CARACTERÍSTICAS TERMOELÁSTICAS DE MOLAS COM MEMÓRIA DE FORMA SOB CARGA DE TRAÇÃO

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1 CONAMET/SAM-6 CARACTERÍSTICAS TERMOELÁSTICAS DE MOLAS COM MEMÓRIA DE FORMA SOB CARGA DE TRAÇÃO Cezar Henrique Gonzalez, Carlos Augusto do Nascimento Oliveira, Euclides Apolinário Cabral de Pina, Severino Leopoldino Urtiga Filho, Ney Freitas de Quadros, Marrison Gabriel Guedes de Souza e Carlos José de Araújo. Universidade Federal de Pernambuco, Departamento de Engenharia Mecânica, Av. Acadêmico Hélio Ramos s/n, Cidade Universitária, Recife-PE, CEP 7-, Brasil. Universidade Federal de Campina Grande, Departamento de Engenharia Mecânica, Av. Aprígio Veloso, 88, Caixa Postal: 69, Campina Grande - PB, CEP 89-97, Brasil gonzalez@ufpe.br Palavras chaves: Efeito memória de forma, Materiais inteligentes, Molas helicoidais, ligas Cu-Zn-Al. RESUMO O estudo de ligas com memória de forma tem si difundido principalmente na obtenção de atuadores inteligentes, cujos usos podem ser observados nos mais variados setores da engenharia e também da medicina; entre esses atuadores, podemos citar as molas helicoidais, que após treinamento térmico podem apresentar o efeito memória de forma reversível. Este trabalho tem como objetivo fazer o estudo do efeito memória de forma em molas helicoidais de Cu-Zn- Al, submetidas a ciclos térmicos (treinamento) sob esforço de tração, a partir dos quais, foram analisados com o auxílio de sistema de aquisição de dados parâmetros como: constante elástica, diâmetro, deformação e o efeito memória de forma.

2 . INTRODUÇÃO Atuadores inteligentes têm sido aplicados na medicina, onde podemos citar o endoscópio ativado por molas [] e aplicações dentarias [[, estes atuadores também têm auxiliado no desenvolvimento tecnológico da indústria, onde encontramos aplicações como: alarmes ativados eletricamente [], válvulas de controle termostático para uso industrial e doméstico [], ajuste do nível do óleo em sistemas de lubrificação de trens por meio de molas com efeito memória de forma [], controladores de flaps de aviões permitindo miniaturização do sistema de acionamento e antenas flexíveis para celular []. A partir deste amplo campo de aplicações e o crescente uso das molas com memória de forma como atuadores, ocorreu uma falta de padronização dos parâmetros para a maioria desses atuadores. Este trabalho investiga o comportamento termomecânico de molas confeccionadas com fios comerciais de Cu- Zn-Al com memória de forma, procurando estabelecer vários parâmetros tais como: temperaturas de transformação, histerese térmica, constante elástica, deformações termoelásticas e o rendimento do efeito memória de forma durante os estágios de educação (treinamento) que com consistem em submeter a liga a ciclos de deformação e variação de temperatura o que origina a formação de variantes treinadas [8].. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Os fios da liga Cu-Zn-Al de composição Cu-,%Zn-,%Al foram adquiridos na forma de fios comerciais com diâmetro de,9 mm. O método para confecção de utilizado consiste na conformação dos fios ao redor de parafusos com diâmetro, passo e comprimento semelhantes aos das molas desejadas [,]. Em seguida as molas foram submetidas ao tratamento térmico de homogeneização a 8ºC por minutos, seguido de resfriamento rápido em água a ºC, com revenido de minutos. Este tratamento térmico tem se mostrado eficiente para a obtenção das molas com as características prédeterminadas devido a maleabilidade das molas que foram obtidas, com as seguintes características: diâmetros externos de, e 6, mm, diâmetro interno de, e, mm e comprimento de, mm com espiras ativas. O sistema desenvolvido para testar as molas é ilustrado na figura. Ele consiste de uma máquina de ensaio de tração sob carga constante, sistema de controle de temperatura e um sistema de aquisição de dados capaz de obter a temperatura e a variação do comprimento da mola, possibilitando a determinação de parâmetros do efeito memória de forma. A mola é fixada a um suporte na extremidade inferior e na outra extremidade é ligada a haste de transmissão de carga. A carga é aplicada através de um sistema de polia. A deformação da mola é obtida com o auxílio de um sensor LVDT (linear variation dislocation transducer). As molas com diâmetros de, e 6, mm foram submetidas a diferentes cargas, que são capazes de provocar uma deformação. Esta deformação consiste do somatório da deformação elástica da mola e a deformação provocada pelo rearranjo das variantes de martensita que é responsável pelo efeito memória de forma. Após a solicitação inicial da mola, ela é aquecida através de um forno de resistência até a temperatura de ºC, e subseqüentemente resfriada. As taxas de aquecimento e resfriamento foram de aproximadamente 7ºC/min e ºC/min, respectivamente. Este procedimento foi repetido durante ciclos para cada carga aplicada, permitindo a observação das mudanças nas temperaturas críticas de transformação (As, Af, Ms, Mf), início e fim da transformação martensítica, direta e inversa, histerese térmica (Ht) calculada pela equação () e do rendimento do efeito memória de forma, que foi obtido fazendo-se a diferença entre a amplitude de um ciclo dividido pela amplitude do ciclo anterior, como mostrado na equação (): As + Af Ms + Mf Ht = = A M () Ln + η = () L n As aplicações mais importantes das ligas com efeito memória de forma são na forma de atuadores. A forma de mola helicoidal para estes atuadores é interessante devido a sua grande absorção de carga aliada ao efeito de recuperação de forma. As equações básicas para o dimensionamento de molas helicoidais são mostradas abaixo: Tensão de Cisalhamento 8FD 8FC τ = Kw = Kw πd πd () onde: τ - Tensão de cisalhamento no material da Mola (Kgf/cm); F - Carga axial atuante (Kgf); D - Diâmetro médio da mola (cm); C - Índice de Curvatura = D/d; d Diâmetro do arame (cm); Kw Fator de Wahl, onde: Kw C,6 + C C = ()

3 Deflexão da mola 8FD n 8FC n = = d G dg δ () onde: δ - Deflexão ou flecha (cm); F - Carga axial atuante (Kgf); D - Diâmetro médio da mola (cm); n Número de espiras ativas; d Diâmetro do arame (cm); G Modulo de elasticidade transversal do material (Kgf/cm);,,,8,6,,,,8,6,,, a As af Ms Mf HT Polia Suporte Haste Transmi ssão Recipiente em latão Máquina de tração Peso Computador Sensor LVDT Termopar Resistência Elétrica Amostra Na figura.b observamos que a temperatura Ms no primeiro ciclo ficou em torno de ºC e a histerese térmica (Ht) em ºC, em comparação com as temperaturas obtidas.b para a amostra sem carregamento Figura. Evolução por meio da de ciclagem ensaio de térmica quatro para pontos, a que t ensão foram de MPa de 6ºC, na mola 68ºC, de 9ºC mm. e a) 6ºC Curvas para de as temperaturas deformação As, x temperatura Af, Ms e e Mf b)temperaturas respectivamente, houve críticas(as, um deslocamento Af, Ms, de Mf) ºC x nº no de Ms ciclos. e ºC na temperatura Ht. A temperatura Ms ao final dos Termopar Controlador de Temperatura Figura. Representação esquemática da máquina de ensaio de tração para as molas com efeito memória de forma.. RESULTADOS E DISCUSSÕES As figuras.a e.b apresenta as curvas de deformação versus temperatura e temperaturas críticas versus número de ciclos para as molas de, mm, obtidas durante a ciclagem térmica para uma tensão de MPa. A partir da figura.a observamos que durante a ciclagem verificou-se que há uma evolução dos laços de histerese, onde ocorrem variações da deformação termoelástica, deslocamento dos laços e das temperaturas de transformação. A deformação termoelástica no primeiro ciclo foi de,8 mm e com a evolução dos ciclos e ativação das agulhas de martensita que se tornam preferenciais obtivemos no final do º ciclos deformação termoelástica de, mm. Após os º ciclo térmico obtivemos a mola treinada apresentando o efeito memória de forma reversível [,7,8,]. A carga de MPa para a mola de 6, mm de diâmetro não resultou deformação suficiente para a reorientação das agulhas de martensita e por isso não apresentou o efeito memória de forma. ciclos foi de 66ºC, maior que no primeiro ciclos, pois o treinamento induz um campo de tensões gerado pela reconfiguração das discordâncias no material que possibilita a atuação de plaquetas de martensita favorecidas por este campo de tensões, a histerese térmica para o último ciclo foi de ºC. Para esta carga, observamos uma tendência à estabilização das temperaturas críticas a partir do º ciclo. A figura apresenta as curvas de deformação versus temperatura para as molas de, e 6, mm. Pela análise da figura.a,.b e.c para as cargas de, 6 e 8 MPa respectivamente, aplicadas as molas de, mm observamos que a tensão de MPa provocou uma deformação inicial igual a,9 mm e após o último ciclo uma deformação final de,8 mm proveniente do acumulo das deformações plásticas acumuladas ciclo a ciclo. Com a aplicação das cargas de 6 e 8 MPa obtivemos uma deformação inicial de, e, mm e após ciclos os laços de histerese chegaram a, e 9, mm respectivamente. Os deslocamentos dos laços de histerese ocorrem devido à deformação plástica residual originada das tensões aplicadas acumuladas a cada ciclo e pela constante elástica da mola que varia entre as fases matriz e produto. As deformações termoelásticas observadas para as cargas citadas foram de, mm para a carga de MPa e para as cargas de 6 e 8 MPa igual a, e, mm respectivamente.

4 Pela análise dos ciclos representados nas figuras.d,.e e.f, onde temos os gráficos para as molas de diâmetro igual a 6, mm, verificamos que a deformação inicial encontrada foi de,,, e,6 para as cargas de, 6 e 8 MPa respectivamente, a evolução dos laços geraram uma deformação final igual a,, 9, e,8 mm. As deformações termoelásticas encontradas foram de,8,,8 e, mm para as cargas de, 6 e 8 MPa respectivamente. As molas de 6, mm de diâmetro em comparação com as molas de, mm apresentaram menores deformações termoplásticas, esta diminuição é atribuída ao processo de reorientação das variantes de martensita. Durante este processo, algumas variantes tornam-se preferenciais em relação ao sentido de aplicação das cargas [8]. Observando os gráficos de temperaturas críticas versus número de ciclos da figura, podemos perceber pela figura.a que para as molas de, mm de diâmetro as temperaturas As foram de 7ºC, 78ºC e 68ºC para as cargas de, 6 e 8 MPa respectivamente, a mola submetida a tensão de 8 MPa solicitou uma menor temperatura para o início da transformação reversa e isso pode ser explicado pela menor necessidade de energia térmica para a transformação reversa da mola, na figura.b temos o gráfico representativo das temperaturas Ms, nele observamos que as temperaturas de inicio da transformação martensítica foram de 87ºC, 9ºC e 9ºC para as cargas citadas anteriormente. A maior temperatura encontrada para a carga de 8 MPa resulta do fato de a maior carga ter gerado mais dificuldade para reorientar as agulhas de martensita ativadas durante o carregamento e educadas com a evolução dos ciclos térmicos. Na figura.b ainda podemos observar uma tendência de estabilização das temperaturas Ms da carga de MPa a partir do º ciclo e no º e 7º ciclo para as cargas de 6 e 8 MPa respectivamente. As temperaturas As das molas de 6, mm também observadas na figura foram de 6ºC, 66ºC e 8ºC para as cargas de, 6 e 8MPa respectivamente. As temperaturas Ms registradas para estas mesmas cargas foram de 6ºC, 76ºC e 78ºC respectivamente. As variações das temperaturas críticas ocorrem por vários fatores, dos quais podemos mencionar: rearranjo das variantes [7], desbloqueio das interfaces austenita/martensita das lacunas de têmpera (as lacunas são eliminadas mais facilmente na fase austenítica T>Af) [], reordenamento da fase austenítica e reconfiguração das discordâncias. Este último fator deve-se as discordâncias presentes na liga que durante a ciclagem se reorganizam em função das variantes ativas (preferenciais) e criam um campo de tensões internas que facilitam a transformação martensítica direta [].,,,,,,,,,,,,,,,, Molas de, mm 6 8 6, c.f Figura. Gráficos da deformação versus temperatura para as molas de, e 6, mm. a), b), e c) deformação x temperatura para as nas de, mm paras as cargas de, 6 e 8 MPa respectivamente. d), e) e f) deformação x temperatura nas molas de 6, mm para as cargas de, 6 e 8 MPA respectivamente. O coeficiente de elasticidade é diferente para as fases martensítica e austenítica, e isso acarreta acumulo diferenciado de carga durante a reorientação da martensita nos ciclos de educação. Estas cargas sofrem diferentes resistências das discordâncias geradas pela reorientação das laminas de martensita, podendo facilitar as transformações. Na figura observamos a evolução do efeito memória (EMF), figura.c, bem como a elongação da mola quando em alta temperatura (At) figura.b e a baixa temperatura (Bt), figura.a. O efeito memória de forma apresentado nesta figura foi obtido pela diferença entre as amplitudes de elongação da mola, a baixa e alta temperatura (Bt- At) []. Deformação (E) ,,,,,,,, Molas de 6, mm.a.d 6 8.b.e

5 Temperatura As (ºC) Temperatura Ms (ºC) a Temperatura Af (ºC) Temperatura Mf (ºC) d apresentarem menor resistência à deformação apresentaram os melhores rendimentos para as mesmas cargas aplicadas, a resistência dessas molas auxilia na diminuição da deformação plástica das molas, permitindo que possamos visualizar o efeito memória de forma para as cargas consideradas. Os melhores rendimentos obtidos nas molas de 6, mm se justificam pela maior facilidade na reorientação das agulhas de martensita, bem como pela maior flexibilidade dessas molas em relação a carga aplicada..b.e Amplitude (mm) Amplitude (mm) Temperatura Ht (ºC).a.b Figura. Evolução das temperaturas de transformação As, Af, Ms, Mf e Ht para as molas de e 6 mm durante os ciclos de treinamento. a) evolução das temperaturas As. b) evolução das temperaturas Af. c) evolução das temperaturas Ms. d) evolução das temperaturas Mf. e) evolução das temperaturas Ht. A carga de MPa aplicada à mola de, mm apresentou uma recuperação de,7 mm para o º ciclo, enquanto as demais cargas recuperaram apenas,,,8 e,76 mm para as cargas de, 6 e 8MPa respectivamente; as molas de 6 mm apresentaram recuperações mais elevadas ficando em torno de,,, e,6 mm para as cargas de, 6 e 8MPa, este fato se verifica devido ao diâmetro de 6 mm acarretar uma menor constante de mola que é inversamente proporcional ao diâmetro e também ao comprimento das molas.. CONCLUSÕES.c Neste estudo molas com efeito memória de forma foram submetidas a tração a carga constante, para determinação das deformações termoplásticas, temperaturas críticas e evolução dos laços de histerese. Ficou evidenciado pelo estudo que as cargas aplicadas são capazes de facilitar a formação da fase martensítica devido à redução das barreiras de nucleação. As molas de maior diâmetro por.c Figura. Evolução do efeito memória de forma para as molas de, e 6, mm. a) amplitudes das molas a baixa temperatura (Bt). b) Amplitudes das molas a alta temperatura (At). c) Efeito memória de forma obtido pela diferença entre Bt e At para cada ciclo térmico do treinamento.. AGRADECIMENTOS Agradecemos as agencias Brasileiras: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) e Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo suporte financeiro. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS 6.. PERIÓDICOS Amplitude (mm). M.A. Savi, Medical applications of shape memory alloys Brazilian Journal of Medical and Biological Research () 6: 68-69;. K. Otsuka, C. M. Wayman Shape Memory Materials Cambridge University Press 998;

6 . De Araújo, C. J., Silva, Edgard, Gonzalez, Thermal alarm using a shape momory alloy helical spring. COBEM ;. Ming H. Wu, L. McD. Schetky, Industrial applications for shape memory alloys. International Conference on Shape Memory and Superelastic Technolgies;. De Araújo, C. J., Gonzalez, A Two-stage transformation i n Cu-Zn-Al SMA wires. COBEM ; 6. Kazuhiro Otsuka and Tomoyuki Kakeshita, Guest Editors, Science and Technology of Shape-Memory Alloys: New Developments 998 ; 7. Gonzalez, C.H. Obtenção e caracterização das ligas B-CuSn e B- CuZnSn com efeito memória de forma - dissertação de mestrado, João Pessoa,99,p. 7; 8. Claudeir, C.S. Obtenção e caracterização das ligas Cu-Zn e Cu-Zn-Al com efeito memória de forma - dissertação de mestrado, João Pessoa,99, p.. 9. Z. G. Wang, L.P. You, X. D. Feng, C.F.Zhang Investigation os the two-way shape memory effect and alternating current electrothermal driving characteristics of TiNiCu shape memory alloy Kluwer Academic Publishers,.. Van Humbeeck, J., Chandrasekaran, Delaey, L., 989 The influence of post quenched ageing in the beta-phase on the transformation characteristics and the physical and mechanical properties of martensite in a Cu-Al-Ni shape memory alloys ISIJ International, vol. 9, p De Araújo, C. J. Comportement cyclique de fils en alliage à mémoire de forme Ti-Ni- Cu : analyse electro-thermomécanique, dédradation et fatigue par cyclage thermique sous contrainte Tese de doutorado, França, 999. p. 9.