Materiale Cu Memoria Formei

UNIVERITATEA TRANSILVANIA BRASOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANICA

MATERIALE CU MEMORIA FORMEI

POPESCU RADU GEORGIAN AM 1937

POPESCU RADU GEORGIAN

AM 1937

Cuprins 1.

ALIAJE CU MEMORIA FORMEI .................................................................................... 2 1.1.

Introducere ................................................................................................................... 2

1.2.

Efectul de memorare a formei ..................................................................................... 2

1.3.

Tipuri de elemente active din aliaje cu memoria formei ............................................. 4

1.4.

Materiale cu efect de memorare a formei .................................................................... 5

2.

MECANISMUL MEMORIE MECANICE ....................................................................... 6

3.

ACTUATORI PE BAZĂ DE ALIAJE CU MEMORIE ..................................................... 9 3.1.

Aplicații ....................................................................................................................... 9

3.2.

Avantajele şi dezavantajele actuatorilor pe bază de aliaje cu memorie ..................... 12

1


1. 1.1.

AM 1937

ALIAJE CU MEMORIA FORMEI

Introducere

Aliajele cu memoria formei - AMF (în engleză Shape Memory Alloys - SMA) se încadrează în categoria aşa numitelor materiale ”inteligente”, alături de materialele piezoelectrice, magnetostrictive, electro şi magnetoreologice etc. Actuatorii realizaţi cu astfel de materiale au în structură unul sau mai multe elemente active, cu deformaţie limitată controlată, determinată de manifestarea efectului de memorare a formei – EMF (Shape Memory Effect - SME). Memoria formei reprezintă proprietatea termomecanică a anumitor aliaje de a reveni la o formă şi dimensiuni “memorate”, ca urmare a unei transformări reversibile martensită-austenită, în anumite condiţii de temperatură. 1.2.

Efectul de memorare a formei

Memoria formei - reprezintă proprietatea termomecanică a unor anumite materiale, în

special a anumitor aliaje, de a reveni la o formă/dimensiune memorată, ca urmare a unei transformări reversibile martensită-austenită, în anumite condiţii de temperatură. Fenomenul principal care a fost pus în legătură cu comportamentul de memoria formei este cunoscut de peste 100 de ani şi perpetuează amintirea ilustrului metalograf german Von Martens - transformarea martensitică. Denumirea transformării provine de la produsul de reacţie – martensita – un microconstituent din oţelul călit caracterizat printr -un model acicular sau aciform, obţinut dintr -o soluţie solidă stabilă la temperaturi înalte, - austenita pe bază de Feγ, cu reţeaua cristalină cubică cu feţe centrate (cfc) – şi a fost observată pentru prima dată la oţelurile carbon. În general, transformarea martensitică este o transformare fără difuzie la care atomii sunt rearanjaţi într -o structură cristalină nouă, mai stabilă, prin deplasări pe distanţe scurte, fără modificarea chimică a matricii. Martensita ia naştere în urma răcirii din faza precursoare, numită generic austenită. Într -un anumit interval de temperatură, martensita şi austenita precursoare coexistă. Din punct de vedere cristalografic, transformarea din austenită în martensită, se realizează în două etape: a.

Deformarea reţelei cristaline

→ constă în mişcarea tuturor atomilor pe distanţe foarte

mici a cărei rezultat este o nouă structură martensitică. Astfel în figura a este 2


AM 1937

reprezentată structura cubică specifică austenitei, iar în b şi c este reprezentată trecerea către structura, romboidală, specifică fazei martensitice din d.

b.

Forfecarea reţelei → Forfecarea reţelei este o etapă de acomodare, ce poate fi realizată

prin două mecanisme: alunecare sau maclare. Alunecarea este un proces permanent. Maclarea asigură o acomodare într -o manieră reversibilă, jucând un rol hotărâtor în manifestarea fenomenului de memorare a formei. Prin maclare o parte din cristal se reorientează în raport cu cealaltă, de -a lungul unui anumit plan, numit plan de maclare, reorientarea prezentându -se ca o imagine în oglindă a obiectului considerat. Partea rotită a cristalului poartă numele de maclă. Atomii nu părăsesc poziţiile lor de echilibru stabil. Prin răcire are loc transformarea austenitei în martensită, materialul devenind din nou deformabil. Reţeaua cubică se “relaxează” la forma romboidală prin procesul de maclare. Dacă nu este împiedicată, revenirea la forma originală are loc cu o forţă remarcabilă, de câteva ori mai mare decât forţa necesară pentru deformare.

3


AM 1937

Transformarea între cele două faze este însoţită de histerezis termic şi se realizează într -un interval de temperatură. În urma procesului de răcire, transformarea martensitică debutează la temperatura Ms (martensite start) şi devine completă la temperatura Mf (martensite finish). Primele cristale de austenită îşi fac apariţia la temperatura A s (austenite start), iar transformarea totală a structurii materialului în austenită are loc la temperatura A f (austenite finish). Limitele intervalului de temperaturi, care caracterizează efectul de memorare a formei, depind de compoziţia aliajelor şi de condiţiile de fabricare. Temperatura de transformare este foarte sensibilă la raportul în care sunt dozate componentele aliajului cu memoria formei.

1.3.

Tipuri de elemente active din aliaje cu memoria formei

Alegerea aliajului, a compoziţiei sale chimice şi a tratamentului termomecanic de educare sunt condiţionate de cerinţele impuse următorilor parametri funcţionali: temperatură de transformare, forţă/cuplu, cursă utilă, număr de cicluri de funcţionare, histerezis, rezistenţă mecanică şi la coroziune, preţ.

4


AM 1937

Stabilirea caracteristicilor geometrice ale elementelor active (forma, lungimea şi secţiunea transversală) se realizează, pe baza următoarelor consideraţii: lungimea este determinată de cursa impusă şi de structura mecanică asociată actuatorului; secţiunea transversală este determinată de forţa sau cuplul impuse actuatorului, dar şi de viteza de răspuns, aceasta fiind dependentă, la rândul ei, de temperatura mediului în care operează actuatorul; forma geometrică depinde atât de metodele de acţionare (încălzire) şi de relaxare (răcire)- dependente de viteza impusă cât şi de preţul actuatorului. 1.4.

Materiale cu efect de memorare a formei

Principalele grupe de materiale care prezintă efect de memorarea formei sunt: 

aliajele pe bază de Fe, Co, Ti, Zr, cum ar fi : Fe -Pt, Fe- Ni, Fe-Cr, Fe- Ni-Cr, Fe- Ni-CoTi, Fe-Mn-Si;



aliajele cu transformare cubică -tetragonală: In-Ti, In-Cd, Mn-Cu, Mn-Si, la care memoria formei este de mică amplitudine, datorită unei deformări omogene mici la transformare;



unele metale pure: Co, Ti, Zr;



aliaje pe bază de metale nobile ( Au, Ag );



aliajele cuprului şi aliaje Ni-Ti. Dintre aceste aliaje, cele pe bază de Cu şi Ni -Ti au fost cel mai mult studiate, sunt cele

mai răspândite având proprietăţi favorabile unei game largi de aplicaţii. Ele asigură un raport lucru mecanic/volum ridicat, au capacitatea de a reveni la forma memorată prin alungire, scurtare, îndoire, răsucire, astfel încât generează variate tipuri de mişcări.

5


2.

AM 1937

MECANISMUL MEMORIE MECANICE

Se consider a un gr aunte, cu structur a martensitica multivarianta, al unui AMF policristalin, supus la tractiune. În urma r acirii, se consider a ca s-a format un grup de patru variante de pl aci autoacomodante de martensita indusa termic. Variantele sunt acomodate prin maclare, ceea ce înseamna ca ele îti ajusteaza reciproc volumul, pentru a se înscrie în spa tiul de care dispun în cadrul matricei austenitice (mult mai dur a si mai rigida). Într -un gr aunte cristalin pot fi observate pân a la sase grupuri diferit orientate, ceea ce d a un numar maxim de 24 de variante. În figura (a) se observ a ca deformatiile produse de perechile de variante aflate în „rela tie de maclare” sunt egale si de semn opus. Practic, formarea perechii 1-4 atrage automat formarea perechii 2-3. În felul acesta varia tia macroscopica totala de volum este nula. La aplicarea unei

tensiuni de întindere, σ1, (la T = ct.), se dezvolta variantele de martensita cele mai favorabil orientate în raport cu legea lui Schmid, fa ta de axa tensiunii. În figura (b) aceste variante au fost considerate 3 si 4. Se observa ca dezvoltarea acestora se face pe seama celorlalte variante, 1 si 2 care, practic, dispar. Deci la aplicarea tensiunii grupului de variante de placi de martensita .

σ1 rezulta o demaclare partiala a

Majorarea tensiunii, pâna la valoare σ2, atrage

alungirea materialului, concomitent cu demaclarea completa a grupului care se transforma

într -o singura varianta – 4 care are orientarea cea mai favorabila. Continuarea solicitarii duce, într -o prima etapa la deformarea elastica a variantei celei mai favorabil orientate. Daca pâna la sfâr situl încarcarii nu intervine alunecarea, la descarcare se produc aceleasi fenomene în ordine inversa.

6


AM 1937

În cazul în care intervine alunecarea, (deformarea plastica ireversibila), daca nu este depasita o anumita limita a deformatiei aplicate în stare martensitica, aceasta poate fi recuperata prin EMF, în urma unei încalziri pâna deasupra punctului critic A f . Daca chiar si aceasta limita este depasita, la un moment dat se produce ruperea, în urma alunecarii reciproce a placilor variantei celei mai favorabil orientate.

7


AM 1937

S-a prezentat o suprafa ta de rupere a probei policristaline de AMF Cu -Zn-Al-Fe aflat în stare complet martensitica. Prin difractie de raze X, a fost identificata varianta (009) de martensita 2 care, la aplicarea unei tensiuni de întindere de 60 MPa, ocupa o propor tie de cca. 69 % din cantitatea total a de faza, a probei martensitice. Placile variantei celei mai favorabil orientate au alunecat reciproc. Prin cumularea acestor alunecari succesive a rezultat o alungire total a la rupere de 2,07 %.

8


3. 3.1.

AM 1937

ACTUATORI PE BAZĂ DE ALIAJE CU MEMORIE Aplicații

Industria de automobile utilizeaza actuatori termici cu memoria formei în urmatoarele scopuri: 1.

deschiderea clapetei de la radiator;

2.

cuplarea ventilatorului;

3.

controlul combustibilului;

4.

controlul climatizarii la bord;

5.

controlul temperaturii motorului;

6.

aerisirea frânelor;

7.

controlul transmisiei;

8.

reducerea zgomotului;

9.

reglarea suspensiei. Printre aplicatii se numara: compensatori termici de putere; saibe de reducere a

zgomotului; supape de reducere a emisiei de fum, etc. Cele mai reusite aplicatii, din industria de autovehicule, ale actuatorilor termici cu memoria formei sunt supapele de reglare automata a presiunii uleiului în sistemele de transmisie si comutatoarele electrice ale ventilatorului din instalatiile de racire.

Pe langa actuatorii termici, industria de autovehicule utilizeaza o serie de actuatori electrici cu memoria formei, cum ar fi cei produsi în Japonia, pentru actionarea dispozitivelor de protectie a farurilor de ceata si sistemul de racire al motorului (Nissan),

9

precum si


AM 1937

actuatorii care controleaza presiunea de apasare a stergatoarelor de parbriz sau sistemele de încuiere, atât centrale cât si localizate la nivelul capotei, busonului de umplere al rezervorului de combustibil ,

etc. În figura urmatoare este prezentat un exemplu de mecanism

de închidere centralizata, comandat printr -un actuator electric cu memoria formei. Actuatorul este reprezentat prin arcul elicoidal din AMF (1) care, atunci când este încalzit electric, împinge cremaliera culisanta (2), comprimând arcul din otel pentru restabilire (7). În timp ce culiseaza pe tija -suport a opritorului (3), cremaliera antreneaza în miscare de rotatie pinionul (4) care transmite miscarea la sectorul dintat (5). Odata cu acesta, se roteste si încuietoarea (6) care asigura blocarea propriu -zisa.

Singura problema a acestor mecanisme este riscul ridicarii accidentale a T amb (de exemplu în urma expunerii îndelungate la soare) care poate declansa blocarea sistemului de închidere, în mod inopinat. Un alt exemplu de aplicatie a actuatorilor electrici cu memoria formei, din industria de autovehicule, estedispozitivul de protectie a farurilor de ceata . Acestea sunt montate întotdeauna în fata masinii, cât mai aproape de carosabil, ceea ce le expune la lovirea accidentala cu pietre. Pentru a evita acest inconvenient, s -a conceput un dispozitiv de protectie 10


AM 1937

a lampilor, comandat de un resort din AMF, care functioneaza conform principiului din urmatoarea figura:

Atunci când lampa de ceata (2) este aprinsa, resortul din AMF (1), care este legat în serie cu lampa, este încalzit electric si se contracta prin EMF dupa directia (8). Aceasta miscare coboara cadrul (6) care, printr -un sistem de pârghii de gradul I, roteste jaluzelele (5) în directia (7), deschizându -le. Odata cu stingerea lampilor de ceata, resortul din AMF se raceste rapid, devine martensitic (deci mai moale) si este alungit din nou de resortul de restabilire (4) care ridica cadrul (6), coborând jaluzelele si mentinându -le în aceasta pozitie. Un principiu asemanator se aplica în cazul stergatoarelor de parbriz , rolul actuatorilor electrici cu memoria formei fiind acela de -a mari presiunea de apasare a stergatoarelor, odata cu cresterea vitezei lor de functionare.

11


3.2.

AM 1937

Avantajele şi dezavantajele actuatorilor pe bază de aliaje cu memorie

Principalele avantaje ale actuatorilor pe bază de aliaje cu memoria formei, care justifică utilizarea lor în aplicaţii sunt: 

greutate şi volum redus;



simplitate constructivă;



posibilităţi de miniaturizare şi număr redus de componente în mişcare;



performanţe funcţionale raportate la gabarit, superioare;



acţiune direct liniară;



rezoluţie bună la poziţionare;



silenţiozitate;



rezistenţă mecanică şi la coroziune a elementelor active;



biocompatibilitate;



operare fără poluare;



nu este necesară lubrifierea;



număr mare de cicluri de funcţionar. Dintre dezavantajele acestor actuatori amintim:



randament energetic scăzut ;



răspuns lent la răcire, ceea ce determină o frecvenţă redusă a ciclurilor de încălzire – răcire;



influenţa temperaturii mediului;



curenţi de activare relative mari;



necesitatea utilizării unor materiale termorezistente şi/sau termoizolatoare;



complexitatea schemelor pentru controlul precis.

12

Materiale Cu Memoria Formei

Recommend Documents