Materialele cu memorie a formei sau metalul cu memorie au fost descoperite în anii1930. În 1932 A. Ölander a descoperit comportarea pseudoelastic a aliajului Au-Cd. Mai târziu Greninger şi Mooradian (1938) au observat, la aliajele Cu-Zn, formarea şi dispariţia fazei martensitice odată cu creşterea sau scăderea temperaturii. Despre efectul de memorie, datorat comportării thermoelastice a fazei martensitice, pentru anumite aliaje, au fost publicate ample rapoarte de către Kurdjumov şi Khandros (1949), respectiv Chang şi Read (1951). Abia în anii 1962-1963, în cadrul Laboratorului Naval Ordnance Laboratory , a fost realizat şi lansat primul aliaj cu memorie a formei destinat utilizării pe scară largă, Nitinolul, fiind comercializat ulterior sub numele de Nitinol (un acronym de la Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratories). Aliajul care a dat naştere acestui material conţine 58,8% Nichel, Oxigen – maxim 0,05%, Carbon 0,02%, restul de procente (relativ la masă) fiind Titan. Chiar dacă aceste valori sunt aproximativ exacte cu cele folosite la fabricarea respectivului aliaj, proprietăţile care caracterizează denumirea de material cu memorie se datorează tratamentului termic şi modului în care a fost realizat acets aliaj. Memoria acstui aliaj constă în proprietatea materialului de a fi supus unei solicitări mecanice care conduce la deformarea plastică a corpului alcătuit din acest material, deformare care este înlăturată numai în clipa în care materialul cu memorie este supus unei temperaturi ridicate de recuperare a formei. O altă proprietate deosebită a acestui aliaj constă în superelasticitatea prezentată de aliajele cu memorie a formei, superelasticitate exploatată cu succes, mai ales în construcţia arcurilor. Aceste fenomene se explică prin prezenţa fazei de transformare martensitică de simetrie redusă, pentru temperaturi scazute sau temperatura ambiantă, respectiv, odată cu încălzirea materialului, trecerea la o fază cu simetrie cristalografică ridicată - austenită. Această reorganizare structurală are efecte macroscopice care conduc la variaţii dimensionale ale aliajelor, fapt ce poate fi exploatat în construcţia unor dispozitive eficiente energetic şi miniaturizabile.

Cele mai cunoscute aliaje care prezintă efectul de memorie a formei sunt NiTi (Nichel – Titanium), CuZnAl, şi CuAlNi.

Figura 1 . Aliaj de Cu-Al-Ni, supus unei transformări termice. Dimensiunea mostrei este de 370 microni

Cele două proprietăţi amintite anterior : efectul de memorie şi pseudoelasticitatea se datorează unor transfomări de fază solidă, ceea ce constă în rearanjarea moleculară a aliajului fără a intervene schimbări de fază (solid în lichid sau gaz). Explicaţia constă în modificarea în anumite limite a distanţelor interatomice, intermoleculare, fără a apărea distrugerea acestror legături, materialul rămânând în continuare în stare solidă. Cele mai multe aliaje care au proprietaţile menţionate, prezintă iniţierea aceste modificări la variaţii ale temperaturii de minim 10°C. Cele două faze care permit modificările caracteristicilor fizice ale aliajului, în condiţii termodinamice specifice poartă numele de faza Martensitică, şi faza Austenitică.

Faza Martensită a fost denumită astfel după numele metalurgistului german , Adolf Martens (1850-1914). Această fază este considerată a avea o structură cristalină

Austenită – temperatură

Martensită – temperatură

cu o simetrie de tip tetragonal centrat volumetric( body-centred tetragonal - BCT), fiind rezultatul unei răciri rapide a aliajului ajuns în starea austenită.

Figura 2. Imaginea fazei martensitice într-un oţel.

Se remarcă aspectul de ac (discuri martensitice) al modului în care materialul s-a solidificat datorită răcirii rapide.

Acestă transformare, datorită procesului rapid de răcire nu are o stabilitate termodinamică deosebită, fapt care permite trecerea din acestă stare în starea de austenită cu un efort termic relative redus. Cei doi termini sunt specifici vocabularului metalurgic, alături de ferrite şi cementite facând parte din diagrama fier carbon. Martensita, nefiind însă o fază stabilă, în cadrul respectivei diagrame, nu a fost reprezentată separat, ea fiind privită, mai mult, sub forma unui defect în aliaj, pentru cazul oţelurilor.

Martensita, este o fază uşor deformabilă, în cazul materialelor cu memorie, caracteristică temepraturilor mediului ambient, sau mai general vorbind, temperaturilor scăzute. Structura moleculară, este comprimată, fapt care permite, la acţiunea unei forţe sau efort deformator să aibă loc o modificare structurală nedistructivă, care face parte tot din fazele martensitice posibile. La transferul asupra aliajului a unei energii termice, suplimentare, acesta trece în stare austenită, regulată, pentru ca la refacerea condiţiilor termice iniţiale să se revină în starea martensitică iniţială.

Figura 3. Diagrama Fe-C - http://willyank.sites.uol.com.br

Deoarece martensita are o densitate mai redusă decăt celelalte faze de temperatură scăzută, la aplicarea transformărilor termice care afectează această fază, modificările ce au loc, la trecerea în austenită, conduc la o serie de variaţii volumetrice sensibile. Martensita este privită ca o stare intermediară prin care trece un aliaj sau material , până în clipa în care ajunge într-o stare complet echilibrată termodinamic. Acest fenomen de generare a stării martensitice poartă numele de metastabilitate.

Figura 4. Faza Martensită în aliajul CuZnAl

La producerea oţelurilor, în cadrul procesului de fabricaţie, se induc termic

formarea unor stări martensitice abundente, pentru ca apoi prin control termic, reîncălziri controlate, să se inducă starea de echilibru termochimic dorit.

Utilizând o serie de modele geometrice care să explice stabilitatea fizico-chimică a fazelor materialelor , se remarcă existenţa următoarelor lattice:

Crystal cubic (sc)

Cristal cubic cu centrare volumetrică – Body-Centered Cubic (BCC) – specific martensitei

Cristal cubic cu centrare pe fiecare faţă a cristalului – Face-Centered Cubic (FCC) – specific austenitei

Numele de austenită a fost ales după numele lui Sir William Chandler Roberts-Austen (1843-1902). Această fază este caracterizată printr-o structură de tip cristalin cu centrare pe fiecare faţă a cristalului (Face-Centred Cubic -FCC). Această fază este o fază metalică, non-magnetică, care există în preajma temperaturii critice a aliajului.

Pentru o cât mai clară înţelegere a fenomenului este propusă spre analiză următoarea figură:

Astfel în starea A, aliajul cu memorie a formei este în starea de austenită. În

absenţa oricărei solicitări mecanice, printr-o răcire rapidă a aliajului se obţin o variaţie de fază martensitică, care poate avea până la 24 de forme posibile – punctul B. Odată cu aplicarea unui efort mecanic, apare deformarea martensitei, existând posibilitatea ca la finalul solicitării să se obţină o singură formă de martensită – punctul D. La încălzirea acestei faze, are loc simetrizarea şi alinierea cristalografică a aliajului, obţinându-se astfel austenita simetrică, unic structurală, specifică punctului E.

O reprezentare corespunzătoare transformărilor structurale, relativ la efortul mecanic aplicat , deformarea mecanică a mostrei şi temperature T este prezentată sugestiv în figura următoare:

Asfel la aplicarea unei solicitări mecanice are loc orientarea fazelor martensitice

până la opţinerea unui singur tip de fază dominant. La continuarea solicitării mecanice, dincolo de această limită, apare distrugerea mostrei. Deformarea maximă indusă, datorată dominanţei martensitice va putea fi recuperată prin încălzirea mostrei, până la obţinerea fazei simetrice molecular, austenită. La răcire se realizează trecerea în starea iniţială în care coexistă mai multe forme martensitice.

Principalele aplicaţii ale efectului de memorie a formei sunt implementate în următoarele domenii:

Echipamente electrocasnice Vehicule spaţiale Termostate Conectoare hidraulice

în timp ce aplicaţiile pseudoelasticităşii cuprind domenii ca: Rame de ochelari Instrumente medicale Antene de telefoane celulare Fire orthodontice

Sintetizând punctual principalele avantaje şi dezavantaje ale aliajelor cui memorie a formei, putem include în rândul avantajelor:

Bio-compatibilitatea Diversitatea domeniilor de aplicaţii Proprietăţi mecanice remarcabile (rezistenţa, protecţie anticorozivă)

respectiv în rândul dezavantajelor: Preţ de cost încă ridicat, în coparaţie cu alte materiale metalice Rezistenţa la oboseală mai redusă decât anumite oţeluri speciale

TTEEOORRIIAA ŞŞII CCOOMMPPOORRTTAAMMEENNTT GGEENNEERRAALL AALL MMAATTEERRIIAALLEELLOORR CCUU MMEEMMOORRIIEE AA FFOORRMMEEII

Efectul SIMPLU de memorie a formei După cum rezultă din Figura 5, aliajele cu memorie a formei au capacitatea de a

suferi o modificare a formei la o temperatură joasă sub acţiunea unei forţe şi de a păstra această formă până când sunt încălzite, moment în care revin la forma iniţială. Această schimbare de formă are loc ca urmare a modificării structurii cristaline a aliajului.

Figura 5 . Îndoirea unui fir din aliaj cu memorie a formei

Să luăm ca exemplu aliajul nichel-titan, a cărui structură cristalină la temperatură înaltă, numită austenită, este cubică (Figura 6. A). După răcire, aliajul adoptă o structură numită martensită, cu o reţea monoclinică care în plan seamănă cu un paralelogram (Figura 6.B).

Când un aliaj cu memorie a formei este răcit, atomii nu se înclină toţi în aceeaşi direcţie, după cum ne-am aştepta, ci se formează şiruri de atomi înclinate alternativ la stânga sau la dreapta (fig. 2.3.B).

Figura 6. Structura cristalină a aliajului nichel-titan

cu memorie a formei

De remarcat că oricare 4 atomi vecini, din structura la temperatură joasă (Figura 7. B), sunt aranjaţi în formă de paralelogram în cazul structurii martensitice.

[B] TEMPERATURĂ JOASĂ STRUCTURĂ

MARTENSITICĂ

[A] TEMPERATURĂ ÎNALTĂSTRUCTURĂ CUBICĂ

AUSTENITICĂ

[B] TEMPERATURĂ JOASĂ [A] TEMPERATURĂ INALTĂ

Figura 7. Reorganizarea atomilor la răcirea aliajului cu memorie a formei

Fenomenul prezentat în Figura 7.B se numeşte maclare, deoarece atomii sunt aşezaţi simetric în raport cu un plan, numit plan de simetrie (Figura 8).

Figura 8. Maclarea

Când se aplică o forţă asupra aliajului acesta se deformează pe măsură ce atomii, aşezaţi simetric în raport cu planul de simetrie, sunt reorientaţi în aceeaşi direcţie, după cum se arată în Figura 9.

Figura 9 . Deformarea structurii la temperatură

joasă prin aplicarea unei forţe

În acest proces numit demaclare forţa necesară pentru a reorienta atomii este relativ mică.

Dacă aliajul este apoi încălzit, martensita deformată revine la austenită, iar piesa îşi recapătă forma inţială, deoarece poziţiile iniţiale ale atomilor sunt cunoscute în faza de austenită. Întregul proces este rezumat în Figura 10.

Figura 10. Transformarea structurală între

temperatura înaltă şi cea joasă

Trebuie să spunem că descrierea în plan a efectului simplu de memorie a formei, prezentată mai sus, este mult simplificată faţă de fenomenul real, dar este un model adecvat pentru majoritatea scopurilor de proiectare.

TEMPERATURĂ INALTĂ

Efectul dublu de memorie a formei Până acum am discutat numai de aliaje care prezintă efectul de memorie a

formei într-un singur sens; după cum se vede în Figura 5 forma de austenită de la temperatura înaltă este recuperată automat la încălzire, dar este necesară aplicarea unei forţe în starea martensitică pentru a deforma aliajul la temperatură joasă. Este posibilă obţinerea unui efect de memorie a formei în dublu sens, prin care elementul cu memorie revine la răcire la forma de la temperatura joasă, iar la încălzire la forma de la temperatura înaltă. Acest comportament este numit efect de memorie a formei în dublu sens sau efect de memorie a formei reversibil, după cum se vede în Figura 11, pentru un arc elicoidal.

Figura 11. Efectul dublu de memorie a formei

De remarcat că, în cazul ambelor efecte de memorie, numai în timpul încălzirii se generează lucru mecanic (adică forţă şi deplasare). În timpul răcirii aliajului cu efectul de memorie în dublu sens, acesta îşi recapătă forma de la temperatura joasă fără a putea furniza forţă unor componente externe.

Efectul dublu de memorie a formei prezintă avantajul că permite materialului să treacă spontan de la o formă la alta, atât prin încălzire cât şi prin răcire, atunci când temperatura atinge valorile de transformare corespunzătoare.

Aceasta înseamnă că nu mai este nevoie de o intervenţie externă pentru deformarea materialului şi astfel perspectivele de utilizare sunt mult mai favorabile.

Este de remarcat în acest caz faptul că, în plus, faţă de cele prezentate anterior, materialul adoptă o formă corespunzătoare şi la răcire. La atingerea temperaturii Ms începe recuperarea formei la răcire şi aceasta se desăvârşeşte la atingerea temperaturii Mf

Această comportare este intens studiată şi cercetată în ultimii ani, atât pentru elucidarea mecanismului care guvernează efectul dublu de memorie, cât şi în ceea ce priveşte obţinerea şi utilizarea sa. Cert este că materialele care prezintă efectul simplu de memorie a formei nu prezintă implicit şi efectul dublu. Pentru obţinerea acestui efect este necesară învăţarea materialului în cadrul unui proces numit educare.

Educarea pentru obţinerea efectului dublu de memorie a formei presupune efectuarea unor cicluri termomecanice asupra materialului. Acestea constau, în general, în încălzirea şi răcirea repetată a materialului, căruia i s-a impus o anumită solicitare.

Explicaţia, în cazul efectului dublu de memorie a formei, este tot de natură microstructurală şi cristalografică. În cazul efectului simplu de memorie a formei s-a arătat că acesta apare la transformarea din faza martensitică în faza mamă, datorită ordinii atomice existente în faza mamă şi care nu lasă decât o singură posibilitate de rearanjare a atomilor. Pentru reluarea formei la răcire, problema este puţin mai dificilă şi aceasta din cauză că există mai multe posibilităţi de orientare a variantelor de martensită formate. De exemplu, pentru o fază mamă cu structura cubică (cazul cel mai întâlnit la aliajele cu memorie uzuale) există 24 de posibilităţi de transformare în martensită. Toate aceste posibilităţi sunt, aşa cum s-a arătat, echiprobabile şi de aceea transformarea la răcire nu se desfăşoară întotdeauna pe aceeaşi cale. Scopul

tratamentului termomecanic de educare este de a forma o variantă favorizată de martensită, care să ia naştere la răcire. În felul acesta materialul este obligat să adopte un aranjament atomic la încălzire şi este “ajutat” să adopte un singur aranjament atomic şi la răcire. O imagine sugestivă a acestui tratament de educare se poate formula gândindu-ne la un călător care ajunge la o bifurcaţie din care se desprind mai multe drumuri şi la capătul cărora se află acelaşi rezultat. Dacă acest călător este condus de mai multe ori pe acelaşi drum, de fiecare dată când se va întoarce la aceeaşi bifurcaţie, el va alege calea pe care o cunoaşte, pentru că aceasta este calea bătută, cu care el s-a “obişnuit”.

Analizele microstructurale efectuate pe variante particulare prezintă teorii diverse cu privire la formarea variantelor favorizate de martensită. Cele mai probabile ipoteze presupun că în timpul educării apar, fie o martensită reziduală (rămasă netransformată la încălzire), fie defecte în structură şi care favorizează ulterior dezvoltarea doar a unei variante de martensită. Ipoteza prezenţei martensitei reziduale porneşte de la unele observaţii care arată posibilitatea de existenţă a unor formaţiuni de martensită şi la temperaturi mai mari decât temperatura Af, unde ele ar trebui să dispară. Aceste formaţiuni se dezvoltă în continuare, fiind întotdeauna aceleaşi. Ipoteza, privind existenţa unor defecte de structură orientate, pleacă de la observaţia că transformarea martensitică produce defecte în structura fazei mamă şi, la răcire, pe aceste defecte iau naştere variantele de martensită favorizate.

Se cunosc cinci procedee de prelucrare de bază pentru a imprima un efect în dublu sens unui element cu memorie a formei:

1. deformarea puternică a elementului în starea martensitică; 2. deformarea elementului, în starea de austenită, prin aplicarea unei tensiuni

mai mari decât tensiunea minimă care produce curgerea materialului; 3. deformarea elementului în starea de austenită cu o forţă oarecare, coborând

apoi temperatura sub Mf, pentru o perioadă lungă de timp, menţinând permanent forţa aplicată;

4. solicitarea elementului în starea martensitică şi apoi încălzirea lui până trece în starea de austenită;

5. deformarea elementului după îmbătrânirea cauzată de formarea unor mici aglomerări atomice în starea de austenită.

Procedeul 1 poate fi folosit pentru aliajele Ni-Ti, dar de regulă în timpul răcirii se obţine numai o recuperare parţială a formei. S-a descoperit că un aliaj Ni-Ti-Cu (aliaj Raychem), care trece printr-o serie de cicluri termice sub o sarcină nominală, capătă progresiv efectul de memorie în dublu sens, efect care se intensifică odată cu creşterea numărului de cicluri. Procedeul 4 se adaptează bine la aliajele Cu-Zn-Al, dar cu un efect de memorie în dublu sens mai mic decât în cazul aliajelor Ni-Ti. Toate procedeele de mai sus produc zone de tensiuni interne precum dislocaţiile, martensita stabilă (martensită care nu se mai transformă în austenită la încălzire) sau aglomerările atomice minuscule. Zonele tensionate servesc la controlul direcţiei în care maclele de martensită se orientează de la sine în timpul răcirii. Deci, există o orientare preferenţială la nivel atomic, care determină, în cazul unui element cu memorie a formei, reluarea formei la temperatură joasă la nivel macroscopic, prin răcire.

Efectul de memorie complet reversibil Efectul de memorie complet reversibil diferă de efectul în dublu sens prin

următoarele caracteristici: 1. este posibilă o modificare mai mare a formei; 2. formele de temperatură joasă şi înaltă sunt fiecare inversul celeilalte, deci

este posibilă o inversare completă a curburii în cazul unei benzi cu memorie a formei.

Se poate obţine un aliaj cu efect de memorie complet reversibil dintr-un aliaj cu compoziţia 50,5% atomi Ni, restul Ti, prin solicitarea aliajului în forma sa de la temperatura înaltă şi îmbătrânirea la o temperatură de 400°C, timp de 50 de ore.

Figura 12 ilustrează efectul de memorie complet reversibil.

Figura 12. Efectul de memorie a formei complet reversibil

De remarcat că, datorită proceselor suplimentare necesare precum şi lipsei de fiabilitate a aliajelor cu efect de memorie în dublu sens şi complet reversibil, ele nu sunt folosite de regulă pentru a furniza deplasare în direcţie inversă. De aceea se foloseşte o forţă ”ajutătoare” externă pentru a deforma elementul cu memorie a formei la temperatură joasă, iar efectul în dublu sens ajută la scăderea valorii forţei necesare acestei deformări.

DETERIORAREA EFECTULUI DE MEMORIE A FORMEI

Pierderea parţială sau totală a capacităţii aliajelor cu memorie a formei de a

satisface cerinţele unei aplicaţii poate să apară atât datorită solicitărilor de natură termică sau termomecanică cât şi ca urmare a unor transformări care apar în timp, chiar în absenţa solicitărilor.

Cauza principală a pierderii stabilităţii în aliajele cu memorie a formei este dată de particularităţile transformării martensitice, care se desfăşoară fără difuzie şi care are ca rezultat obţinerea unei faze metastabile, martensita. Această fază metastabilă nu se află în starea corespunzătoare energiei minime. Ca urmare a teoriei termodinamice apare tendinţa de trecere spre o stare care asigură energia liberă minimă, dar care însă nu mai respectă condiţiile impuse de transformarea martensitică şi ca urmare se ajunge la instabilitatea efectului de memorie a formei.

În majoritatea aplicaţiilor aliajelor cu memorie a formei, modificările proprietăţilor sau dimensiunilor, ca urmare a instabilităţii efectului de memorie, sunt mici şi pot fi neglijate. În unele cazuri însă, ele trebuie luate serios în considerare deoarece pot duce chiar la imposibilitatea utilizării unor anumite materiale pentru anumite aplicaţii. Cei mai importanţi parametri care trebuie avuţi în vedere la utilizarea unor materiale cu memorie a formei sunt: temperatura la care se încălzeşte sau se păstrează aliajul, timpul de menţinere la o anumită temperatură, solicitarea la care este supus materialul. În funcţie de aceşti parametri se poate vorbi de îmbătrânirea în faza mamă, îmbătrânirea în faza martensitică, supraîncălzirea şi, respectiv, oboseala aliajelor cu memorie.

Îmbătrânirea în faza mamă

Menţinerea aliajului cu memorie la temperaturi corespunzătoare fazei mamă (peste temperatura critică Af) provoacă modificări ale temperaturilor de transformare dependente atât de temperatură, cât şi de timpul de menţinere. În Figura 13 sunt reprezentate modificările care apar la nivelul temperaturilor de transformare pentru cazul unui aliaj cu memorie a formei din familia Cu-Zn-Al, menţinut la temperatura corespunzătoare fazei mamă (peste Af).

Se remarcă existenţa a trei stadii cu evoluţie diferită a temperaturilor. Un prim stadiu (notat cu I), se caracterizează prin existenţa unei stabilităţi în ceea ce priveşte parametrii transformării. În al doilea stadiu (II) se observă o uşoară tendinţă de creştere a temperaturilor. În al treilea stadiu se observă o modificare

Figura 13. Modificări ale temperaturilor de transformare, la îmbătrânirea în faza mamă, ale unui aliaj cu memorie Cu-Zn-Al

accentuată a parametrilor transformării, concretizată prin creşteri ale temperaturilor As, Af şi, respectiv, scăderi ale temperaturilor Ms, Mf. La nivel macroscopic se poate constata că, pentru a se obţine efectul simplu de memorie, trebuie ca încălzirea să se realizeze la temperaturi mai ridicate. În acelaşi timp, efectul dublu de memorie a formei este pus în evidenţă prin răcire la temperaturi tot mai scăzute.

Din punct de vedere microstructural, responsabilitatea pentru îmbătrânirea aliajelor cu memorie trebuie atribuită proceselor de difuzie şi de ordonare atomică, care sunt stimulate de temperatură ridicată de menţinere. Difuzia este favorizată de menţinerile îndelungate la temperatură ridicată. În general, se poate vorbi de un timp de menţinere la o anumită temperatură, fără ca difuzia să fie foarte activă. Acest timp se numeşte “timp de supraîncălzire” şi este cu atât mai mic, cu cât temperatura este mai ridicată. În cazul în care acest timp este depăşit, se fac simţite efectele difuziei în cadrul transformării martensitice reversibile, care se desfăşoară prin excelenţă fără difuzie. Ca urmare, va apărea o evoluţie spre o structură mai stabilă din punct de vedere termodinamic, numită precipitare. Prin precipitare se modifică şi compoziţia fazei mamă şi temperaturile de transformare, iar în ultima fază, prin înlocuirea fazei mamă, se pierde şi efectul transformării martensitice reversibile.

O a doua cauză care se consideră că determină îmbătrânirea în faza mamă o reprezintă reacţia de ordonare atomică. La explicarea efectului de memorie a formei s-a arătat că originea efectului rezidă din aranjamentul atomic ordonat al fazei mamă şi care este reluat la încălzire. Dacă această ordine nu este stabilită perfect în cadrul transformării inverse, fază mamă-martensită, atunci când sistemul este încălzit se favorizează deplasări atomice şi se completează ordonarea.

La efectul simplu de memorie a formei se poate vorbi, deci, de o îmbătrânire în faza mamă care conduce la modificări ale temperaturilor de transformare (ca urmare a ordonării atomice) şi chiar la dispariţia efectului de memorie (ca urmare a precipitării). Efectul dublu de memorie a formei poate fi de asemenea afectat, deoarece prin încălzire la temperaturi ridicate se distrug centrele care permit apariţia şi dezvoltarea variantelor favorizate de martensită.

Consecinţele îmbătrânirii în faza mamă pot fi, în general, înlăturate printr-o repetare a tratamentului efectuat pentru obţinerea martensitei.

Îmbătrânirea în faza martensitică

Dacă aliajul cu memorie este menţinut la temperaturi corespunzătoare fazei martensitice (sub As), se constată, de asemenea, modificări ale parametrilor transformării. Aceste modificări sunt cu atât mai importante cu cât menţinerea se face la temperaturi mai apropiate de As.

Totodată, se modifică şi alte proprietăţi şi anume: duritatea creşte, iar capacitatea de amortizare se reduce simţitor.

Între ipotezele care par să explice cel mai bine responsabilitatea pentru această îmbătrânire, cele mai probabile sunt cele bazate pe fenomenele de difuzie care au ca efect rearanjarea atomilor în faza martensitică şi, respectiv, cele care consideră că apare o blocare mecanică a interfeţelor de transformare, ca urmare a prezenţei unor defecte atomice introduse în fazele de procesare mecano-termică. Există argumente în favoarea ambelor ipoteze şi este foarte probabil că acestea apar simultan. Importanţa lor relativă diferă în funcţie de natura tratamentului termic aplicat.

În vederea reducerii tendinţei de îmbătrânire în faza martensitică, se recomandă ca la călirea materialului să se realizeze o menţinere de 1÷2 ore la o temperatură puţin superioară temperaturii Ms. Ca rezultat, se vor obţine temperaturi de transformare mult mai puţin afectate de consecinţele îmbătrânirii.

Oboseala aliajelor cu memorie

Nici un produs nu-şi poate păstra funcţiile un timp nelimitat şi prin urmare, aliajele cu memorie a formei nu se constituie ca o excepţie de la această regulă.

Oboseala aliajelor cu memorie se manifestă diferit, în funcţie de tipul aliajelor, natura solicitărilor şi condiţiile termomecanice utilizate. Analizele efectuate au arătat că un element cu memorie în dublu sens îşi poate modifica forma de peste 100000 de ori, dacă este solicitat doar termic, cu condiţia ca temperatura să nu fie prea ridicată, înainte de a se constata o pierdere a deformaţiei de 10%. Pentru solicitări de natură pseudoelastică, există la dispoziţie doar foarte puţine date. Totuşi, rezistenţa la oboseală a aliajelor cu memorie a formei este mult mai ridicată decât a celorlalte materiale. Se poate vorbi de 105÷106 cicluri de utilizare, în condiţiile unor solicitări mai mari decât cele întâlnite la materialele din aceeaşi familie, dar la care nu s-a indus transformarea martensitică. Este însă dificil să compari două materiale cu comportare diferită, deoarece mecanismul deformării elastice din aliajele cu memorie este, aşa cum se va vedea, total diferit de cel al materialelor obişnuite.

CAPACITATEA DE AMORTIZARE A VIBRAŢIILOR

Datorită comportării microstructurale deosebite, aliajele cu memorie

prezintă cea mai ridicată capacitate de amortizare a vibraţiilor dintre toate materialele metalice. Amortizarea este neliniară şi independentă de frecvenţă. De altfel, această proprietate pare să fie sensibilă la variaţiile de temperatură şi la antecedentele de ciclare termică. Aliajele cu memorie a formei, luate în condiţii de temperatură corespunzătoare fazei martensitice sau bifazei austenită-martensită, prezintă o capacitate sporită de amortizare a şocurilor sau de atenuare a vibraţiilor mecanice. Frecarea internă importantă este dată de disiparea energiei mecanice de excitaţie la nivelul interfeţei dintre variante, în cazul unui material martensitic sau la nivelul interfeţei austenită-mertensită, în cazul unui material bifazic.

Până în prezent, însă, nu sunt foarte clar elucidate nici aspectele privind comportarea efectivă în diverse condiţii şi nici mecanismele prin care se realizează amortizarea.

Comportamentul de histerezis Datorită proceselor care au loc la scară atomică ia naştere un histerezis termic.

Cu alte cuvinte, transformarea austenitei în martensită (reacţia "directă") are loc la o temperatură mai mică decât transformarea martensitei în austenită. În Figura 14, la o temperatură mai mică decât Mf, aliajul este 100% martensită. Dacă este încălzit, va atinge o temperatură As, la care începe formarea austenitei. Încălzit în continuare aliajul

revine la 100% austenită când a atins temperatura Af. La răcire, formarea martensitei începe la temperatura Ms şi se termină la temperatura Mf .

Figura 14. Histerezis de temperatură

Este important să observăm că valorile absolute ale temperaturilor de transformare, lărgimea şi forma histerezisului depind în mare măsură de compoziţia şi prelucrarea aliajului. Majoritatea aliajelor cu memorie a formei au lăţimea buclei de histerezis de 10500C, cu excepţia unor aliaje cu histerezis larg fabricate pentru aplicaţii speciale.

Principala cauză a histerezisului este frecarea internă provocată de deplasarea interfeţelor austenită - martensită şi de apariţia defectelor structurale în reţeaua cristalină a aliajului.

FAMILII DE ALIAJE CU MEMORIE A FORMEI

Deşi există cel puţin 20 de familii de aliaje cunoscute, care prezintă efectul de

memorie a formei, în prezent numai 3 au importanţă comercială: nichel-titan (Ni-Ti), cupru-zinc-aluminiu (Cu-Zn-Al) şi cupru-aluminiu-nichel (Cu-Al-Ni).

Dezvoltarea acestor aliaje s-a făcut, mai întâi, pentru aplicaţii în domeniul militar, corespunzătoare temperaturilor joase: racorduri de canalizare, conectori cu forţă de inserţie nulă etc., utilizând Ni-Ti sau Cu-Zn-Al.

Aliaje nichel-titan Aliajele Ni-Ti, numite şi Nitinol, au, de regulă, în compoziţie aproximativ 50%

atomi Ni, 50% atomi Ti şi mici adaosuri de cupru, fier, cobalt sau crom. Un aliaj ternar remarcabil este Ni-Ti cu 10% atomi de Cu. Aliajele Ni-Ti sunt de aproape patru ori mai scumpe decât aliajele Cu-Zn-Al, dar au câteva avantaje faţă de Cu-Zn-Al şi Cu-Al-Ni: ductibilitate mai mare, amplitudine mai mare a deplasării, rezistenţă excelentă la coroziune (comparabilă cu a oţelurilor inoxidabile din seriile 300), temperaturi de transformare stabile, biocompatibilitate înaltă şi posibilitatea de a-şi recupera forma prin încălzire electrică. Dar, aplicaţiile cu aliajele Ni-Ti sunt limitate de temperaturile de transformare martensitică de 1000C şi de histerezisul de transformare de 250C.

În producerea aliajelor de nichel-titan se parcurg mai multe etape. Prima etapă debutează cu topirea în vid a componentelor (sunt folosite tehnici moderne cum ar fi topirea în vid inductivă, topirea în vid cu fascicul de electroni, topirea în vid sub arc electric). Acest procedeu este urmat de o comprimare în volum şi/sau o comprimare centrifugală, la temperaturi cuprinse între 7000C şi 9000C. În continuare, are loc prelucrarea prin tragere în fire a aliajelor (dacă acesta este produsul final). Pentru realizarea efectului de memorie urmează tragerea la rece, ce conduce la o reducere a ariei cu aproximativ 30 de procente, între procesele de recoacere. Recoacerea intermediară se realizează la temperaturi cuprinse între 6000C şi 8000C. Formarea stratului de oxid în timpul recoacerii îmbunătăţeşte aditivitatea lubrifiantului de tragere. Carburile de formare sunt folosite pentru fire de diametre mai mari de 1,3 mm, în timp ce pentru diametre mai mici sunt utilizate matriţe de diamant. Odată ce materialul a fost

adus la dimensiunea dorită, are loc un tratament termic de fixare a formei pentru a impune temperatura înaltă dorită, temperatură ce va fi memorată după încălzire.

Etapele tratamentului termic pentru obţinerea unui arc elicoidal sunt: turnarea materialului în matriţă, încălzirea aliajului la 4000C timp de 30 minute, răcirea în aer liber şi extragerea piesei finale din matriţă.

Tratamentul termic are două efecte majore pentru aliajele nichel-titan. Primul efect se manifestă prin creşterea temperaturii de transformare odată cu creşterea temperaturii de încălzire, în timp ce cel de-al doilea efect constă în mărirea numărului ciclurilor de viaţă, odată cu descreşterea temperaturii la care se execută tratamentul termic. Ambele efecte sunt legate direct de transformările la rece ce au fost reţinute de material, după procesare. Acestea reduc temperaturile de transformare ale aliajului.

Aliaje pe bază de cupru Cele mai cunoscute aliaje din aceasă categorie sunt aliajele: cupru-

zinc-aluminiu şi cupru–aluminiu-nichel. Pentru ca aliajele pe bază de cupru să prezinte un efect de memorie a formei se

impune aplicarea unui tratament termic de betatizare (durificare) după operaţiile de topire şi turnare. Acest tratament termic are loc, pentru aliajele Cu-Zn-Al, la temperaturi cuprinse între 6500C şi 9500C. Din studiile efectuate asupra acestui aliaj s-a observat că temperaturile de transformare cresc odată cu creşterea temperaturii de betatizare şi cu timpul necesar acestui proces. Scopul acestui tratament termic este de a stabiliza temperatura ridicată a fazei beta. Odată cu realizarea acestui desiderat este necesară răcirea materialului la o temperatură scăzută, în scopul reţinerii fazei beta. În cazul în care are loc o răcire lentă, faza beta se descompune într-o fază de echilibru stabil, efectul de memorie fiind astfel pierdut.

Aliajele pe bază de cupru sunt foarte sensibile la viteza de răcire a materialului. Pentru aliajele Cu-Zn-Al, temperaturi stabile, se obţin numai prin aplicarea unui tratament de îmbătrânire după răcire, tratament obţinut, spre exemplu, prin menţinerea aliajului la o temperatură de 800C, timp de 24 de ore.

Una dintre cele mai uzuale metode utilizate este metoda de răcire în doi sau mai mulţi paşi, când are loc răcirea aliajului la o temperatură intermediară, imediat după betatizare, urmată de răcirea la temperatura mediului ambiant. Dacă însă, are loc răcirea directă la temperatura mediului, aliajul va beneficia de o stabilizare martensitică, care poate conduce la o transformare incompletă austenitică, în timpul încălzirii ulterioare, fapt ce implică obţinerea unor temperaturi As şi Af mai ridicate.

Aliajele Cu-Al-Ni sunt, în general, supuse unei betatizări realizate prin încălzirea la temperaturi ridicate, urmată de o răcire în apă rece. Tratametul de îmbătrânire, destinat stabilizării transformării, constă în menţinerea aliajului la o temperatură de 1500C timp de o oră.

Aliajele Cu-Zn-Al, cu un slab conţinut de aluminiu, au o temperatură de lucru mică, utilă în aplicaţii practice şi o contracţie la rece de cel puţin 20%. Aceste aliaje pot fi răcite, cu condiţia ca la fiecare pas de răcire să aibă loc şi o călire intermediară a materialului. Un conţinut mare de aluminiu va deteriora comportamentul la temperaturi mici. Prezenţa magneziului va îmbunătăţi comportamentul la temperaturi scăzute, chiar şi în prezenţa unui conţinut ridicat de aluminiu.

Aliajele Cu-Al-Ni, prezintă o ductibilitate redusă, la temperaturi scăzute, datorită prezenţei fazei gamma. Acesta este de fapt motivul pentru care aceste aliaje lucrează în special la temperaturi ridicate, mai ales în regiunea fazei beta. Nivelul concentraţiei de nichel este recomandat a fi menţinut sub 7%, pentru a nu afecta prea mult comportamentul la temperatură scăzută. Un dezavantaj major al acestui aliaj este faptul că, în timpul tratamentului termic, aliajul prezintă apariţia unei granulaţii de răcire mari. Această granulaţie este de ordinul milimetrilor, fapt ce conduce la apariţia aspectului rugos al materialului şi a interstiţiilor granulare.

Un alt efect nedorit, datorat acestei granulaţii, este degradarea performaţelor aliajului în timpul proceselor mecano-termice, care conduce la reducerea numărului ciclurilor de funcţionare. Pentru eliminarea acestui dezavantaj, în timpul procesului termic de durificare, sunt adăugate, la aliajele Cu-Zn-Al, respectiv Cu-Al-Ni, cantităţi reduse de bor şi titan.

Aceste elemente formează particule insolubile, ce inhibă creşterea granulaţiei sau care favorizează formarea nucleelor de particule.

Tehnologiile moderne, ca metalurgia pulberilor sau solidificarea rapidă prin amestec, pot produce granule fine de aliaj pe bază de cupru, fără a mai fi necesară adăugarea unor elemente de reducere a granulaţiei. Aliajele de Cu-Zn-Al procesate pe baza tehnologiei pulberilor au condus la obţinerea unor materiale cu granulaţie de 30 de microni, care au oferit un număr de cicluri de funcţionare mult mai mare decât aliajele obţinute în condiţii tradiţionale. Aliajele de Cu-Al-Ni, obţinute pe baza tehnologiei pulberilor, au prezentat o creştere semnificativă a ductibilităţii, de circa 7%, faţă de o reducere cu 0,6% a ciclurilor de funcţionare, relativ la tehnologiile anterioare. Cupru-zinc-aluminiu

În general, aliajele Cu-Zn-Al au în compoziţie 1525% din greutate Zn, 69% din greutate Al şi restul Cu. A fost descoperit şi un aliaj Cu-Zn-Al-Mn. Aliajele Cu-Zn-Al au un preţ mai mic decât aliajele Ni-Ti şi caracteristici inferioare. Temperaturile de transformare se pot modifica uşor după mai multe cicluri (în special la temperaturi de lucru mai mari de 1000C) sau dacă aliajul nu este prelucrat corespunzător. Aceste aliaje sunt predispuse la apariţia fisurilor când sunt expuse la unii agenţi corozivi. Cupru-aluminiu-nichel

Aliajele Cu-Al-Ni au în compoziţie 1314% Al, 34% Ni şi restul Cu. Ca şi în cazul Cu-Zn-Al s-a descoperit un aliaj Cu-Al-Ni-Mn. Aliajele Cu-Al-Ni au o ductibilitate mai mică decât Ni-Ti sau Cu-Zn-Al. Rezistenţa la coroziune este mai mică decât la Ni-Ti şi costul lor este mai mare decât la Cu-Zn-Al. Aliajele Cu-Al-Ni au o degradare mai mică a proprietăţilor de memorie a formei decât Cu-Zn-Al, după expunerea la temperaturi în gama 1003500C. În plus, aliajele Cu-Al-Ni au cele mai mari temperaturi de transformare dintre cele trei aliaje. Aceste aliaje se pretează la aplicaţii, cum ar fi captori-activatori termici, ce necesită temperaturi ridicate şi/sau un histerezis scăzut, de exemplu 100C, cu caracteristici situate între cele ale aliajelor Ni-Ti şi Cu-Zn-Al.

Comportamentul mecanic În continuare se prezintă comportamentul mecanic, al aliajelor cu memorie a formei, la răcirea şi încălzirea lor. Tipuri de deplasare

Rezultatul răcirii şi deformării aliajului cu memorie a formei este deformaţia acumulată (Figura 15.

Când aliajul este încălzit deformaţia este “recuperată”, deoarece atomii revin în poziţiile lor de la temperatura înaltă. În Figura 5 se prezintă un fir din aliaj cu memorie a formei care, îndoit la temperatura joasă, revine la forma iniţială întinsă, când este încălzit. Aliajele cu memorie a formei pot fi folosite atât pentru deplasarea liniară cât şi pentru cea de la torsiune şi încovoiere.

Figura 15. Acumularea unei deformaţii datorată modificării structurii

Deplasarea liniară poate fi demonstrată prin alungirea unui fir cu memorie a formei (Figura 16).

La temperatura joasă firul are lungimea L1 (Figura 16.A). O forţă aplicată la temperatura joasă întinde firul până la lungimea L2 (Figura 16.B). După cum se vede în Figura 16.C, după îndepărtarea forţei, firul rămâne la lungimea L2. Când firul este încălzit, se va contracta până la lungimea iniţială L1 (Figura 16.D).

Figura 16. Obţinerea deplasării liniare în cazul unui

fir cu memorie a formei

Mişcarea de rotaţie este ilustrată în Figura 17, folosind o bară cu memorie a formei torsionată.

Figura 17. Bară din aliaj cu memorie a formei torsionată

Estimarea deplasării

Mărimea deplasării care poate fi obţinută de la un component cu memorie a

formei este limitată de numărul total de atomi care se repoziţionează la temperatura joasă, deformând structura cubică de la temperatura înaltă (Figura 10). Această mărime a deplasării este diferită de la un aliaj la altul (vezi tabelul 1). Pentru nichel-titan deplasarea maximă este de 8% (aceasta înseamnă că la 300 mm de fir de nichel-titan se poate prevedea o deplasare de 24 mm). Dacă elementul cu memorie a formei din nichel-titan revine la forma liberă de la temperatura înaltă, cu forţe exterioare, există probabilitatea ca această deplasare de 8% să fie realizată de mai multe ori. Dacă sunt

APLICAREA CUPLULUI

aplicate forţe externe semnificative aceluiaşi element în timpul recuperării formei, atunci deplasarea obţinută după cicluri repetate va fi mai mică de 8%.

Comportamentul tensiune-deformaţie

Spre deosebire de aliajele convenţionale, cum ar fi oţelul, care prezintă un efect limitat al temperaturii asupra comportamentului tensiune-deformaţie, aliajele cu memorie a formei prezintă o dependenţă de temperatură notabilă, datorită transformării reversibile austenită-martensită. Figura 18 ne arată comportamentul tensiune-deformaţie al unui aliaj cu memorie a formei la sau sub temperatura Mf, microstructura constând din variante de martensite aleator orientate (se presupune că materialul a fost răcit de la starea de austenită fără a aplica o solicitare).

Conform Figura 18, segmentul de curbă iniţial OA reprezintă deformarea elastică, până când nivelul de tensiune devine suficient pentru a reorienta maclele în concordanţă cu solicitarea aplicată, în punctul A.

Figura 18. Comportamentul tensiune-deformaţie al unui aliaj

cu memorie a formei la sau sub temperatura Mf

Pe segmentul AB maclele se orientează până când toate se stabilesc în aceeaşi direcţie cristalografică, acest fenomen fiind cunoscut sub numele de ”demaclare”. Demaclarea este completă în punctul B. Martensita suferă din nou o deformare elastică în porţiunea BC. În punctul C nivelul de tensiune este suficient pentru a determina deformarea plastică a martensitei. Pentru cele mai multe aliaje, dacă nu pentru toate, punctul C este limita superioară a tensiunii permise, după care efectul de memorie a formei este distrus sau puternic diminuat de deformarea plastică a martensitei. În cele mai multe proiectări aliajul va fi supus unei tensiuni între punctele A şi B, aşa cum se arată în Figura 18. Figura 19 prezintă comportamentul tensiune-deformaţie, al unui aliaj cu memorie a formei la o temperatură mai mare decât Af şi mai mică decât Md, adică atunci când aliajul are în totalitate structură de austenită. Şi de această dată segmentul de curbă iniţial până la un punct ”a” reprezintă doar deformarea elastică. Din punctul ”a” începe să se formeze martensita din faza de austenită. Acestă structură este numită martensită indusă prin solicitare mecanică. În porţiunea de curbă ”ab” matricea de austenită e convertită în martensită cu orientare cristalografică omogenă.

Segmentul ”bc” reprezintă deformarea elastică, deformarea plastică apărând după punctul ”c”, similar situaţiei din Figura 18. Pentru comportamentul de descărcare al aliajelor cu memorie a formei la temperaturi între Af şi Md, trebuie văzut capitolul patru al acestei lucrări. Curbele tensiune-deformaţie, la temperaturi tot mai înalte sunt similare cu cele din Figura 19, exceptând faptul că nivelul de tensiune la care se formează martensita indusă prin solicitare mecanică, este mai mare (acesta crescând liniar cu creşterea temperaturii). Există o temperatură limită superioară pentru formarea

DEFORMATIE

DEMACLARE

martensitei induse prin solicitare mecanică, notată cu Md. La temperaturi mai mari decât Md deformarea neelastică face imposibilă formarea martensitei induse.

Figura 19. Comportamentul tensiune-deformaţie la

temperaturi peste Af şi sub Md

Figura 20 prezintă curba tensiune-deformaţie, a unui aliaj cu memorie a formei, peste temperatura Md; se observă că, în acest caz, comportamentul aliajului devine similar cu cel al materialelor convenţionale.

Figura 20. Comportamentul tensiune-deformaţie

peste temperatura Md

Figura 21 este rezultatul combinării curbelor din Figura 18 şi Figura 19 , explicând efectul de memorie a formei în funcţie de tensiune şi deformaţie. Figura 21 evidenţiază parametrii iniţiali pe care se bazează proiectarea tuturor aliajelor cu memorie a formei. Punctul de joasă temperatură, determinat de coordonatele M şi M, reprezintă starea de deformare a elementului cu memorie a formei, cum ar fi un fir, în faza martensitică (întâlnit la temperatura Mf). Când firul este încălzit, curba ajunge în punctul având coordonatele A şi A şi firul se contractă ridicând greutatea "W". Curbele din Figura 21 pot fi refolosite de proiectant de fiecare dată când începe un nou proiect, ca un prim pas în acţiunea de proiectare.

DEFORMATIE

DEFORMATIE

DEFORMATIE

Figura 21. Curbele tensiune-deformaţie care arată efectul de memorie a formei

Astfel, sunt furnizate proiectantului valorile unui anumit număr de parametri: A, M, A, M, valori care trebuie să determine mărimea elementului cu memorie a formei; în exemplul nostru se pot determina lungimea şi diametrul firului, parametrii selectându-se după cerinţe. În general, se procedează după cum urmează:

1. tensiunea maximă dorită A şi greutatea W, care trebuie deplasată, sunt folosite pentru a determina diametrul sau grosimea elementului cu memorie a formei;

2. valorile pentru M (definite de proiectant), A (determinate pornind de la modulul lui Young şi tensiunea maximă A) şi cursa cerută sunt folosite pentru determinarea lungimii materialului care va fi utilizat la elementul cu memorie.

Proprietăţi ale aliajelor cu memorie a formei Tabelul 2.1 ne dă proprietăţile legate de memoria formei pentru trei dintre cele mai utilizate aliaje.

Tabelul 2.1 Proprietăţi legate de memoria formei PROPRIETATEA Ni-Ti Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni

Temperatura maximă As [0C] 100 120 200

Deformaţia maximă pe o direcţie [%]

8 6 5

Histerezis [0C] 12 - 50 10 - 25 15 - 20 Limita de curgere la temperatură înaltă [MPa]

415 350 400

Limita de curgere la temperatură joasă [MPa]

70 80 130

Rezistenţa de rupere la tracţiune [MPa]

700 600 500 - 800

Tabelul 2.2 prezintă câteva proprietăţi ale celor trei aliaje.

Tabelul 2.2 Proprietăţile unor aliaje cu memorie a formei PROPRIETATEA Ni-Ti Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni

Densitatea [g/cm3] 6,5 7,6 – 8,0 7,2 Rezistivitatea [μΩcm] 80 - 89 8,5 - 9,7 11 - 13 Căldura specifică [J/KgK] 837 400 373 - 574 Conductivitatea termică [J/msK]

18 120 30 - 43

Figura 22 arată intervalele de temperaturi de transformare pentru aliajele de uz industrial şi de laborator.

* Aliaje de uz comercial

Figura 22. Intervale de temperaturi de transformare la aliaje cu memorie a formei

ÎMBINĂRI

Îmbinarea materialelor din aliaje cu memorie a formei este dificilă. Dificultatea de

îmbinare a lor este dată tocmai de proprietatea pentru care aliajele cu memorie a formei sunt aşa de folosite şi anume alungirea şi contracţia lor. Experienţa a arătat că, aliajele cu memorie a formei suferă deformaţii în jur de 8%, ca rezultat al ciclurilor termice, în timp ce, aliajele convenţionale se alungesc şi se contractă cu maxim 0,5% prin schimbarea temperaturii. Prin urmare, dacă se face o îmbinare prin sudură între un aliaj cu memorie a formei şi un aliaj convenţional, cum ar fi oţelul inoxidabil, în sudură va fi prezentă totdeauna o tensiune indusă termic, care de regulă va duce la apariţia, în cele din urmă, a unei fisuri.

Altă problemă priveşte zona afectată de căldură în timpul sudării. Temperaturile relativ înalte produse în timpul sudării pot modifica semnificativ comportamentul aliajului cu memorie a formei. De exemplu, temperaturile mai mari de 600°C vor afecta majoritatea aliajelor nichel-titan, reducându-le forţa de acţiune şi amplitudinea deplasării care se pot obţine după cicluri repetate (sub sarcină). Pentru unele aplicaţii aceste efecte din zona de îmbinare pot fi acceptate. Dacă este cerut numai un număr foarte mic de cicluri, atunci poate fi acceptată o îmbinare sudată, lipită sau cositorită.

Se ştie că aliajele nichel-titan şi Cu-Zn-Al pot fi lipite folosind o umplutură de argint, însă la locul de lipire este posibilă apariţia unei fisuri după câteva sute de cicluri severe.

În prezent, cea mai convenabilă metodă de îmbinare este prin câteva mijloace mecanice. Îmbinarea prin strângere este metoda folosită cu cel mai mare succes. În general, de la o îmbinare mecanică reuşită se cere să se furnizeze suficientă ”forţă de legătură” în condiţiile unor cicluri termice şi să se permită modificarea dimensiunilor aliajului cu memorie a formei fără o schimbare semnificativă a acestei forţe. Aceasta este în mod curent evidenţiată de răspunsul elastic al materialului la îmbinarea prin strângere.

Îmbinarea mecanică este folosită pentru unirea sau fixarea capetelor firelor din aliaj cu memorie a formei. Această metodă este folosită uneori şi pentru limitarea alungirii arcurilor elicoidale. Mecanismele care conţin arcuri elicoidale de compresiune nu necesită, de regulă, fixare; de exemplu, arcul este fixat prin contactul cu componentele adiacente sau prin orificiile în care este introdus. Arcurile elicoidale de întindere prevăzute cu cârlige la capete, pun o problemă interesantă de îmbinare. Într-adevăr, dacă în timpul procesului de modelare a formei se încălzeşte întregul arc, atunci cârligul terminal va tinde să se deformeze la temperaturi joase, fiind prin urmare ineficient sau nesigur.

După proiectarea efectivă a componentei cu memorie a formei, metodologia de îmbinare reprezintă probabil următoarea mare provocare adresată inginerului proiectant. Experienţa arată că tehnicile de îmbinare trebuie să fie de natură mecanică şi că acestea trebuie să fie considerate parte integrantă a proiectului.

CCOONNFFIIGGUURRAAŢŢIIII TTIIPPIICCEE ŞŞII MMOODDUURRII DDEE OOPPEERRAARREE PPEENNTTRRUU AALLIIAAJJEELLEE CCUU MMEEMMOORRIIEE AA

FFOORRMMEEII În funcţie de modul de operare, elementul cu memorie, la încălzire, poate să-şi recupereze forma (liber sau în condiţii restrictive) şi să producă lucru mecanic funcţionând împotriva unor forţe constante sau variabile. Elementele cu memorie, acţionate termic sau electric, posedă un mare potenţial pentru a fi utilizate la dispozitive

de acţionare cu diverse configuraţii, cu o funcţionare eficientă, silenţioasă, simplă şi cu posibilitatea de a se controla pas cu pas modul de operare.

MODURI DE RECUPERARE A FORMEI

Modul de operare cu un element cu memorie a formei depinde de forma elementului, de caracteristicile lui, precum şi de ansamblul din care acesta face parte.

Recuperarea liberă Recuperarea liberă are trei etape:

1. deformarea aliajului cu memorie a formei în starea martensitică la temperatură joasă;

2. îndepărtarea forţei deformante (când poate avea loc şi o uşoară revenire); 3. încălzirea peste temperatura Af pentru a recupera forma de la temperatura

înaltă. În afară de jucării şi de demonstrarea efectului de memorie există puţine aplicaţii

practice care folosesc recuperarea liberă, ilustrată în Figura 5.

Recuperarea în condiţii restrictive Recuperarea în condiţii restrictive este modul de operare folosit pentru cuple,

cleme şi conectori electrici. Pentru a o înţelege mai uşor să ne imaginăm un ax solid rigid şi un inel din aliaj cu memorie a formei (A.M.F.) cu diametrul interior puţin mai mic decât axul (Figura 23).

Inelul este lărgit la temperatura joasă după care este aşezat pe ax. Apoi, inelul este încălzit şi îşi recapătă forma parţial, până ia contact cu axul. După contact, revenirea se opreşte apărând în schimb o tensiune în inel.

S-a observat că tensiunea de revenire creşte cu deformarea de contact (de exemplu cu deformarea inelului după contactul cu axul). Deformările de contact mici ar trebui evitate deoarece conduc la tensiuni de contact diminuate. Aceasta arată că are loc o reducere a posibilităţii de recuperare a deformaţiei, să zicem de la 8% la 6% pentru aliajul nichel-titan. Cu aliaje nichel-titan călite s-au obţinut tensiuni de revenire ce depăşesc 700 Mpa.

În aplicaţiile reale suportul nu este rigid ci suferă fie o deformare plastică, fie una elastică. În acest caz tensiunea finală şi deformaţia sunt influenţate în mare măsură de proprietăţile mecanice ale suportului.

Figura 23. Recuperarea în condiţii restrictive

Cuplele cu memorie a formei CryofitTM, produse de Advanced Metal Components Inc., sunt folosite pentru îmbinarea tuburilor şi conductelor, mai ales în liniile hidraulice. Acestea sunt fabricate sub forma unui manşon lărgit care acoperă capetele tuburilor de îmbinat. Când manşonul este montat se încălzeşte şi îşi reduce diametrul prinzând tuburile şi formând o îmbinare strânsă. Ele sunt folosite în aplicaţii care necesită o îmbinare compactă şi sigură, de exemplu, îmbinarea tuburilor hidraulice în aplicaţiile

aerospaţiale. Au fost folosite, de asemenea, în aplicaţii industriale şi marine. Cuplele Cryofit sunt livrate, în general, în azot lichid şi necesită unelte speciale de instalare. Aceste cuple criogenice se contractă şi formează o îmbinare definitivă când ajung la temperatura de lucru a aplicaţiei. Recent, a fost descoperit un aliaj ”încălzeşte pentru a strânge” din nichel-titan, care permite livrarea cuplelor la temperatura camerei şi apoi încălzirea în timpul instalării pentru a realiza îmbinarea.

Unul dintre principalele dezavantaje ale acestor cuple este costul lor relativ ridicat comparativ cu alte metode de îmbinare. Însă ele fiind foarte sigure sunt folosite des în aplicaţii de uz militar, cum ar fi avioanele de vânătoare militare.

În Figura 24 este prezentată o schemă a conectorului electric cu memorie a formei CryotactTM, produs de Raychem Corporation.

Figura 24. Conector CryotactTM

Conectorul se compune dintr-un contact rigid (din beriliu-cupru) şi un element de acţionare cu memorie a formei. Ca şi în exemplul cu cuplele CryofitTM, elementul de acţionare cu memorie este alungit la temperaturi joase, contactul se deschide, permiţând introducerea picioruşului cipului electronic. Ansamblul este lăsat apoi să se încălzească la temperatura de lucru şi elementul de acţionare cu memorie a formei se contractă prinzând strâns picioruşul. Din nou este nevoie de dispozitive speciale dar, spre deosebire de cuple, ansamblul poate fi deschis şi închis de multe ori dacă componenta electronică trebuie înlocuită. Conectorii sunt folosiţi pentru conectarea circuitelor dublu integrate. Ei au avantajul unei forţe de strângere mari şi a unei forţe de inserţie nule.

Betaphase Inc. a realizat un conector electric pentru circuite imprimate. În acest caz un element de acţionare cu memorie a formei deschide un conector cu contacte multiple când este încălzit, iar un arc din beriliu-cupru furnizează forţa de strângere, când ansamblul se răceşte. O aplicaţie tipică de fixare o constituie inelele din sârmă de Ni-Ti, TinelLockTM, fabricate de Raychem Corporation şi folosite pentru prinderea unui conector de mantaua de ecranare electromagnetică a unui cablu. Inelul se instalează la temperatura camerei, apoi se comprimă la încălzirea realizată electric. Inelele cu memorie a formei pot fi, de altfel, folosite şi la sigilarea componentelor speciale, la repoziţionarea unui angrenaj sau a lagărului pe ax.

Producerea de lucru mecanic - dispozitive de acţionare În acest mod de operare elementul cu memorie a formei, ca firul sau arcul elicoidal, funcţionează împotriva unor forţe constante sau variabile. Aceste elemente generează forţe şi deplasări la încălzire. Cel mai simplu mod de operare este funcţionarea împotriva unei forţe constante. În Figura 25 este ilustrată o greutate uşoară suspendată de un fir cu memorie a formei.

TEMPERATURĂ ÎNALTĂ

Figura 25. Mod de lucru al unui fir cu memorie a formei

La temperatura joasă firul se va deforma până la lungimea L1, impusă de un limitator mecanic. La temperatura joasă, forţa exercitată de fir, F 1 , este mult mai mică decât forţa exercitată de greutatea W. Când firul este încălzit peste temperatura Af, el revine la lungimea L 2 , cu o forţă F 2 egală cu forţa gravitaţională a greutăţii date.

Elementele cu memorie a formei pot funcţiona împotriva diverselor forţe, cum ar fi forţa generată de un arc de oţel, presiunea fluidelor sau o forţă magnetică. Aplicarea forţelor exterioare, incluzând preîncărcarea, sarcina, frecarea, produce modificări semnificative ale temperaturilor de transformare şi deci influenţează histerezisul termic al întregului sistem. Prin urmare, este greu să se prezică exact comportamentul de histerezis al oricărui sistem de acţionare cu memorie a formei. De aceea pentru unele prototipuri, ce necesită un ”reglaj fin”, trebuie făcute unele încercări preliminare.

DISPOZITIVE DE ACŢIONARE

Aliajele cu memorie a formei posedă un mare potenţial pentru a fi utilizate în aplicaţiile cu dispozitive de acţionare. Ele pot fi folosite în diferite configuraţii incluzând arcurile elicoidale, grinzile în console, firele drepte, tuburile şi arcurile torsionate. Avantajele lor constau într-o funcţionare eficientă, silenţioasă, simplă şi într-un control pas cu pas al modului de operare.

Arcuri cu memorie a formei Folosirea aliajelor cu memorie a formei sub formă de arcuri elicoidale pare să

aibă rezultate promiţătoare în aplicaţiile cu dispozitive de acţionare. Un arc cu memorie a formei are caracteristicile forţă/deplasare rezonabile, o mărime compactă şi o proiectare simplă. Forţa, pe care un arc dintr-un material oarecare o produce la o deviere dată, depinde în mod liniar de modulul de forfecare al materialului. Aliajele cu memorie a formei prezintă o mare dependenţă de temperatură a modulului de forfecare al materialului, care creşte odată cu temperatura. Prin urmare, pe măsură ce se măreşte temperatura, forţa exercitată de un arc cu memorie a formei creşte alarmant. Figura 26 ne arată un arc cu memorie a formei în diferite stări.

În partea dreaptă a Figura 26, arcul se află la o temperatură înaltă când este neîncărcat. Aceasta este lungimea iniţială pe care arcul a memorat-o şi de care îşi va ”aminti” când se va încălzi la temperaturi mai mari decât Af. Aşa cum se vede, în centrul figurii 3.4, dacă o greutate este plasată pe arc, când acesta este încălzit se va produce o deplasare până când apare o forţă egală cu forţa aplicată, W. Dacă temperatura este acum coborâtă până la Mf, arcul va deveni foarte mic şi greutatea W îl va comprima la maxim, aşa cum se vede în partea stângă a Figura 26. Dacă arcul este apoi încălzit va reveni la lungimea exemplificată în centrul Figura 26, efectuând un lucru mecanic egal cu: (W·deplasarea). Acest ciclu poate fi repetat de mai multe ori.

TEMPERATURĂ JOASĂ

Figura 26. Stările unui arc cu memorie a formei

Figura 27 prezintă o situaţie în care greutatea a fost înlocuită cu un arc realizat dintr-un material convenţional, de exemplu oţelul. Forţa cu care arcul cu memorie a formei trebuie să se opună, variază cu deplasarea. La temperatură joasă arcul de oţel este capabil să comprime total arcul cu memorie a formei (Figura 27).

Figura 27. Deplasare în dublu sens obţinută prin utilizarea

unui arc (de oţel) de pretensionare

Când temperatura arcului cu memorie a formei creşte, acesta se alungeşte comprimând arcul de oţel şi mişcând astfel pistonul. Această metodă de tensionare ne ajută, în mod convenabil, să obţinem o mişcare în dublu sens a unui arc cu memorie a formei, fiind cea mai uzuală metodă folosită în aplicaţiile cu dispozitive de acţionare.

Consideraţii teoretice privind dispozitivele de acţionare

Dispozitivele de acţionare cu memorie a formei sunt considerate ca fiind dispozitive de putere redusă concurând astfel cu solenoizii, bimetalele şi într-o anumită măsură cu motoarele wax. În tabelul 3.1 se compară caracteristicile diferitelor tipuri de dispozitive de acţionare de putere redusă. Se estimează că arcurile cu memorie a formei pot produce un lucru mecanic de peste o sută de ori mai mare decât în cazul utilizării bimetalelor termice. Uneori, în aplicaţiile în care spaţiul este limitat şi când sunt necesare forţe relativ mari, pot fi folosite arcurile cu memorie a formei, cu toate că sunt mai costisitoare decât bimetalele. În aplicaţiile unde nu există constrângeri speciale şi care necesită forţe mici, bimetalele vor domina prin preţurile lor scăzute. De aceea, dispozitivele din aliaje cu memorie a formei le pot înlocui, dar numai în cazul în care este necesară o forţă relativ mare.

Tabelul 3.1 Caracteristicile dispozitivului de acţionare

TIPUL TEMPERATUR

A DEPLASARE

A CARACTERISTICI

Solenoid -50 la +1200C Liniară -construcţie simplă -preţ scăzut

Bimetal -40 la +6000C Încovoiere -preţ scăzut -răspuns liniar

INITIALA A ARCULUI

Motor wax -40 la +1800C Liniară

-forţă mare -preţ scăzut -răspuns liniar

Aliaj cu memorie a

formei -100 la +1700C

Liniară Torsiune

Încovoiere

- forţă mare/mărime -construcţie simplă -răspuns liniar sau neliniar -funcţionare silenţioasă -control termic şi electric

Motoarele wax produc forţe mari, de ordinul a 300 N, iar dacă ne interesează numai forţa, sunt mai economice decât arcurile cu memorie a formei. Totuşi, motoarele wax sunt mai voluminoase şi au un timp mai mare de răspuns. De aceea dispozitivele de acţionare din aliaje cu memorie a formei le pot înlocui, dar numai în cazul în care este necesară o forţă relativ mică. Pentru că Ni-Ti poate fi acţionat electric relativ uşor, arcurile şi firele executate din acest aliaj pot înlocui solenoizii în anumite aplicaţii. Solenoizii obişnuiţi au o forţă de acţionare mare şi un preţ unitar scăzut în comparaţie cu aliajele cu memorie a formei, dar sunt voluminoase, zgomotoase şi generează forţe de inerţie mari. În situaţia în care forţele implicate sunt de ordinul a 10 N, spaţiul este limitat, nivelul de zgomot şi efectul de inerţie cerute sunt reduse, atunci arcurile şi firele din aliaje cu memorie a formei pot concura cu solenoizii. De altfel, dispozitivele de acţionare din aliaje cu memorie a formei, energizate electric generează o mai mică interferenţă electromagnetică decât solenoizii. În general, vom avea un timp de răspuns mai rapid al solenoizilor decât al dispozitivelor de acţionare din aliaje cu memorie a formei energizate electric. Dispozitivele de acţionare cu fire cu memorie a formei pot da şi forţe destul de mari, dar acţiunea lor este strict dependentă de lungimea sârmei. Folosirea aliajelor cu memorie a formei poate simplifica câteodată mecanismul sau procedeul, reducând numărul de subansamble şi crescând siguranţa, deci reducând costurile de producţie (fiabilitate ridicată).

Acţionarea termică

Cel mai important lucru, referitor la acţionarea termică a dispozitivelor de acţionare cu memorie a formei, este stabilirea cerinţelor legate de temperaturile de transformare, pentru o aplicaţie dată. Cea mai ridicată temperatură poate fi peste Af, cel puţin la început, dar să nu scadă niciodată mai jos de Ms, exceptând numai situaţia în care elementul este resetat. Temperatura joasă trebuie să fie cel puţin cât Mf, la răcire, dar niciodată nu trebuie să fie deasupra lui As.

Un alt factor important este temperatura maximă de expunere. Aliajele Ni-Ti au o temperatură maximă de expunere de 2500C, urmate de aliajele Cu-Al-Ni cu temperatura de 2000C şi Cu-Zn-Al cu temperatura de 1200C. În general, se recomandă să se păstreze temperatura de operare a dispozitivelor de acţionare cu memorie a formei la o valoare la care se poate evita deteriorarea prin efecte termice, cum ar fi deteriorarea temperaturilor de transformare structurală şi de fluaj (în special la Cu-Zn-Al). Un alt factor important este timpul de răspuns al dispozitivului de acţionare. În cele mai multe aplicaţii transferul de căldură se face prin convecţie. Aliajele dispozitivelor de acţionare, pe bază de Cu, tind să aibă un timp de răspuns mai mic decât cele pe bază de Ni-Ti, la forme şi mărimi similare, datorită capacităţii de încălzire

mici şi conductivităţii termice mari. În cazul dispozitivelor de acţionare cu memorie a formei timpul de răspuns este, de asemenea, în strânsă dependenţă de condiţiile mediului şi de configuraţie, adică de formă, de raportul arie/volum etc. Pentru configuraţii cu sârme şi arcuri, timpul de răspuns este direct proporţional cu diametrul sârmei. S-a constatat că, în cazul firelor cu diametrul mai mic de 0,13 mm, raportul arie/volum se măreşte foarte mult, iar timpul de răcire devine destul de rapid. Situaţia ideală este atunci când dispozitivul de acţionare răspunde la temperatura fluidului în care acesta este imersat.

Dispozitive pe bază de nichel-titan cu acţionare electrică Pentru că are o rezistivitate mare de 80 până la 89 micro ohm·cm, Ni-Ti se poate încălzi singur la trecerea curentului electric prin el. Timpul de răspuns este dependent în mare măsură de mărimea curentului folosit, de diametrul firului, de temperatura mediului ambiant şi de configuraţia dispozitivului de acţionare. De exemplu, un fir drept al unui dispozitiv de acţionare din Ni-Ti, cu diametrul de 0,6 mm necesită un curent de 3,5 până la 4 amperi pentru o acţionare în 3 secunde, la temperatura camerei şi fără răcire forţată. Pe de altă parte, un fir cu diametrul de 0,15 mm are nevoie numai de 0,4 amperi pentru un timp de acţionare de o secundă. Tensiunea electrică necesară este dependentă de rezistenţa totală a elementului, care depinde de raportul diametru/lungime şi de lungimea totală a elementului. Unui dispozitiv de acţionare din Ni-Ti i se poate aplica direct c.a. sau c.c., dar trebuie să se aibă în vedere să nu se depăşească temperatura maximă de 2500C, în ideea evitării instabilităţii termice. Un control mai bun şi o încălzire uniformă sunt posibile folosind metoda numită modulaţie în lăţime a impulsului, în care variabila de control nu este amplitudinea curentului care rămâne constantă, ci durata acestuia. În varianta utilizării curentului continuu, timpii de răcire şi încălzire având o variaţie logaritmică la temperatura camerei, în condiţiile de mediu, timpul de revenire (la răcire) poate fi o problemă în cazul diametrelor firelor mai mari de 0,5 mm.

Comportarea ciclică La dispozitivele de acţionare cu memorie a formei supuse la cicluri termomecanice pot să apară două dezavantaje:

1. îmbătrânirea clasică prin oboseală; 2. pierderea deplasării prin cicluri termice repetate.

Din păcate, există foarte puţine date disponibile privind comportamentul ciclic. Oricum, pot fi făcute câteva comentarii generale. Creşterea degradării deplasării, care apare în urma ciclurilor termice, este puternic dependentă de tensiunea aplicată. Dispozitivele de acţionare cu arc din Ni-Ti, supuse unor cicluri termice, sub o tensiune de forfecare de aproximativ 172 MPa, înregistrează o pierdere de aproximativ 15% a deplasării, după 100000 cicluri. Această pierdere este liniară cu logaritmul numărului de cicluri, cu un mare procentaj al pierderii înregistrat după primele câteva mii de cicluri.

În general, îmbătrânirea clasică prin oboseală nu reprezintă o problemă pentru dispozitivele de acţionare din Ni-Ti supuse unor cicluri termice. Aceasta devine o problemă de bază în cazul elementelor de Ni-Ti supuse ciclurilor electrice. Cu o valoare nominală a tensiunii de forfecare de 172 MPa s-a constatat că efectul de îmbătrânire prin oboseală apare după 25000 până la 50000 de cicluri, în cazul energizării electrice a unui arc elicoidal din Ni-Ti. Durata la oboseală, în cazul acţionării electice, este puternic dependentă de condiţiile de mediu, care conduc la efectul de curgere şi la localizarea concentrărilor de tensiune. În multe cazuri punctele terminale electrice ale dispozitivului de acţionare coincid cu punctele terminale mecanice, care sunt adesea zone de concentrări ale tensiunii. Această situaţie ar trebui evitată deoarece punctele conectate electric sunt conexiuni ”reci” şi există gradienţi termici care pot cauza prezenţa unor amestecuri de faze de martensită şi austenită, situaţie cunoscută ca fiind dăunătoare

ciclului de viaţă. În schimb, este de preferat să se realizeze o separare a poziţiilor terminalelor electrice şi mecanice ale unui dispozitiv de acţionare, prin extinderea materialelor cu memorie a formei dincolo de terminalele mecanice ale dispozitivelor de acţionare. Cu-Zn-Al poate suferi fisuri la limitele de granulaţie, datorate segregării Zn în această zonă. De altfel, ca rezultat al ciclării, se formează în martensită un număr mare de fisuri mici; acestea pot constitui un punct de plecare pentru îmbătrânirea prin oboseală. În general, aliajele Cu-Zn-Al sunt mai rezistente decât aliajele Cu-Al-Ni supuse la îmbătrânirea clasică prin oboseală, deoarece limita de curgere a aliajului Cu-Zn-Al este aproximativ o treime din cea a aliajului Cu-Al-Ni, deci, Cu-Zn-Al se poate deforma plastic în zonele de concentrare internă a tensiunii. În acest fel, se reduce tendinţa de formare a fisurilor. Pentru aliajele Cu-Zn-Al trebuie folosite nivele scăzute ale tensiunilor, deoarece limitele de curgere mai mici le fac mult mai susceptibile la pierderi. Aliajele Cu-Al-Ni sunt predispuse la fisuri prin oboseală, generate la limitele de granulaţie. Trebuie accentuat că testarea oboselii ar trebui făcută în condiţii cât mai apropiate de cele din aplicaţiile actuale, în ideea ca datele obţinute să fie semnificative.

Aplicaţiile dispozitivelor de acţionare Printre domeniile în care se poate folosi acţionarea termică se numără şi cel al automobilelor:

cuplă-ventilator; controlul motorului; controlul transmisiei.

Acţionarea electrică în automobile are aplicaţii în:

lămpi de ceaţă; faruri escamotabile; controlul presiunii ştergătoarelor.

Aplicaţii posibile:

acţionări electrice la: maşini de spălat vase, maşini de spălat şi frigidere (înlocuirea solenoizilor);

acţionări termice la: cuptoare, recipiente pentru apă fierbinte, radiatoare portabile, cafetiere şi ceainice. Potenţiale aplicaţii pentru acţionarea electrică există de asemenea şi în robotică. În acest caz este posibil să folosim variaţiile rezistivităţii aliajelor cu memorie a formei la poziţionarea autocontrolată. Configuraţiile cu fire elastice cu memorie a formei sunt cele mai cunoscute în aplicaţiile din robotică, datorită înaltei lor eficienţe. Dispozitivele de acţionare cu fire cu memorie a formei cântăresc aproximativ 1/10 din greutatea convenţională a unui servomotor. Atât firma Toki cât şi Furukawa Companies au dezvoltat cercetarea braţelor de roboţi, folosind fire de Ni-Ti acţionate electric. Un robot ”crab” pentru mineritul subacvatic de mangan a fost, de asemenea, propus ca o aplicaţie a dispozitivului de acţionare din Ni-Ti. Protecţia împotriva incendiilor este o altă zonă de aplicaţie, iar aliajele pe bază de Cu par să domine această zonă. Firele din aliaje cu memorie a formei au fost folosite ca senzori electrici (utilizând modificarea rezistivităţii cu temperatura) pentru detectarea incendiilor. Alte aplicaţii împotriva incendiilor, care necesită ca mari suprafeţe să fie protejate, folosesc firul atât ca senzor cât şi ca element de acţionare. Domeniile adiacente protecţiei împotriva incendiilor includ folosirea dispozitivelor de acţionare cu memorie a formei la supapele de opturare a gazelor şi la stropitorile de apă. Avantajul

folosirii dispozitivelor de acţionare cu memorie a formei împotriva incendiilor este acela că ele răspund odată cu creşterea temperaturii mediului ambiant, putând astfel anticipa incendiul. Un alt domeniu de aplicare al dispozitivelor de acţionare cu memorie a formei îl constituie întrerupătoarele. Datorită cerinţelor de temperaturi de transformare înalte, aliajele pe bază de Cu au o aplicabilitate mai mare, în acest domeniu, decât cele de Ni-Ti. Instalarea protecţiilor contra scurtcircuitelor este dificilă pentru elementele de acţionare cu memorie a formei, deoarece, de obicei, se dezvoltă o temperatură înaltă şi acest lucru tinde să strice memoria formei elementului sau cel puţin să-i degradeze serios acţiunea. Protecţia împotriva supraîncărcării staţionare pare să fie un domeniu mult mai promiţător, în special pentru Cu-Al-Ni (limita de temperatură fiind 1700C). Folosirea memoriei în acest domeniu permite simplificarea construcţiei în comparaţie cu bimetalele termice, care necesită mecanisme speciale de închidere mecanică. Deoarece răspunsul este termic, folosirea lor poate elimina falsele alarme datorate şocurilor electrice pentru că şocul este diminuat de transferul de căldură. Din nou, problema în acest domeniu pare să fie degradarea termică.

Consideraţii mecanice Cel mai mare succes în aplicaţii îl au componentele din aliaje cu memorie a formei care posedă, în mod curent, toate sau majoritatea următoarelor caracteristici:

1. proiectare mecanică simplă;

2. componenta cu efect de memorie a formei este introdusă rapid şi susţinută de celelalte părţi din ansamblu;

3. componenta cu efect de memorie a formei este în contact direct cu încălzirea/răcirea mediului;

4. frecarea este minimizată şi nu există concentrări de forţe şi tensiuni;

5. cerinţe de forţă şi deplasare minime pentru componentele cu memorie a formei;

6. componenta cu efect de memorie a formei este izolată (decuplată) faţă de forţele accidentale cu variaţie mare;

7. toleranţele tuturor componentelor se corelează în mod realist cu cele ale componentei cu efect de memorie.

Configuraţii tipice ale dispozitivelor de acţionare cu memorie a formei Figura 28 prezintă o aplicaţie tipică, a elementului cu memorie, la o supapă în care fluidul curge perpendicular pe direcţia de acţionare a unui arc cu memorie a formei.

Figura 28. Controlul supapei prin efectul de memorie, cu acţionare perpendicular pe direcţia de curgere

Figura 29 prezintă o aplicaţie care se referă la o supapă în care fluidul (gazul) curge după o direcţie paralelă cu direcţia de acţionare a unui arc cu memorie a formei.

Figura 29. Controlul supapei prin efectul de memorie, cu acţionare

paralel la direcţia de curgere

Figura 30 ne arată un arc cu memorie a formei folosit să închidă şi să deschidă o ieşire de aer.

Figura 31 ilustrează operaţia de închidere a supapei, care trebuie să funcţioneze asemenea unui mecanism de siguranţă pentru blocarea curgerii gazului în cazul unui incendiu sau a atingerii unor temperaturi extreme. Trebuie subliniat că acest arc cu memorie este utilizat la degajarea mecanismului de închidere a supapei, deci el lucrează numai împotriva frecării.

Figura 30. Controlul ieşirii aerului utilizând efectul de memorie

Acest tip de proiect permite componentei din aliaj cu memorie a formei să controleze forţe relativ mari.

Figura 31. Mecanism de închidere utilizând efectul de memorie a formei

Figura 32 arată cum poate fi folosit un arc cu memorie a formei la controlul unui clopot cu manivelă.

Figura 32. Mecanismul unui clopot cu manivelă care utilizează memoria formei

Prin schimbarea dimensiunilor manivelei clopotului pot fi obţinute diferite combinaţii pentru forţă şi deplasare pentru ajustarea avantajului mecanic.

Ca un ultim exemplu de aplicaţie tipică a aliajelor cu memorie, Figura 33 prezintă o bară cu memorie a formei (adică o grindă în consolă) folosită pentru controlul termic al microîntreruptorului care, de altfel, se poate acţiona şi manual.

Figura 33. Controlul microîntreruptorului prin efectul de memorie

Acest tip de sistem poate fi folosit pentru a asigura controlul automat şi manual al ventilatoarelor de răcire