ANÁLISE EXPERIMENTAL DO COMPORTAMENTO TERMOMECÂNICO DAS LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA
Maurício Sanches Garcia
Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Doutor em Engenharia Mecânica.
Orientador: Marcelo Amorim Savi
Rio de Janeiro Novembro de 2015
LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA
Maurício Sanches Garcia
TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA MECÂNICA.
Examinada por:
________________________________________________ Prof. Marcelo Amorim Savi, D.Sc.
________________________________________________ Prof. Jose Luis Lopes da Silveira, D.Sc.
________________________________________________ Prof. Pedro Manuel Calas Lopes Pacheco, D.Sc.
________________________________________________ Prof. Luis Felipe Guimarães de Souza, D.Sc.
________________________________________________ Prof. Antonio Lopes Gama, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL NOVEMBRO DE 2015
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Garcia, Maurício Sanches
Análise Experimental do Comportamento Termomecânico das Ligas com Memória de Forma / Maurício Sanches Garcia. – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2015.
XIV, 77 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Marcelo Amorim Savi
Tese (doutorado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia Mecânica, 2015.
Referencias Bibliográficas: p. 69-77.
1. Ligas com Memória de Forma. 3. Acoplamento Termomecânico. 4. Plasticidade. 5. Materiais Inteligentes I. Savi, Marcelo Amorim. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Mecânica. III. Título.
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Para Maria Marta, minha esposa que sempre me apoiou em meus sonhos.
E para os meus filhos, Thiago, Lucas e Daniel, que este trabalho sirva de exemplo frente aos desafios da vida.
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Primeiramente à DEUS que permitiu a realização desse sonho. Sem Ele nada seria possível. Durante esse período tive duas cirurgias, sendo uma de emergência, que poderia ter tirado minha vida. Mas sempre senti e soube que meu Deus caminha e cuida de mim.
À minha família, em especial, a minha mulher Maria Marta que em todas as situações me incentivou e apoiou. Aos meus filhos Thiago, Lucas e Daniel agradeço pela compreensão, pelos sábados, domingos, feriados e férias que ficamos em casa, pois eu tinha que estudar... Não posso deixar de citar minha mãe e meu pai, Neide e Mauro, por estarem sempre ao meu lado, e não medirem esforços para nos ajudar com tudo que era preciso para dar tranquilidade nessa caminhada;
Ao meu amigo e orientador, professor Marcelo Amorim Savi, pelas orientações precisas e oportunas, pelas palavras de incentivo, pelos ensinamentos transmitidos e pelas cobranças no momento certo. Por ser um porto seguro na condução desse trabalho e por ter me iniciado, através de uma indicação, na vida acadêmica, em 2006;
Aos meus chefes militares que sempre me apoiaram na realização desse trabalho e em especial ao comandante Guetti, que primeiro acreditou em mim;
Aos companheiros do LAVI e da família FENÃO: grande Flávio, Alberto, Bianca, Marina, Sandra, Vanderson, Vandré, Aline, Arantes e a todos que não foram citados, mas contribuíram de alguma maneira para o desenvolvimento do trabalho, pela amizade e clima de irmandade;
Ao amigo Sérgio de Almeida Oliveira, pela amizade, apoio e ensinamentos;
Aos professores e funcionários do programa de Engenharia Mecânica, que de alguma forma também colaboraram com este trabalho;
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para a obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.Sc.)
ANÁLISE EXPERIMENTAL DO COMPORTAMENTO TERMOMECÂNICO DAS LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA
Maurício Sanches Garcia Novembro/2015
Orientador: Marcelo Amorim Savi Programa: Engenharia Mecânica
As ligas com memória de forma (SMAs) possuem um comportamento termomecânico bastante complexo. Fenômenos como transformação de fase e plasticidade são importantes para definir a resposta de uma SMA. Este trabalho apresenta uma investigação experimental do comportamento termomecânico das SMAs. A resposta de fios com memória de forma é analisada considerando diferentes carregamentos. Efeitos das taxas de carregamento, dos carregamentos cíclicos e da plasticidade são investigados. Os resultados mostram fenômenos como a estabilização e a competição entre taxa de carregamento e a convecção térmica. Molas helicoidais pseudoelásticas também são investigadas. Apresenta-se uma discussão sobre seu projeto e fabricação. Ensaios de tração mostram a influência das não-linearidades geométrica e constitutiva que se manifestam em parâmetros como a rigidez da mola.
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requirements for the degree of Doctor of Science (D.Sc.)
EXPERIMENTAL ANALYSIS OF THE THERMOMECHANICAL BEHAVIOR OF SHAPE MEMORY ALLOYS
Maurício Sanches Garcia November /2015
Advisor: Marcelo Amorim Savi Department: Mechanical Engineering
Shape Memory Alloys (SMAs) have a complex thermomechanical behavior. Phenomena such as phase transformation and plasticity are important to define SMAs response. This research presents an experimental investigation of the thermomechanical behavior of SMAs. Response of shape memory wires is analyzed considering different loading conditions. Effects of loading rates, cyclic loading and plasticity are investigated. Results show phenomena such as stabilization and competition between
the loading rate and thermal convection. Pseudoelastic helical springs are also
investigated, presenting a discussion of their design and manufacturing. Tensile tests show the influence of geometric and constitutive nonlinearities and their manifestation in parameters as spring stiffness.
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LISTA DE FIGURAS ... X LISTA DE SÍMBOLOS ... XIV
1 INTRODUÇÃO ... 1
1.1 Objetivos do Trabalho ... 4
1.2 Organização do Trabalho... 5
2 CARACTERÍSTICAS FUNCIONAIS E APLICAÇÕES DAS LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA ... 7
2.1 Características Funcionais das Ligas com Memória de Forma ... 7
2.2 Aplicações na área de saúde ... 16
2.3 Aplicações na área aeroespacial ... 18
2.4 Aplicações em montagens industriais ... 22
3 FIOS COM MEMÓRIA DE FORMA ... 25
3.1 Temperaturas de Transformação ... 25
3.2 Treinamentos ... 27
3.3 Propriedades Mecânicas ... 36
3.4 Transformação de Fase Induzida por Temperatura ... 41
3.5 INFLUÊNCIA DA TAXA DE CARREGAMENTO ... 42
3.5.1 Taxa de Carregamento Baixa ... 42
3.5.2 Taxa de Carregamento Alta ... 44
3.5.3 Taxa de Carregamento Média... 46
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4.1 Comportamento da Deformação em Função do Carregamento ... 51
4.2 - Influência da Taxa de Carregamento ... 52
5 MOLAS COM MEMÓRIA DE FORMA ... 57
5.1 Projeto e Fabricação ... 59
5.2 Ensaios de Tração ... 62
6 CONCLUSÕES ... 67
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Figura 2.1: Temperaturas de transformação de fase ... 8
Figura 2.2 Evolução da deformação no diagrama tensão deformação ... 9
Figura 2.3: Caminho de carregamento termomecânico (a), diagrama tensão-deformação (b) (LAGOUDAS, 2008) ... 10
Figura 2.4: Diagrama Temperatura-Tensão-Deformação (LAGOUDAS, 2008) ... 11
Figura 2.5: Representação esquemática do TWSME (Machado & Savi, 2003). ... 12
Figura 2.6: Curva tensão-deformação para 50 ciclos a 60 ºC... 14
Figura 2.7 : Sequencia de abertura da cesta de SMAs... 16
Figura 2.8: Bomba balao intra-aortica. ... 17
Figura 2.9: Ferramentas de laparoscopia. ... 17
Figura 2.10: Diferentes modelos de stents... 18
Figura 2.11: Placa fina de Nitinol (www.medteceurope.com). ... 18
Figura 2.12: Componentes da estrutura do avião (www.portalsaofrancisco.com.br). ... 19
Figura 2.13: Instalação do tubo de torque na asa do avião (LAGOUDAS, 2004). ... 20
Figura 2.14: Instalação de chevrons na saída das turbinas (LAGOUDAS, 2004). ... 21
Figura 2.15: Instalação de chevrons na saída das turbinas (LAGOUDAS, 2004). ... 21
Figura 2.16: “Lightweight Flexible Solar Array” (CARPENTER & LYONS, 2001). .. 22
Figura 2.17: (a) Diagrama tensão, deformação e temperatura. (b) Esquema do arranjo mecânico realizado, (PIOTROWSKI, 2010). ... 23
Figura 2.18: Hastes de amortecimento das coletoras ferroviárias (Tuissi, et al., 2009). 24 Figura 3.1: Temperaturas de transformação. ... 26
Figura 3. 2: Montagem para levantamento das características mecânicas do fio ... 28
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0,1 Hz (78 mm/min.) (b), respectivamente. ... 30
Figura 3. 5: Carga de 2,6 kN (1179 MPa), frequência de 0,0028 Hz (2 mm/min.) (a) e 0,1 Hz (78 mm/min.) (b), respectivamente. ... 30
Figura 3.6: Treinamento 1132 MPa (2,5 kN) a 60°C, 20 ciclos. ... 35
Figura 3.73: Treinamento a 100°C, 10 ciclos. ... 36
Figura 3.8: Comparação da resposta do material a variação de temperatura a carga constante de 200 (verde) e 300 MPa (azul) (Task Work 4 - MTS). ... 41
Figura 3.9: Teste a 22 °C, taxa baixa. ... 43
Figura 3.10: Teste a 40 °C, taxa baixa. ... 43
Figura 3.11: Teste a 80 °C, taxa baixa. ... 43
Figura 3.12: Comparativo das respostas em diferentes temperaturas em taxa baixa. .... 44
Figura 3.13: Teste a 22 °C, taxa alta. ... 45
Figura 3.14: Teste a 40 °C, taxa alta. ... 45
Figura 3.15: Teste a 80°C, taxa alta. ... 45
Figura 3.16: Comparativo das respostas em diferentes temperaturas em taxa alta. ... 46
Figura 3.17: Teste a 22 °C, taxa média. ... 46
Figura 3.18: Teste a 40 °C, taxa média. ... 47
Figura 3.19: Teste a 80 °C, taxa média. ... 47
Figura 3.20: Resposta do material para diferentes temperaturas, taxa média. ... 47
Figura 3.21: Comparativo das respostas em diferentes taxas de carregamento para a temperatura de 22 °C. ... 48
Figura 3.22: Comparativo das respostas em diferentes taxas de carregamento para a temperatura de 40 °C. ... 49
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temperatura de 80 °C. ... 50
Figura 4.1: Diagrama tensão deformação para tensões de: (a) 1100 MPa; (b) 1146 MPa; (c) 1350 MPa e (d) 1382 MPa, 60°C. ... 52 Figura 4.2: Diagrama tensão deformação para as tensões (a) e (b) de 1246 e (c) e (d) de 1296 MPa, 60°C nas frequências de 0,0028 e 0,1 Hz, respectivamente. ... 53 Figura 4.3: Tensão de início da transformação martensítica em função do número de ciclos, alta (a) e baixa taxa de carregamento (b). ... 54 Figura 4.4 a e b: Diagrama carga-deslocamento 2,8 kN, frequências de 0,0028 e 0,1Hz, respectivamente. ... 54 Figura 4.5 a e b: Diagrama carga-deslocamento 2,9 kN, frequências de 0,0028 e 0,1Hz, respectivamente. ... 55 Figura 4.6 a e b: Diagrama carga-deslocamento 3 kN, frequências de 0,0028 e 0,1Hz, respectivamente. ... 55
Figura 5.1: Comportamento macroscópico pseudoelástico de SMA representado pela curva força-deslocamento para molas (a) e curva tensão - deformação para fios e barras (b). ... 58 Figura 5.2: Dispositivo de fabricação de molas. ... 61 Figura 5.3: Mola f teste na configuração de máximo de deslocamento: (a) a 25 mm; (b) 40 mm. ... 63 Figura 5.4: Mola F teste na configuração de máximo de deslocamento: (a) a 65 mm; (b) 120 mm. ... 63 Figura 5.5: Curvas força-deslocamento para Mola f. ... 64 Figura 5.6: Curvas força-deslocamento para Mola F. ... 66
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AFOSR - Air Force Office Scientific Research (Escritório de pesquisas cientificas da força aérea)
AFRL - Air Force Reserch Laboratory (Laboratório escritório de pesquisas da força aérea)
DSC - Differential Scanning Calorimeter (calorímetro)
SIM - Stress-Induced Martensite (martensita induzida pela tensão) SMA - Shape Memory Alloy (ligas com memória de forma)
SME - Shape Memory Effect (efeito de memória de forma) NGC - Northrop Grumman Corporation
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LISTA DE SÍMBOLOS
Ms Temperatura de inicio da transformação martensita maclada.
Mf Temperatura de fim da transformação martensita maclada
Af, Temperatura de fim da transformação austenitica.
As Temperatura de inicio da transformação austenitica.
σMs Tensão de início da transformação da austenita em martensita não-maclada.
σMf Tensão da completa transformação da austenita em martensita não-maclada.
σAs Tensão no qual se inicia a transformação austenítica.
σAf Tensão no qual se inicia a transformação austenítica.
σs Tensão de inicio da transformação para martensita não-maclada.
σf Tensão da completa transformação para martensita não-maclada.
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As ligas com memória de forma (SMAs) começaram a ser estudadas na década de 1930, porém somente em 1962, o Laboratório Naval dos Estados Unidos (NOL - U.S. Naval
Ordenance Laboratory) descobriu o fenômeno do efeito de memória de forma em uma liga de
NiTi, que passou a ser chamada de Nitinol em homenagem a esse laboratório. A partir daí, várias aplicações industriais foram estabelecidas em áreas como aeronáutica, medicina e robótica. Alguns exemplos incluem dispositivos de controle da vibração em estruturas de construção civil, que utilizam a capacidade das ligas de NiTi de dissipar energia através do ciclo de histerese que ocorre durante a transformação de fase. Uma outra aplicação deste comportamento são as estruturas metálicas flexíveis utilizadas em armações de óculos e headphones, que podem ser dobradas sem quebrar.
Vários fenômenos fazem com que o comportamento das SMAs seja bastante complexo. O comportamento termomecânico das SMAs apresenta uma forte dependência de diversos fatores como variação da temperatura e da taxa de carregamento (Lagoudas, 2008). Mukherjee et
al. (1985) foram provavelmente os primeiros a observarem essa correlação. Shaw & Kyriakides
(1995) realizaram testes experimentais em fios submetidos a diferentes taxas de carregamento, em diferentes temperaturas e ambientes, verificando os efeitos do acoplamento termomecânico na evolução da temperatura. Lin et al. (1996) também investigaram a influência da taxa de carregamento em fios de SMA. Tobushi et al. (1999) estudaram a influência da taxa de carregamento no comportamento superelástico em testes de tração, avaliando o efeito nas propriedades mecânicas.
A assimetria tração-compressão do comportamento termomecânico de SMAs é outro tema que vem demonstrando ser de grande importância, sendo objeto de várias pesquisas. Jiang
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& Zhang (2012), Choi et al. (2005) e Nemat-Nasser & Guo (2006) trataram o efeito da taxa de carregamento em testes de compressão.
A Universidade de Metz, na França (Laboratório LEM3 - Laboratoire d'étude des
microstructures et de mecânique des matériaux), desenvolveu um novo dispositivo experimental
para testes multi-axiais de caracterização. A partir desse dispositivo, foram realizados testes de superelasticidade na temperatura constante de 90°C e testes de reorientação (ciclo térmico), com a temperatura variando de 120°C a -60°C, verificando qual deformação máxima é alcançada na tração, na compressão e na transformação martensítica (ECHCHORFI et al., 2010).
Com o intuito de aprofundar o conhecimento das SMAs, a Fundação Europeia de Ciências (European Science Foundation) criou o grupo de pesquisas “Roundrobin SMAs
Modelling” formado por equipes de pesquisas de diferentes universidades. O ESF S3T
EUROCORES foi concebido com o objetivo de comparar capacidades de vários modelos de SMAs para simular respostas funcionais para aplicação em estruturas inteligentes de engenharia. Cinco diferentes testes experimentais foram realizados: testes de tensão-deformação a temperatura constante, testes de recuperação (ciclo térmico) em diferentes tensões, torção em temperatura constante, testes combinados de tensão-torção e comparados com simulações matemáticas propostas pelos pesquisadores, confirmando os modelos (SITTNER & SEDLAK, 2010).
Os efeitos da taxa de carregamento, do nível de carga e da temperatura na deformação cíclica das SMAs foram investigados de várias maneiras onde se destacam as seguintes referências: Strnadel et al. (1995), Liu et al. (1999), Gall & Sehitoglu . (1999), Gall & Maier (2002), Eggler et al. (2004), Nemat-Nasser & Guo (2006), Dayananda & Subba (2008), Grabe & Bruhns (2008) e Morin et al (2011). Predki et al. (2006) investigaram a dissipação e a fadiga em testes cíclicos. Kang et al. (2009 e 2012) realizaram testes uniaxiais em condições de tensão controlada e carregamento cíclico, descobriram um comportamento e denominou de
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transformação ratchetting, sendo causado principalmente pela transformação cíclica entre as fases austenita e martensita. Durante o carregamento cíclico a tensão controlada, a deformação residual e o pico de tensão se acumulam de forma progressiva. Esse fenômeno tem sua origem no acúmulo da martensita não reversível e na deformação plástica da fase martensítica.
Muitos experimentos são realizados em condições nas quais a tensão máxima de teste é menor do que a tensão de escoamento. Mckelvey & Ritchie (1999) observaram que a plasticidade da fase martensítica dificulta a transformação reversa durante o descarregamento. Nota-se uma redução da energia dissipada durante o ciclo de carregamento. Esse fenômeno é considerado como uma fadiga funcional de uma liga de memória de forma.
A fadiga em SMAs pode ser analisada sob dois aspectos: mecânica e funcional, Agiler et
al. (2004). A fadiga mecânica é devida a danos microestruturais que se acumulam durante o
carregamento cíclico e podem levar a falha do material. Por outro lado, a fadiga funcional está relacionada à degradação do efeito de memória de forma e da pseudoelasticidade, que é observada durante o carregamento cíclico.
D Song et al. (2014) realizaram experimentos em micro tubos com tensão cíclica prescrita observando o efeito da plasticidade da fase martensítica. Nos testes, verifica-se que em cargas suficientemente altas há uma rápida estabilização do ciclo de histerese. Após 20 ciclos, as transformações direta e reversa não são mais observadas nas curvas tensão-deformação. Isto é um indicativo de que a plasticidade martensítica inibe a ocorrência da transformação reversa. Verifica-se que as tensões iniciais da transformação direta gradualmente diminuem com o crescimento do número de ciclos. Caso a tensão inicial seja suficientemente alta, as transformações direta e reversa são restritas após um único ciclo de carregamento.
Outro fenômeno importante relacionado com os carregamentos cíclicos em SMAs é a plasticidade induzida por transformação de fase (TRIP - do inglês, transformation induced
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estabilização da resposta do material. Estudos experimentais revelam que esse mecanismo de deformação resulta de tensões internas decorrentes da variação de volume associada à transformação de fase e também da mudança de forma (Marketz & Fischer, 1994). O TRIP é um tipo de deformação irreversível que ocorre dentro da superfície de escoamento (Greenwood & Johnson, 1965; Magee, 1966; Abrassart, 1972; Desalos, 1981; Denis et al. 1982; e Olson & Cohen, 1986).
1.1 Objetivos do Trabalho
O presente trabalho apresenta uma investigação experimental sobre o comportamento termomecânico das ligas com memória de forma. Pretende-se avaliar os comportamentos clássicos de pseudoelasticidade e também efeitos relacionados a diferentes condições de carregamento. Investigam-se fios e molas, destacando-se a influência da não-linearidade geométrica nas molas. A influência da plasticidade em testes cíclicos também é investigada em diferentes taxas de carregamento, sendo uma das contribuições deste trabalho.
Neste trabalho são apresentados testes experimentais realizados em fios de SMA com a finalidade de identificar as complexas interações termomecânicas existentes entre as duas fases do material: austenita e martensita. Diferentes condições de carregamento térmico e mecânico são impostas ao material para verificar seu efeito na resposta.
A pseudoelastidade é verificada em diferentes histórias de carregamento. Inicialmente, as amostras são treinadas em diferentes condições de temperatura e carga. No treinamento, o material está submetido a múltiplos ciclos de transformação de fase com o objetivo de estabilizar o ciclo de histerese. Desta forma, testes subsequentes apresentam respostas estabilizadas. Neste
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trabalho investiga-se a influência da carga aplicada, da temperatura e da taxa de carregamento no treinamento.
A caracterização termomecânica do material inclui uma série de testes experimentais: testes de pseudoelasticidade em diferentes temperaturas, testes de tração até a ruptura do material e o levantamento das temperaturas de transformação de fase. Para isso, utilizam-se um calorímetro de varredura (DSC – differential scanning calorimeter) para avaliaras temperaturas de transformação de fase; e máquinas de ensaio universal com temperatura controlada para realizar os ensaios de tração.
A influência da taxa de carregamento no comportamento do material é avaliada considerando diferentes condições de taxas. Carregamentos cíclicos também são discutidos em ensaios com carregamentos nas regiões elástica e plástica do material, evidenciando o efeito do plasticidade na resposta do material.
Além da análise de fios, este trabalho também investiga molas helicoidais pseudoelásticas de SMAs. A principal investigação está associada à influência das não-linearidades geométricas na resposta da mola, sendo uma importante contribuição deste trabalho. Duas molas são fabricadas a partir do mesmo fio de SMA caracterizando uma fraca e forte influência da não-linearidade geométrica.
1.2 Organização do Trabalho
O trabalho está dividido em seis capítulos. Este primeiro capítulo apresenta uma introdução, abordando suas motivações, objetivos e uma revisão de literatura que posiciona a contribuição do trabalho.
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No Capítulo 2 apresenta-se uma discussão sobre aspectos funcionais das ligas com memória de forma. Explicam-se os fenômenos envolvidos na transformação de fase destacando os principais fenômenos aplicações das SMAs. A influência do acoplamento termomecânico nessas ligas também é discutido mostrando sua importância na análise termomecânica desses materiais.
No Capítulo 3 são apresentados os testes experimentais realizados em fios de SMAs. Os experimentos abrangem o treinamento da liga, a caracterização do material, a influência dos parâmetros de teste no acoplamento termomecânico do material, e a influência da taxa de carregamento. São apresentados também ensaios de variação de temperatura a carga constante.
No Capítulo 4 investigam-se os fenômenos que envolvem a plasticidade das SMAs. Para tal são utilizadas cargas que proporcionem atingir a região plástica do material considerando diferentes taxas de carregamento.
No Capítulo 5 é apresentada uma investigação sobre o comportamento mecânico de molas helicoidais pseudoelásticas de SMA. Especial atenção é dedicada aos efeitos da não-linearidade geométrica. Inicialmente são discutidos os procedimentos de projeto e de fabricação de molas helicoidais pseudoelásticas de SMA. Duas molas com diferentes geometrias são construídas utilizando o mesmo fio de SMA, definidas como molas com fraca e forte influência da não linearidade geométrica. Posteriormente, são realizados testes experimentais de tração. Os resultados apresentam um acoplamento entre as não linearidades constitutiva e geométrica manifestado através da rigidez.
No Capítulo 6 são apresentadas as conclusões referentes ao trabalho e sugestões para trabalhos futuros.
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CARACTERÍSTICAS FUNCIONAIS E APLICAÇÕES DAS LIGAS
COM MEMÓRIA DE FORMA
Neste capítulo são apresentadas as principais características funcionais das SMAs e algumas de suas aplicações. As SMAs são materiais que tem a habilidade de retornar à sua forma original quando submetidas a um procedimento termomecânico apropriado (LAGOUDAS, 2008). Caso haja uma restrição à recuperação de forma, essas ligas promovem altas forças. Devido a essas características, existe um grande interesse no uso das SMAs em diferentes aplicações. As ligas de Ni-Ti são as que apresentam maior interesse comercial, combinando boas propriedades mecânicas com memória de forma.
2.1 Características Funcionais das Ligas com Memória de Forma
As propriedades únicas das SMAs são devidas às transformações de fase que ocorrem induzidas por carregamento mecânico e/ou térmico. As SMAs possuem duas fases bem definidas: martensita e austenita. A martensita é a fase que, na ausência de tensão, é estável a baixas temperaturas, sendo facilmente deformada. Quando ela é induzida pela temperatura, é chamada martensita maclada e apresenta 24 tipos com diferentes orientações cristalográficas, chamadas de variantes. Caso a martensita seja induzida por tensão, essas 24 variantes são reorientadas de acordo com o campo de tensão, formando uma única variante, chamada martensita não-maclada. A fase austenítica, por sua vez, é estável a altas temperaturas, possuindo uma única variante.
A transformação direta, que envolve o processo de transformação da fase austenítica para a fase martensítica, ocorre dentro de uma faixa de temperatura que varia de acordo com a composição química de cada liga. A Figura 2.1 apresenta as 4 temperaturas de transformação presentes no processo: Ms e Mf, que são as temperaturas nas quais as transformações para a
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martensita maclada iniciam e terminam, respectivamente. A transformação reversa, na qual ocorre o processo de transformação da fase martensítica para a fase austenítica, envolve as temperaturas As e Af , que são as temperaturas para as quais a transformação austenítica se inicia
e termina, respectivamente.
Figura 2.1: Temperaturas de transformação de fase
O comportamento macroscópico de uma liga com memória de forma pode ser dividido em 4 estágios, conforme mostrado na Figura 2.2: I - representa o estágio da deformação elástica da fase austenítica para a fase martensítica; II - a reorientação de variantes da fase martensítica; III - o estágio da deformação não linear da martensita não-maclada; e IV - o estágio da deformação plástica da martensita não-maclada.
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Figura 2.2 Evolução da deformação no diagrama tensão deformação
As ligas com memória de forma apresentam comportamentos termomecânicos típicos como pseudoelasticidade (ou superelasticidade) e efeito de memória de forma. Caso seja aplicada uma tensão suficientemente alta em uma SMA na fase austenítica (temperatura superior a Af), tem-se como resultado a transformação de austenita em martensita não-maclada e, a consequente mudança da forma macroscópica do material. A Figura 2.3 (a) apresenta o caminho do carregamento pseudoelástico. A curva de tensão-deformação, Figura 2.3 (b), ilustra o comportamento macroscópico apresentando o fenômeno da pseudoelasticidade. Inicialmente, um carregamento mecânico causa uma resposta elástica até que um valor crítico de tensão seja alcançado, σMs. Essa tensão representa o início da transformação da austenita em martensita não-maclada. Observa-se que a transformação induzida pela tensão é acompanhada da geração de grande deformação inelástica. Para valores de tensão superiores a σMf toda estrutura cristalina da
amostra é composta de martensita não-maclada. A completa transformação da austenita em martensita não-maclada é indicada pela mudança da inclinação na curva tensão deformação (LAGOUDAS, 2008). Caso haja um aumento de tensão a partir deste ponto, a SMA apresenta
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uma resposta linear. Quando o material é descarregado, o nível de tensão no qual o material inicia e completa sua transformação reversa para a austenita é denotado por σAs e σAf ,
respectivamente. Quando o material encontra-se em um estado livre de tensões a sua estrutura encontra-se na fase austenita e o material recupera a deformação.
A martensita não-maclada que se forma da austenita como resultado da tensão aplicada é uma martensita induzida pela tensão. A transformação de fase direta e reversa durante um ciclo pseudoelástico completo resulta em uma histerese na curva tensão-deformação, que está associada a energia dissipada no ciclo de transformação.
Figura 2.3: Caminho de carregamento termomecânico (a), diagrama tensão-deformação (b) (LAGOUDAS, 2008)
O efeito de memória de forma ocorre quando o material na fase austenítica é resfriado promovendo uma mudança de fase para a martensita. A partir daí, aplica-se um carregamento mecânico acima de σs (“detwinning start stress”) o que causa uma reorientação da martensita em
uma forma não-maclada, produzindo mudança de forma. O posterior descarregamento não promove a reorientação, acarretando em uma deformação residual que pode ser eliminada com o posterior aquecimento, acima da temperatura Af , fazendo com que o material recupere a sua forma original.
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A Figura 2.4 apresenta o diagrama tensão-deformação-temperatura associado ao efeito de memória de forma. Começando pelo ponto A, efetua-se um resfriamento na liga, na fase austenita sem tensão aplicada, a transformação direta resulta na martensita maclada, ponto B. Quando a martensita maclada é submetida a uma tensão que excede a tensão de início da transformação para a martensita não-maclada σs, começa o processo reorientação de um certo número de variantes. Na tensão σf termina o processo de reorientação e a estrutura é formada por martensita não-maclada. O final do processo de transformação é marcado pela mudança da inclinação da curva durante o carregamento. A partir desse ponto, σf, qualquer aumento de tensão acarreta uma deformação elástica. O material é então elasticamente descarregado, pontos C para D, permanecendo na fase martensita não-maclada e com uma deformação residual. Aquecendo o material, na ausência de tensão, a transformação reversa se inicia quando a temperatura atinge
As, ponto E, e está completa na temperatura Af, ponto F. Neste ponto somente a fase austenítica existe e o material recupera a sua forma original.
Figura 2.4: Diagrama Temperatura-Tensão-Deformação (LAGOUDAS, 2008)
O efeito de memória de forma de duas vias, TWSME (“two-way shape memory effect”), é caracterizado pela mudança de forma repetida de uma SMA quando submetida a um
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carregamento térmico cíclico sem carga mecânica aplicada. O TWSME pode ser observado em uma liga previamente treinada a partir de um carregamento termomecânico cíclico sobre um caminho de carregamento específico. A repetição de um grande número de ciclos pode induzir mudanças na microestrutura que, por sua vez, introduz mudanças macroscópicas permanentes no comportamento do material.
A Figura 2.5 é uma representação esquemática do efeito de memória de forma de duas vias. Inicialmente, considera-se uma amostra treinada de SMA, em uma temperatura acima de Af, ponto 1. O resfriamento da amostra provoca a transformação da fase austenítica para a fase martensítica, a qual está associada uma mudança de forma, ponto 2. Quando a temperatura é aumentada para um valor acima de Af, a amostra muda de fase, 2 para 3, ocorrendo à recuperação da forma original, ponto 3. Caso haja novo resfriamento a amostra retornará para a forma de baixa temperatura, ponto 4 (Machado & Savi, 2003). Nesse caso, diferentemente do efeito de memória de forma de uma via, não é necessário à aplicação de um carregamento mecânico para alterar a forma do material a baixa temperatura.
Figura 2.5: Representação esquemática do TWSME (Machado & Savi, 2003).
Apesar das transformações de fase martensíticas serem não-difusivas, as ligas com memória de forma apresentam comportamento dependente da taxa de carregamento. As transformações de fase nas tensões críticas são dependentes da temperatura e, como o processo
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de transferência de calor é dependente do tempo, o comportamento termomecânico das SMAs é afetado. O acoplamento termomecânico está relacionado com um processo exotérmico que ocorre durante a transformação de fase direta (austenita para martensita) e por sua vez, a transformação reversa está associada a um processo endotérmico.
Shaw e Kyriakides (1995) realizaram testes experimentais em fios de NiTi avaliando os efeitos do acoplamento termomecânico. Para isso, testes a diferentes taxas de carregamento, com variação de temperatura, foram realizados utilizando a água e o ar como meio. As conclusões mostram como o acoplamento termomecânico afeta a evolução da temperatura e as curvas tensão-deformação. Em geral, verifica-se que existe uma redução do laço de histerese para taxas mais rápidas de carregamento. Testes em diferentes meios mostraram que o aumento da capacidade de troca de calor reduzem os efeitos do acoplamento.
Nemat-Nasser & Guo (2006) realizaram ensaios de compressão uniaxial com variação de temperatura e taxa de carregamento em peças cilíndricas de NiTi. Os resultados mostraram que a tensão de transformação e a energia dissipada dependem do tratamento térmico dado ao material. Para altas taxas de carregamento, esse material é mais sensível à temperatura do que à taxa de carregamento. Verificaram, também, que para taxas de carregamento muito altas o platô de transformação direta e reversa tendem a desaparecer. Para taxas de carregamento muito altas a resposta do material é semelhante à de uma metal comum, sem as características de pseudoelasticidade e memória de forma. Nota-se que a taxa de carregamento tem grande influencia na resposta do material.
Monteiro et al. (2009) verificaram através de simulações numéricas a influência da taxa de carregamento na resposta de SMAs. Em essência, o efeito da remoção de calor por convecção tende a diminuir devido à alta frequência dos carregamentos, ocasionando variações dramáticas na resposta do material. Observou-se também que o aumento da taxa de carregamento provoca uma redução do laço de histerese.
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Uma SMA tende a apresentar uma variação considerável no comportamento termomecânico caracterizado por um deslocamento do laço de histerese. Desta forma, usualmente são submetidas a um processo de treinamento através de carregamentos cíclicos que tendem a provocar uma estabilização do laço de histerese. A Figura 2.6 apresenta a curva de tensão-deformação para um fio de SMA submetido a 50 ciclos de carregamento onde é possível observar o deslocamento do laço de histerese até uma estabilização.
Figura 2.6: Curva tensão-deformação para 50 ciclos a 60 ºC.
Em ensaios cíclicos com tensão controlada, existe martensita residual depois do descarregamento, comprovada por observações com microscópio eletrônico (Kan et al., 2012; Brinson et al., 2004). A deformação plástica é induzida nas interfaces das fases da martensita e da austenita durante a transformação cíclica devido ao deslizamento de discordâncias da austenita e distorção entre as interfaces austenita-martensita, conforme observado por Delville et
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induzida por transformação de fase TRIP e se acumula com o ciclo contínuo de transformação durante o carregamento cíclico.
Além do TRIP, as SMAs apresentam a plasticidade clássica quando a superfície de escoamento é atingida. Enquanto o TRIP é causado por transformações de fase e, portanto, pode estar associado a baixos níveis de tensão, a plasticidade clássica decorre de cargas acima do limite de escoamento.
16 2.2 Aplicações na área de saúde
As ligas de SMAs apresentam, entre outras características, a biocompatibilidade que é a capacidade de um material permanecer biologicamente inativo durante o seu período funcional dentro de um ser vivo (SHABALOLOVSKAYA, 1996). Para reduzir o tempo de internação do paciente existe a tendência de realizarem-se procedimentos cirúrgicos menos invasivos. Machado & Savi (2003) discutiram diferentes utilizações das ligas de SMAs na área médica.
A cesta de SMAs, Figura 2.7, é usada para remoção de pedras em rins, duto biliar e bexiga. Este dispositivo é colocado no corpo humano e toma a posição aberto quando aquecido.
Figura 2.7 : Sequencia de abertura da cesta de SMAs.
Devido ao efeito pseudoelástico, é possível reduzir o diâmetro de um tubo de SMAs para valores inferiores aos obtidos com materiais poliméricos, além do mais, estas ligas possuem maior flexibilidade e resistência a torção quando comparadas com o tubo semelhante de aço inoxidável. A bomba balão intra-aórtica, Figura 2.8, é um dispositivo utilizado com este propósito durante a angioplastia.
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Figura 2.8: Bomba balao intra-aortica.
A laparoscopia através da utilização de pinças, tesouras e grampos de SMAs, Figura 2.9, com mobilidade apropriada propicia que cortes menores, durante a cirurgia, sejam realizados, contribuindo para a evolução das técnicas operatórias.
Figura 2.9: Ferramentas de laparoscopia.
Um dispositivo bastante utilizado em aplicações cardiovasculares, como procedimento de angioplastia e em tratamento de aneurismas é o stents auto-expansivo. Atualmente, o stents é usado para manter o diâmetro interno de vasos sanguíneos e artérias, bem como, suportar a passagem de dutos do esôfago e bile. Nessa aplicação uma rede cilíndrica com memória de forma, Figura 2.10, é colocada, através de cateter, nos vasos sanguíneos. Inicialmente, esta rede
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cilíndrica é pré-comprimida na fase martensítica. Quando em contato com a temperatura do corpo, ele é aquecido e recupera sua forma original, se expandido.
Figura 2.10: Diferentes modelos de stents.
Os implantes constituem outra importante aplicação das SMAs o que pode ser feito a partir de placas finas de Nitinol, Figura 2.11. Essa placa possui textura especifica e propriedades anisotrópicas.
Figura 2.11: Placa fina de Nitinol (www.medteceurope.com).
2.3 Aplicações na área aeroespacial
A utilização de SMAs em aplicações aeroespaciais abrange aeronaves, veículos espaciais e painéis solares, entre outros. Um dos mais conhecidos programas foi o “Smart Wing Program”,
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conduzido por um grupo de pesquisas, com apoio da NASA, AFRC e AFOSR. O objetivo era o desenvolvimento de tecnologias inteligentes para melhorar o desempenho aerodinâmico de aviões militares. A equipe de trabalho desenvolveu uma estrutura de asa adaptativa integrada com mecanismos de atuação para ajustar a superfície padrão da asa e fornecer uma forma aerodinâmica ótima para uma variedade de regimes de voo (KUDVA et al., 1999).
O modelo da asa inteligente incorporou um flap articulado e o formato do aileron, utilizando cabos de SMAs. A Figura 2.12 apresenta as partes de um avião comercial de modo que a nomenclatura de certos componentes do avião seja conhecida. Com essas melhorias, obteve-se um controle da deflexão da superfície de até 10°. A utilização de tubos de torque, Figura 2.13, na estrutura da asa possibilitou uma torção de 5°, melhorando o desempenho de 8 a 12% em comparação a superfície convencional da asa.
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Figura 2.13: Instalação do tubo de torque na asa do avião (LAGOUDAS, 2004).
O aumento mundial do fluxo de aviões e a proximidade dos aeroportos com os grandes centros urbanos criou um novo desafio a ser solucionado pela engenharia: a redução do ruído aeroportuário. O nível de ruído permissível durante o pouso e a decolagem tem sido cada vez mais controlado em todos os países. Uma solução encontrada para a redução deste ruído foi a utilização das SMAs. Basicamente, são instalados chevrons com barras de SMAs, nas saídas das turbinas para misturar o fluxo dos gases de exaustão e reduzir o ruído gerado, Figura 2.14. As barras de SMAs curvam os chevrons sobre o fluxo de gases de combustão, durante o voo a baixa altitude ou a baixas velocidades, aumentando a mistura dos gases e reduzindo, desta forma, o ruído gerado. No caso da aeronave estar em regime de alta velocidade ou alta altitude, as barras de SMAs são resfriadas e retornam para a fase martensítica. Esta mudança de fase, altera a forma dos chevrons, reduzindo o ruído. A Figura 2.14 mostra um protótipo de um chevron isolado.
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Figura 2.14: Instalação de chevrons na saída das turbinas (LAGOUDAS, 2004).
Figura 2.15: Instalação de chevrons na saída das turbinas (LAGOUDAS, 2004).
Outra aplicação espacial das SMAs é a utilização como atuadoras de painéis solares. Nesses dispositivos são usadas finas tiras de elementos de SMAs como dobradiças, para abrir os painéis quando aquecidas por circuito elétrico. A utilização de SMAs favorece que se tenha menor peso do conjunto do que se utilizadas dobradiças convencionais, favorecendo a relação peso-potência (CARPENTER & LYONS, 2001). No “Lightweight Flexible Solar Array”, Figura 2.16, o dispositivo de SMAs abre o painel, em aproximadamente, 30 segundos.
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Figura 2.16: “Lightweight Flexible Solar Array” (CARPENTER & LYONS, 2001).
As tiras de SMAs são tratadas a quente, na configuração aberta em alta temperatura, e unidas em suas extremidades por estruturas metálicas. Na fase martensítica, baixa temperatura, as dobradiças são manualmente dobradas. A aplicação de calor via corrente elétrica transforma a SMAs na fase austenítica, a alta temperatura e provê a abertura da dobradiça. Uma vez a dobradiça aberta, a energia é desligada e a SMAs é resfriada para a fase de baixa temperatura suportando o peso da estrutura.
2.4 Aplicações em montagens industriais
As propriedades das SMAs são utilizadas em uma série de aplicações de engenharia que incluem montagens industriais. O acoplamento de peças foi analisado em anéis de NiTiNb onde o aperto final é requisito fundamental (PIOTROWSKI, 2010). A Figura 2.17 (a) apresenta a curva tensão-deformação-temperatura e a Figura 2.17 (b) o arranjo mecânico realizado. Na situação 1, o anel de SMA possui diâmetro menor que a tubulação que deve encamisar. Na situação 2 é fornecida uma pressão interna ao anel, de tal modo que ao ocorrer a transformação martensítica haja aumento no diâmetro interno do anel. Na situação 3, a pressão interna do anel é
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removida e o material apresenta uma deformação residual que permite o encamisamento, situação 4. Essa montagem apresenta folga interna que pode ser eliminada aquecendo o conjunto de modo a utilizar o efeito de memória de forma, situação 5a, garantindo o contato entre as partes. Esse contato aumenta a pressão interna garantindo o aperto da montagem, situação 5b.
Figura 2.17: (a) Diagrama tensão, deformação e temperatura. (b) Esquema do arranjo mecânico realizado, (PIOTROWSKI, 2010).
As SMAs apresentam como uma de suas características importantes um significativo amortecimento interno e alta tensão de escoamento. Isso tem motivado aplicações dinâmicas que envolvem desde o controle de vibrações até o controle de forma. Savi (2015) apresenta uma revisão sobre o comportamento dinâmico de sistemas com memória de forma, discutindo diversas aplicações. Santos & Savi (2009) e Sitnikova et al. (2008) apresentam o comportamento dinâmico de um oscilador com impacto utilizando suportes de SMAs. A dissipação das SMAs é
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vantajosa quando comparada aos suportes usuais, elásticos. Essa ideia é utilizada em rotores em Silva et al. (2013) mostrando que é possível explorar a dissipação de uma forma passiva, obtendo comportamentos menos críticos. A adaptabilidade é outra característica desse sistema.
As SMAs também têm sido utilizadas em compósitos como hastes laterais das coletoras ferroviárias do pantógrafo do trem de alta velocidade italiano (TUISSI et al., 2009). Verificou-se que em altas velocidades de operação do trem, as coletoras ferroviárias tinham papel significativo na vibração do conjunto. A Figura 2.18 mostra o dispositivo.
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3 FIOS COM MEMÓRIA DE FORMA
Neste capítulo são apresentados testes experimentais utilizados para caracterizar uma liga com memória de forma e também para avaliar a influência do acoplamento termomecânico na resposta do material. Inicialmente, são levantadas as temperaturas de transformação de fase e analisadas as tensões de teste para definir a tensão de ruptura do material. Em seguida é apresentado o treinamento do material em diferentes temperaturas e diferentes cargas para permitir a estabilização da resposta. A influência da taxa de carregamento na resposta do material também é investigada. Todos os testes são realizados em fios de 1,7 mm de diâmetro de NiTi.
Os testes experimentais foram realizados nos seguintes laboratórios: Material Structural
Lab - Texas A&M University; Centro de Mecânica Não-linear (MECANON) – COPPE/UFRJ e
no Laboratório de Materiais (LAMAT) - CEFET/RJ.
3.1 Temperaturas de Transformação
A caracterização de uma SMA inclui o levantamento das temperaturas de transformação de fase. A transformação autenita-martensita e a transformação reversa estão, respectivamente, associadas com a liberação ou absorção de calor. Esse calor latente corresponde a uma determinada faixa de temperatura de transformação, que pode ser determinada através da utilização do calorímetro de varredura (DSC, do inglês Differential Scanning Calorimeter). Nos ensaios desenvolvidos utilizou-se o modelo 200 F3 Maia fabricado pela NETZSCH.
O princípio de funcionamento do calorímetro é baseado no calor fornecido para a amostra de modo a prescrever uma história de temperatura. O equipamento monitora a resposta da
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amostra que se deseja avaliar com uma amostra de referência. As amostras são colocadas em pequenos recipientes metálicos.
A Figura 3.1 apresenta a resposta típica do calorímetro para SMAs. No eixo das ordenadas tem-se a energia requerida para manter a taxa de aumento e diminuição da temperatura da amostra; o eixo das abscissas mostra a temperatura. Na curva superior, tem-se o aquecimento da fase martensítica para a fase austenítica. A transformação de fase inicia na temperatura As, e está completa na temperatura Af, e a reação é endotérmica. Na curva inferior
ocorre o resfriamento da amostra para que ocorra a transformação da fase austenítica para a fase martensítica. A reação agora é exotérmica e a transformação se inicia na temperatura Ms e
termina em Mf. A curva superior de aquecimento (MA) mostra que a transformação reversa inicia a 16,7°C e termina a 30,2°C. Já transformação direta (AM), curva inferior associada ao resfriamento, inicia a 24,8°C e está concluída a 9,1°C. A Tabela 3.1 apresenta as temperaturas de transformação de fase.
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Tabela 3.1 - Temperaturas de transformação de fase.
Mf Ms As Af
9,1°C 24,8°C 16,7°C 30,2°C
3.2 Treinamentos
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.
3.3 Propriedades Mecânicas
Após o treinamento, pode-se fazer um processo de caracterização de um fio de SMA a partir de ensaios de tração. O procedimento de teste utiliza amostras novas do mesmo fio para cada teste, cortadas no comprimento de 250 mm, com distância entre garras de 150 mm. É utilizada onda senoidal e taxa de carregamento de 3 mm/minuto para os testes de tração e de pseudoelasticidade, com variação de temperatura. A temperatura é ajustada no forno onde a amostra é deixada por 10 minutos antes do início dos testes para permitir a homogeneização da temperatura da amostra. Para os testes de pseudoelasticidade utiliza-se material previamente treinado, em cada teste são realizados 3 ciclos de carga e descarga, sendo que nas figuras é apresentado apenas o último ciclo. O zero da posição e da carga são ajustados na máquina de teste para cada nova amostra testada.
As propriedades termoelásticas do material podem ser avaliadas a partir do diagrama tensão-deformação dos testes de pseudoelasticidade, Figura 3.14. Os coeficientes angulares das regiões elásticas das fases austenita e martensita representam os módulos de elasticidade dessas
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fases, EA e EM. Para o levantamento das tensões críticas de transformação de fase utiliza-se a técnica das retas tangentes (LAGOUDAS, 2008). Essa técnica utiliza a interseção das retas tangentes às regiões elásticas com as retas tangentes aos platôs de transformaçcão de fase. Na Figura 3.14 observa-se o módulo de elasticidade da fase austenita EA, a tensão de início da transformação martensitica σAS, o módulo de elasticidade da fase martensítica EM e a tensão da transformação reversa σSA, bem como a representação esquemática da técnica das retas tangentes. A área da histerese, WD, representa a dissipação de energia associada ao processo, sendo uma característica importante nas aplicações de engenharia.
Figura 3. 14: Diagrama tensão-deformação de uma liga com memória de forma.
Inicialmente são realizados testes de tração até a ruptura na servo hidráulica MTS da Texas A&M, com célula de carga de 30kN. As amostras de SMA possuem diâmetro de 1,7 mm e comprimento de 250 mm. A distância entre garras é de 150 mm e a taxa de carregamento de 3 mm/minuto, a temperatura de 80°C, com forma de onda senoidal.
A Figura 3.15 apresenta a resposta do material. Nota-se uma região elástica associada à fase austenítica até, aproximadamente, 300 MPa, onde se inicia uma região de transformação de fase. A seguir, surge uma região elástica da fase martensítica, a aproximadamente 600 MPa. A
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superfície de escoamento é atingida em cerca de 1200 MPa, resultando em deformações plásticas até à sua ruptura.
Figura 3. 15: Ensaio de tração até a ruptura do fio
O módulo de elasticidade de cada uma das fases pode ser avaliado a partir da inclinação da curva tensão-deformação nas regiões elásticas, onde não ocorrem transformações de fase. A Figura 3.16 mostra as curvas para as seguintes temperaturas: 100°C (7), 90°C (6), 80°C (5) e 60°C (4), onde são realizados três ciclos completos para cada temperatura de teste.
39
Figura 3. 16: Comparação das curvas para temperaturas: 100°C (7), 90°C (6), 80°C (5) e 60°C (4) ( Task Work 4 da MTS).
O módulo de elasticidade à temperatura ambiente possui os seguintes valores avaliados a partir das curvas tensão-deformação: EA = 46 GPa, EM = 22 GPa. A Tabela 3.2 resume as propriedades mecânicas avaliadas para o fio de SMA, onde
rup e
rup são a tensão de ruptura e a deformação de ruptura, respectivamente.Tabela 3. 2: Propriedades mecânicas do fio SMA à temperatura ambiente.
Material / Parâmetros EA (GPa) EM (GPa) rup (GPa)
ε
rup (%) NiTi 46 22 1.4 10.040
Baseado nos valores da Tabela 3.2 é possível observar uma diferença de cerca de 50% entre os dois módulos elásticos. Além disso, o módulo de cisalhamento é definido como:
(1)
onde ʋ é o coeficiente de Poisson. Ao assumir um coeficiente de Poisson de 0,3 (AGUIAR et al, 2010), é possível calcular o módulo de cisalhamento: GA = 17,7 GPa e GM = 8,5 GPa.
A resposta das SMAs é fortemente dependente da temperatura. Desta forma, é importante quantificar a influência da temperatura na resposta das SMAs avaliando as tensões críticas de transformação de fase para diferentes temperaturas. Os pontos correspondentes às tensões críticas de transformação para cada temperatura de teste são apresentados na Figura 3.17, na qual se observa uma tendência linear dos dados. O coeficiente de determinação, R2, é uma medida do ajustamento do modelo estatístico, em relação aos valores observados. Quanto mais próximo da unidade for o R2, melhor o modelo se ajusta à amostra. Note que para o estado livre de tensão, tem-se o resultado das temperaturas críticas estimadas pelo teste do DSC.
41
3.4 Transformação de Fase Induzida por Temperatura
As transformações de fase podem ser induzidas tanto por tensão quanto por temperatura. Nesta seção discutem-se testes experimentais onde as transformações de fase são induzidas por temperatura. Para isso, determina-se a quantidade de deformação gerada a partir de testes de ciclos térmicos com tensão constante. Inicialmente fixa-se a tensão em 200 MPa na temperatura de 120°C por 10 minutos, variando-se a temperatura para –30°C, na taxa de 3°C por minuto, permanecendo ai durante 10 minutos e posteriormente voltando para a temperatura inicial de 120°C. Depois disso, o teste é refeito a uma tensão constante de 300MPa.
A Figura 3.18 apresenta a variação da deformação em função da temperatura para os dois casos. Comparando os dois experimentos, verifica-se que o aumento da tensão aplicada afeta a resposta termomecânica do material, movendo o laço de histerese.
Figura 3.18: Comparação da resposta do material a variação de temperatura a carga constante de 200 (verde) e 300 MPa (azul) (Task Work 4 - MTS).
42 3.5 Influência da Taxa de Carregamento
Apesar das transformações martensíticas serem não-difusivas e portanto não dependerem da taxa de carregamento, as SMAs apresentam um comportamento dependente das taxas em consequência do problema térmico. Como a transformação direta é exotérmica e a transformação reversa é endotérmica existe a possibilidade de alteração da temperatura da amostra dependendo da relação entre o calor gerado/absorvido na transformação e os processos de transferência de calor, relacionado portanto, ao meio.
Com a finalidade de verificar a influência da taxa de carregamento na resposta termomecânica do material realizam-se testes de pseudoelasticidade com três tipos de taxas diferentes: baixa (0.5 mm/min.); média (3 mm/min.); e alta (18mm/min.). Os testes são realizados em diferentes temperaturas para cada taxa: 22°C, 40 °C e 80°C.
3.5.1 Taxa de Carregamento Baixa
As Figuras 3.19-21 apresentam os resultados obtidos para taxa de carregamento baixa (0,5 mm/min.) e diferentes temperaturas: 22°C, 40°C e 80°C, respectivamente. São realizados três ciclos por experimento, e somente o último ciclo é apresentado nas figuras. Observa-se que quanto maior a temperatura, maior é a tensão de transformação de fase.
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Figura 3.19: Teste a 22 °C, taxa baixa.
Figura 3.20: Teste a 40 °C, taxa baixa.
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A Figura 3.22 mostra as curvas superpostas. As curvas de 40°C e 22°C apresentam região de transformação de fase, sendo que a curva de 40°C apresenta uma deformação ligeiramente maior. A curva de 80°C possui regiões bem definidas de transformação de fase e apresenta a maior deformação no laço de histerese. Nota-se, que para a taxa baixa de teste, o aumento da temperatura corresponde a um aumento da tensão necessária para a transformação de fase.
Figura 3.22: Comparativo das respostas em diferentes temperaturas em taxa baixa.
3.5.2 Taxa de Carregamento Alta
Testes a altas taxas de carregamentos (18 mm/minuto) são apresentados nas Figuras 3.23-25 para as temperaturas de 22°C, 40°C e 80°C, respectivamente. A Figura 3.26 apresenta as respostas superpostas.
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Figura 3.23: Teste a 22 °C, taxa alta.
Figura 3.24: Teste a 40 °C, taxa alta.
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Figura 3.26: Comparativo das respostas em diferentes temperaturas em taxa alta.
3.5.3 Taxa de Carregamento Média
As Figuras 3.27-29 mostram a resposta pseudoelástica do material para as seguintes temperaturas: 22°C, 40°C e 80°C, respectivamente, experimentos em taxa. média (3 mm/minuto). Observa-se, nas figuras, que as regiões de transformação de fase são bem definidas. A Figura 3.30 apresenta as respostas superpostas.
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Figura 3.28: Teste a 40 °C, taxa média.
Figura 3.29: Teste a 80 °C, taxa média.
