Tehnologii de Obtinere Si Prelucrare a Materialelor cu Memoria Formei

3. TEHNOLOGII DE OBȚINERE ȘI PRELUCRARE A MATERIALELOR CU MEMORIA FORMEI

3.1 Obținerea materialelor cu memoria formei

Fabricarea unui material cu memoria formei constă în parcurgerea pașilor următori: 1-obținerea materialului la forma dorită; 2-prelucrarea termică (tratamente termice) sau termomecanică pentru a se putea evidenția un anumit fenomen de memoria formei; 3-verificarea comportamentului materialului la creșterea numărului de cicluri (comportarea la oboseală).

Obținerea aliajelor cu memoria formei se face prin parcurgerea unor operații metalografice: 1-topirea, 2-alierea, 3-turnarea, 4-tratamentul termic primar, 5-deformarea plastică. Pe lângă obținerea clasică a aliajelor cu memoria formei, se mai pot aplica procedee „neconvenționale” ținând cont de metalurgia pulberilor, solidificarea ultrarapidă și ingineria suprafețelor.

Problemele cele mai întâlnite la obținerea materialelor cu memoria formei sunt legate de controlul compoziției chimice, deformarea plastică la rece și tratamentul termomecanic de imprimare a memoriei.

3.1.1 Obținerea aliajelor cu memoria formei pe bază de Ni-Ti

Obținerea aliajelor cu memoria formei (AMF) pe bază de Ni-Ti presupune parcurgerea următoarelor operații: topirea, turnarea, forjarea, laminarea, tragerea la rece, punerea în formă și tratamentul de imprimare a memoriei.

1) Topirea ( se face la temperaturi cuprinse între 1240° și 1310°C) constă în utilizarea unei încărcături din componente pure (99,7 % Ti și 99,97 % Ni) sau din pre-aliaje. Pregătirea pre-aliajelor se realizează în cuptoare cu arc electric în vid și electrod consumabil (din componente AMF) sau neconsumabil (din W). Acțiunea propriu-zisă de topire se face în cuptoare de înaltă frecvență sau cu arc de plasmă dar și cu creuzet de alumină sau oxid de calciu. De regulă, topirea este foarte ușor impurificată, cu oxigen (de exemplu oxigenul provenit din alumină) dar și cu carbon (de exemplu carbonul provenit din grafit) dacă temperatura depășește 1723K.

În principiu, conținutul de carbon este prezent în cantități reduse (0,0002-0,0005 %) pentru a nu afecta comportamentul de memorie. Pentru obținerea unor purități foarte ridicate, se utilizează cuptoare cu fascicul de electroni. Topirea cu fascicul de electroni este urmată de colectarea materialului topit într-o formă de cupru răcită cu apă, unde se solidifică de jos în sus. Din cauza vidului înaintat și a temperaturii mari de topire, se obține un material cu puritate ridicată dar cu compoziție imprecisă (datorită intervenției unor fenomene de evaporare) și insuficientă omogenitate chimică (din cauza solidificării unidirecționale). Topirea în arc de plasmă întrebuințează un catod cav și un fascicul de electroni de joasă tensiune. Datorită energiilor scăzute, evaporările sunt puțin mai intense față de topirea cu fascicul de electroni iar compoziția chimică este uniformă.

2) Alierea este utilizată pentru obținerea temperaturilor critice dorite, în același timp cu mărirea rezistenței la curgere. Variația cu 1 % a conținutului de nichel provoacă modificarea temperaturilor critice cu aproximativ 100 K. Prin adăugarea unor elemente de finisare a structurii (de exemplu: V, Cr, Mn, Fe, Co sau Cu), s-a realizat un control strict al temperaturilor critice de transformare și al granulației. Legătura dintre granulație și temperaturile critice se poate înțelege mai ușor dacă se ține cont de rolul mărimii grăunților de austenită asupra rezistenței la curgere a martensitei. În acest fel s-a stabilit că limitele grăunților de austenită reduc mărimea deformației recuperabile (amnezia), amplificând-o deoarece stopează deplasarea limitelor de macle ale martensitei. Pentru a împiedica efectele parazite produse de interacțiunea grăunților cristalini cu suprafața corpului, s-a s-a constatat că diametrul acestora (d) trebuie să fie mai mic decât jumătatea grosimii corpului.

3) Turnarea se realizează din fontă, sub forme metalice, sau din cupru, răcite cu apă. În cercetările experimentale care aveau ca scop caracterizarea AMF Ni-Ti, fără combinarea defectelor reticulare sau a limitelor de grăunți, lingourile au fost întrebuințate pentru obținerea monocristalelor.

4) Tratamentul termic primar (omogenizarea) are rolul de-a uniformiza compoziția chimică și granulația în paralel cu mărirea plasticității și se pune în practică imediat după turnare. Cel mai cunoscut tratatemn este 10000C/1h/ apă cu gheață. Răcirea grăbită se practică în scopul evitării proceselor de precipitare a fazelor secundare.

5) Deformarea plastică se aplică imediat după omogenizare, monocristalelor și policristalelor pentru reducerea secțiunii până la grosimi mai mici sau egale cu 1 mm. În acest scop se utilizează deformarea plastică, mai întâi la cald, între 800°C și 870°C și apoi la rece. În vederea deformării plastice la cald, s-a folosit forjarea, ca și operație pregătitoare, și laminarea. În urma acestor două operații s-au obținut bare, plăci sau table cu grosimi cuprinse între 1mm si 0,5 mm. Odată cu creșterea temperaturii, rezistența la rupere scade la început lent și apoi brusc (650 K). Alungirea la rupere se amplifică de la 40-50 % până la 100 %. Din această cauză, deformarea plastică la cald se efectuează peste 800 K, fiind o prelucrare foarte dificilă. În privința deformării plastice la rece s-a utilizat laminarea și tragerea cu recoaceri intermediare și grade de reducere de până la 15 %, rezultând sârmă cu diametrul de 1 mm. Deformarea plastică la rece, în domeniul martensitic, trebuie să fie urmată de recoacere, pentru a nu produce o ecruisare puternică a materialului, micșorând drastic proprietățile de memorie. De exemplu, în urma producerii unei deformări la rece cu un grad de reducere de 40 %, limita de curgere crește de la 100 MPa (în stare recoaptă) până la 1000 MPa. Din acestă cauză se v-a avea în vedere că deformarea plastică la rece este mult mai dificilă decât deformarea plastică la cald. Pentru a readuce proprietățile de memorie în starea inițială, se aplică recoaceri intermediare, între fiecare etapă de deformare plastică la rece. Laminarea la rece, urmată de recoacere la 673 K/1 h, favorizează superelasticitatea la 323 K. Deformația recuperabilă crește odată cu gradul de deformare aplicat, superelasticitatea apărând la un grad de deformare de 20 %.

În afara metodelor clasice, care au la bază operațiile de topire, aliere, turnare, AMF Ni-Ti au mai fost obținute și prin tehnologii cum ar fi metalurgia pulberilor sau solidificarea rapidă. În afara faptului că deformarea plastică este cea mai răspândită metodă de obținere a unei secțiuni dorite, în anumite cazuri, scopuri experimentale, s-a apelat și la așchierea cu plăcuțe mineralo-ceramice pentru subțierea lingourilor.

6) Obținerea AMF Ni-Ti prin metalurgia pulberilor evidențiază avantajul eliminării operațiilor de deformare plastică. Această tehnologie se întrebuințează în special metoda de producere a pulberilor de titan, cunoscându-se reactivitatea foarte ridicată a acestui element. Una dintre cele mai întâlnite metode de producere a pulberilor este procesul cu electrod rotativ. Aceasta asigură uniformitatea formei și mărimii granulelor dar și evitarea contaminării cu impurități (provenite atât din topitură cât și din materialul electrodului). Prin intermediul acestei metode s-au obținut pulberi rezultate după topirea în arc de plasmă a electrodului rotativ (aproximativ 900 rot/min), fabricând dintr-un lingou pre-aliat și pulverizarea picăturilor rezultate (diametrul mediu 287 μm) în atmosferă de He. Pulberile au fost consolidate prin presare izostatică la cald ajungându-se un grad de porozitate de 0,4 %. Aliajul rezultat prezentat atât memorie mecanică cât și termică, alungirea recuperabilă atingând 6 %. Singurul obstacol l-a reprezentat plasticitatea inferioară.

7) Răcirea rapidă prin centrifugarea topiturii reprezintă o metodă destinată pentru obținerea benzilor și filamentelor subțiri. Cea mai cunoscută variantă a metodei constă în proiectarea unui jet subțire de aliaj lichid pe un disc rotativ, după un principiu similar obținerii benzilor din sticlă metalică. Prin împroșcarea topiturii, într-un start de apă menținută de forța centrifugă pe suprafața interioară a unui cilindru rotativ, se pot obține sârme, cu secțiune transversală circulară.

8) Obținerea filmelor subțiri este este utilă datorită raportului scăzut între suprafață și volum, care participă la mărirea vitezei de reacție, prin grăbirea răcirii.

Anumite experimente au cuprins pulverizarea pe ținte pre-aliate, obținându-se filme amorfe, dacă temperatura substratului este păstrată sub 473 K. Filmele au cristalizat după recoacere la temperaturi mai mari de 673K. De exemplu, filmele subțiri amorfe, recristalizate după o recoacere de 1 oră la 773 K, au arătat temperaturi critice ale transformării cuprinse între 335 K și 278 K.

În urma obținerii semifabricatului din AMF Ni-Ti, este necesar să se obțină forma produsului finit. În cazul configurațiilor larg răspândite (de exemplu resorturile din AMF Ni-Ti), se utilizează mașini automate de spiralat, cu amplitudini de formare alese în mod corespunzător, deoarece aceste elemente prezintă o elasticitate mai mare decât a celor din oțel.

3.1.2 Obținerea aliajelor cu memoria formei pe bază de Cu-Zn-Al

Obținerea aliajelor cu memoria formei pe bază de Cu-Zn-Al constă în topirea, alierea și turnarea, tratamentul termic primar, deformarea plastică, tratamentul termic de pregătire pentru deformarea la rece, deformarea la rece, punerea în formă, tratamentul de imprimare a memoriei și tratamentul de stabilizare.

1) Topirea componentelor de 99,99 % puritate, înfăptuit sub protecție de argon sau în vid, folosind cuptoare de inducție de înaltă frecvență și creuzet de grafit. Intervalul tipic de topire este 950-1020°C.

2) Alierea este realizabilă datorită introducerii treptate a aluminiului, în masa de cupru topit. Operația este însoțită de agitarea băii metalice pentru a asigura înglobarea aluminului a cărui densitate de 2,7·103kg/m3, l-ar menține la suprafață. În cazul cuptoarelor de inducție, agitația este asigurată de curenții turbionari induși care pătrund în tot volumul băii metalice (consecință a frecvențelor înalte). În acest mod, se obține omogenizarea compoziției chimice. Pentru finalizare, se introduce zincul, care vaporizează la 907°C. Datorită acestui fapt, cantitatea de zinc trebuie majorată cu aproximativ 4 %, rolul alierii fiind ca și la AMF pe bază de Ni-Ti, controlul temperaturii critice și al granulației. În privința efectului titaniului, s-au realizat experimente legate de influența sa, în aliajele ternare sau în aliajele Cu-Zn la care Ti înlocuiește o parte din cupru în proporție de până la aproximativ 2 %.

Finisarea granulației se bazează pe mărirea vitezei de germinare și micșorarea celei de creștere și se realizează prin: adăugarea de elemente insolubile sau generatoare de compuși insolubili ce constituie germeni de cristalizare eterogenă; călirea din topitură care împiedică creșterea cristalelor; sinterizarea la presiuni și temperaturi înalte.

3) Turnarea s-a realizat de regulă în formă metalică din cupru, răcită cu apă sau din oțel, preîncălzit. Până la operația de turnare, topitura metalică trebuie supraîncălzită la aproximativ 1250°C. În condiții speciale turnarea s-a efectuat în vid. La fel ca și la aliajele cu memoria formei pe bază de Ni-Ti, atunci când s-au realizat cercetări fundamentale, legate de proprietățile materialul pur, lingourile au fost folosite la obținerea monocristalelor.

4) Tratamentul termic primar presupune încălzirea la tempreraturi între 800-900°C, temperatura ideală fiind 850°C. Încălzirea se efectuează în tuburi de cuarț aflate sub presiune pentru evitarea evaporării zincului. Răcirea se face în apă, ulei sau aer, după durata de menținere de 5 – 24 ore.

5) Deformarea plastică pentru lingouri și monocristale se efectuează la cald (prin forjare, extrudare sau laminare), sau la rece (cu recoaceri intermediare). De cele mai multe ori, forjarea liberă a fost folosită ca și operație premergătoare, în cadrul căreia lingourile încălzite la 750°C și plasate pe suprafața preîncălzită a nicovalei a nicovalei au suferit câte o singură lovitură, atingându-se până la 75% grade de reducere a grosimii. În general, aliajele cu memoria formei Cu-Zn-Al policristaline sunt extrem de mult expuse fisurării intergranulare datorită raportului de anizotropie. Anizotropia provacă concentrarea de-a lungul limitelor de grăunți, iar după procesul de deformare plastică la cald se obține o granulație mare.

Pentru a urmării tudiul proprietăților AMF Cu-Zn-Al în stare forjată, s-au folosit, succesiv, frezarea plană cu turații de aproximativ 1000 rot./min și rectificarea plană (ambele cu răcire abundentă) în scopul corectării „bombării” de la forjare. Deoarece forjarea liberă nu permite obținerea unor grosimi de semifabricat sub 1 mm iar forjarea în matriță este o operație prea elaborată, ce nu se justifică în cazul obținerii unor piese plane, s-a apelat la aminarea la cald, urmată de călire instantanee a semifabricatelor, imediat după desprinderea din cajă, sub efectul forței de împingere a cilindrilor de laminare. Schemă de principiu a unei instalații de laminare cu călire instantanee (figura 3.1):

Figura 3.1 Schemă de principiu a unei instalații de laminare cu călire instantanee

Schema instalației de laminare redată mai sus cuprinde următoarele componente: 1-semifabricat; 2-tub de alumină; 3-carcasa cuptorului electric; 4-bară de silită; 5-teaca termocuplului; 6-tijă de împingere a semifabricatului; 7-cilindru de laminor; 8-cuzinet de bronz grafitat; 9-cuvă cu apă, pentru călire.

Semifabricatul (1) este încălzit în tubul de alumină (2), fixat în carcasa cuptorului (3) care este încălzit de barele de silită (4). Temperatura tubului se determină cu ajutorul ajutorul termocuplului (5). Semifabricatul este împins, în sensul I, de tija (6), până când ia contact cilindrii de laminare (7) care se rotesc în sensul II și au drept lagăre semicuzineții din bronz grafitat (8). Distanța dintre cilindri poate fi reglată prin deplasarea pe verticală (III) a cilindrului superior. După laminare, proba este împinsă cu o viteză de 0,2 m/s în cuva (9) unde este călită în apă. Datorită răcirii bruște, aplicată imediat după ieșirea din cajă, proba nu are timp să recristalizeze rezultând păstrarea formei alungite a grăunților după direcția de laminare care este imprimată și plăcilor de martensită obținute după călire.

6) Obținerea AMF Cu-Zn-Al prin metalurgia pulberilor folosește granule (cu diametrul de aproximativ 150 μm), obținute prin atomizare în apă. În urma compactizării și a extrudării la cald, s-au obținut aliaje cu granulații care au rezistență la oboseală mai bună decât aliajele prelucrate în mod convențional.

7) Solidificare rapidă utilizată pentru obținerea unor aliaje prin centrifugarea topiturii sau prin extracție din topitură. Aceste aliaje prezintă temperaturi de transformare mai mici decât aliajele obținute prin tehnologiile convenționale, scăderea fiind cu atât mai evidentă cu cât temperatura de încălzire sau viteza de răcire a topiturii sunt mai ridicate. Centrifugarea topiturii a făcut posibilă obținerea unei ductilități de 15 % și a unei alungiri recuperabile. Filamentele de AMF Cu-Zn-Al s-au obținut cu granulații mai mici de 20 μm, prin metoda extragerii din topitură sau de aproximativ 10 μm, prin metoda extragerii din picătură suspendată.

3.1.3 Obținerea aliajelor cu memoria formei pe bază de Cu-Al-Ni

1) Topirea componentelor, s-a realizat în creuzetul de cuarțit al cuptoarelor de medie sau înaltă frecvență, în vid sau în argon. În cazul elaborării în atmosferă necontrolată, s-a utilizat un flux de acoperire concomitent cu menținerea băii metalice timp de 5 minute la aproximativ 1250°C.

2) Alierea se realizează prin introducerea unor pre-aliaje Cu-Ni și Cu-Al, urmând adăugarea aluminiului, pentru obținerea compoziției chimice dorite. Aliajele cu memoria formei Cu-Al-Ni, în uz comercial, prezintă compozițiile chimice obișnuite Cu-(10-14) % Al-(2-4) % Ni la care se adaugă la care se adaugă elementele tipice de finisare a structurii. Fragilitatea AMF Cu-Al-Ni (care de regulă nu suportă alungiri la rupere mai mari de 3 % ) este legată de fisurarea intergranulară, a cărei cauză este formarea la călire a unor martensite induse prin tensiune, dispuse de-a lungul limitelor de grăunți. Datorită rezistenței mărite a fragilității, aceste aliaje trebuie utilizate fie sub formă de monocristale fie sub formă policristalină cu granulația finisată prin aliere cu Mn și Ti.

3) Turnarea s-a realizat în forme metalice, la temperaturi de 1150°C, sau crude, la temperaturi de 1130°C. Pentru a nu se forma cristale mari de martensită, încă din timpul solidificării, formele metalice au fost răcite în apă. Cu cât granulația pieselor turnate a fost mai mare, cu atât temperaturile critice au fost mai ridicate. Cele mai mari temperaturi s-au obținut la monocristale.

4) Omogenizarea se realizează prin încălzirea la 950-10000C, cu menținere 24 de ore și răcire lentă în cuptor, una dintre particularitățile AMF pe bază de Cu-Al-Ni fiind scăderea temperaturilor critice odată cu creșterea vitezei de răcire. Din cauza proprietăților lor mecanice, superioare celor întâlnite la aliajele cu memoria formei Cu-Zn-Al și a stabilității mai ridicate la temperaturi de ordinul a 100°C, aliajele cu memoria formei pe bază de Cu-Al-Ni sunt preferate pentru obținerea aplicațiilor, în acest interval termic.

5) Deformarea plastică se realizează la cald prin forjare sau laminare. Prin forjarea liberă a aliajelor cu memoria formei Cu-Al-Ni, s-a constatat formarea în zona centrală a unei cantități mai mari de martensită, indusă termic, în raport cu straturile exterioare ale piesei forjate. Acest efect a fost pus pe seama cantității mari de căldură, dezvoltată în timpul deformării.

6) Obținerea AMF Cu-Al-Ni prin metalurgia pulberilor a apărut din nevoia finisării granulației, pentru mărirea prelucrabilității, realizându-se o reducere substanțială a granulației medii, ceea ce a permis creșterea ductilității de la 1 la 6 %.

7) Solidificarea rapidă a permis obținerea unei structuri cu grăunți columnari prin centrifugarea topiturii.

3.1.4 Obținerea aliajelor cu memoria formei pe bază de Fe-Mn-Si

1) Topirea fierului electrolitic se realizează în cuptoare cu arc electric sau de inducție, în vid înaintat, urmată de de adăugarea manganului de mare puritate.

2) Alierea se efectuează în scopul favorizării transformării martensitice prin inducerea manganului și obținerea unui efect cu memoria formei perfect prin adăugarea siliciului, datorită măririi rezistenței mecanice a austenitei.

3) Turnarea se realizează pentru obținerea unor lingouri ce prezintă materialul de pornire, la obținerea monocristalelor.

4) Tratamentul termic primar constă dintr-o recoacere de omogenizare.

5) Deformarea plastică s-a realizat: prin forjare, urmată de prelucrare prin așchiere, în scopul obținerii monocristalelor în atmosferă, cu o viteză de creștere de 50 mm/h sau prin laminare la 1000°C, în cazul aliajelor policristaline.

6) Solidificarea rapidă a AMF Fe-Mn-Si se efectuează în scopul obținerea benzilor și filamentelor cu textură și microstructură (columnară) favorabile fenomenelor de memoria formei. Prin creșterea vitezei de solidificare se determină dispariția structurii dendritice, între viteza discului rotitor (din cadrul metodei de centrifugare a topiturii) și lungimea brațelor secundare ale dendritelor stabilindu-se o relație de dependență de tip liniar. În cazul aliajelor cu memoria formei Fe-Mn-Si obținute prin centrifugarea topiturii, s-a observat că, pentru o viteză a discului de aproximati 40m/s, se obține o structură complet uniformă, fără ramificații dendritice.

3.1.5 Obținerea materialelor compozite cu memoria formei

Majoritatea materialelor compozite cu memoria formei au o matrice elastomerică (cel mai adesea din cauciuc siliconic) în care sunt încorporate direct sau indirect elemente actuatoare (în general sub formă de sârmă) din aliajele cu memoria formei.

3.2 Prelucrarea materialelor cu memoria formei

Prelucrarea termică și termomecanică a materialelor cu memoria formei reprezintă cele mai uzuale tratamente, aplicate aliajelor cu memoria formei de uz comercial și materialelor compozite cu memoria formei.

3.2.1 Tratamentul termic secundar și educarea aliajelor cu memoria formei pe bază de Ni-Ti

Tratamentul termic secundar este destinat pentru obținerea martensitei prin betatizare și călire. Pentru obținerea atât a memoriei termice cât și a celei mecanice, trebuie să se poată obține o transformare martensitică indusă prin tensiune, înaintea deformației plastice prin alunecare. În acest scop, limita de curgere a aliajelor cu memoria formei trebuie să fie cât mai ridicată. Pentru ridicarea limitei de curgere, este importantă cunoașterea temperaturilor de recoacere și de îmbătrânire.

Mărirea temperaturii de recoacere (încălzire) este însoțită de scăderea tensiunii de curgere în austenită și descreșterea temperaturii critice. În scopul menținerii tensiunii de curgere la valori ridicate, se aplică recoacerea la temperaturi mai mari decât pragul de recristalizare.

Educarea aliajelor cu memoria formei Ni-Ti s-a efectuat pe mai multe tipuri de dispozitive capabile să urmărească evoluția materialului în spațiul tensiune-deformație-temperatură.

De regulă, se alege o valoare constantă a unuia dintre cei trei parametri, se variază continuu cel de-al doilea parametru, între anumite limite și se înregistrează valorile celui de-al treilea. Pentru sârmele din AMF Ti-50,2 % Ni, laminate la rece și recoapte timp de 1,8 ks la temperaturi cuprinse între 460 și 1200 K, s-au folosit patru proceduri de educare. Acestea au rezultat din variația ciclică a temperaturii, în prezența unei sarcini aplicate, care a fost menținută pe toată durata educării sau numai pe anumite stadii ale acesteia. Rezultatele cele mai bune s-au obținut la educarea sub sarcină constantă, aplicată după prima încălzire.

3.2.2 Tratamentul termic secundar și educarea aliajelor cu memoria formei pe bază de Cu-Zn-Al

Tratamentul termic secundar (călirea) este utilizat pentru obținerea martensitei. Viteza de încălzire variază între 4-40°C/s, valorile mai mari fiind aplicate materialelor mai subțiri. Se consideră că temperaturile critice cresc odată cu majorarea temperaturii de betatizare, între 650 și 9500C dar și cu mărirea duratei de menținere, 10 – 60 minute.

Un parametru destul de important al tratamentului termic secundar îl reprezintă viteza de răcire, deoarece scăderea ei produce reduceri ale temperaturilor critice de ordinul zecilor de grade. Transformarea martensitică nu se mai produce atunci când ajunge sub o anumită viteză critică de răcire, locul ei fiind luat de transformarea bainitică și de reacțiile de precipitare. Chiar dacă parametrii călirii au fost aleși în mod corect, s-a observat că se obține o martensită instabilă, modificări ale acesteia fiind detectate chiar și la mulți ani după tratament. Cea mai cunoscută modalitate de stabilizare a martensitei este îmbătrânirea la temperaturi sub 70°C.

O modalitate de destabilizare a martensitei o reprezintă revenirea, la temperaturi mai mici de 500°C. În acest fel, s-au obținut epruvete lamelare din aliaje cu memoria formei Cu-15 Zn-6 Al (%), prin forjare la cald (750°C/aer) și rectificare, cu secțiunea transversală 2 x 3,3 mm și lungimea de prindere între bacuri de 100 mm.

Educarea aliajelor cu memoria formei Cu-Zn-Al se poate efectua prin:

– repetarea ciclurilor de efect de memoria formei (încărcare-descărcare-încălzire-răcire);

– ciclarea mecanică (încărcare-descărcare izotermă);

– ciclarea termică sub tensiune constantă;

– ciclare combinată.

Dispozitivele întrebuințate în aceste metode pot fi bazate pe diferite moduri de deformare, cum ar fi: tracțiune, torsiune, compresiune, încovoiere, etc.

Un exemplu de instalație de educare prin torsiune, este ilustrat în figura 3.2.

Figura 3.2 Instalație de educare prin torsiune

Instalația utilizată pentru educarea prin torsiune a plăcuțelor din aliaje cu memoria formei se compune din: 1-cadru; 2-suport deplasabil pe verticală; 3-motor de torsiune; 4-menghină superioară mobilă; 5-probă; 6-menghină inferioară fixă; 7-contragreutate; 8-traductor de rotație; 9-traductor de forță; 10-rulment axial; 11-rulment radial; 12-baie de ulei cu temperatură controlată; 13-suport fix.

Prin motorul de torsiune (3) i se imprimă probei (5), cu dimensiunile 1 x 4 x 30 mm, un moment de răsucire care este măsurat, cu ajutorul unei pârghii, de traductorul de forță (9). Variațiile termice sunt produse de baia de ulei cu temperatura controlată (12). Valorile deformației, sub forma unghiului de rotație, sunt măsurate de traductorul (8). Pentru ca deformația probei să fie exclusiv de torsiune, întreg ansamblul superior – compus din motorul de torsiune (3), rulmentul radial (11), traductorul de forță (9) și traductorul de rotație (8), toate fixate pe suportul orizontal (2) – poate culisa pe verticală, fiind ghidat pe suporții ficși (13) prin intermediul rulmenților axiali (10) și menținut în stare de echilibru de contragreutatea (7). Probele supuse educării au fost în prealabil călite (825°C/200 s/apă în fierbere) și îmbătrânite (50°C/50 ks). Educarea a constat din ciclare termică, sub tensiune constantă sau mecanică, sub temperatură constantă, în domeniul austenitic. Educarea prin ciclare termică sub tensiune constantă a fost finalizată după aprox. 40 de cicluri, rezultând un efect de memoria formei în dublu sens de aproximativ 5 % iar cea prin ciclare mecanică după 80 de cicluri, valoarea deformației superelastice recuperabile fiind de aproximativ 6 %.

3.2.3 Tratamentul termic secundar și educarea aliajelor cu memoria formei pe bază de Cu-Al-Ni

Tratamentul termic secundar, ca și la aliajele cu memoria formei Cu-Zn-Al, constă în călire și revenire. Temperatura tipică de încălzire este cuprinsă între 600-1000°C, rezistențele mecanice ale austenitei și martensitei reducându-se la creșterea temperaturii de betatizare. Durata de menținere se stabilește în funcție de de grosimea piesei tratate.

În privința efectului vitezei de răcire asupra temperaturilor critice, la aliajele cu memoria formei Cu-Al-Ni se constată o tendință contrară față de Cu-Zn-Al: creșterea vitezei de răcire scade valoarea punctele critice. Tot același efect se poate obține și prin mărirea cantităților de Al sau de Ni dar și prin trecerea de la monocristal la policristal, odată cu finisarea granulației. La aliajele cu memoria formei uzuale, cu aproximativ 2-4 % Ni, temperaturile de transformare cresc în urma îmbătrânirii între 200-300°C și descresc atunci când sunt îmbătrânite peste 400°C.

Educarea aliajelor cu memoria formei Cu-Al-Ni. Pentru lamele din Cu-Al-Ni, utilizate ca elemente active în construcția disjunctoarelor electrice s-a utilizat instalația de educare din figura 3.3.

Figura 3.3 Schema instalației de educare la încovoiere a lamelelor de aliaje cu memoria formei de tip Cu-Al-Ni utilizate ca elemente active în construcția disjunctoarelor electrice

S-au utilizat fire dreptunghiulare (1,7 x 1,6 mm) cu lungimea de 35 mm, care s-au obținut prin metalurgia pulberilor, cu o granulație medie de 15 μm. Proba a fost încovoiată sub efectul unei sarcini de 0,3 N, deplasarea capătului liber fiind măsurată cu ajutorul unui traductor angular de rotație. Cele două termocuple plasate pe probă transmit temperatura acesteia la înregistrator și respectiv la dispozitivul de control al temperaturii băii de ulei. Firele din aliaje cu memoria formei Cu-Al-Ni au fost educate astfel încât să permită o deplasare de 3 mm a capătului liber, la o temperatură de declanșare de 170°C. Probele au fost menținute timp de 1 oră la 300°C considerându-se că, sunt reproduse condițiile ce însoțesc supraîncălzirea din timpul funcționării disjunctorului în regim de exploatare.

3.2.4 Tratamentul termic secundar și educarea aliajelor cu memoria formei pe bază de Fe-Mn-Si

Tratamentul termic secundar al aliajelor cu memoria formei Fe-Mn-Si s-a bazat pe austenitizarea la 1000°C, menținere 1 oră și răcire în baie de ulei siliconic la 100°C. Îmbătrânirea la temperaturi sub 300°C nu a avut nici un efect asupra temperaturilor de transformare însă atunci când temperatura de îmbătrânire a crescut peste 400°C, s-au putut constata scăderi de aproximativ 25°C ale temperaturii critice.

Educarea aliajelor cu memoria formei Fe-Mn-Si se realizează prin cicluri de efect simplu de memoria formei (încărcare-descărcare-încălzire-răcire).

3.2.5 Educarea materialelor compozite cu memoria formei

În general, materiale compozite cu memoria formei (cu matrice polimerică și elemente actuatoare din aliaje cu memoria formei), elementele care se înglobează sunt deja educate matricea având rolul de a crea tensiuni care grăbesc redobândirea formei reci. Tensiunile sunt de tracțiune (la nivelul elementelor din aliaje cu memoria formei) chiar dacă solicitarea globală a compozitului a fost de altă natură (de exemplu încovoiere). Mai mult, tensiunile interne „ajutătoare” trebuie generate de matrice și nu de elementele actuatoare din aliaje cu memoria formei, deoarece atunci când s-a încercat acest lucru s-a obținut un efect opus.

3.3 Oboseala materialelor cu memoria formei

Rezistența la oboseală a materialelor cu memoria formei s-a identificat prin numărul de cicluri până la care tensiunea de recuperare a formei calde scade la o valoare minimă (în general 70 % din cea inițială).

3.3.1 Ciclarea aliajelor cu memoria formei pe bază de Ni-Ti

1) Ciclarea mecanică constă în repetarea încărcării-descărcării izoterme cu monitorizarea curbelor tensiune-deformație. În cele mai multe cazuri, ciclarea mecanică modifică forma curbelor tensiune-deformație, datorită apariției alunecării, ca mod de deformare a martensitei. În cazul policristalelor, alunecarea relaxează tensiunile intergranulare, produse de incompatibilitățile dintre grăunții cristalini învecinați. Tratatul termic aplicat, joacă un rol esențial la determinarea comportamentului la ciclare mecanică, care trebuie astfel ales încât să micșoreze la minimum concentrația de vacanțe din martensită, pentru a reduce efectele stabilizării.

De cele mai multe ori, ciclarea mecanică produce o creștere a rigidității, panta porțiunii de încărcare devenind mai abruptă din cauza ecruisării ciclice care constă din mărirea densității de dislocații în cadrul fiecărui ciclu aplicat. Alte efecte ale ciclării mecanice sunt: apariția și creșterea deformației reziduale, scăderea tensiunii de prag și reducerea histerezisului mecanic. Cea mai importantă cauză a acestor efecte o reprezintă apariția alunecării în fază martensitică care dă naștere unor tensiuni interne, ce favorizează formarea martensitelor induse prin tensiune. Deoarece reorientarea cristalografică se produce mai ușor, tensiunea de prag (palier) scade, iar după un anumit număr (critic) de cicluri, densitatea de dislocații atinge valoarea de saturație și bucla superelastică devine stabilă.

Din punct de vedere al rezistenței la oboseală, caracteristica ciclării mecanice a unui aliaj cu memoria formei Ni-Ti, prin intermediul tensiunii de prag, (tensiunea critică de inducere a martensită indusă prin tensiune), s-a observat că rezistența la oboseală scade la creșterea tensiunii de prag. Același efect se obține și în funcție de alți parametri și anume: 1-scăderea temperaturii de încercare; 2-creșterea temperaturii de revenire; 3-creșterea cantității de nichel, 4-prezența carburilor (în special TiC) sub formă de incluziuni nemetalice.

2) Ciclarea termică constă în încălzirea-răcirea aliajelor cu memoria formei, cu sau fără sarcină aplicată, pe un interval termic care este în general mai mare decât cel de transformare.

O foarte mare importanță, în timpul ciclării termice, o are și „durata supraîncălzirii” care reprezintă durata maximă de menținere la o anumită temperatură, până în momentul apariției fenomenelor controlate prin difuziune care pot produce modificări ale compoziției chimice a matricei, antrenând astfel deteriorarea comportamentului de memoria formei. La aliajele cu memoria formei Ni-Ti, durata supraîncălzirii este de câteva ore la 400°C.

O a doua categorie de experimente, legate de ciclarea termică, au constat din încălzirea-răcirea, prin imersarea alternativă în două băi cu temperaturi diferite, a unui resort din aliaje cu memoria formei Ni-Ti comprimat total în stare martensitică de un așa-numit „resort de restabilire” din oțel. La încălzire, se produce efect simplu de memoria formei și resortul cu memorie devine mai rigid, comprimându-l pe cel din oțel. La răcire, resortul cu memorie se înmoaie și este din nou comprimat total, până când spirele se ating. În urma efectuării a mai multor experimente pe un număr de compoziții chimice de aliaje cu memoria formei pe bază de Ni-Ti, s-a observat o mare rezistență la oboseală, urmată de martensita ortorombică din Ni-Ti-Cu. Martensita monoclinică, din aliajele binare, prezintă cea mai mică rezistență la oboseală, chiar dacă are cea mai mare deformație recuperabilă. Datorită transformării martensitice s-a constatat că, după 10000 de cicluri, s-a produs o scădere puternică, a tensiunii și a deformației de forfecare.

O concluzie a acestor experimente poate fi aceea că, în cazul resorturilor din aliaje cu memoria formei Ni-Ti supuse la comprimare prin resorturi de restabilire din oțel, singura modalitate de mărire a rezistenței la oboseală este ciclarea termică, cu evitarea aplicării unor deformații prea mari care ar putea duce la apariția martensitei induse prin tensiune.

3.3.2 Ciclarea aliajelor cu memoria formei pe bază de Cu-Zn-Al

1) Ciclarea mecanică a aliajelor cu memoria formei de tipul Cu-Zn-Al a permis evidențierea celor patru stadii de producere a ruperii la oboseală: 1-ecruisarea ciclică; 2-amorsarea fisurilor; 3-propagarea staționară a fisurilor și 4-propagarea instabilă a fisurilor, până la ruperea finală. Rezistența la oboseală, în timpul ciclării mecanice, depinde de granulație, de starea materialului (dependentă de temperatura de încercare), de istoria termică, etc. În general, în cazul aliajelor cu memoria formei Cu-Zn-Al, durata de viață (rezistența la oboseală) produsă prin ciclare mecanică este mai mare, cu cel puțin un ordin de mărime, în stare martensitică în raport cu starea austenitică.

Cele mai cunoscute efecte ale ciclării mecanice a aliajelor cu memoria formei pe bază de Cu-Zn-Al au fost: 1-reducerea temperaturilor critice cu până la 30°C; 2-creșterea rigidității pe palierul de transformare, datorită ecruisării ciclice și 3-reducerea histerezisului mecanic. În afară de aceste efecte ciclarea mecanică mai este însoțită și de o creștere a deformației remanente care variază aproximativ liniar în funcție de tensiunea maximă aplicată. Închiderea buclei de histerezis s-a putut realiza deoarece, în timpul fiecărui ciclu mecanic, ecruisarea duce la scăderea mai rapidă a alungirii totale decât a alungirii recuperabile, iar după un număr de cicluri, cele două alungiri devin egale și bucla se închide. Datorită reducerii histerezisului prin ciclare mecanică, s-a constatat o creștere cu 19,8-26,4 % a randamentului de înmagazinare a energiei (raportul dintre energia recuperată prin descărcare și energia totală consumată la încărcare) care a atins valori tipice de 85-88 %.

Din punct de vedere microstructural, efectele ciclării mecanice au rezultat din acumularea dislocațiilor în planul de bază al martensitei, ceea ce participă la îngreunarea propagării benzilor din acest constituent structural. Datorită acestei cauze, benzile de martensită sunt puternic deformate, aceste deformații determinând existența unor cavități și extruziuni pe suprafețele pieselor ciclate mecanic. În același timp cu creșterea numărului de cicluri, cavitățile se unesc determinând apariția fisurilor la oboseală.

2) Ciclarea termică. Conform proprietăților mecanice, ciclarea termică a aliajelor cu memoria formei Cu-Zn-Al au determinat o puternică durificare, care a dus la creșterea, cu aproximativ un ordin de mărime, a numărului de cicluri până la rupere. Aceste efecte au fost asimilate cu modificările de volum din cadrul transformării martensitice. Durificarea produsă de ciclarea termică are la bază tot creșterea densității de dislocații, ceea ce determină reducerea buclei de histerezis (în cazul de față fiind vorba despre histerezisul termic, nu despre cel mecanic). În general, în urma ciclării termice, are loc o substanțială diminuare a histerezisului termic al transformării martensitice.

3.3.3 Ciclarea aliajelor cu memoria formei pe bază de Cu-Al-Ni

1) Ciclarea mecanică la temperatură constantă, a monocristalelor din aliaje cu memoria formei Cu-Al-Ni, într-un interval pe care se formează martensită indusă sub tensiune, a demonstrat că bucla superelastică tensiune-deformație rămâne aproape neschimbată după 1000 de cicluri. Fenomenul respectiv a fost atribuit rezistenței ridicate la alunecare a austenitei ordonate, fapt care nu favorizează creșterea densității de dislocații. Din punct de vedere al incompatibilității intergranulare și a relaxării produse de alunecare, policristalele de aliaje cu memoria formei Cu-Al-Ni au arătat rezistențe la oboseală mai mici decât monocristalele, în timpul ciclării mecanice. La fel ca și la aliajele cu memoria formei pe bază de Cu-Zn-Al, ciclarea mecanică a demonstrat existența unei puternice dependențe de structura materialului și respectiv de modul de deformare la temperatura camerei.

2) Ciclarea termică a aliajelor cu memoria formei Cu-Al-Ni a dus la producerea unei substanțiale rigidizări a materialului, în special atunci când s-au aplicat cicluri de revenire reținută la tracțiune (încălzire-răcire sub alungire menținută constantă). Ciclarea termică a determinat creșterea densității de dislocații, ceea ce a dus la deplasarea temperaturilor critice.

3.3.4 Ciclarea termică a aliajelor cu memoria formei pe bază de Fe-Mn-Si

Cel mai cunoscut efect al ciclării termice a aliajelor cu memoria formei pe bază de Fe-Mn-Si ține de creșterea temperaturilor de transformare, ca urmare a durificării accentuate. În urma ciclării termice între temperatura ambiantă și 573 K, transformarea martensitică inversă a fost favorizată, cea ce a determinat creșterea valorii efectului de memoria formei. Cel mai important rol în acestă evoluție, il are creșterea densității de dislocații din austenită. Aceste dislocații contribuie la durificarea austenitei, prin reducerea deformației permanente, și formează locuri de germinare preferențială a martensitei. Martensita orientată, formată astfel, va fi găsită în zonele cu cele mai mari câmpuri de tensiuni și din acest motiv se va retransforma mai ușor în austenită.

3.3.5 Ciclarea termică a materialelor compozite cu memoria formei

Ciclarea termică a materialelor compozite cu memoria formei, obținute prin introducerea într-o matrice de elastomer a unor elemente din aliaje cu memoria formei a evidențiat aceeași creștere a efectelor de memoria formei în dublu sens odată cu creșterea numărului de cicluri, ca și în cazul celorlalte patru categorii de aliaje cu memoria formei de uz comercial, prezentate anterior.