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UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE
CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE
MATERIAIS
CONCEPÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE UMA MÁQUINA
MULTIFUNCIONAL PARA TESTES ELETRO-TERMO-
MECÂNICOS DE MATERIAIS COM MEMÓRIA DE FORMA
M
ANUEL
P
EREIRA DO
N
ASCIMENTO
N
ETO
CAMPINA GRANDE
2007
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE
CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE
MATERIAIS
CONCEPÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE UMA MÁQUINA
MULTIFUNCIONAL PARA TESTES ELETRO-TERMO-
MECÂNICOS DE MATERIAIS COM MEMÓRIA DE FORMA
M
ANUEL
P
EREIRA DO
N
ASCIMENTO
N
ETO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-
Graduação em Ciências e Engenharia de
Materiais da Universidade Federal de
Campina Grande, em cumprimento às
exigências para obtenção do Grau de Mestre.
(Campo de pesquisa: Materiais Avançados)
CAMPINA GRANDE
2007
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FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTRAL DA UFCG
N244c Nascimento Neto, Manuel Pereira do
2007 Concepção e desenvolvimento de uma máquina multifuncional
para testes eletro-termo-mecânicos de materiais com memória de forma/ Manuel
Pereira do nascimento Neto.- Campina Grande, 2007.
65f.: il.
Referências.
Dissertação (Mestrado em Ciência
s e Engenharia de Materiais) – Universidade
Federal de Campina Grande, Centro de Tecnologia e Recursos Naturais.
Orientadores: Prof. Dr. Carlos José de Araújo.
1
─ Transformações de Fases 2─ Materiais com Memória de Forma 3 ─
Caracterização Eletro-termo-mecânica de Ligas com Memória de Forma ─ Título
CDU 620.181
DEDICATÓRIA
Além de minha adorável esposa, Carla, duas outras pessoas me vêm à
mente como merecedoras de um agradecimento especial: André Luis e Danilo
Kelson, nossos filhos.
AGRADECIMENTOS
A Deus em primeiro lugar;
A minha família;
Ao Prof. Carlos José de Araújo, pela orientação;
Aos alunos de iniciação científica: Antonio Aristófanes da Cruz Gomes, Jobson
Alberto da Silva, Luiz Fernando Alves Rodrigues e Rômulo Pierre Batista dos Reis,
pelo auxílio nas atividades experimentais;
Ao Departamento de Engenharia Mecânica por disponibilizar o acesso aos
laboratórios e a oficina mecânica.
Ao CNPq pelo financiamento dos diversos projetos desenvolvidos no Laboratório
Multidisciplinar de Materiais e Estruturas Ativas (LaMMEA) da UFCG.
MENSAGEM
É Possível esquecer-se daqueles com quem rimos, mas nunca
esqueceremos aqueles com quem choramos.
A natureza é um constante vai-e-vem: ondas do mar, ventos e nuvens,
bichos, flores, pessoas.
A chegada não é o começo, a partida não é o final.
Assim somos nós: um dia viemos; um dia, iremos.
Podemos ir para o trabalho, escola, outro bairro, viajar.
Podemos ir para voltar e ir para ficar. Mesmo que não se saiba onde nem
quando ir, há sempre um tempo de partir.
Na vida, tudo passa.
Ficam as marcas e a saudade que o tempo certamente levará, trazendo
novos dias, nova vida num incessante vai-e-vem, que jamais irá parar.
E entre vindas e idas, é preciso entender a dor, não como uma razão para
duvidar de Deus,
mas como um difícil caminho para encontrá-lo.
Legrand
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
A – Austenita;
A
f
- Temperatura de término da transformação martensita - austenita;
A
s
- Temperatura de início da transformação martensita - austenita;
DSC - Calorimetria diferencial de varredura;
ε −
Deformação
ε
tran -
- Deformação de transformação
EMF - Efeito Memória de Forma;
EMFR - Efeito memória de forma reversível;
EMFS - Efeito memória de forma simples ou de único sentido;
F – Força gerada
G
a
- Energia química livre da fase austenítica ;
G
m
- Energia química livre da fase martensita;
H
t
- Histerese da transformação;
HV - Dureza Vicker;
I - Corrente elétrica em A;
I
2
- Corrente convencional de atuação, para disjuntores, ou corrente convencional de
fusão, para fusíveis;
I
B
- Corrente de projeto;
In - Corrente nominal do dispositivo de seccionamento;
I
Z
- Capacidade de condução de corrente dos condutores;
LaMMEA- Laboratório Multidisciplinar de Materiais e Estruturas Ativas;
LMF - Ligas com Memórias de Forma;
M – Martensita;
M
f
- Temperatura de término da transformação austenita – martensita;
M
s
- Temperatura de início da transformação austenita - martensita;
R - Resistência elétrica;
PE – Pseudoelasticidade;
T - Temperatura na lâmina;
t - tempo;
TMA – Dilatometria, análise termomecânica;
TMT – Transformação martensítica termoelástica;
T
o
– Temperatura de Equilíbrio;
V - Diferença de potencial;
y - Flecha devido a deformação da lâmina;
∆G
A→M
- Variação da energia livre de Gibbs da fase austenítica para martensítica
% wt - Percentual em peso;
LISTA DE TABELAS
T
ABELA
4.1 Principais componentes da máquina de ensaios ................................ 27
LISTA DE FIGURAS
F
IGURA
3.1 Visão microscópica do EMF .............................................................. 5
F
IGURA
3.2 Visão macroscópica esquemática do EMF .........................................
6
F
IGURA
3.3 Micrografia ótica mostrando uma microestrutura martensítica típica
7
F
IGURA
3.4 Curva típica de transformação de uma LMF...................................... 8
F
IGURA
3.5
Esquematização da formação de uma plaqueta de martensita dentro
do cristal da fase matriz austenita. ......................................................
...
9
F
IGURA
3.6
Plaquetas de martensitas em grupos de auto-acomodação em “V” na
liga Cu
-
Al
-
Ni
-
0,6Mn (composição em peso)..........
...........................
10
F
IGURA
3.7 Esquematização do equilíbrio entre as fases austenita e martensita. 11
F
IGURA
3.8 Ilustração esquemática da mudança de forma por EMFR ................ 13
F
IGURA
3.9 Comportamento termomecânico das LMF ........................................ 14
F
IGURA
3.10 Aplicação na odontologia do efeito superelástico ............................ 17
F
IGURA
3.11 Luva de LMF para conexão de tubos. Fonte ..................................... 18
F
IGURA
3.12
Aplicação de um atuador térmico do tipo mola com memória de
forma ...................................................................................................
19
F
IGURA
3.13
Exemplos de elementos ativos em ligas de cobre com EMF reagindo
à passagem de corrente elétr
ica (
i > 0) ...............................................
19
F
IGURA
3.14 Óculos com características superelásticas ......................................... 22
F
IGURA
4.1
Projeto conceitual da estrutura mecânica rígida da máquina de testes
em Auto
-
CAD
....................................................................................
24
F
IGURA
4.2
Projeto conceitual de acessórios e componentes da máquina de
testes em Auto
-
CAD ..........................................................................
25
F
IGURA
4.3 Máquina de testes com acessórios e componentes............................. 26
F
IGURA
4.4 Ilustração do funcionamento da máquina no modo tração ................ 28
F
IGURA
4.5 Ilustração do funcionamento da máquina no modo flexão .................
29
F
IGURA
4.6
Reservatório de 13 litros onde fica o fluido que receberá a amostra a
ser testada ........................................................................................
30
F
IGURA
4.7
Sistema de aquisição de dados com módulo multiplexador de 20
canais. ...............................................................................................
31
F
IGURA
4.8 Sensores de deslocamento LVDT...................................................... 32
F
IGURA
4.9
Sensores de deslocamento LVDT montados para levantamento de
curvas ..................................................................................................
33
F
IGURA
4.10 Curva característica do LVDT tipo DG/5.0 ...................................... 34
F
IGURA
4.11 Curva característica do LVDT tipo DF/5.0 ....................................... 34
F
IGURA
4.12 Montagem da Célula de Carga A250 ................................................ 36
F
IGURA
4.13 Curva característica da Célula de Carga A250 .................................. 36
F
IGURA
4.14 Máquina de fusão a plasma ............................................................... 37
F
IGURA
4.15 Processo de fusão a plasma .............................................................
38
F
IGURA
4.16 Cortadeira metalográfica para a obtenção de lâminas LMF .............. 39
F
IGURA
4.17 Analisador de imagens ...................................................................... 40
F
IGURA
4.18 Microdurômetro da marca Future – Tech, modelo FM – 700 ............
40
F
IGURA
4.19 Impressão deixada durante o ensaio de microdureza Vickers ............
41
F
IGURA
4.20 Ilustração esquemática do SMRT ..................................................... 42
F
IGURA
4.21
Plataforma experimental de medição da resistência elétrica em
função da temperatura em amostras de LMF ...................................
43
F
IGURA
4.22 Método dos quatro fios ...................................................................... 43
F
IGURA
5.1 Microestrutura da liga Ni-Ti-Cu ........................................................
44
F
IGURA
5.2
Variação da Resistência em função da temperatura para a liga Ni-
Ti
-
Cu ...............................................................................................
45
F
IGURA
5.3 Microestrutura da liga Cu-Al-Ni ...................................................... 46
F
IGURA
5.4
Variação da Resistência em função da temperatura para a liga Cu-
Al
-
Ni .................................................................................................
46
F
IGURA
5.5 Tela do computador durante o ensaio de tração ................................. 47
F
IGURA
5.6
Evolução da temperatura e da deformação durante o ensaio de
tração ................................................................................................
48
F
IGURA
5.7 Evolução da temperatura e da resistência durante o ensaio de tração
49
F
IGURA
5.8
Comportamento da histerese ∈ - T obtido na operação no modo
tração .................................................................................................
50
F
IGURA
5.9
Comportamento da histerese R - T obtido na operação no modo
tração .................................................................................................
51
F
IGURA
5.10 Tela do computador durante o ensaio de flexão .................................
52
F
IGURA
5.11
Ilustração da amostra de lâmina deformada para ensaio de geração
de força no modo flexão ....................................................................
53
F
IGURA
5.12
Evolução da temperatura e da força gerada durante o ensaio no
modo flexão ...................................................................................
54
F
IGURA
5.13
Evolução da temperatura e da resistência elétrica durante o ensaio
no modo flexão ...................................................................................
55
F
IGURA
5.14
Comportamento histerético F - T obtido na operação no modo
flexão .................................................................................................
56
F
IGURA
5.15
Comportamento histerético R - T obtido na operação no modo
flexão ................................................................................................
57
F
IGURA
5.16
Comportamento da flecha imposta a amostra durante o ensaio no
modo flexão......................................................................................
58
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1
Integral de Joule necessária para aquecer o condutor desde a
temperatura máxima para serviço contínuo até a temperatura limite
de curto-circuito..................................................................................
20
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .........................................................................................................
1
2 OBJETIVO .................................................................................................................
3
2.1 Objetivo Geral ............................................................................................
3
2.2 Objetivo Específico ....................................................................................
3
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...................................................................................
4
3.1 Breve Histórico Sobre as LMF ..................................................
4
3.2 Efeito Memória de Forma . (EMF) ...........................................................
4
3.3 Transformação Martensítica ......................................................................
6
3.3.1 Características Gerais das Transformações Martensíticas ............
8
3.3.2 – Transformação Martensítica Termoeléstica .............................
10
3.4 Outros Comportamentos Termomecânicos das LMF ...............................
12
3.4.1 Efeito Memória de Forma Revesível (EMFR) ........................... 12
3.4.2 Efeito Superelástico .................................................................... 13
3.5 Degradação do Efeito de Memória de Forma ...........................................
14
3.6 Ligas Comerciais com EMF ......................................................................
15
3.7 Aplicação das LMF ................................................................................... 16
3.7.1 Aplicação em Aparelhos Ortodônticos ......................................
17
3.7.2 Aplicação em Conectores ..........................................................
17
3.7.3 Aplicação em Atuadores Térmicos ............................................
18
3.7.4 Aplicação no Setor Elétrico ........................................................
19
3.7.5 Armações para Óculos ........................................................ 21
4 MATERIAIS E MÉTODOS ...................................................................................... 23
4.1 Concepção e Montagem da Máquina de Testes ......................................
23
4.1.1 Banho Termoregulável .............................................................
29
4.1.2 Sistema de Aquisição de Dados ............................................... 30
4.1.3 Sensor de Deslocamento LVDT ....................... ........................
31
4.1.3.1 Montagem e Caracterização .................... ...................
32
4.1.4 Célula de Carga .........................................................................
35
4.1.3.1 Montagem e Caracterização .................... ...................
35
4.2 Validação da Máquina ............................................................................
37
4.2.1 Obtenção da Amostra de Testes ...............................................
37
4.2.2 Caracterização Prévia das Amostra ...........................................
..............
..........
39
4.2.2.1 Microscopia Ótica ......................................................
...................
39
4.2.2.2 Microdureza ............................................ ...................
40
4.2.2.3 Resistência Elétrica em Função da Temperatura .........
41
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ..............................................................................
44
5.1 Características das Amostras de Testes ........... .......................................
44
5.2 Validação da máquina multifuncional
........................................................
47
5.2.1 Máquina Operando no Modo Tração Sob Carga Constante ......
47
5.2.2 Máquina operando no modo de geração de força em modo de
flexão 3 pontos a deflexão constante. ......................................
52
6 CONCLUSÕES ..........................................................................................................
59
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ......................................................
61
8 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 62
RESUMO
Neste trabalho foi realizada a concepção, montagem e testes de uma máquina
multifuncional para caracterização eletro-termomecânica de ligas com memória de
forma. A máquina desenvolvida consiste da união de uma prensa hidráulica com um
banho termoregulável, uma fonte de corrente, sensores de temperatura,
deslocamento e força, um sistema de aquisição de dados, além das adaptações
mecânicas para aplicação de carregamento mecânico nas amostras. Foram testados
dois modos de operação: A – ciclagem térmica com a amostra submetida à tração
uniaxial constante (peso) e B – ciclagem térmica com a amostra submetida a uma
flecha central constante em flexão três pontos. Em ambos os modos de operação,
medidas de resistência elétrica foram realizadas concomitantemente com aquelas de
temperatura, deslocamento e força. Para validar a máquina operando no modo A foi
utilizada uma amostra industrial da LMF Cu-14,0Al-4,0Ni (% em peso), enquanto
para o modo B empregou-se uma amostra da LMF Ni-44,7Ti-5,9Cu (% em peso)
obtida em laboratório pela técnica Plasma Skull Push Pull (PSPP). Os testes de
validação demonstraram o bom funcionamento do equipamento proposto para
determinar as principais propriedades destes materiais funcionais, como as
temperaturas de transformação, histerese em temperatura, efeito memória de forma
sob carga constante e geração de força sob deformação imposta.
ABSTRACT
In this work it was accomplished the conception, assembly and tests of a
multifunctional machine for eletro-thermomechanical characterization of shape
memory alloys (SMA). The developed machine consists of the union of a hydraulic
press with a thermal bath, a current source, and sensors of temperature, displacement
and force, a data acquisition system, besides the mechanical adaptations for
application of mechanical loading in the samples. Two operation manners were
tested: A - thermal cycling with the sample submitted to constant uniaxial tensile
load (dead weigh) and B - thermal cycling with the sample submitted to a constant
central deflection in three points bending. In both operation manners, measures of
electrical resistance were accomplished simultaneously with those of temperature,
displacement and force. To validate the machine operating in the way A it was used
an industrial sample of the Cu-14,0Al-4,0Ni (% weight) SMA, while for the way B
a sample of the Ni-44,7Ti-5,9Cu (% in weight) SMA was used. This Ni-Ti-Cu SMA
was obtained at laboratory by the Plasma Skull Push Pull (PSPP) technique. The
validation tests demonstrated the good operation of the proposed equipment to
determine the main properties of these functional materials, as the transformation
temperatures, temperature hysteresis, shape memory effect under constant load and
force generation under imposed deformation.
NASCIMENTO NT, M.P
1
1 INTRODUÇÃO
As Ligas com Memória de Forma (LMF) representam uma nova classe
de materiais capazes de produzir um deslocamento considerável sob carga quando
submetidas a uma variação de temperatura. Os efeitos de memória de forma (EMF) e
pseudoelasticidade (PE) são fenômenos termoelásticos, associados à transformação de
fase martensítica reversível presentes nas LMF. Outro fenômeno característico dessas
ligas é o efeito memória reversível conseguido após submetê-las a um processo de
treinamento (ZHANG, 1997), permitindo associar uma determinada forma a cada fase
do material.
Estas ligas vêm motivando diversas aplicações em diferentes áreas do
conhecimento, dentre as quais vale destacar a indústria aeroespacial, automotiva e
biomédica (OTSUKA & WAYMAN, 1998). Nas aplicações envolvendo carregamento
estático ou dinâmico, as LMF podem ser utilizadas como sensores ou atuadores, sendo
atualmente muito empregadas como fibras embebidas para originar compósitos ativos
(ROGERS, 1990). Na indústria aeroespacial as LMF são utilizadas em diversas
situações e, recentemente, desenvolveu-se um projeto para abertura de painéis solares
de satélites, substituindo dispositivos de abertura por ação pirotécnica (PACHECO &
SAVI, 2000). Muitas aplicações têm sido estudadas na engenharia biomédica. Na
ortodontia, por exemplo, o emprego de fios ortodônticos com memória de forma trouxe
resultados muito satisfatórios, difundindo bastante o uso destas ligas (AIROLDI, 1997).
A recuperação da deformação associada a um dado carregamento
mecânico, nestes materiais, está diretamente relacionada a uma transformação de fase
do tipo martensítica reversível ocorrendo no interior do material durante aquecimento e
resfriamento (FUNAKUBO, 1987). Esta variação macroscópica da forma em função da
temperatura é acompanhada da variação simultânea de uma série de propriedades físicas
e mecânicas associadas à transformação de fase no material (HARRISON, 1990), dentre
elas a resistividade elétrica, o calor específico, módulo de elasticidade, deformação,
entre outras.
Considerando que as LMF são materiais especiais (muitas vezes
chamados de ativos ou inteligentes), capazes de produzir deslocamento e/ou esforço
mecânico em função da temperatura ou corrente elétrica, praticamente não existem
NASCIMENTO NT, M.P
2
opções de equipamentos comerciais especialmente destinados a sua caracterização
eletro-termo-mecânica. Vale ressaltar também que não existe uma normalização para a
caracterização eletro-termo-mecânica destes materiais. Assim sendo, quando se deseja
realizar essa caracterização em amostras de fios e lâminas, torna-se necessário conceber,
montar e testar uma plataforma experimental especifica.
NASCIMENTO NT, M.P
3
2 OBJETIVO
2.1 Objetivo Geral
Este trabalho tem por objetivo geral a concepção e desenvolvimento de
uma máquina multifuncional para a realização de testes eletro-termo-mecânicos que
permitam a caracterização de ligas com memória de forma.
2.2 Objetivos Específicos
• Conceber o projeto de uma máquina multifuncional a partir da estrutura
mecânica rígida de uma prensa de bancada de 15 toneladas;
• Construir o equipamento concebido para uso contínuo em laboratório;
• Levantar curvas características do comportamento de deformação versus
temperatura (ou corrente elétrica) em amostras de lâminas com memória de
forma submetidas a carregamento trativo uniaxial constante (aplicado através de
pesos);
• Levantar curvas características do comportamento de força gerada versus
temperatura (ou corrente elétrica) em amostras de lâminas com memória de
forma sujeitas à flexão 3 pontos, submetidas a deformação constante;
• Determinar as propriedades intrínsecas ao fenômeno de memória de forma a
partir das curvas de deformação versus temperatura ou força gerada versus
temperatura (deformação recuperável por efeito memória, temperaturas de
transformação em função da carga aplicada, histereses em temperatura em
função da carga aplicada, etc).
NASCIMENTO NT, M.P
4
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Breve Histórico Sobre as LMF
Os primeiros passos no sentido da descoberta dos efeitos de memória de
forma foram dados por A. ÖLANDER em 1932. Este autor constatou a reversibilidade
da transformação numa liga Au-Cd por observação metalográfica e através do registro
da variação da resistividade. GRENINGER & MOORADIAN (1938) observaram, numa
liga de Cu-Zn, a formação e o desaparecimento de martensita, com a redução e o
aumento da temperatura, respectivamente. O EMF propriamente dito foi posto em
evidência por KURDJUMOV & KHANDROS (1949) e, depois, também por CHANG
E READ (1951) numa barra de AuCd. Contudo, só em 1962, quando BUEHLER e
colaboradores descobriram o EMF numa liga equiatômica de Ni-Ti, é que a
investigação, tanto dos aspectos metalúrgicos, como relativamente às potenciais
aplicações práticas, começou a despertar interesse. No espaço de 10 anos surgiram então
no mercado uma grande variedade de produtos comerciais e o estudo dos fenômenos de
memória de forma foi intensificado. Neste momento assiste-se a uma intensificação
deste tipo de estudo ao mesmo tempo em que novos produtos entram no mercado todos
os anos.
À medida que esses fenômenos foram sendo mais bem compreendidos,
uma grande diversidade de outras ligas, tais como Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Al-Ni, Cu-Sn,
Cu-Zn, Fe-Pt, Fe-Mn-Si, Ni-Ti-X (X=Cu, Fe, ...) dentre outras, manifestando este tipo
de comportamento foi sendo investigada.
3.2 Efeito Memória de Forma (EMF)
Conforme mencionado anteriormente, o Efeito Memória de Forma
(EMF) é a capacidade que possuem alguns materiais de recuperarem uma deformação
plástica através de um aquecimento acima de uma temperatura crítica (OTSUKA e
WAYMAN, 1998). Abaixo dessa temperatura crítica, uma LMF é extremamente
maleável, sofrendo deformações plásticas aparentes na faixa de 4 a 10% quando
submetidas a forças muito pequenas. Entretanto, toda a deformação é recuperada
NASCIMENTO NT, M.P
5
quando o material é aquecido acima de uma temperatura crítica. O resfriamento a uma
temperatura abaixo da crítica não causa nenhuma mudança macroscópica de forma e
todo o ciclo pode ser repetido como é apresentado esquematicamente na Figura 3.1. As
duas fases, que ocorrem nas LMF são denominadas Martensita e Austenita. A
Martensita é a fase facilmente deformável que se apresenta em temperaturas mais
baixas. Austenita é a fase mais rígida da LMF e se apresenta em altas temperaturas.
Uma esquematização do fenômeno em escala macroscópica pode ser
observada na Figura 3.2
F
IGURA
3.1 – Visão microscópica do EMF.
Martensita
Martensita Deformada
Austenita
Carregamento
Resfriamento
Aquecimento
NASCIMENTO NT, M.P
6
3.3 Transformação Martensítica
Os fenômenos de memória de forma estão associados a uma
transformação martensítica especial. A fase martensítica é formada por finas estruturas
dispostas em forma de agulhas auto-acomodadas (AYDOGDU; AYDOGDU;
ADIGUZEL, 2002) e foi inicialmente designada para dar nome a uma fase
extremamente dura formada nos aços temperados com teor de carbono superior a 0,3%
(CHIAVERINI, 1990).
Transformações martensíticas de fase são transformações induzidas por
temperatura ou carregamento mecânico (tensão) e caracterizados pela ausência de
difusão atômica. Um material susceptível a esta transformação tem uma estrutura
cristalina acima de uma determinada temperatura crítica e uma outra estrutura abaixo de
outra temperatura crítica de transformação. À medida que a temperatura sofre uma
alteração, a mudança de uma estrutura cristalina na outra é puramente estrutural. A fase
estável a alta temperatura é denominada austenita enquanto que a fase estável a baixa
temperatura é chamada de martensita. Da mesma forma a transformação pode ser
induzida por carregamento (martensita induzida por tensão). Com a supressão da tensão
a estrutura reverte à fase matriz. Estas transformações de fase são fundamentais nos
fenômenos de memória de forma.
Martensita
Deformando Martensita
Martensita Deformada
Austenita
Martensita
F
IGURA
3.2 – Visão macroscópica do EMF.
NASCIMENTO NT, M.P
7
Vale ressaltar que a martensita das LMF é formada de finas lamelas
dispostas em forma de agulhas, conforme apresenta a Figura 3.3.
F
IGURA
3.3 - Micrografia ótica mostrando uma microestrutura martensítica típica.
(69Cu-26Zn-5Al, % em peso).
A maneira de caracterizar fisicamente a transformação martensítica
reversível apresentada pela LMF consiste, basicamente, em determinar as temperaturas
críticas de transformação de cada ciclo de resfriamento e aquecimento, conforme ilustra
Figura 3.4. Pode-se observar que a transformação também apresenta uma histerese que é
um deslocamento (diferença) da temperatura em que se tem o início da transformação
direta ou martensítica (M
s
) e o início da transformação reversa ou Austenítica (A
s
).
Logo, a histerese é, aproximadamente, dada por A
s
– M
s
, porém essa forma de
determinação da histerese não pode ser generalizada.
75 um
NASCIMENTO NT, M.P
8
Na figura 3.4, os parâmetros mostrados são definidos como:
T → Histerese em temperatura da transformação;
M
s
→ Temperatura de início da transformação direta ou martensítica;
M
f
→ Temperatura em que se tem o final da transformação direta ou martensítica;
A
s
→ Temperatura de início da transformação reversa ou austenítica;
A
f
→ Temperatura em que se tem o final da transformação reversa ou austenítica.
3.3.1 Características Gerais das Transformações Martensíticas
A transformação martensítica termoelástica ou reversível ocorre por um
mecanismo de cisalhamento entre planos gerando plaquetas de martensita. O tamanho
das plaquetas é grande o bastante para serem observadas em um microscópio ou até
mesmo a olho nu. Como não há energia ativa de difusão envolvida, as velocidades de
transformação são muito elevadas. As interfaces matriz-produto (austenita-martensita)
são deslizantes e podem mover-se sem ativação térmica e as velocidades de
T
F
IGURA
3.4 - Curva típica de transformação de uma LMF.
NASCIMENTO NT, M.P
9
transformação são freqüentemente independentes da temperatura, logo a transformação
é dita atérmica. A transformação reversa, de martensita em austenita, é desencadeada
pelo aquecimento da martensita a temperaturas superiores a A
s.
Na transformação
martensítica, esquematizada na Figura 3.5, um cristal de austenita é esquematizado na
Figura 3.5(a). Parte do cristal nas seções transversais A
1
B
1
C
1
D
1
e A
2
B
2
C
2
D
2
, muda de
forma por um mecanismo de cisalhamento, gerando plaquetas da fase do produto,
transformado-se numa estrutura martensítica.
Um cristal de martensita parcialmente formado é mostrado na Figura 3.5(b). A
transformação reversa martensita-austenita é desencadeada pelo aquecimento da
martensita e é acompanhada por uma mudança de forma (ou relevo da superfície) de um
valor definido.
As martensitas ocorrem tipicamente como plaquetas cisalhadas podendo
ser observadas ao microscópio ótico como uma estrutura em forma de grupos de auto-
acomodação em “V” ou ziguezague conforme revela a micrografia da Figura 3.6.
F
IGURA
3.5 – Esquematização da formação de uma plaqueta de martensita dentro
do cristal da fase matriz austenita.
A1
B1
C1
D1
A2
B2
C2
D2
A1
A2
B1
B2
C1
C2
D1
D2
Austenita
Austenita
Martensita
(a) (b)
NASCIMENTO NT, M.P
10
3.3.2 Transformação Martensítica Termoelástica (TMT)
As transformações de fase martensíticas responsáveis pelos fenômenos
de memória de forma são de caráter termoelástico. Durante as TMT o movimento da
interface é controlado por um balanço local entre as forças químicas e não químicas
(ARAUJO FILHO, 2000). A força motriz (potencial químico) é a diferença na energia
livre de Gibbs das fases austenita (A) e martensita (M). As forças não químicas são as
energias de deformação elástica e a dissipação da energia por atrito. Ambas as forças
não químicas aparecem quando ocorrem interações entre as interfaces e os defeitos
cristalinos (precipitados, discordâncias e lacunas). Alguns destes defeitos na estrutura
cristalina do material podem pré-existir na fase matriz, ou podem ainda ser criados ou
eliminados durante a transformação (OTSUKA & WAYMAN, 1998).
Avaliando a seqüência das diferentes contribuições de energia
(dissipação irreversível de energia e armazenamento reversível de energia elástica), as
curvas das transformações termoelásticas são caracterizadas por uma histerese de
transformação, em temperatura ou tensão mecânica (OTSUKA & WAYMAN, 1998),
conforme ilustra a figura 3.4. Então, as transformações podem ser caracterizadas por
F
IGURA
3.6 – Plaquetas de martensitas em grupos de auto-acomodação em “V” na liga
Cu-Al-Ni-0,6Mn (composição em peso).
NASCIMENTO NT, M.P
11
termos térmicos e elásticos. Como conseqüência, a temperaturas abaixo do M
s
, os
cristais de martensita crescem à medida que a amostra é resfriada. Entretanto, após
alcançar certo tamanho, quando a soma do crescimento na energia livre termoquímica e
o aumento na energia livre não química (elástica e resistências passivas) se aproximam
de certo valor mínimo, o crescimento é interrompido. O equilíbrio entre os efeitos
térmicos e elásticos nos fornece o termo “termoelasticidade” e a denominação de
transformação martensítica termoelástica. Uma vez que esse equilíbrio térmico é
quebrado, os cristais de martensita irão crescer ou contrair-se. Por conseguinte, a
estabilidade das fases apresenta uma forte dependência da temperatura. Se for tomada
em consideração a energia química livre da fase matriz austenítica (G
A
) e a da fase
martensita (G
M
), existe uma temperatura ideal de equilíbrio T
o
, de forma que as forças
se equilibram conforme ilustra a Figura 3.7. A fase estável é a que possui menor energia
livre. As transformações martensíticas termoelásticas são cristalograficamente
reversíveis, ao contrário das transformações verificadas nos aços comerciais, nos quais
um aquecimento à temperatura logo acima de M
f
não reverte na formação de austenita e
sim causa a decomposição da martensita em uma microestrutura que basicamente se
divide em ferrita e cementita (CHIAVERINI, 1990).
F
IGURA
3.7 - Esquematização do equilíbrio entre as fases austenita e martensita.
Ms T
0
As
G
A
G
M
Energia Livre (G)
Temperatura (T)
NASCIMENTO NT, M.P
12
A aplicação de uma tensão (carregamento mecânico) provoca um
deslocamento da curva livre (∆G
A→M
) para baixo elevando a temperatura de equilíbrio
entre as fases o que faz com que a temperatura M
s
sob carga (M
s
)
σ
seja maior. Assim a
transformação martensítica pode ser induzida mesmo a temperaturas maiores que A
f
,
pois a fase estável (de menor energia) será a martensita, a retirada da carga provoca a
transformação inversa, porque sem o carregamento o M
S
diminui e a fase estável será
novamente austenita. Esse comportamento termomecânico apresentado pelas LMF é
conhecido como efeito superelástico.
É importante salientar que a transformação martensítica termoelástica
das LMF, conforme ilustra a Figura 3.4, pode ser fisicamente detectada por várias
técnicas de caracterização como a calorimetria diferencial de varredura (DSC),
dilatometria, análise termomecânica (TMA), variação de resistência elétrica em função
da temperatura, dentre outras.
3.4 Outros Comportamentos Termomecânicos das LMF
3.4.1 Efeito Memória de Forma Reversível (EMFR)
O EMFR aparece devido a um processo de treinamento do material
através de métodos baseados em ciclagens termomecânicas e envolve deformação
pseudoplástica da martensita.
Após um ciclo completo de carga e descarga pode-se observar que o
comportamento termomecânico das LMF sofre uma recuperação incompleta da
deformação máxima introduzida durante o carregamento, havendo uma deformação
residual no final do ciclo (OTSUKA & WAYMAN, 1998). Se forem efetuados vários
ciclos termomecânicos consecutivos de carga e descarga constata-se que a deformação
residual acumulada vai aumentando, tendendo a estabilizar-se ao fim de certo número
de ciclos.
A deformação residual não reversível está associada a alterações da
estrutura interna do material (martensita residual, aumento da densidade de
discordâncias, reconfiguração das discordâncias em planos de escorregamento
específicos). A este estado interno do material, fora do equilíbrio termodinâmico, está
NASCIMENTO NT, M.P
13
associado um campo de tensões internas específico do treinamento que foi aplicado.
Este campo de tensões internas tem por efeito orientar as variantes que se formam
durante o resfriamento, na ausência de tensões aplicadas, dando origem ao efeito
memória de forma reversível (EMFR), ilustrado na Figura 3.8. Esse efeito corresponde
a uma mudança espontânea da forma em função da temperatura e sem aplicação de
carga ou deformação externa (A→B→C).
3.4.2 Efeito Superelástico
Quando uma LMF é submetida a esforço mecânico a uma temperatura
superior a A
f
, definida na Figura 3.4, observa-se um comportamento interessante na
curva tensão-deformação. Aplicando-se um carregamento mecânico crescente ao
material constata-se logo após a região elástica um aumento da deformação a um nível
de tensão praticamente constante. Este comportamento está relacionado ao fato de que
nessa temperatura a martensita pode ser induzida por tensão.
A Figura 3.9 apresenta o comportamento de uma LMF testada a duas
temperaturas diferentes. Na temperatura T1 (T1>A
f
), verifica-se o efeito superelástico e
depois de removida a carga o material volta para o estado inicial apresentando uma
histerese em tensão. O mesmo material ensaiado a temperatura T2, com T2<M
f
,
F
IGURA
3.8
-
Ilustração esquemática da mudança de forma por EMFR. L – comprimento;
T – temperatura.
NASCIMENTO NT, M.P
14
apresenta o efeito memória de forma simples (EMFS), pois no descarregamento o
material apresenta uma deformação plástica aparente residual que pode ser recuperada
com aquecimento acima de A
f
. Na mesma Figura 3.9 está apresentado o resultado de um
ensaio de DSC durante o aquecimento do material, onde ocorre a mudança de fase com
absorção de energia (endotérmico).
3.5 Degradação do Efeito de Memória de Forma
A degradação é considerada como a perda progressiva do EMF,
irregularidades, transições ordem-desordem incompletas, modificações configuracionais
das martensitas e de austenita, etc. O EMF é expresso como sendo a diferença na forma
antes e após a transformação martensítica.
F
IGURA
3.9
-
Comportamento termomecânico das LMF. T1: carregamento em estado
austenítico, T2: carregamento em estado martensítico. Fonte:
http://www.furukawa.co.uk/nt.html.
NASCIMENTO NT, M.P
15
A degradação do EMFR tem sido atribuída a redistribuição de tensões
internas e ao fenômeno de precipitação. No caso de ligas Cu-Zn-Al a redução do EMFR
está relacionada a ciclagem e a formação de tensões induzidas na fase martensítica
(DATTA; BHUNYA; BANERJEE, 2001).
A experiência mostra que o comportamento global da degradação do
EMF é influenciado por uma combinação complexa de parâmetros internos e externos
(ARAUJO FILHO, 2000).
Alguns dos parâmetros internos são:
• Sistema de liga (os sistemas de ligas a base de cobre são mais susceptíveis a
degradação do efeito de memória de forma, do que as ligas Ti-Ni);
• A composição da liga;
• O tipo de transformação e a estrutura cristalina, incluindo defeitos.
Semelhantemente, como parâmetros externos podem-se enumerar:
• O tratamento termomecânico;
• O treinamento;
• A tensão aplicada;
• A deformação imposta pela própria memória de forma.
3.6 Ligas Comerciais com EMF
Os sistemas de ligas a base de cobre (Cu-Al-Ni e Cu-Zn-Al) e Ni-Ti são
neste momento objeto de exploração tecnológica e comercial em todo o mundo. As suas
propriedades termomecânicas são muito distintas, de forma que as ligas Ni-Ti podem
NASCIMENTO NT, M.P
16
apresentar recuperação de forma após deformações mais significativas (até cerca de 8%)
do que as ligas de cobre (até 4%) para materiais policristalinos. Muitas propriedades das
ligas Cu-Al-Ni são inferiores as das Ni-Ti (LOGEN, et al., 2005). As ligas Ni-Ti têm
maior ductilidade do que as ligas de cobre e possuem excelente resistência à corrosão,
enquanto que as ligas de cobre têm uma resistência à corrosão apenas satisfatória, além
de serem susceptíveis à corrosão sob tensão. Porém, as ligas à base de cobre são de
baixo custo (ZENGIN; OZGEN; CEYLAN, 2004), possuem uma relativa facilidade de
obtenção podendo ser fundidas, extrudadas ou laminadas a frio ou a quente,
apresentando também um leque mais abrangente de potenciais temperaturas de
transformação.
Todos estes sistemas de LMF podem ser ativados termicamente de
diferentes formas: por efeito Joule, por meio de convecção natural ou forçada, por
radiação solar, à distância por laser. Uma grande preocupação para aplicações modernas
está relacionada ao tempo de resposta deste material em comparação com outros
materiais ativos, fato que limita sua utilização a aplicações de baixas freqüências. Essa
limitação em freqüência está mais diretamente relacionada ao processo de resfriamento
do material.
3.7 Aplicação das LMF
O uso mais comum de LMF da família Ni-Ti encontra-se em aplicações
biomédicas, para as quais uma combinação de resistência, flexibilidade e
biocompatibilidade são desejáveis. Na área biomédica estes materiais são empregados
na odontologia, em próteses de órgãos, na fabricação de “stents” como uma endoprótese
e na desobstrução de coágulos sanguíneos (DUERIG; PELTON; STOCKEL, 1999).
A maior parte dos dispositivos criados inicialmente funcionava como
conectores, e retiravam proveito apenas do EMFS. Com o passar dos anos inúmeros
dispositivos mais complexos foram sendo desenvolvidos nas áreas aeroespacial,
biomédica, mecatrônica, eletroeletrônica, dentre outras (VAN HUMBEECK, 1999).
NASCIMENTO NT, M.P
17
3.7.1 Aplicação em Aparelhos Ortodônticos
Os arcos ortodônticos produzidos com material que apresenta o efeito
superelástico (ligas Ti-Ni) são altamente eficientes, podendo ser fixados mais
fortemente do que os outros tipos de fios, não apresentando folga tão rapidamente e
dispensando inúmeras visitas ao dentista reduzindo significativamente os traumas
decorrentes destes tratamentos. A Figura 3.10 ilustra esse tipo de aplicação.
F
IGURA
3.10 - Aplicação na odontologia do efeito superelástico
3.7.2 Aplicação em Conectores
As aplicações de LMF em dispositivos de conexão são de grande
relevância quando se necessita de uniões mais específicas sem a utilização de soldas que
ocasionam concentrações de tensão nas proximidades da união, fragilizando o material.
No campo automobilístico, a ativação pode ser realizada através do calor gerado pelo
motor do veiculo. Quando o conector receptor é esfriado o EMF é relaxado permitindo a
remoção com uma força de baixo nível de intensidade devido à temperatura de
transformação da LMF. Desta maneira, a pressão provocada pelo material com EMF
será alta durante a maioria da operação normal do conector e será baixo quando for
requerida a separação do mesmo. Os conectores elétricos ou térmicos são aplicações
típicas do EMF e foram primeiramente utilizados no caça Norte-Americano Grumman
F-14. Neste avião utilizou-se uma espécie de luva para acoplamentos hidráulicos feita
de material com memória de forma, para conexão de dois tubos diferentes. A LMF Ni-
Ti empregada apresenta elemento de liga ternário que consegue reduzir as temperaturas
Fio superelástico
NASCIMENTO NT, M.P
18
de transformação martensítica a níveis criogênicos. Nessa temperatura a luva na fase
martensítica é deformada e seu diâmetro passa a ser cerca 4% maior que o diâmetro dos
tubos hidráulicos. Conserva-se a luva em nitrogênio líquido, para que a mesma seja
inserida em torno da conexão. Durante o aumento da temperatura até a da fase
austenítica, a luva volta a sua forma original comprimindo as duas tubulações e vedando
a conexão de forma eficiente. A Figura 3.11 mostra essa aplicação.
Erro!
3.7.3 Aplicação em Atuadores Térmicos
Um atuador térmico com memória de forma tem a capacidade de
converter energia térmica em energia mecânica, gerando força e deslocamento
(OTSUKA e WAYMAN, 1998). A Figura 3.12 ilustra um atuador térmico, constituído
de um controlador de temperatura, uma mola com EMFR, uma mola clássica de apoio,
entrada de água quente e entrada de água fria.
Uma mola com EMFR é posicionada em oposição à uma mola de apoio
clássica sem EMFR. Quando regulada para que a água misturada atinja uma
temperatura mais alta, a mola de apoio desloca o carretel (êmbolo) para a esquerda
permitindo que maior quantidade de água quente escoe, a mola com EMFR sofre
mudança no tamanho permitindo escoamento da água quente. O movimento contrário
ocorre com a água fria.
Frio (T<M
f
)
Quente (T>A
f
)
F
IGURA
3.11
–
Luva de LMF para conexão de tubos. Fonte: http://www.furukawa.co.uk/
nt.html.
NASCIMENTO NT, M.P
19
3.7.4 Aplicações no Setor Elétrico
Os materiais com EMF são sensíveis ao aumento de temperatura,
tornando-se naturalmente interessantes para o desenvolvimento de aplicações no setor
elétrico onde o aquecimento pode ser provocado pela passagem de corrente elétrica que
origina uma mudança espontânea de forma, conforme indica a Figura 3.13.
i > 0
i = 0
i > 0
i = 0
F
IGURA
3.12
-
Aplicação de um atuador térmico do tipo mola com memória de forma.
Fonte: http://www.furukawa.co.uk/nt.html.
F
IGURA
3.13
-
Exemplos de elementos ativos em ligas de cobre com EMF
reagindo à passagem de corrente elétrica (i > 0).
NASCIMENTO NT, M.P
20
Os condutores vivos (que transportam corrente elétrica) e os elementos
do circuito devem ser protegidos por um dispositivo de seccionamento automático
contra sobrecarga e contra curto-circuito.
A característica de funcionamento de um dispositivo protegendo um
circuito contra sobrecargas elétricas deve ser:
I
B
≤ In≤ I
Z
;
I
Z
≤ 1,45 I
2
.
Em que: In: Corrente nominal do dispositivo de seccionamento;
I
Z
: Capacidade de condução de corrente dos condutores;
I
B
: Corrente de projeto;
I
2
: Corrente convencional de atuação, para disjuntores, ou
corrente convencional de fusão, para fusíveis.
Deve ser previsto um dispositivo para interromper toda corrente de
curto-circuito de modo a evitar que os efeitos térmicos e dinâmicos danifiquem os
condutores e elementos do circuito.
A integral de Joule que o dispositivo deixa passar deve ser inferior ou
igual a integral de Joule necessária para aquecer o condutor desde a temperatura
máxima para serviço contínuo até a temperatura limite de curto-circuito. Pode ser
escrito da seguinte forma:
22
0
2
SKdtI
t
≤
∫
(1)
Onde :
I: corrente de curto-circuito em A;
t: duração do curto-circuito em s;
S: seção do condutor em mm²;
K: constante que depende do condutor.
Atualmente existem no mercado dispositivos que atendem os pré-
requisitos acima pela norma NBR 5410 da ABNT (NBR 5410), entre eles fusíveis, que
NASCIMENTO NT, M.P
21
quando percorridos por uma corrente elétrica superior a nominal, da ordem de 10 a 15
vezes, gera calor por efeito Joule e o filamento se rompe. Outros tipos de protetores de
circuitos elétricos são os disjuntores, que protegem o circuito e seus elementos contra
curto-circuito. A proteção contra sobrecarga elétrica é realizada por relé de sobrecarga,
estes podem ser bimetálicos ou eletrônicos. Este dispositivo elétrico seja de que tipo for
não interrompe o circuito principal, mas sim faz atuar o dispositivo de manobra desse
circuito principal que pode ser o contactor. Os relés bimetálicos atuam em função do
deslocamento de uma lâmina provocada por aquecimento devido ao efeito Joule da
corrente.
Uma lâmina de LMF percorrida por uma corrente elétrica maior que sua
corrente nominal, gera calor por efeito Joule, elevando a temperatura acima da
temperatura A
f
, fazendo com que o material recupere uma forma pré-estabelecida
podendo, portanto fazer a mesma função de uma lâmina bimetálica.
Ligas Cu-Al-Ni com teores de alumínio variando entre 13 e 13,5% e teor
níquel de 4% fornecem temperaturas A
s
e A
f
na faixa de 70 a 180 ºC (ZENGIN;
OZGEN; CEYLAN, 2004) e estabilidade térmica a altas temperaturas, tornando esse
material interessante para aplicação no setor elétrico.
O tempo de resposta de um atuador com EMF é uma característica crítica
e deve ser analisada cuidadosamente para ter condições de competir com os atuadores
convencionais (BRAILOVSKI; TROCHU; DAIGNEAULT, 1996).
3.7.5 Armações para óculos
Os óculos cujas armações são confeccionadas de ligas Ni-Ti
superelásticas oferecem ao usuário conforto e durabilidade, tendo em vista que vários
danos causados as armações dos óculos convencionais são devido a esforços
demasiados e como o limite de elasticidade dos metais usados em armações clássicas é
baixo em comparação com o do Ni-Ti superelástico, o mesmo deforma-se plasticamente
e pode até chegar a se romper. A figura 3.14 mostra a capacidade de uma armação e
LMF Ni-Ti em resistir a esforços quando em regime superelástico.
NASCIMENTO NT, M.P
22
F
IGURA
3.14 – Óculos com características superelásticas.
NASCIMENTO NT, M.P
23
4 MATERIAIS E MÉTODOS
A metodologia experimental adotada incluiu basicamente as etapas de
concepção e montagem da máquina multifuncional de ensaios e a sua validação
utilizando amostras de LMF especialmente selecionadas para esse fim. As amostras de
validação foram caracterizadas previamente utilizando técnicas clássicas como a
microscopia ótica e ensaios de microdureza, assim como medidas de resistência elétrica
em função da temperatura.
4.1 Concepção e Montagem da Máquina de Testes
A fase de concepção da máquina de testes consistiu da elaboração de um
projeto modular, em que uma estrutura mecânica rígida (prensa hidráulica) seria
acoplada a outros módulos pré-existentes como um sistema de aquisição de dados, um
banho termoregulável, uma fonte de tensão e corrente, além dos diversos sensores
(termopar, sensor de deslocamento e célula de carga). Algumas adaptações mecânicas
deveriam ser desenvolvidas para posicionamento na estrutura rígida e suporte das
amostras de testes.
A princípio foram estabelecidas as especificações e dimensões da
máquina multifuncional como também dos acessórios necessários à adaptação da
estrutura mecânica rígida. Posteriormente foi desenvolvido o projeto conceitual
utilizando o programa Auto-CAD, conforme pode ser observado na Figura 4.1, tendo
por base a estrutura rígida da prensa de bancada de pequeno porte adquirida
especialmente para esse fim.
NASCIMENTO NT, M.P
24
Estrutura
mecânica rígida
Importante mencionar que entre a concepção e montagem da máquina
foram feitos alguns ajustes no projeto conceitual a fim de que a mesma atingisse um
melhor desempenho, tais como: eliminação da haste entre o êmbolo do pistão e a célula
de carga, modificações dos apoios (substituição dos cilindros de aço inoxidável) para
sustentação das amostras e troca do recipiente para o banho por um banho
termoregulável. A Figura 4.2 apresenta alguns acessórios e componentes da máquina de
testes (para operação em modo de flexão) utilizando o programa Auto-CAD.
Recipiente para
colocação do
banho
Suporte para
elevação
F
IGURA
4.1- Projeto conceitual da estrutura mecânica rígida da máquina de testes
utilizando o programa Auto-CAD.
NASCIMENTO NT, M.P
25
Para a caracterização termomecânica de amostras de LMF se faz
necessária a aplicação de carregamento mecânico e/ou a imposição de deformação com
subseqüente variação controlada de sua temperatura. Partindo dessa premissa, o
equipamento mostrado na foto da figura 4.3 foi concebido e montado no Laboratório
Multidisciplinar de Materiais e Estruturas Ativas (LaMMEA) da UFCG. Essa
fotolrevela a máquina multifuncional de ensaios com os seus principais acessórios e
componentes.
A Tabela 4.1 resume os principais componentes do sistema ilustrado na
Figura 4.3.
F
IGURA
4.2- Projeto conceitual de acessórios e componentes da máquina de testes
(para operação em modo de tração) utilizando o programa Auto-CAD
Polias
Bases para
fixação das
polias
Suporte para
sustentações
das hastes
Hastes para
fixação dos
cilindros para
amostras
Cilindros de aço
inoxidável para
fixação das
amostras
Hastes para
conexão da
célula de carga
NASCIMENTO NT, M.P
26
F
IGURA
4.3 - Máquina de testes com acessórios e componentes. (1) Estrutura rígida; (2) Cabo de tração; (3) Sensor de deslocamento
LVDT; (4) Haste móvel; (5) Garra de tração; (6) Carga de tração; (7) Célula de carga; (8) Porta amostra de flexão; (9) Banho
termoregulável; (10) Fonte de tensão e corrente; (11) Sistema de aquisição de dados.
MODO DE TRAÇÃO MODO DE FLEXÃO
(3)
(2)
(1)
(2) – Polias para sustentação do
cabo de tração
(3) – Sensor de deslocamento
(5) – Garra de tração
(7) – Célula de carga
(8) – Porta amostra de flexão
(9)
(4)
(6)
(10)
(11)
NASCIMENTO NT, M.P
27
Componente Marca Modelo
Prensa de 15 toneladas Marcon MPH - 15
Banho termoregulável Cole - Parmer 12101-56 CE
Sistema de aquisição de dados Agilent 34970A
Sensor de deslocamento LVDT Solartron DG/5.0 e DF/5.0
Célula de carga Alfa A250
Fonte de tensão / corrente * Agilent E3633A
*
Utilizada quando se deseja também medir a variação de resistência elétrica em função a temperatura
.
Conforme pode ser observado na Figura 4.3, a máquina concebida pode
funcionar em dois modos:
A) tração sob carga constante (adição de pesos): permite a obtenção de curvas
características de deformação (ε ) em função da temperatura (T). Esse modo de
operação corresponde a máquina desenvolvida por DE ARAUJO et al (1997) e
depois melhorada por LOPEZ-CUELLAR et al (2002);
B) geração de força em flexão 3 pontos: permite a obtenção de curvas
características de força (F) em função da temperatura (T).
Em ambos os modos de operação é possível também medir a resistência
elétrica (R) da amostra em função da temperatura (T). O funcionamento de cada modo
de teste ocorre como segue:
Modo A): uma amostra de lâmina ou fio LMF de comprimento situado entre 20 e 50
mm é fixado na garra de tração (5) conectada a haste móvel (4) em que é aplicada um
carregamento constante por intermédio do cabo de tração (2) e dos pesos (6). Esse
carregamento é responsável por impor uma deformação inicial na amostra, medida pelo
sensor de deslocamento LVDT (3). A amostra LMF sob carga é imersa no banho
termoregulável (9) juntamente com um termopar tipo K. O sensor de deslocamento e o
termopar são ligados a dois canais do sistema de aquisição de dados (11), e os dados de
T
ABELA
4.1– Principais componentes da máquina de ensaios
NASCIMENTO NT, M.P
28
deslocamento e temperatura são armazenados em um computador. A Figura 4.4 ilustra o
modo A esquematicamente.
Modo B): uma amostra de lâmina LMF e comprimento situado entre 20 e 50 mm é bi-
apoiada em um porta amostra de flexão (8) enquanto um eixo móvel mecanicamente
ligado a célula de carga (7) permite impor uma flecha central qualquer à amostra. A
variação controlada da temperatura da amostra com o banho termoregulável (9) é
medida com um termopar tipo K. A célula de carga e o termopar são ligados a dois
canais do sistema de aquisição de dados (11), e os dados de força e temperatura são
armazenados em um computador. A Figura 4.5 ilustra a máquina multifuncional
operando no modo B.
LVDT
F
Banho
Haste
PC
Sistema de
Aquisição
Termopar
Peso
Amostra
MODO TRAÇÃO
F
IGURA
4.4 – Ilustração do funcionamento da máquina multifuncional operando no
modo A.
NASCIMENTO NT, M.P
29
Os principais componentes da máquina da Figura 4.3 são descritos
brevemente a seguir.
4.1.1 Banho Termoregulável
O banho termoregulável permite trabalhar na faixa de -30 a 200 ºC, com
um reservatório de 13 litros onde fica o fluido que recebe a amostra de teste.
Na Figura
4.6 pode ser observado o equipamento usado (Tabela 4.1). O fluido onde a amostra fica
completamente imersa é o óleo de silicone Rhodorsil 47V 50 da Rhodia Silicones.
F
IGURA
4.5 – Ilustração da operação da máquina multifuncional no modo B.
F
MODO FLEXÃO
Banho
Haste
Termopar
Amostra
Cilindro
PC
Sistema de
Aquisição
Célula de carga
NASCIMENTO NT, M.P
30
Após a preparação da amostra, ela deve ser montada mecanicamente e
colocada dentro do reservatório do banho junto com o termopar, submergindo-os no
fluido de circulação.
4.1.2 Sistema de Aquisição de Dados
O sistema de aquisição de dados, mostrado na Figura 4.7 é equipado com
um módulo multiplexador de 20 canais com precisão de leitura de até 6 ½ dígitos
.
Esse
sistema de aquisição permite fazer a medição de resistência elétrica, tensão, corrente,
temperatura (termopar, sonda de platina,...) e outras. Esse sistema permite também
calibrar qualquer um de seus canais para leitura de sensores que obedeçam a uma
relação linear do tipo y = ax + b, como é o caso de células de carga e sensores de
deslocamento LVDT. O sistema da Figura 4.7 utiliza o programa
Agilent BenchLink
Date Logger Utilities
para gerenciar os ensaios realizados.
F
IGURA
4.6 – Reservatório onde fica o fluido que recebe a amostra de testes.
NASCIMENTO NT, M.P
31
4.1.3 Sensor de Deslocamento LVDT
Para quantificar o deslocamento realizado pelo movimento de uma amostra de
LMF, durante a mudança de sua forma por ação da temperatura, é necessária a
utilização de sensores de deslocamento bem como de circuitos de condicionamento de
seus sinais. Nos experimentos de caracterização dos sensores de deslocamento tipo
LVDT (Linear Variable Differential Transformer), foi utilizado o circuito condicionador
do sistema de aquisição de dados apresentado na Figura 4.8. Em uma das etapas deste
trabalho foi realizado o levantamento das curvas características de dois LVDT (tipo
particular de sensor de relutância variável, amplamente utilizado na indústria). A
medição de deslocamento foi efetuada através de uma variação de tensão, resultado da
mudança na relutância entre duas ou mais bobinas. Nos sensores LVDT três
enrolamentos simetricamente espaçados e um núcleo magnético móvel (haste) formam
o sistema de acoplamento magnético. A mudança da posição do núcleo é detectada
eletronicamente e processada adequadamente para geração de uma leitura precisa do
deslocamento aplicado. A Figura 4.8 apresenta os dois LVDT que foram utilizados,
ambos da marca Solartron. Na Figura 4.8(a) mostra-se o LVDT modelo DG/5.0 e na
Figura 4.8(b) outro do tipo DF/5.0. O tipo DF/5.0 possui haste livre enquanto o DG/5.0
tem haste fixa com mola de retorno. O método de caracterização consiste em alimentar
o LVDT e deslocar a sua haste com o auxilio de um parafuso micrométrico de precisão,
F
IGURA
4.7 – Sistema de aquisição de dados com módulo multiplexador de 20
canais.
NASCIMENTO NT, M.P
32
efetuando passos de 0,5 em 0,5mm e ao mesmo tempo anotar a leitura da queda de
tensão elétrica produzida.
4.1.3.1 Montagem e Caracterização
Como pode ser observado na Figura 4.9, para o LVDT de haste livre a
montagem para determinação de sua curva característica é vertical e para o LVDT de
haste com mola de retorno, a montagem é horizontal. O parafuso micrométrico utilizado
é da marca Starret (0 - 25mm) com resolução de 0,01mm. O multímetro utilizado para
leitura do sinal de tensão gerado pelos LVDT é da Minipa, modelo MDM-8146 e foi
utilizado na escala 20VDC, enquanto a fonte utilizada na alimentação dos LVDT é da
ICEL, modelo PS-7000, regulada para 10VDC.
F
IGURA
4.8 – Sensores LVDT. (a) LVDT tipo DG/5.0; (b) LVDT tipo DF/5.0.
NASCIMENTO NT, M.P
33
Como mencionado anteriormente, para que se possam utilizar os transdutores
para medição de deslocamento e força, com o sistema de aquisição de dados da Agilent,
modelo 34970A, se faz necessário obter as curvas características de cada transdutor.
Após a montagem da estrutura de caracterização ilustrada na Figura 4.9, o gráfico de
deslocamento em função da tensão elétrica (Y – V) foi construído para os dois LVDT.
As Figuras 4.10 e 4.11 revelam os comportamentos lineares obtidos.
F
IGURA
4.9
-
Sensores de deslocamento LVDT da Solartron montados para
levantamento das curvas características. (a) Foto do LVDT – tipo DG/5.0. (b) Detalhe
da montagem. (c) Foto do LVDT – tipo DF/5.0.
NASCIMENTO NT, M.P
34
-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
-1
0
1
2
3
4
5
6
LVDT DG 5.0
Deslocamento (mm)
Tensão (v)
F
IGURA
4.10 - Curva característica do LVDT tipo DG/5.0.
-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
-1
0
1
2
3
4
5
6
LVDT DF 5.0
Deslocamento (mm)
Tensão (v)
F
IGURA
4.11 - Curva característica do LVDT tipo DF/5.0.
NASCIMENTO NT, M.P
35
4.1.4 Célula de Carga
Ao se restringir o movimento de uma amostra de LMF durante aquecimento,
origina-se uma força de recuperação que é um parâmetro importante para sua
caracterização. Então, para que se possa quantificar tal força, se faz necessário à
utilização de um transdutor especifico, do tipo célula de carga que possibilita levantar
curvas experimentais
Força versus Temperatura (F – T).
Em geral uma célula de carga é um elemento mecânico estrutural em aço
inoxidável ou alumínio que incorpora extensômetros de resistência elétrica, conhecidos
como strain-gages, colados em seu corpo. Quando tensionados esse elementos sofrem
uma variação na resistência elétrica proporcional à força aplicada. Essa variação na
resistência é medida usando um circuito adequado, que neste caso, será um canal de
entrada do sistema de aquisição de dados da Figura 4.7. A célula de carga utilizada
neste trabalho foi a A250 de marca Alfa, conforme indicado na Tabela 4.1.
4.1.4.1 Montagem e Caracterização
A caracterização da célula de carga foi realizada na máquina universal de
ensaios INSTRON 8852, com tensão de alimentação de 10 V. A Figura 4.12 mostra a
montagem da mesma e a Figura 4.13 apresenta a curva característica obtida, em que:
F = (122249,38125).V - 10,15586, em que V é a tensão de saída em Volts e F a força
em Newtons.
NASCIMENTO NT, M.P
36
F
IGURA
4.12 – Montagem da célula de carga na máquina de ensaios.
F
IGURA
4.13- Curva característica da célula de carga.
-0,010 -0,008 -0,006 -0,004 -0,002 0,000 0,002
Tensão (V)
200
0
-
200
-
400
-
600
-
800
-
1000
-
1200
Força (N)
NASCIMENTO NT, M.P
37
4.2 Validação da Máquina
Para validação da máquina apresentada na Figura 4.3 foram utilizadas
duas amostras de LMF. Para os ensaios de geração de força em flexão 3 pontos foi
utilizada uma amostra da liga Ni-44,7Ti-5,9Cu (% em peso) obtida através do processo
Plasma Skull push pull (PSPP) realizado em uma máquina de fusão a plasma Discovery
All da EDG Equipamentos e Controles. Para os ensaios de tração sob carga constante
foi utilizada uma amostra bruta da liga industrial Cu-14,0Al-4,0Ni (% em peso)
fornecida pela empresa Tréfimetaux (França) através de uma cooperação com o Groupe
d'Études de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux (GEMPPM) do INSA
de Lyon. Após a obtenção da liga Ni-44,7Ti-5,9Cu (% em peso) foi realizado um
tratamento térmico de betatização a 900
o
C durante 15 minutos, seguido de têmpera em
água à temperatura ambiente. Para os ensaios de validação da máquina as amostras Ni-
Ti-Cu e Cu-Al-Ni corresponderam a lâminas de dimensões 24,2 x 5,2 x 1,3 mm e 40 x 3
x 1 mm, respectivamente.
4.2.1 Obtenção da Amostra de Teste para os Ensaios de Flexão (Modo B)
O processo de fusão e conformação pelo método
Plasma Skull Push-Pull
(PSPP)
para a fabricação de ligas com memória de forma (DE ARAÚJO
et al
, 2006) foi
utilizado neste trabalho usando o equipamento mostrado na Figura 4.14. A Figura 4.15
mostra a seqüência de processamento.
F
IGURA
4.14 - Máquina de fusão a plasma Discovery All, da EDG Equipamentos e
Controles, com detalhes das câmaras (A - Câmara Superior – Fusão / B- Câmara
Inferior – Conformação).
NASCIMENTO NT, M.P
38
O processo de fusão iniciou-se com o empilhamento dos elementos sobre
um cadinho de cobre, de forma que os elementos com maior ponto de fusão foram
colocados na parte inferior do cadinho, conforme mostrado na Figura 4.15(a). Um
eletrodo rotativo de tungstênio origina uma tocha rotativa de plasma em atmosfera de
argônio responsável pela fusão dos elementos conforme ilustrado na Figura 4.15(b).
Para acionamento da tocha de plasma os materiais a serem fundidos ficaram a uma
distância de 3,5 a 5,0 mm do eletrodo de tungstênio. A tocha de plasma provocou a
fusão dos elementos, formando desse modo um botão de LMF, como ilustrado na
Figura 4.15(c). A liga fundida foi injetada em um molde de alumínio, levando a
obtenção de uma pastilha cilíndrica, conforme ilustrado na Figura 4.15(d). Antes de se
injetar o botão de LMF para a formação da pastilha, a liga foi fundida 5 vezes para
garantir uma melhor homogeneidade do produto final.
As amostras obtidas passaram por um tratamento térmico de betatização
a 900ºC por 15 minutos, seguido de têmpera em água a temperatura ambiente, para
obter a transformação martensítica reversível, que origina os fenômenos de memória de
forma. A metalografia da liga obtida iniciou-se a partir do corte das pastilhas que foram
injetadas durante a fusão utilizando uma cortadeira metalográfica de precisão marca
Buehler, modelo Isomet Low Speed, apresentada na Figura 4.16.
F
IGURA
4.15 – Processo de fusão a plasma pelo método PSPP. (a) Elementos puros
empilhados no cadinho de cobre. (b) Tocha de plasma. (c) Botão de LMF após fusão. (d)
Pastilha obtida pela injeção do botão fundido em molde metálico.
NASCIMENTO NT, M.P
39
Após o corte das amostras, as mesmas foram embutidas em resina
acrílica, para na seqüência passarem pelo processo de lixamento e polimento.
4.2.2 Caracterização Prévia das Amostras de Validação
A caracterização prévia das amostras Cu-Al-Ni e Ni-Ti-Cu foi feita
através de microscopia ótica, microdureza e resistência elétrica em função da
temperatura.
4.2.2.1 Microscopia Ótica
A análise microestrutural das amostras foi realizada utilizando um
analisador de imagens da marca Olimpus, modelo BX51M que utiliza o programa de
análises de imagens MSQ
TM
Express versão 6.51, conforme mostrado na Figura 4.17.
F
IGURA
4.16 – Cortadeira metalográfica para a obtenção de lâminas LMF.
NASCIMENTO NT, M.P
40
4.2.2.2 Microdureza
Os ensaios de dureza Vickers (HV) foram realizados em um
microdurômetro Future Tech, modelo FM 700, mostrado na Figura 4.18. Em todos os
ensaios de microdureza foi utilizada uma carga de 300 gf com um tempo de aplicação
de 15 segundos.
Figura 4.17 – Ensaios de microscopia ótica. (a)Analisador de imagens Olimpus
BX51M. (b) Computador equipado com Software para análise de imagens MSQ
TM
Express 6.51.
F
IGURA
4.18 – Microdurômetro Future Tech FM 700.
NASCIMENTO NT, M.P
41
A microdureza média de cada amostra de LMF utilizada para validar a
máquina multifuncional foi obtida a partir de uma série de medidas coletadas sobre toda
a superfície da amostra. Foram realizadas 10 medições com posterior cálculo da média e
desvio padrão.
A Figura 4.19 apresenta a impressão deixada pelo penetrador do
microdurômetro sobre uma amostra de LMF Cu-Al-Ni. A partir desta impressão fez-se
à medição das diagonais, e assim determinou-se a microdureza Vickers do material.
4.2.2.3 Resistência Elétrica em Função da Temperatura
As LMF apresentam variações nas suas propriedades físicas e mecânicas
com a temperatura. Uma dessas propriedades físicas é a resistividade elétrica e através
das curvas experimentais
Resistência Elétrica
versus
Temperatura (R – T)
, é possível
determinar as temperaturas de transformação de fase e a histerese em temperatura destes
materiais. Para que essa medição possa ser realizada se faz necessário variar de forma
controlada a temperatura do meio, onde a amostra de LMF está inserida, e monitorar
simultaneamente a temperatura e a resistência elétrica, ou a variação de tensão da
amostra (REIS
et al
, 2006).
Após a preparação da amostra, a mesma foi montada mecanicamente e
colocada dentro do reservatório do banho junto com o termopar ficando totalmente
submersa no fluido de circulação com o termopar o mais próximo possível, conforme
ilustra a Figura 4.20. Os fios externos da amostra foram ligados na fonte de corrente (7)
F
IGURA
4.19 – Impressão deixada durante o ensaio de microdureza Vickers.
NASCIMENTO NT, M.P
42
e os internos conectados em um dos canais do sistema de aquisição de dados (8)
previamente programado como voltímetro. Após esta montagem, o sistema de aquisição
foi então ligado para realizar um ajuste na fonte de corrente. Nesse ajuste se fez um
monitorando da queda de tensão na amostra ao mesmo tempo em que se ajustou a
corrente da fonte. O termopar (do tipo K) foi ligado a um outro canal do sistema de
aquisição de dados (8) previamente programado para recebê-lo. Após o ajuste da fonte
de corrente, iniciou-se o experimento da seguinte forma: primeiro programou-se o
banho termo regulável (1), através do painel de controle (6). Depois se iniciou a
aquisição dos dados no software de aquisição instalado no microcomputador (9).
A Figura 4.21 apresenta uma foto da plataforma experimental ilustrada na Figura
4.18 que, conforme já mencionado, é composta de um banho termoregulável (1), uma
fonte de alimentação CC (2), um sistema de aquisição de dados (3) e um
microcomputador (4).
controle
Banho termo regulável
Fonte
Aquisiçã
o
de dados
Termopar
Amostra
Micro
computador
(8)
(7)
(9)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(1)
F
IGURA
4.20 - Ilustração esquemática do sistema de medição da resistência elétrica em
função da temperatura. (1) Banho termo regulável; (2) reservatório; (3) misturador; (4)
serpentina; (5) resistência elétrica e (6) controle; (7) Fonte de corrente; (8) Sistema de
aquisição de dados; (9) Microcomputador.
NASCIMENTO NT, M.P
43
No ensaio de resistência elétrica em função da temperatura utilizamos uma
amostra de lâmina da LMF de validação. Neste ensaio utilizamos o método dos quatro
fios em que pelos fios das extremidades fez-se passar corrente elétrica, e nos dois fios
centrais mediu-se a queda de tensão da amostra. Na Figura 4.22 pode ser observado uma
amostra de lâmina obtida de uma pastilha semelhante a da Figura 4.15(d).
F
IGURA
4.22 – Método dos quatro fios. (a) Lâmina obtida da pastilha injetada. (b)
Esquematização do método dos quatro fios (I – corrente elétrica; +V- - queda de
tensão).
F
IGURA
4.21 – Plataforma experimental de medição da resistência elétrica em
função da temperatura em amostras de LMF.
NASCIMENTO NT, M.P
44
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1 Caracterização Preliminar das Amostras de Testes
A microestrutura da amostra de validação da liga Ni-Ti-Cu obtida pela
técnica PSPP e utilizada nos ensaios de geração de força em modo de flexão três pontos
(Modo B) é apresentada na Figura 5.1. Observa-se que os grãos são extremamente
pequenos e a ausência de microestrutura martensítica. A microdureza média dessa LMF
foi de 199,46 ± 12,53 HV.
A curva de resistência elétrica em função da temperatura para a LMF Ni-
Ti-Cu com as temperaturas de transformação obtidas pelo método das tangentes é
apresentada na Figura 5.2. Verifica-se que as temperaturas de transformação,
principalmente M
f
, M
s
e A
s
, são ligeiramente inferiores a temperatura ambiente e que a
histerese em temperatura é da ordem de 17
o
C (~ A
f
– M
s
).
F
IGURA
5.1 – Microestrutura da liga Ni-44,7Ti-5,9Cu (% em peso).
Aumento: 200x
NASCIMENTO NT, M.P
45
A taxa de resfriamento, entre 150
o
C e 10
o
C, foi de aproximadamente
2,1
o
C/min, enquanto que para o aquecimento na mesma faixa de temperatura essa taxa
foi da ordem de 5,3
o
C/min para as duas amostras utilizadas.
A microestrutura da amostra de validação da liga Cu-Al-Ni é apresentada
na Figura 5.3. Verifica-se a presença clara da estrutura granular contendo plaquetas de
martensita típicas das LMF (OTSUKA & WAYMAN, 1998). A microdureza média
obtida para essa amostra foi de 242,5 ± 20,9 HV.
F
IGURA
5.2 – Variação de resistência elétrica em função da temperatura para a liga Ni-
44,7Ti-5,9Cu (% em peso).
NASCIMENTO NT, M.P
46
A curva de resistência elétrica em função da temperatura para a amostra
Cu-Al-Ni com temperaturas de transformação obtidas pelo método das tangentes é
apresentada na Figura 5.4 e revela o comportamento da transformação de fase.
F
IGURA
5.3 – Microestrutura da liga Cu-Al-Ni. Aumento: 200x
F
IGURA
5.4 – Variação de resistência elétrica em função da temperatura para a liga
Cu-14,0Al-4,0Ni (% em peso).
0 20 40 60 80 100 120 140
0,00085
0,00090
0,00095
0,00100
0,00105
0,00110
0,00115
aquecimento
resfriamento
M
s
= 68,8°C
A
f
= 74,5°C
M
f
= 53,5°C
A
s
= 64,3°C
Resistência (Ohm)
Temperatura(°C)
NASCIMENTO NT, M.P
47
5.2 Validação da Máquina Multifuncional
Os resultados obtidos com a máquina operando nos dois modos
propostos e com medidas de resistência elétrica acopladas são mostrados e discutidos.
5.2.1 Máquina Operando no Modo de Tração Sob Carga Constante (Modo A)
A Figura 5.5 apresenta a tela típica visualizada durante um ensaio com a
máquina multifuncional da Figura 4.1 operando no modo de tração com a amostra Cu-
Al-Ni. Conforme indica a Figura 5.5(a), a evolução de todos os parâmetros monitorados
pode ser acompanhada em tempo real, de modo que o ensaio pode ser abortado
instantaneamente caso alguma anomalia ocorra. Concomitantemente, é possível
visualizar também a evolução das propriedades monitoradas em função do parâmetro
temperatura, como mostra as Figuras 5.5(b) e 5.5(c).
(a)
(b)
(c)
F
IGURA
5.5 – Tela do computador da máquina multifuncional durante um ensaio em modo
A. (a) Temperatura, resistência elétrica e deslocamento acompanhados em função do tempo.
(b) Cruzamento deslocamento x temperatura. (c) Cruzamento resistência x temperatura.
NASCIMENTO NT, M.P
48
Os dados obtidos do ensaio são transferidos para o programa Origin 5.0 e
tratados para a obtenção de propriedades termomecânicas importantes para a
caracterização das LMF, como as temperaturas de transformação, deformação de
transformação, EMF e outras.
As Figuras 5.6 e 5.7 mostram o comportamento da temperatura,
deformação e resistência elétrica em função do tempo para a amostra Cu-Al-Ni
submetida a uma carga constante correspondente a 25 MPa (~5 kg).
A Figura 5.6 revela que a taxa de resfriamento entre 150
o
C e 10
o
C é de
aproximadamente 2,1
o
C/min, enquanto que para o aquecimento na mesma faixa de
temperatura essa taxa é da ordem de 5,3
o
C/min, conforme já citado anteriormente. A
expansão e contração da amostra é verificada respectivamente nas regiões de
resfriamento e aquecimento da Figura 5.6. Importante lembrar que a amostra tracionada,
na fase martensítica, é submetida ao aquecimento até que ocorra a mudança de fase para
austenita ocasionando uma contração devido ao EMF. A expansão se dá no resfriamento
devido ao retorno para a fase martensita.
F
IGURA
5.6 – Evolução da temperatura e da deformação durante um ensaio no
modo de tração sob tensão constante de 25MPa.
NASCIMENTO NT, M.P
49
A Figura 5.7 mostra o comportamento da resistência elétrica com o
tempo. Como esperado, observa-se inicialmente uma diminuição linear da resistência
durante o resfriamento em fase austenítica, seguida de um aumento importante
associado à transformação de fase e a expansão da amostra. Uma vez a transformação
concluída e a expansão estabilizada, a resistência volta a diminuir com o aumento da
temperatura, agora na fase martensítica. Durante o aquecimento observa-se o fenômeno
inverso devido à transformação reversa martensita – austenita.
As Figuras 5.8 e 5.9 mostram o comportamento do cruzamento da
deformação (
ε
) e da resistência elétrica (R) com a temperatura (T), eliminando-se o
tempo como parâmetro. Esse cruzamento leva a obtenção das curvas de histerese típicas
das LMF (OTSUKA & WAYMAN, 1998).
A Figura 5.8 mostra a expansão da amostra durante o resfriamento,
correspondente a uma deformação de transformação (
ε
trans
) de 0,78 %. A reversão
durante o aquecimento é traduzida por uma contração correspondente a um EMF de
F
IGURA
5.7 – Evolução da temperatura e da resistência elétrica durante um ensaio no
modo de tração sob tensão constante de 25MPa.
NASCIMENTO NT, M.P
50
0,70 %. Constata-se também uma deformação residual sob carga (
ε
trans
– EMF) da
ordem de 0,08 %.
A Figura 5.9 mostra que o laço de histerese R - T obtido é
qualitativamente bastante semelhante aquele da amostra livre de carregamento
mecânico (Figura 5.4). Verifica-se claramente que a aplicação do carregamento
mecânico constante leva a um aumento das temperaturas de transformação de fase da
LMF, conforme previsto pela lei de Clausius-Clayperon aplicada a esses materiais
(OTSUKA & WAYMAN, 1998). Observa-se também que a histerese em temperatura
(H
T
) praticamente duplica com a aplicação da carga de 25 MPa. Aumentos expressivos
de H
T
com a aplicação de carga constante durante ciclagem térmica foram também
observados por DE ARAUJO et al (2001) em uma LMF Ti-Ni-Cu.
Uma comparação entre as Figuras 5.8 e 5.9 permite constatar que as
temperaturas de transformação obtidas pelo método das tangentes a partir dos laços
ε
- T
F
IGURA
5.8 – Comportamento da histerese
ε
- T obtido com a máquina
multifuncional operando no modo de tração sob tensão constante de 25MPa.
NASCIMENTO NT, M.P
51
e R – T são ligeiramente diferentes. A maior diferença, da ordem de 9
o
C, ocorre para a
temperatura A
s
. No aquecimento as temperaturas A
s
e A
f
são maiores quando
determinadas a partir da deformação da amostra, indicando que existe uma inércia de
resposta em comparação com uma medida mais microscópica como a resistência
elétrica. O fenômeno inverso ocorre durante o resfriamento com as temperaturas M
s
e
M
f
.
Os resultados obtidos para cargas diferentes, como 15 MPa, 35 MPa e 45
MPa, foram qualitativamente semelhantes aqueles das Figuras 5.6, 5.7, 5.8 e 5.9.
Constatou-se fundamentalmente o aumento das temperaturas de transformação e de
ε
trans
, e uma saturação do EMF em um valor máximo de aproximadamente 0,8 %. Esse
comportamento é qualitativamente semelhante ao observado em outras LMF (DE
ARAUJO et al, 2001).
F
IGURA
5.9 - Comportamento da histerese R - T obtido com a máquina multifuncional
operando no modo de tração sob tensão constante de 25MPa.
NASCIMENTO NT, M.P
52
5.2.2 - Máquina Operando no Modo de Geração de Força em Flexão 3 Pontos a
Deflexão Constante (Modo B)
A Figura 5.10 mostra a tela típica visualizada durante um ensaio com a
máquina multifuncional da Figura 4.1 operando no modo B com a amostra Ni-Ti-Cu.
Semelhantemente ao ensaio em modo A e conforme indica a Figura 5.10(a), a evolução
de todos os parâmetros monitorados pode ser acompanhada em tempo real. Ao mesmo
tempo, é possível visualizar também a evolução de todas as propriedades monitoradas
em função do parâmetro temperatura, como mostra as Figuras 5.10(b), 5.10(c) e 5.10(d).
F
IGURA
5.10 – Tela do computador da máquina multifuncional durante um ensaio
em modo B. (a) Temperatura, deslocamento, força e resistência elétrica
acompanhados em função do tempo. (b) Cruzamento deslocamento x temperatura.
(c) Cruzamento força x temperatura. (d) Cruzamento resistência x temperatura.
(a)
(c)
(b)
(d)
NASCIMENTO NT, M.P
53
Vale lembrar que neste ensaio uma flecha central (deflexão, y) é imposta,
por intermédio de uma força, à amostra em modo de flexão três pontos a uma
temperatura inferior a M
f
(~ -10
o
C) e mantida constante durante a operação de ciclagem
térmica entre -10 e 100
o
C, originando uma força de recuperação associada a tendência
de EMF. O carregamento da amostra nesse modo de operação é ilustrado na Figura 5.11
e a ciclagem térmica se inicia com o aquecimento, contrariamente a operação no modo
tração.
A evolução dos parâmetros (temperatura, força, resistência elétrica,...) no
tempo é qualitativamente semelhante aquele mostrado para a operação no modo A, com
aproximadamente as mesmas taxas de aquecimento e resfriamento.
As Figuras 5.12 e 5.13 mostram o comportamento da temperatura, força
gerada e resistência elétrica em função do tempo para a amostra de lâmina Ni-Ti-Cu
submetida a uma flecha central constante correspondente a 1 mm.
F
IGURA
5.11 – Ilustração da amostra de lâmina deformada para ensaio de geração de
força no modo de flexão.
NASCIMENTO NT, M.P
54
Na Figura 5.12 verifica-se o crescimento rápido da força gerada durante
o aquecimento até atingir um valor máximo de aproximadamente 150 N. O resfriamento
faz com que toda força gerada seja completamente relaxada.
A Figura 5.13 mostra inicialmente um pequeno aumento linear da
resistência elétrica durante o aquecimento em fase martensitica, seguido de uma redução
importante associado à transformação de fase ocorrendo no interior da amostra. Uma
vez a transformação martensita – austenita concluída, a resistência volta a aumentar
com a temperatura em fase austenitica. Durante o resfriamento observa-se o fenômeno
inverso devido à transformação reversa austenita – martensita.
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
-20
0
20
40
60
80
100
120
resfriamento
aquecimento
Tempo (s)
Temperatura (
o
C)
Temperatura
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
y = 1mm
Força Gerada
Força (N)
F
IGURA
5.12 – Evolução da temperatura e da força gerada durante um ensaio no
modo B.
NASCIMENTO NT, M.P
55
As Figuras 5.14 e 5.15 mostram o comportamento do cruzamento da
força gerada (F) e da resistência elétrica (R) com a temperatura (T), eliminando-se o
tempo como parâmetro. Semelhantemente ao caso da operação no modo A, esse
cruzamento leva a obtenção das curvas de histerese típicas das LMF (OTSUKA &
WAYMAN, 1998).
A Figura 5.14 revela a geração de força reversível da amostra com uma
flecha central imposta de 1 mm durante o aquecimento e resfriamento. A força máxima
gerada no ensaio é de aproximadamente 150 N.
F
IGURA
5.13 – Evolução da temperatura e da resistência elétrica durante um ensaio no
modo B.
NASCIMENTO NT, M.P
56
A Figura 5.15 mostra que o laço de histerese R - T obtido é bastante
semelhante aquele da amostra Ni-Ti-Cu livre de carregamento mecânico (Figura 5.2),
inclusive em termos dos valores de temperaturas de transformação e histerese,
diferentemente dos resultados dos testes no modo A onde observou-se um aumento
dessas temperaturas conforme previsto pela lei de Clausius-Clayperon aplicada as LMF
(OTSUKA & WAYMAN, 1998). Esse aumento das temperaturas de transformação
também foi constatado no modo B através das curvas F – T conforme revela a Figura
5.14.
A quase insensibilidade das medidas R – T durante a geração de força em
modo de flexão 3 pontos (comparando as figuras 5.15 e 5.2) pode ser atribuída ao fato
de que a corrente elétrica de ensaio atua na superfície da amostra (PAUL TIPLER &
GENE MOSCA, 2006) onde existem tensões trativas e compressivas de mesmo módulo
devido ao momento fletor provocado pela força gerada (ver ilustração da Figura 5.11)
(HIBBELER, 2004). Nossa hipótese é de que essas tensões se auto-anulam de modo que
o comportamento interno da transformação de fase monitorado pelas medidas R – T
-20 0 20 40 60 80 100 120
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
y = 1mm
resfriamento
aquecimento
(H
T
)
F
~15,0
o
C
A
f
= 52,4
o
C
A
s
= 24,6
o
C
M
f
= 10,0
o
C
M
s
= 37,0
o
C
Força (N)
Temperatura (
o
C)
F
IGURA
5.14 – Comportamento da histerese F - T obtido com a máquina multifuncional
operando no modo B.
NASCIMENTO NT, M.P
57
praticamente não é afetado. Vale ressaltar que não foi encontrado na literatura das LMF
ensaios semelhantes a esses em modo B com resistência elétrica acoplada, indicando a
originalidade dos resultados aqui apresentados.
Os resultados obtidos para flechas diferentes, como y = 0,7 mm, foram
qualitativamente semelhantes aqueles das Figuras 5.12, 5.13, 5.14 e 5.15.
A Figura 5.16 mostra o comportamento da flecha imposta (y) durante o
ensaio em modo B, correspondente a geração de força da Figura 5.14. De acordo com o
projeto da máquina, essa flecha deveria permanecer constante durante o ensaio, porém
uma variação histerética máxima da ordem de 15 % foi observada durante a geração de
força. Essa variação pode ser atribuída a folgas e/ou desalinhamento das peças situadas
entre a amostra e o cilindro hidráulico da máquina.
-20 0 20 40 60 80 100 120
0,00210
0,00215
0,00220
0,00225
0,00230
0,00235
0,00240
aquecimento
resfriamento
(H
T
)
R
~20,0
o
C
y = 1mm
A
f
= 38,3
o
C
A
s
= 18,4
o
C
M
f
= -2,2
o
C
M
s
= 18,6
o
C
Resistência (Ohm)
Temperatura (
o
C)
F
IGURA
5.15 - Comportamento da histerese R - T obtido com a máquina
multifuncional operando no modo flexão.
NASCIMENTO NT, M.P
58
-20 0 20 40 60 80 100 120
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
∆
∆∆
∆
y = 0,15mm
y = 1mm
Flecha Imposta, y (mm)
Temperatura (
o
C)
F
IGURA
16 – Comportamento da flecha imposta a amostra durante um ensaio em modo B.
NASCIMENTO NT, M.P
59
6 CONCLUSÕES
As principais conclusões deste trabalho podem ser resumidas nos
seguintes tópicos:
• Um equipamento multifuncional para ensaio de LMF com dois modos de
operação foi desenvolvido e testado com sucesso. Os dois modos são: A –
ciclagem térmica com a amostra submetida à tração uniaxial constante (peso) e
B – ciclagem térmica com a amostra submetida a uma flecha central constante
em flexão três pontos;
• Um diferencial da máquina proposta é a possibilidade de acompanhar a
transformação de fase das LMF através de medidas de resistência elétrica
concomitantemente com a evolução das propriedades funcionais macroscópicas,
como a deformação por efeito memória e a geração de força;
• Os comportamentos característicos de deformação, força gerada e resistência
elétrica obtidos em função da temperatura apresentaram ótima qualidade, em
acordo com a literatura, e permitiram a obtenção das temperaturas de
transformação e histerese em temperatura das amostras testadas;
• A aplicação do carregamento na LMF industrial Cu-Al-Ni testada em modo A
sob
σ
= 25 MPa levou a um aumento das temperaturas de transformação. A
histerese, praticamente, duplicou com a aplicação da carga.
• A LMF industrial Cu-Al-Ni testada em modo A sob
σ
= 25 MPa apresentou
EMF de aproximadamente 0,7 % com boa concordância das temperaturas de
transformação obtidas a partir das curvas
ε
- T e R – T , respectivamente;
• Os laços de histerese R – T com e sem carga aplicada obtidos para a LMF
laboratorial Ni-Ti-Cu testada em modo B sob flecha central imposta de y = 1
mm são qualitativamente semelhantes, inclusive em termos dos valores de
temperaturas de transformação e histerese. Esse fenômeno foi atribuído ao fato
NASCIMENTO NT, M.P
60
de que a corrente elétrica atua na superfície da amostra onde existem tensões
trativas e compressivas de mesmo módulo. Estas se auto-anulam de modo que o
comportamento interno da transformação de fase, praticamente não é afetado.
• A LMF laboratorial Ni-Ti-Cu testada em modo B sob flecha central imposta de y
= 1 mm apresentou uma geração de força da ordem de F = 150 N, mas não
houve concordância das temperaturas de transformação obtidas a partir das
curvas F - T e R – T , respectivamente. A discrepância foi atribuída à variação da
tensão de flexão com o aumento da temperatura durante o ensaio e ao fato da
corrente elétrica circular na superfície da amostra onde atuam tensões de tração e
compressão.
NASCIMENTO NT, M.P
61
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
A partir dos resultados obtidos é possível sugerir os seguintes trabalhos
futuros:
• Adaptação da máquina desenvolvida para a realização de ensaios de fadiga do
EMF em fios finos utilizando aquecimento por efeito Joule;
• Adicionar novos modos de operação a máquina multifuncional, como a ciclagem
térmica sob carga constante e deflexão imposta constante em flexão
simplesmente engastada;
• Estudo do efeito superelástico de ligas Ni-Ti incluindo medidas de resistência
elétrica.
NASCIMENTO NT, M.P
62
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