Índice
Resumo ... ii Palavras-chave ... ii Agradecimentos ... iii Lista de Figuras ... v Introdução ... 1 Extração do Minério ... 2Ligas com memória de forma ... 4
Ligas Níquel e Titânio ... 4
Aplicações das TiNi ... 6
Educação de ligas com memória de forma ... 7
Procedimento experimental ... 8
Conclusão ... 10
v
Lista de Figuras
Figura 1 – Esquema da estrutura cristalina das fases martensite e austenite.
Figura 2 – Molde metálico e liga enrolada no mesmo. Figura 3 – Colocação do molde no interior do forno.
Figura 4 – Multímetro e termopar, instrumentos de auxílio na medição da temperatura.
Figura 5 – Arrefecimento da liga em água.
Figura 6 – Deformação da liga após ter sido retirada do molde.
Figura 7 – A liga a voltar à forma educada (trevo) devido à subida da temperatura.
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Introdução
De modo a ser estudada a educação das ligas de memória de forma, tema proposto da disciplina de primeiro ano, Projeto FEUP, foi efetuada uma investigação intensa de forma a que este relatório se apresentasse o mais completo possível. Assim, este está organizado de maneira a que seja compreensível todo o processo da educação do material referido, mas propriamente ligas de níquel e titânio. Para complementar, existe ainda o elemento laboratorial, no qual foi posto em prática o procedimento a adotar para atingir o objetivo do trabalho.
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Extração do Minério
O níquel é extraído de dois tipos de minerais: lateritios e sulfatos. Apesar de 70% das reservas mundiais serem encontradas na forma lateritica, apenas 40% do níquel produzido é lateriritico. O níquel é um metal raro na crosta terrestre. Aproximadamente 65% do níquel consumido são empregados na fabricação de aço inoxidável e 12%, em superligas de níquel. Os restantes 23% são repartidos na produção de outras ligas metálicas, baterias recarregáveis, cunhagens de moedas, revestimentos metálicos e fundição. Com base na geofísica, acredita-se que a maior parte do níquel existente na Terra encontra-se no núcleo interno e externo.
No ramo da engenharia, a metalúrgica é a que estuda os métodos e os processos de extração dos minerais dos seus depósitos naturais. Este estudo engloba todos os processos de tratamento do minério, como a lavagem, concentração, separação, processos químicos e a extração pura do metal. A ciência dos materiais tem como objetivo, para alem da extração, encontrar as devidas aplicações tendo em conta as propriedades dos materiais, que por vezes têm de ser trabalhadas para posterior uso.
Dentro dos processos necessários para o tratamento de minérios e metais existem dois essenciais que através de reações químicas vão alterar as características dos materiais. O primeiro processo é através da pirometalurgia que envolve processos de altas temperaturas e que faz reagir gases, sólidos e materiais fundidos. Os sólidos com metais valiosos são tratados de modo a que no final do processo sejam convertidos no seu estado elementar. O segundo processo desenvolve-se através da hidrometalurgia que envolve a utilização de soluções aquosas de modo a extrair metais de minérios existem dois essenciais que através de reações químicas vão alterar as características dos materiais.
O primeiro processo é através da pirometalurgia que envolve processos de altas temperaturas e que faz reagir gases, sólidos e materiais fundidos. Os sólidos com metais valiosos são tratados de modo a que no final do processo sejam convertidos no seu estado elementar.
O segundo processo desenvolve-se através da hidrometalurgia que envolve a utilização de soluções aquosas de modo a extrair metais de minérios. Outra forma de extrair o níquel é chamada “processo Mond”. Este processo foi descoberto em meados de 1890 por Ludwig Mond, um químico inglês, e pretende transformar óxido de níquel em níquel puro.
Ligas com memória de forma
3 O H2 reduz o NiO a Ni, que por sua vez reage com o CO formando o tetracarbonilníquel (volátil e altamente inflamável e tóxico).
Faz-se o ataque do Ni a 50ºC e num forno com resfriamento mantém-se a temperatura abaixo da temperatura de decomposição.
Ni + 4CO Ni(CO)4 + calor, sendo que as impurezas permanecem no estado sólido.
A dissociação é feita introduzindo-se monóxido de carbono na coluna central de um forno especial mantido a 190ºC, onde circulam “bolas” de Ni pré-obtidas.
Estas são aquecidas indiretamente e nelas depositam o Ni com mais de 9,95% de pureza. Aquecido a 230ºC, o gás decompõe-se, formando o metal puro e CO, que é reciclado. [1]
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Ligas com memória de forma
As ligas de memória de forma (também conhecidas como SMA – Shape
Memory Alloys) são ligas metálicas que se caraterizam por voltarem à sua
forma original após uma deformação, sob a ação do aumento da temperatura ou pressão. Este efeito ocorre devido à alteração/reorganização cristalina dos materiais que constituem as mesmas ligas. A recuperação de forma acontece entre os 8 e 10%. Esta ocorre após um ciclo de variação de temperatura [2].
Nestas ligas, existem duas fases sólidas nas quais a diferença está presente na estrutura cristalina: a martensite e a austenite (fase mãe). A primeira é a fase caraterística das ligas à temperatura ambiente. Os materiais adquirem mais ductilidade e, como tal, tornam-se mais fáceis de trabalhar e manobrar. Já a segunda fase, austenite, sucede a altas temperaturas, com uma estrutura geralmente cúbica, apresentando maior simetria do que na martensite [2,5].
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Ligas Níquel e Titânio
Este tipo de liga começou a ser utilizada no fim da década de 1960 para fins militares, nomeadamente, para a construção de aviões de combate, os F-14. As ligas TiNi compostas por aproximadamente 50% de níquel e 50% de titânio são chamam-se “nitinol”.
Fig. 1 – Esquema da estrutura cristalina das fases martensite e austenite [2]
Ligas com memória de forma
5 As TiNi apresentam uma cor acinzentada e brilhante e uma densidade de 6.45 g/cm3. O seu ponto de fusão ronda os 1310 ºC (diferente da temperatura necessária para ocorrer o efeito memória de forma)[7]. Este material é bastante utilizado em áreas como a medicina e aeronáutica devido à biocompatibilidade e resistência mecânica.
As suas principais aplicações devem-se à resistência à corrosão, capacidade de amortecimento e superelasticidade. No entanto, estas apresentam algumas desvantagens tais como o elevado custo de produção e pouca resistência à fadiga[4,5,6].
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Aplicações das TiNi
A liga com memória de forma é utilizada no bioengenharia com diversas funções. Umas delas é a reparação dos ossos partidos. A placa da liga tem temperatura de transferência de memória parecida com a temperatura corporal e é conectada a ambas as partes do osso quebrado. Devido ao calor corporal a placa irá contrair-se e manter a forma original, exercendo assim uma força de compressão no osso na zona de fratura. Após o osso ter sarado a placa continua a exercer a força compressiva e ajuda a fortalecer durante a reabilitação. Metais com memória também se aplicam a substituições de anca tendo em conta a sua capacidade elástica.
Outra função da liga é o desbloqueamento de vasos sanguíneos, sendo assim um tubo de liga é comprimido e introduzido no vaso bloqueado. O metal tem memória de temporal perto da temperatura corporal, logo o metal expande e abre os vasos entupidos.
Além disso, é usada para o arame do aparelho dentário. As ligas de memória mantêm a sua forma já que se encontram a constante temperatura e devido a elasticidade do metal de memória.
Estas também são usadas em válvulas de proteção que devido a um aumento da temperatura as válvulas atuam. Por exemplo num chuveiro quando a temperatura sobe demais estas válvulas atuam, ou seja, bloqueiam a passagem de água só voltando a reabrir.
Ligas com memória de forma
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Educação de ligas com memória de forma
Como vimos, estas ligas metálicas possuem uma estrutura cristalina que tem a capacidade de memorizar uma forma específica e de regressar a esta quando aquecida. É possível “programarmos” estas ligas para uma nova forma.
Após darmos à liga a forma desejada enquanto está na fase martensite, coloca-se num molde resistente e aquece-se o metal até este atingir temperaturas perto dos 500ºC. A estas temperaturas, a liga irá mudar para a fase austenita, mas a estrutura dos cristais não conseguirá forçar o metal a regressar à forma que caracteriza essa fase por causa do molde. Deste modo, por ação do calor, os cristais serão lentamente educados a “lembrar-se” da estrutura que apresentam nesse momento. A liga não necessitará de ser submetida a altas temperaturas durante mais de vinte minutos para ser educada com a nova forma.
Esta facilidade de educar as ligas de memória forma dá-lhes uma versatilidade que as torna muito úteis em vários ramos da Indústria. [8]
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Procedimento experimental
Antes da realização da experiência, foi formado um molde metálico com orifícios onde são inseridos parafusos. A ordem e padrão destes parafusos devem ser rigorosos de tal maneira que a liga seja enrolada e fixa nos parafusos e, desta forma, adquirir a forma desejada. (Fig. 2)
Após a liga estar bem fixa, o molde é inserido num forno pré-aquecido a 500ºC. Devido a estas altas temperaturas, deve-se usar luvas termicamente resistentes e uma tenaz metálica. (Fig. 3)
O molde e a liga repousam no forno durante 15 minutos. Durante o aquecimento, a temperatura é medida num termopar inserido num orifício da porta do forno. Este aparelho está associado a um multímetro, onde se pode visualizar os valores da temperatura. (Fig. 4). O molde é depois retirado do forno e colocado num recipiente cheio de água à temperatura ambiente (o
Fig. 2 – Molde metálico e liga enrolada no mesmo
Ligas com memória de forma
9 molde é agitado dentro de água para evitar a formação de vapor de água), onde arrefece rapidamente. (Fig. 5)
Após o molde ser seco, a liga é retirada e deformada (Fig. 6). Com auxilio de um isqueiro (fonte de calor), é aquecida para se verificar se a educação foi bem sucedida. Caso isso seja verdade, a liga irá reorganizar-se à medida que é aquecida até a forma educada ser visível (Fig. 7).
Fig. 4 – Multímetro e termopar, instrumentos de auxílio na medição da temperatura.
Fig. 5 – Arrefecimento da liga em água
Fig. 6 – Deformação da liga após ter sido retirada do molde
Fig. 7 – Liga a voltar à forma educada (trevo) devido à subida da temperatura
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Conclusão
Em suma, a realização deste trabalho permitiu aos estudantes abrangerem os seus conhecimentos sobre o mundo das ligas metálicas, nomeadamente das ligas com memória de forma.
O facto de ter sido possível efetuar a educação da liga TiNi mostrou-se como uma parte fundamental do trabalho, uma vez que foi possível presenciar o processo em estudo e fazer parte do mesmo. Aliado ao que foi descrito anteriormente, os resultados positivos geraram curiosidade e vontade de aprender mais sobre esta matéria.
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Referências Bibliográficas
1. Robert Lancashire. 2010. “Nickel Chemistry”. Acedido a 28 de outubro de 2016. http://wwwchem.uwimona.edu.jm:1104/courses/nickel.html
2. Silva, Paulo Lobo et al. “Shape memory alloys behaviour : A review”. Volume 144. Páginas 776-783. Acedido a 26 de outubro de 2016. http://ac.els- cdn.com/S1877705815016641/1-s2.0-S1877705815016641- main.pdf?_tid=80f5e5fe-9c6b-11e6-a850-00000aacb35e&acdnat=1477589802_4951ab049dd18d481da381037bab6a0 2 3. Acedido a 15 de outubro de 2016. https://en.wikipedia.org/wiki/Nickel_titanium
4. Johnson Matthey Medical Components. 2016. “How does Nitinol work? All about Nitinol Shape Memory and Superelasticity”. Acedido a 30 de setembro de 2016. http://jmmedical.com/resources/122/How-Does-Nitinol-Work%3F-All-About-Nitinol-Shape-Memory-and-Superelasticity.html
5. Silva, Rui. “Metais com Memória de Forma”. Acedido a 25 de outubro de 2016. www.ua.pt/cv/readobject.aspx?obj=1259
6. Kang, Guozheng et al. “Review on structural fatigue of NiTi shape memory alloys: Pure mechanical and thermos-mechanical ones”. Theoretical
and Applied Mechanics Letters. Volume 5. Páginas 245-254. Acedido a 15 de
outubro de 2016. http://ac.els-cdn.com/S2095034915000938/1-s2.0-
S2095034915000938-main.pdf?_tid=63268a50-9c6c-11e6-8047-00000aacb35e&acdnat=1477590181_c4d0621ddb8cefe7589c4e5aeb8ffdd1
7. Chemistry Learner. 2016. “Nitinol”. Acedido a 2 de outubro de 2016.
http://www.chemistrylearner.com/nitinol.html
8. Fremond, Michael and Schuichi Myazaki. “Shape Memory Alloys”. Vol. 351. Springer, 2014.
