Como educar uma liga TiNi com efeito de memória de forma

Transcrição

1 Como educar uma liga TiNi com efeito de memória de forma Gonçalo Queirós Inês Frada Lígia Sousa Pedro Costa Rúben Costa

2 Resumo O objetivo deste trabalho é a educação de uma liga TiNi com efeito de memória de forma. O efeito de memória de forma pode ser definido como a capacidade de um material, após ter sido deformado plasticamente no seu estado martensítico, voltar ao estado ou forma original através de aquecimento a temperaturas superiores à temperatura de transformação martensítica. Isso acontece através de uma transformação da sua estrutura cristalina de martensite para austenite via processos térmicos, resultando grandes deformações [1]. Este trabalho consiste na realização de uma experiência com vista à recuperação da forma de uma liga TiNi. Numa fase inicial cria-se um molde com a forma pretendida, no qual se insere a liga e, posteriormente, o molde com a liga é aquecido no forno a uma temperatura de 500 ºC durante aproximadamente 15 minutos. Após o procedimento anterior, o molde é imediatamente mergulhado em água fria para que a liga fique com a memória da forma pretendida. A segunda fase consiste na alteração da forma (deformação) e respetiva recuperação sob a acção do calor [2]. A experiência da educação desta liga foi bem sucedida pelo que se pode efectivamente comprovar a propriedade de memória de forma da liga TiNi.

3 Índice 1. Introdução O que é o efeito de memória de forma? Materiais que apresentam este efeito Aplicações do efeito de memória de forma Como educar uma liga TiNi com efeito de memória de forma Conclusão Referências bibliográficas... 7

4 Introdução Apesar de algumas ligas com efeito de memória de forma já serem conhecidas nos anos 30, só nos anos 60 se começou a explorar este campo com a descoberta da liga TiNi [1]. Esta liga é constituída por átomos de níquel e titânio sensivelmente nas mesmas quantidades e tem propriedades de resistência ao impacto, podendo ser dobrada inúmeras vezes sem partir. As ligas com memória de forma possuem capacidade de retomar uma forma ou tamanho previamente definidos quando expostos a uma determinada temperatura. Este relatório tem a finalidade de estudar o processo no qual se educa uma liga TiNi com efeito de memória de forma. Para tal, recorreu-se a pesquisas de informação e à realização de uma experiência ilustrativa sobre o tema. 1

5 O que é o efeito de memória de forma? Define-se como sendo a propriedade que certos materiais adquirem de oscilar entre formas previamente definidas. Pode ainda explicar-se através da capacidade de recuperar uma deformação residual, aparentemente acima de seu limite elástico, através de um simples aquecimento [1]. O efeito de memória de forma deve-se à mudança na estrutura cristalina dos metais provocada pela ação da temperatura. Este efeito é observável em algumas ligas metálicas ligas com memória de forma [3]. Estas ligas têm a capacidade de recuperar o seu estado original após terem sido deformadas além do seu limite elástico, diferindo dos materiais em geral, que apresentam deformação plástica permanente. A base da recuperação da forma após uma deformação é uma transformação que ocorre na fase do material consoante a temperatura a que este se encontra. Estas ligas possuem duas fases no estado sólido. Estas duas fases têm o nome de Martensite e Austenite. A fase de baixa temperatura é a Martensite, com estrutura pouco simétrica e muito deformável, enquanto a Austenite, fase de alta temperatura, é dura e de estrutura geralmente cúbica. À temperatura ambiente estes materiais estão normalmente na sua fase martensítica e podem ser deformados facilmente, isto é, quando lhes é aplicada uma força/deformação eles adquirem uma nova forma. Quando são aquecidas estas ligas passam para a sua fase austenítica e recuperam a forma original. Ao arrefecer passa de novo para martensite, modificando novamente a sua estrutura cristalina, mas sem se alterar a sua forma macroscópica, isto é, a forma que possuíam à temperatura ambiente antes de serem deformadas. Este fenómeno tem o nome de memória de forma simples e é apenas possível alterar a forma do objeto (permanentemente) se a Austenite for alterada. Se o objeto à temperatura ambiente estiver na fase da austenite irá comportar-se como uma mola. Também é possível, através de tratamentos termomecânicos, produzir objetos com memória dupla, que possuem uma forma distinta em ambas as fases [1,4]. 2

6 Materiais que apresentam este efeito As ligas TiNi não são as únicas que apresentam efeito de memória de forma. De facto, existem várias ligas com memória de forma que possuem diferentes propriedades, nomeadamente, a temperatura a que se dá a recuperação da sua forma original e a relação entre as quantidades dos seus constituintes. Dependendo dos materiais constituintes da liga, a sua temperatura de recuperação, varia [2,5,6]. Assim, as ligas com efeito de memória de forma, disponíveis no mercado são [1,5]: Nitinol e Tinel; Cobre-Zinco-Alumínio; Cobre-Zinco-Níquel. Contudo, existem, ainda, outras ligas com efeito de memória de forma. Alguns exemplos são [5]: Prata-Cádmio; Ouro-Cádmio; Cobre-Estanho; Cobre-Zinco; Níquel-Alumínio; Ferro-Platina; Magnésio-Cobre; Ferro-Magnésio. 3

7 Aplicações do efeito de memória de forma Inicialmente, as ligas com memória de forma, eram consideradas soluções para vários problemas, nomeadamente, a deformação de objetos. Se o objeto fosse educado para memorizar uma forma, sempre que se deformasse, bastaria aquecê-lo que rapidamente se obtinha o objeto inicial livre de imperfeições. No entanto, nunca tal acontecimento chegou a ser realizável, pois fabricar objetos de larga escala e educá-los de modo a possuírem memória de forma tornar-se-ia bastante dispendioso. Apenas objetos de pequena escala são produzidos atualmente, tais como molas, clips, talheres, etc. Hoje em dia, estas ligas são mais utilizadas devido ao seu efeito super elástico. O efeito de memória de forma, no entanto, continua, ainda hoje a ser utilizado. As principais áreas da sua aplicação são a medicina e a construção de tomadas e conectores de placas de circuitos impressos [2]. No que respeita à medicina, utiliza-se na construção de filtros de coágulos sanguíneos, onde a liga TiNi é educada para assumir uma determinada forma, de modo a conseguir fixar-se às paredes internas das veias. Antes de ser colocada, a liga sofre uma deformação e uma vez colocada na veia, através da temperatura corporal, regressa à forma inicial, proporcionando um maior conforto ao paciente durante a instalação e no processo corretivo do problema [7]. Quanto à aplicação na construção de tomadas e conectores de placas de circuitos impressos, onde as ligações elétricas são estabelecidas graças à liga TiNi, ao ser aquecida, a liga volta à sua forma original forçando a abertura de uma mola. Por conseguinte, quando a liga arrefece, é facilmente deformada pela mola, conduzindo a um aperto do conector que permite estabelecer as ligações eléctricas [7]. 4

8 Como educar uma liga TiNi com efeito de memória de forma Para concretizar o objectivo deste relatório (educar uma liga TiNi com efeito de memoria de forma) foi realizada uma experiência. Previamente investigou-se a temperatura a que a liga deveria ser aquecida e o tempo necessário para que ficasse com a forma desejada concluindo-se que a temperatura deveria ser 500ºC e o tempo aproximadamente 15 minutos [8]. Posto isto, já na realização da experiência, colocou-se a liga num tubo de cobre, deu-se-lhe a forma pretendida (Fig.1) e foi colocada no forno (Fig.2), de acordo com as regras de segurança e com os dados recolhidos. Após os 15 min, a liga foi retirada do forno e imediatamente colocada em água fria para que ficasse com a memória da forma pretendida. (Fig.3). Fig.1: Tubo de cobre com a liga TiNi. Fig.2: Forno a 500ºC. Seguidamente, a liga foi retirada do molde e aquecida a uma temperatura relativamente baixa comprovando-se, assim, que voltara à sua forma original, ou seja, que estava educada (Fig.4). Fig.3: Arrefecimento da liga depois de sair do forno. Fig.4: Liga TiNi. 5

9 Conclusão Na concretização desta experiência tivemos a oportunidade de trabalhar com um material de alta tecnologia utilizado em várias áreas da ciência e que para nós era completamente desconhecido. As pesquisas que foram realizadas para podermos concretizar a experiência de educar uma liga TiNi foram muito enriquecedoras uma vez que nos abriram horizontes sobre a utilização destes tipos de ligas e as propriedades particulares de alguns materiais. O sucesso da experiência contribuiu para a vontade de aprofundar o conhecimento das características que os materiais apresentam e de explorar essas propriedades no sentido de as tornar úteis para a nossa vida. 6

10 Referências bibliográficas [1] _Metais%20com%20Memoria%20de%20Forma.pdf (acedido em 27/09/2012) [2] (acedido em 29/09/2012) [3] (acedido em 27/09/2012) [4] (acedido em 30/09/2012) [5] (acedido em 27/09/2012) [6] (acedido em 28/09/2012) [7]Universidade federal de campina grande, centro de ciência e tecnologia, unidade académica de engenharia dos materiais - Ligas com memória de forma para aplicações em Microssistemas, Campina Grande PB, Junho 2011 (acedido em 27/09/2012) [8] (acedido em 30/09/2012) 7