Modul-5-Mat avansate 2009

28
Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor” Pagina 1 M5.MACP MATERIALE INTELIGENTE. MATERIALE CU MEMORIA FORMEI. CUPRINS INTRODUCERE 2 Obiective 2 Organizarea sarcinilor de lucru 2 Recomandări bibliografice 2 Lecţia 1 BAZELE FENOMENOLOGICE ALE MEMORIEI FORMEI 3 Exemplu ilustrativ 1 8 Exemplu ilustrativ 2 10 Exemplu ilustrativ 3 12 Activitatea 1 14 Lecţia 2 EFECTELE DE MEMORIE A FORMEI OBŢINEREA ALIAJELOR CU MEMORIE 15 Exemplu ilustrativ 4 19 Activitatea 2 23 REZUMAT 24 Rezultate aşteptate 24 Puncte cheie 25 TEST DE AUTOEVALUARE 26 MODULUL 5

Transcript of Modul-5-Mat avansate 2009

Page 1: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 1

M5.MACP

MATERIALE INTELIGENTE. MATERIALE CU MEMORIA FORMEI.

CUPRINS

INTRODUCERE 2

Obiective 2 Organizarea sarcinilor de lucru 2 Recomandări bibliografice 2

Lecţia 1 BAZELE FENOMENOLOGICE ALE

MEMORIEI FORMEI 3

Exemplu ilustrativ 1 8 Exemplu ilustrativ 2 10 Exemplu ilustrativ 3 12 Activitatea 1 14

Lecţia 2 EFECTELE DE MEMORIE A FORMEI OBŢINEREA ALIAJELOR CU MEMORIE

15

Exemplu ilustrativ 4 19 Activitatea 2 23 REZUMAT 24 Rezultate aşteptate 24 Puncte cheie 25 TEST DE AUTOEVALUARE 26

MODULUL

5

Page 2: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 2

M5.MACP

INTRODUCERE

Aliajele cu memorie a formei (AMF) sunt cunoscute de mai multe decenii dar o bună perioadă de timp accesul la ele a fost rezervat aplicaţiilor de natură militară. Ele se caracterizează prin capacitatea de a recupera o formă avută înaintea unei deformări remanente printr-o simplă încălzire. Între proprietăţile funcţionale asociate care pot să apară în unele aliaje cu memorie se numără: superelasticitatea, capacitatea de amortizare, biocompatibilitatea şi feromagnetismul. Printre utilizări se remarcă folosirea aliajelor cu memorie în scop pur demonstrativ sau la realizarea de senzori, actuatori, regulatori, elemente de amortizare, elemente superelastice, în domeniul biomedical,etc.

Obiective

Organizarea sarcinilor de lucru

Recomandări bibliografice suplimentare

Obiectivele acestui modul sunt: Prezentarea generală a materialelor cu memoria formei şi modul de

obţinere al acestora; Să prezinte efectele de memorie a formei şi a transformarea martensitică

ce stă la baza fenomenului.

Se parcurg cele 2 lecţii ale modulului de studiu. La fiecare lecţie urmăriţi exemplele ilustrative şi efectuaţi activităţile

cerute. Fixaţi principalele idei ale modului de studiu prezentate în rezumat. Completaţi testul de autoevaluare. La fiecare sarcină aveţi indicat timpul de lucru. Timpul mediu necesar pentru asimilarea modulului este de 240 minute. Timpul de lucru pentru parcurgerea activităţilor este de 45 minute. Timpul de lucru pentru parcurgerea testului de autoevalure este de 40

minute.

Pentru o detaliere suplimentară a aspectelor prezentate în acest modul puteţi parcurge lucrările 1. BUJOREANU, L.G., Materiale inteligente. Editura „Junimea”, Iaşi, 2002,

ISBN 973-37-0735-X. 2. NANU, A., Tratat de tehnologii neconvenţionale. Editura ARTPRESS

Timişoara, 2005, ISBN 973-695-071-9. 3. http://www.mtm.kuleuven.ac.be/Research/ADAPT/publicat/

ShapeMemory/smatext.htm

Page 3: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 3

M5.MACP

BAZELE FENOMENOLOGICE

ALE MEMORIEI FORMEI

1.1. Noţiuni generale

Principala reuşită a aplicaţiilor inginereşti este legată de capacitatea de-a funcţiona în mod corespunzător în cele mai variate condiţii de exploatare.

Din acest motiv, în proiectarea clasică, inginerul trebuie să ia în calcul “scenariul celui mai nefavorabil caz”, legat atât de calitatea materialelor din componenţa produsului cât şi de condiţiile de exploatare ale acestuia.

Rezultă un produs cu coeficienţi mari de siguranţă, ceea ce implică un surplus al consumului de masă şi de energie.

În plus, nu există nici o metodă care să permită anticiparea comportamentului la oboseală a unui anumit produs, înaintea ruperii catastrofale.

Toată experienţa acumulată în acest domeniu se bazează pe observaţiile efectuate după rupere, când este întotdeauna prea târziu, dacă s-au pierdut bunuri materiale sau mai ales vieţi omeneşti.

Spre deosebire de structurile convenţionale, care au doar rolul de-a suporta sarcinile statice şi dinamice, structurile adaptive îşi pot modifica caracteristicile în funcţie de solicitări.

De la noţiunea de structură adaptivă a pornit, la începutul anilor '80 , preocuparea de a crea inteligenţă artificială după modelul sistemelor vii.

Materialele inteligente încorporează proprietăţile de adaptabilitate şi de multifuncţionalitate, utilizând exclusiv caracteristicile intrinseci ale materialelor:

• 1-senzitivitatea; • 2-impresionabilitatea (memorie); • 3-modificabilitatea (adaptare şi învăţare); • 4-activitatea (realizare de sarcini şi acţiuni) şi • 5-imprevizibilitatea (posibilitate de abatere de la experienţa anterioară).

LECŢIA 1

Page 4: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 4

M5.MACP

Totuşi, manifestările inteligenţei artificiale nu pot fi privite drept produse ale conştiinţei artificiale, deoarece aceasta nu poate fi încă modelată.

Noţiunea de material inteligent poate fi extinsă la un nivel mai înalt de inteligenţă artificială, prin încorporarea unei "funcţii de învăţare". Rezultă un sistem inteligent care poate detecta variaţiile mediului şi-şi poate modifica caracteristicile proprii astfel încât să controleze variaţiile care au generat această modificare.

S-au dezvoltat, astfel, noţiunile de "inteligenţă pasivă" (care permite doar reacţia la mediu) şi de "inteligenţă activă" (care reacţionează în mod discret la constrângeri mecanice, termice sau electrice exterioare, ajustându-şi caracteristicile printr-un sistem de feed-back).

Prin analogie cu ştiinţele biologice, sistemele inteligente pot îndeplini funcţii de actuatori (muşchi), de senzori (nervi) sau de control (creier).

Materialele inteligente, au mai fost numite senzoriale, adaptive, metamorfice, multifuncţionale sau deştepte (smart). Ele pot combina funcţia de actuator cu cea de senzor.

Un ansamblu de materiale inteligente, analizat la scară macroscopică dar integrat la scară microscopică poartă denumirea de “structură inteligentă”. Ea se poate auto-monitoriza, reacţionând unitar la orice stimul extern. Cea mai simplă structură materială inteligentă este alcătuită dintr-un senzor, un actuator şi un amplificator de feed-back.

În urma studiului, dezvoltării şi implementării materialelor inteligente în diverse sisteme materiale a apărut noţiunea de "viaţă artificială" (a-life) dedicată creării şi studiului unor organisme şi sisteme de organisme construite de oameni.

Principalele domenii de aplicabilitate ale materialelor inteligente sunt

următoarele: 1 – controlul vibraţiilor la structurile spaţiale flexibile mari (cu dimensiuni

până la cea a unui teren de fotbal), care trebuie să-şi menţină o precizie dimensionala ridicată;

2 – controlul mişcării instabile a tronsoanelor şi a sistemelor de legătură ale subsateliţilor aflaţi pe orbită circumterestră;

3 – controlul geometriei aripilor de avion, a palelor de elicopter şi a elicelor sau velaturii navelor prin ameliorarea aero- sau a hidrodinamicii în scopul reducerii/suprimării vibraţiilor produse de curenţii turbionari din aer sau apă;

4 – controlul nivelului intensităţii luminoase (lentile fotocromatice, geamuri cu indice de refracţie autoreglabil);

5 – medicină - chirurgie (filtre sangvine, muşchi, membre şi organe artificiale), ortopedie (implanturi) sau oftalmologie (retină artificială);

6 – monitorizarea continua a stării de sănătate (toalete inteligente care analizează dejecţiile, avertizând depăşirile limitelor admise);

7 – modificarea adaptivă a formei suprafeţelor-oglindă ale antenelor convenţionale de precizie sau ale telescoapelor de înalta rezoluţie (Hubble);

8 – conectică (asamblări nedemontabile rezistente la vibraţii); 9 – reducerea activă a concentratorilor de tensiuni, din vecinătatea găurilor şi a

crestăturilor, prin intermediul activatorilor încorporaţi, cu deformaţie impusă; 10 – cadre (corsete) cu geometrie variabilă care pot modifica impedanţa

structurilor mari (control antiseismic);

Page 5: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 5

M5.MACP

11 – controlul acustic structural activ (cu ajutorul vibratorilor cu oscilaţii transversale)

12 – micromotoare; 13 – robotică; 14 – protecţia la supracurent; 15 – controlul atmosferei din incinte (umiditate, nivel de oxigen, etc.). Prin aportul sistemelor materiale inteligente proiectanţii nu vor mai trebui să

adauge masă şi energie, pentru a mări fiabilitatea produselor. Experienţa nu se va mai dobândi prin studii de caz şi anchete, după producerea accidentului (rupere la oboseala), ci chiar în timpul funcţionării sistemelor materiale inteligente, prin monitorizarea reacţiilor şi a adaptabilităţii acestora.

Materialele inteligente cele mai importante sunt: • materiale cu memoria formei; • materialele piezoelectrice; • electro- şi magnetostrictive; • electro- şi magnetoreologice.

Piaţa mondială a materialelor inteligente se cifrează la miliarde dolari USD anual dintre care 75% reprezintă materialele piezoelectrice şi electrostrictive, câte 10% materialele magnetostrictive şi cele cu memoria formei şi restul de 5% materialele electro- şi magnetoreologice.

1.2. Materiale cu memoria formei

Aliajele cu memoria formei (AMF-uri) au fost cunoscute la începutul anilor ‘70 sub denumirea de “marmem”-uri (care sublinia legătura dintre martensită şi memorie) dar, o bună perioadă de timp accesul la ele a fost rezervat doar aplicaţiilor de natură militară.

La ora actuală, la aliajele obţinute prin tehnologia clasică (bazată pe topire-turnare-deformare) s-au adăugat cele obţinute prin metalurgia pulberilor etc. Mai mult chiar, au apărut şi o serie de materiale nemetalice cu memoria formei care cuprind materiale ceramice, polimeri şi materiale compozite.

În aceste condiţii, s-a generalizat denumirea de materiale cu memoria formei. Acestea se caracterizează prin capacitatea de a recupera o formă avută înaintea

unei deformări remanente printr-o simplă încălzire. În afară de acest efect numit şi efectul simplu de memorie a formei (ESMF) se mai pot observa şi efectul dublu de memorie a formei (EDMF), obţinut în urma unor tratamente termomecanice complexe, numite „de educare”. În acest caz modificarea formei are loc şi la încălzire şi la răcire.

Între proprietăţile funcţionale asociate care pot să apară în unele aliaje cu memorie se numără: superelasticitatea frecvent utilizată în aplicaţii cu caracter biomedical, care asociază deformaţii mari unor modificări mici ale tensiunii, capacitatea de amortizare, biocompatibilitatea (predominant la familia NiTi) şi feromagnetismul (care permite acţionarea simultană prin activări termice sau magnetice).

"Vedeta" materialelor cu memoria formei este în mod incontestabil aliajul NITINOL, numit astfel după Ni-Ti şi Naval Ordnance Laboratory – locul unde a fost

CONCLUZIE

Page 6: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 6

M5.MACP

descoperit. Formula defineşte aliajele din familia Ni-Ti situate in vecinătatea concentraţiei 50% Ti, 50% Ni, descoperite 1961.

Aliajul Ni-Ti prezintă excelente caracteristici legate de fenomenele de memoria formei, cum ar fi deformaţiile maxime care pot fi recuperate de până la 10 %.

Ulterior au fost descoperite mai multe familii de aliaje la care se manifestă efectul de memorie (de exemplu Ag-Cd, Ni-Al, In-Al), cele mai noi cercetări fiind recent direcţionate spre aliajele feromagnetice cu memorie a formei.

Proprietăţile deosebite ale aliajelor cu memorie a formei le fac extrem de

importante în prezent, prin potenţialul lor deosebit de a fi utilizate în scop pur demonstrativ sau la realizarea de senzori, elemente superelastice, actuatori, regulatori, de amortizare şi în domenii de vârf cum sunt tehnica biomedicală, sistemele nanoelectronice, sistemele microelectromecanice sau cele complexe bio şi optoelectromecanice.

1.3. Bazele fenomenologice ale memoriei formei -Transformarea

martensitică

Comportarea aliajelor cu memorie a formei este legată de transformarea martensitică şi mai ales de particularităţi ale acesteia, cum sunt: reversibilitatea, termoelasticitatea precum şi un mecanism particular al transformării.

Transformarea martensitică din oţelurile carbon se compune dintr-o forfecare simplă asociată cu o alungire şi contracţie (fig.5.1). Între austenita cu structură cubică cu feţe centrate (cfc) şi martensita de călire cu structură tetragonală cu volum centrat (tvc) există o relaţie de orientare şi apare un plan nedeformat şi nerotit (plan habital invariant) care asigură un mecanism de creştere rapidă a martensitei (fig.5.1).

Martensita oţelurilor carbon devine tetragonală din cauza suprasaturării în carbon, care deformează celula elementară cubică cu feţe centrate a austenitei din care rezultă prin răcire. (vezi fig.5.1 şi M1, lecţia 1, cap. 1.3. Transformarea austenitei la răcire).

Celula (tvc) de Mecanismul de creştere martensită rezultată a martensitei

Fig.5.1. Formarea martensitei la oţelurile carbon

CONCLUZIE

Page 7: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 7

M5.MACP

Preluând principalele caracteristici ale transformării martensitice din oţelurile-

carbon – absenţa difuziei şi prezenţa relaţiilor de orientare între faza iniţială (austenita) şi produsul de reacţie (martensita) – s-a convenit ca toate transformările în stare solidă de tip "militar", prin care se realizează formarea coerentă a unei faze dintr-alta în urma deplasării simultane a tuturor atomilor pe distanţe inferioare celei de salt difuziv, să fie considerate de tip martensitic.

Pe baza considerentelor de mai sus, transformarea martensitică a fost identificată la un număr mare de materiale, ce includ: metale pure, materiale ceramice, minerale, compuşi organici, sticle solidificate şi bine-înţeles aliajele cu memoria formei (AMF).

Transformarea martensitică se

desfăşoară între două faze, martensita (stabilă la temperatură joasă) şi austenita (stabilă la temperatură înaltă). Odată cu modificarea temperaturii are loc transformarea, de manieră reversibilă, dintr-o fază în alta.

La răcire (figura 5.2), transformarea

austenitei în martensită începe la temperatura martensită start (Ms) şi se termină la martensită final (Mf), iar la încălzire transformarea martensitei în austenită începe la temperatura austenită start (As) si se termină la austenită final (Af)

În transformarea martensitică deformaţia rezultată prin modificarea reţelei în urma deplasării colective a atomilor, poate fi descrisă ca o forfecare de-a lungul planelor cristalografice. Transformarea martensitică ar trebui să conducă la o modificare a formei cristalului de austenită (figura 5.3), dar acest lucru nu se observă. Cauza nemodificării formei în urma transformării martensitice, o constituie apariţia şi creşterea martensitei maclate (“self - accomodating”).

Particularităţile transformării martensitice prezentate succint permit

explicarea fenomenologiei aliajelor cu memorie a formei.

Fenomenul de memorie a formei se manifestă spectaculos în aliajul echiatomic Ni-Ti sau nitinol (fig. 5.4).

Fig. 5.2. Transformarea martensitică

reversibilă

Fig.5.3. Acomodarea la transformarea

martensitică

Page 8: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 8

M5.MACP

Sârme drepte obţinute când

aliajul se află în stare austenitică sunt răcite până la temperatura camerei (sub Ms) când suferă transformarea martensitică. În stare martensitică sârmele sunt deformate plastic. La o uşoară încălzire (peste Af) materialul suferă transformarea martensitică inversă trecând în austenită, şi cu această ocazie sârma îşi reia forma pe care au avut-o iniţial (ca şi când şi-ar fi amintit această formă). Această comportare surprinzătoare este în contrast cu ireversibilitatea binecunoscută a deformării plastice obişnuite, realizată prin deplasarea dislocaţiilor.

EXEMPLU ILUSTRATIV 1: Fenomenul de memorie a formei

Efectul de memoria formei este observat în cazul în care un arc din aliaj cu memoria formei este răcit la temperatura sub Mf. În această etapă, aliajul este în întregime format din martensită care poate fi uşor deformată. După deformarea AMF forma originală poate fi recuperată, pur şi simplu prin încălzire peste temperatura Af.

Căldura transferată în AMF în timpul încălzirii este energia necesară rearanjării atomilor din aliaj (similar cu căldura latentă de topire a gheţii în apă, doar că aliajul rămâne solid). Martensita deformată este acum transformată în austenită, fază la care este reconfigurată şi forma iniţială.

Aliajul generează o forţă mare în timpul fazei de transformare. Astfel, el poate fi folosit ca un actuator într-o multitudine de aplicaţii.

Fig.5.5. Revenirea prin încălzire a unui arc din nitinol deformat

Fig.5.4. Faze ale deformării şi revenirii datorită efectului de memoria formei,

în funcţie da variaţia temperaturii

Page 9: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 9

M5.MACP

Caracteristicile esenţiale pe care trebuie să le îndeplinească transformarea

martensitică în cazul aliajelor cu memorie a formei, sunt: - transformarea martensitică este termoelastică şi reversibilă; - martensita se caracterizează prin prezenţa maclelor interne. Trăsătura caracteristică a martensitei termoelastice este dată de apariţia sau

dispariţia ei treptată, în funcţie de evoluţia temperaturii. Astfel, plăci de martensită sau grupuri de plăci se formează şi cresc continuu pe măsură ce temperatura probei este scăzută şi pe de altă parte se reduc şi dispar continuu pe măsură ce temperatura este mărită (fig. 5.6). Prima placă apare la temperatura Ms şi dispare a temperatura Af iar ultima placă formată la Mf este prima care va dispare a AS.

Deci, fenomenul de „memoriei a formei" se bazează pe două caracteristici

esenţiale ale martensitei din aceste aliaje: a) martensita este termo-

elastică (ceea ce implică un caracter perfect coerent şi mobil al interfeţelor martensită/austenită)

b) structura acestei

martensite este caracterizată prin prezenţa de macle interne (fig. 5.7) şi nu de dislocaţii.

În aceste condiţii,

deformarea plastică aplicată în stare martensitică se realizează nu prin alunecări ci prin demaclarea maclelor interne din substructura martensitei (fig. 5.7).

Fig.5.6. Transformarea reversibilă martensită-austenită cu caracter termoelastic

Fig.5.7. Vedere macro şi microscopică a

deformaţiilor intr-un AMF

Page 10: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 10 M5.MACP

La transformarea inversă când

martensita se transformă în austenită regiunile demaclate îşi reiau orientarea pe care au avut-o în martensita iniţială.

În acest mod tensiunile interne înmagazinate în martensită, cu ocazia demaclării prin care s-a realizat deformarea plastică a aliajului în stare martensitică, acţionează provocând deformarea în sens invers, şi ca urmare la revenirea în stare austenitică corpul îşi reia forma exterioară pe care a avut-o în starea austenitică iniţială (fig. 5.8).

Este evident că într-un asemenea ciclu de transformări, pentru ca efectul de memorie a formei să se manifeste este necesar să nu intervină moduri de deformare ireversibile, cum sunt cele realizate prin procese de alunecare.

De asemenea devine de înţeles faptul că fenomenul de memorie a formei se manifestă în aliajele cu deformaţie mică a reţelei cristaline la transformarea martensitică, deformaţie care poate fi acomodată printr-o substructură bazată pe macle interne şi nu pe dislocaţii.

EXEMPLU ILUSTRATIV 2: Modificarea reţelei cristaline la un AMF

Modul cum se modifică reţeaua cristalină a unei agrafe din AMF în timpul încălzirii, răcirii şi deformării este ilustrat in continuare (fig. 5.9).

În prima fază agrafa deformată se încălzeşte ceea ce se observa şi după culoarea roşie ce o capătă atomii. Prin transformarea în austenită straturile atomice se rearanjează, rând pe rând, agrafa recăpătându-şi forma.

Prin răcire, vezi şi culoarea albastră a atomilor, austenita se transformă în martensită maclată dar la nivel macro agrafa rămâne la aceeaşi formă.

În fine, martensita se poate deforma din nou prin demaclare.

Fig.5.8. Efectul de memorie a formei,

vedere micro

CONCLUZIE

Page 11: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 11 M5.MACP

Fig.5.9. Modificarea reţelei cristaline la un AMF în timpul

încălzirii, răcirii şi deformării

Superelasticitatea. Aşa cum s-a văzut mai sus, transformarea este în primul

rând indusă termic (prin variaţia temperaturii) dar, poate fi cauzată şi de deformare (transformare indusă mecanic sau sub tensiune).

Temperaturile Mf, Ms, As, Af

la care transformările la răcire şi încălzire încep şi se termină, depind şi de starea de tensiune. Cu cât tensiunea este mai mare cu atât aceste temperaturi sunt mai ridicate după cum se arată în figura 5.10.

1. Agrafa deformată prin demaclarea martensitei 2, 3. Prin încălzire martensita se transformă in austenita si

datorita modificării reţelei cristaline agrafa revine la forma iniţială

4. Prin răcire austenita se transformă in martensită cu macle fără schimbarea formei agrafei 5. Deformarea printr-o nouă demaclare

Figura Fig.5.10. Dependenţa temperaturilor de

transformare de încărcare

1 2 3

4 5

Page 12: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 12 M5.MACP

Superelasticitatea este cauzată de transformările martensitice asistate de

tensiune, termenul propus ulterior şi unanim acceptat la ora actuală fiind cel de transformare martensitică indusă prin tensiune (MIT) la temperaturi constante din domeniul austenitic.

Austenita aflată la o temperatură peste Af (fig. 5.11), prin tensionare trece în stare martensitică fără a-şi schimba temperatura. La descărcare revine la structură austenitică fără aport de căldură.

Tensionarea înseamnă deformarea aliajului (fig.5.12), iar descărcarea înseamnă revenirea la forma iniţială.

EXEMPLU ILUSTRATIV 3: Superelasticitatea

Superelasticitatea este cauzată de transformarea martensitică indusă

prin tensiune (fig.5.11) la temperaturi constante din domeniul austenitic. Austenita aflată la o temperatură peste Af (fig.5.12), prin tensionare

trece în stare martensitică fără a-i schimba temperatura. La descărcare

Fig.5.11. Diagrama de încărcare şi

apariţia efectului pseudoelastic

Fig.5.12. Modificările reţelei cristaline care

descriu mecanismul de superelasticitate

Page 13: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 13 M5.MACP

revine la structură austenitică fără încălzire. Tensionarea înseamnă deformarea aliajului (fig. 5.13), iar descărcarea înseamnă revenirea la forma iniţială.

Fig.5.13. Superelasticitatea sau efectul mecanic de memorie a formei

1. Sârmă nedeformată cu structură austenitică

2, 3. Deformarea sârmei si apariţia structurii martensitice datorită tensionării, fără modificarea temperaturii

4, 5. Revenirea la structura austenitică şi la

forma iniţială fără încălzire

1 2 3

4 5

Page 14: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 14 M5.MACP

Activitatea 1

Timp de lucru: 25 minute

1. Menţionaţi principalele domenii de aplicabilitate ale materialelor inteligente.

----------------------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------------------

2. Descrieţi transformarea martensitică la oţelurile carbon. Generalizaţi la AMF-uri.

----------------------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------------------

3. Explicaţi diferenţa intre deformarea plastică clasică şi deformarea aliajelor cu memoria formei.

----------------------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------------------

4. Transformarea austenită-martensită poate avea loc la temperatură constantă? Explicaţi mecanismul superelasticităţii.

----------------------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------------------

Page 15: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 15 M5.MACP

EFECTELE DE MEMORIE A FORMEI.

OBŢINEREA ALIAJELOR CU MEMORIE.

2.1. Efectele de memorie a formei

La AMF transformarea martensitică poate fi indusă atât termic cât şi prin tensiunea mecanică aplicată.

În principiu, până în prezent, au fost puse în evidenţă două mecanisme distincte de generare a efectului de memorie a formei:

- memoria termică, prin care se permite recuperarea formei prin încălzire sau răcire şi care se manifestă ca:

-efect simplu de memorie a formei (ESMF); -efect dublu de memorie a formei (EDMF);

- memoria mecanică, prin care se permite apariţia superelasticităţii numită şi pseudoelasticitate (PSE);

PSE mai este numită şi „memorie mecanică” deoarece presupune recuperarea deformaţiilor aplicate prin simpla descărcare mecanică. Pe de altă parte, ESMF şi EDMF presupun recuperarea deformaţiilor prin încălzire şi respectiv încălzire-răcire, motiv pentru care aceste efecte caracterizează aşa-numita „memorie termică”.

În continuare se va studia legătura dintre transformarea martensitică şi comportarea macroscopică a materialului unui arc din AMF, în cadrul efectelor menţionate mai sus.

Efectul simplu de memoria formei

Efectul simplu de memorie a formei (the one way memory effect) se defineşte ca fiind proprietatea unor materiale particulare de a-şi recupera forma avută înaintea unei deformări remanente, atunci când sunt încălzite peste o anumită temperatură.

LECŢIA 2

Page 16: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 16 M5.MACP

În funcţie de condiţiile în care se produce redobândirea formei calde, ESMF poate fi: cu revenire liberă, cu revenire reţinută şi cu generare de lucru mecanic.

ESMF-Revenire liberă

ESMF cu revenire liberă (fig.5.14) constă în alungirea arcului comprimat, în timpul încălzirii între punctele C şi D, când se produce trecerea spontană de la forma rece la cea caldă (de la martensită la austenită). Acest efect se produce în absenţa oricăror constrângeri exterioare.

Recuperarea formei nu apare instantaneu, ea are loc într-un interval de

temperatură AS-Af (figura 5.2), care poate varia între câteva grade şi câteva zeci de grade, în funcţie de compoziţia aliajului şi de secvenţa particulară de transformare de fază. La răcire nu mai apare nici o altă modificare de formă, iar pentru o nouă evidenţiere a efectului de memorie este necesară o nouă intervenţie externă, respectiv de o nouă etapă de deformare (B).

ESMF- Revenire reţinută

ESMF cu revenire reţinută se produce atunci când, la încălzire, elementul de memoria formei este împiedicat să-şi redobândească forma caldă (fig. 5.15).

Fig.5.15. Generarea tensiunii la revenirea AMF.

Arcul este deformat (A la B) şi descărcat (B la C) la o temperatură sub Mf. Tensiunea de revenire se

generează în timpul încălzirii (D la E) începând cu temperatura

Tc (D), situată între As şi Af.

Fig.5.14. Efectul simplu de memoria formei-revenire liberă

Arcul este deformat (A la B) şi descărcat (B la C) la o temperatură sub Mf. Deformaţia reziduală este restaurată în timpul încălzirii peste Af .

F-forţa, T-temperatura, L- deformarea

Page 17: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 17 M5.MACP

ESMF- generator de lucru mecanic

ESMF- generator de lucru mecanic este evidenţiat sub efectul unei tensiuni, menţinută constantă, în timpul încălzirii. Deoarece prin ESMF este efectuată o deplasare prin învingerea unei forţe W (fig. 5.16), este generat lucrul mecanic util. ESMF- generator de lucru mecanic, reprezintă una dintre cele mai spectaculoase şi mai utile aplicaţii ale AMF.

Fig.5.16. Efectul simplu de memoria formei-generare de lucru mecanic.

Arcul este deformat la o temperatură sub Mf (A la B), urmează descărcarea (B la C) şi, din nou, o încărcare cu greutatea W (C la D). Recuperarea la forma caldă în timpul încălzirii peste Af (D la E) are loc cu deplasarea greutăţii W deci, cu efectuare de lucru mecanic.

Efectul de memoria formei în dublu sens

Un material cu efect dublu de memorie a formei (the two way memory effect) permite modificarea spontană a formei atât la încălzire cât şi la răcire, între o formă “caldă” şi una “rece” (fig.5.17). Avantajul principal al efectului dublu, care rezultă din eliminarea intervenţiei externe la fiecare ciclu este contrabalansat de o capacitate limitată de recuperare a formei, comparativ cu cazul efectului simplu. Acest tip de comportament apare în general doar în urma unor tratamente termice sau termomecanice complexe (numite în

unele cazuri şi de educare), în urma iradierii, a deformării plastice localizate, etc.

Fig.5.17. Efectul de memoria formei în dublu sens. Schimbarea formei se realizează la răcirea sub Mf

(A la B). Prima formă se reia prin încălzire peste Af (B la C).

Page 18: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 18 M5.MACP

Efectul dublu de memorie a formei poate fi indus forţat în cadrul unor sisteme

mecanice care să utilizeze o componentă suplimentară, capabilă să producă deformarea unui aliaj cu memorie, sau mai poate fi obţinut în arhitecturi compozite în care se asociază un aliaj cu memorie cu un material elastic. În cel de-al doilea caz materialul asociat se deformează elastic în cursul recuperării formei aliajului cu efect simplu de memorie, iar energia elastică acumulată este utilizată în faza de răcire, pentru deformarea aliajului. O variantă a efectului dublu de memorie a formei este şi efectul de memorie a formei complet rotunde (all-round) în care materialul îşi schimbă concavitatea în cursul recuperării formei.

Superelasticitatea (Comportarea pseudoelastică)

Aliajele cu memorie a formei prezintă o comportare elastică deosebită de cea a

materialelor metalice uzuale. Termenul pseudoelasticitate a fost adoptat pentru a sublinia faptul că deformaţia reversibilă apare ca efect al unei transformări de fază. O analiză a terminologiei utilizate pune în evidenţă existenţa unor denumiri comerciale şi a unor denumiri ştiinţifice care reflectă, practic din perspective diferite, aceleaşi particularităţi de comportament. Denumirile comerciale sunt superelasticitatea, iar cele ştiinţifice au la bază analiza unor aspecte ale modificărilor structurale asociate cu pseudoelasticitatea.

Superelasticitatea este o proprietate a cărei manifestare derivă din aspectele prezentate la martensita indusă termomecanic, şi anume: la o temperatură superioară temperaturii Af, prin tensionare se favorizează apariţia variantelor de martensită (în condiţii în care aceasta nu există în mod normal, vezi şi fig. 5.11).

Daca temperatura este mai ridicată decât Af (adică în domeniul în care, în lipsa tensiunii, ar trebui sa existe numai austenita) şi se reduce valoarea tensiunii, rezultă o transformare inversă totală a martensitei şi deci o recuperare a deformaţiei (fig. 5.18).

2.2. Materiale nemetalice cu memoria formei

După cum s-a arătat la începutul cursului, există şi materiale nemetalice cu memoria formei.

Fig.5.18. Efectul superelastic.

Arcul aflat le temperatură constantă peste Af este deformat sub acţiunea unei forţe şi trece in stare martensitică (A la B). La descărcare revine la starea austenitică şi la forma iniţială (B la C).

CONCLUZIE

Page 19: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 19 M5.MACP

Cele mai reprezentative sunt: - materialele polimerice; - polimeri termoplastici şi elastomeri, - polimeri cu reţele interpenetrante, - materialele compozite. Polimeri cu memoria formei. Există polimeri care au capacitatea de a-şi

redobândi o anumită formă, prin încălzire. În această categorie au fost incluşi polimerii termoplastici, elastomerii şi polimerii cu reţele interpenetrante cu memoria formei .

În cadrul polimerilor termoplastici cu memoria formei se numără polimerii termocontractabili, folosiţi cu precădere la obţinerea mantalelor de la conductorii electrici „grei” şi în general la orice izolare electrică eficace şi operativă. Un exemplu de polimer termocontractabil este poliolefina. La aplicarea unei încălziri, cu o lampă de benzină sau cu o suflantă de aer cald, (până la 1200C, în cazul poliolefinei) polimerii termocontractabili se strâng asigurând astfel, de exemplu, izolarea unui mănunchi de conductori electrici sau cuplarea a două capete de conducte pneuno-hidraulice.

Printre polimerii termoplastici cu memoria formei se numără şi poli-izoprenul, copolimerul de butadien-stirenă, poliuretanul, polietilena, etc.

Cel mai cunoscut polimer cu reţele interpenetrante este hidrogelul. Acesta

formează legături de hidrogen care determină moleculele să se împacheteze compact, cu inelele aromatice suprapuse, ceea ce contribuie la scăderea volumului specific şi interpenetrarea reţelelor.

EXEMPLU ILUSTRATIV 4: Hidrogelul

Dispunerea compactă, caracteristică temperaturilor sub 350C, este

ilustrată în fig. 5.19(a). Dacă hidrogelul

este încălzit peste 350C, legăturile de hidrogen se rup şi structura devine dezordonată, ca în fig.5.19(b).

Variaţia este reversibilă, hidrogelul strângându-se la loc, odată cu răcirea sub 350C.

Prin imersarea hidrogelului într-o soluţie de ketoprofen dizolvat în metanol, s-a reuşit încărcarea acestui medicament în polimerul aflat în stare compactă.

Fig.5.19. Structura hidrogelului a-structură compactă sub 350C,

b-structură dilatată la peste 350C

Page 20: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 20 M5.MACP

Temperatura de rupere a legăturilor de hidrogen (deci de umflare) poate fi controlată prin intermediul unei soluţii-tampon de fosfat.

Reglând această temperatură cu puţin deasupra temperaturii normale a corpului, (la o valoare caracteristică stării febrile, când organismul luptă împotriva unei infecţii), s-a obţinut un sistem adaptiv de distribuire a medicamentelor deoarece odată cu umflarea hidrogelului, ketoprofenul a fost eliberat imediat în corpul bolnavului. Cum odată cu scăderea temperaturii (revenirea la starea normală) hidrogelul se strânge la loc, eliberarea medicamentului încetează.

Aşadar, prin utilizarea polimerilor adaptivi la temperatură, cu reţele interpenetrante, au fost create noi sisteme adaptive (inteligente) de distribuire a medicamentelor .

Compozite cu memoria formei. Cele mai larg răspândite materiale compozite cu memoria formei sunt obţinute prin laminarea într-o matrice polimerică (în general elastomerică) a unor elemente actuatoare (lamele, benzi, sârme educate) din AMF.

La aplicarea unui câmp electric exterior, se produce deformaţia electromecanică (încovoierea) materialului compozit în aşa fel încât suprafaţa concavă (de-a lungul căreia sunt distribuite tensiuni de compresiune) este îndreptată întotdeauna înspre anod. La schimbarea polarităţii curentului se modifică şi sensul de încovoiere.

Din punct de vedere al deformaţiei electromecanice, materialele compozite polimer-metal pot fi considerate drept nişte actuatori cu deplasare mai mare (peste 10 %) decât AMF (peste 8 %) care se obţine sub efectul unor tensiuni electrice aplicate mici (4-7 V).

Timpul de reacţie al AMF este de ordinul secundelor până la minute iar timpii de reacţie ai compozitelor polimer-metal, ca şi la materialele piezoceramice, sunt de ordinul microsecundelor până la secunde.

Dacă la proprietăţile de mai sus se adaugă densitatea foarte redusă, (1-2,5)·103kg/m3 şi rezilienţa ridicată, se obţin calităţile esenţiale care recomandă materialele compozite polimer-metal drept candidaţi ideali pentru fabricarea „muşchilor” artificiali (vezi şi M7, Materiale electro şi magnetostrictive).

Utilizând aceste materiale compozite, s-au conceput actuatori liniari utilizaţi

într-o serie de ansambluri robotice experimentale care se pot deplasa pe sol, în apă sau în aer sau pot vibra în stare staţionară.

Fig. 5.20. Muşchi artificiali CONCLUZIE

Page 21: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 21 M5.MACP

2.3. Obţinerea aliajelor cu memorie De-a lungul timpului au fost descoperite o serie de aliaje sau familii de aliaje la

care s-a reuşit punerea în evidenţă, mai mult sau mai puţin semnificativ, a efectului de memorie a formei. Fiecare din aceste familii de aliaje prezintă o serie de particularităţi.

Dintre familiile de aliaje, utilitatea practică a fost remarcată doar la aliajele cu memorie a formei din familiile Ni-Ti, cele cu bază de cupru şi cele feroase. În prezent peste 90 % din piaţa aliajelor cu memorie este ocupată de familia Ni-Ti. O serie de alte familii de aliaje, deşi au proprietăţi bune, sunt limitate în utilizare de preţul ridicat dat de unele componente ale aliajelor (Au, Pt, Pd).

În realizarea aliajelor cu memorie a formei se disting două etape: cea de obţinere a materialului şi cea de inducere a proprietăţilor funcţionale.

Prima etapă cuprinde de obicei operaţii de elaborare a căror complexitate depinde de compoziţia aliajului (vid înaintat la aliaje Ni-Ti, aer la aliaje cu bază de Cu) şi prelucrare primară (deformare plastică la cald sau rece). În cazuri particulare sunt utilizate procese complexe precum solidificare ultrarapidă din topitură, depunere de filme subţiri — cel mai frecvent prin pulverizare în plasmă sau metalurgia pulberilor.

În etapa a doua sunt induse proprietăţi funcţionale de obicei prin tratamente termice (efect simplu) sau termomecanice (efect simplu şi/sau efect dublu) respectiv tratamente de suprafaţă (biocompatibilitate).

Aliajele din familia Ni-Ti sunt cel mai dificil de realizat din cauza tendinţei de înglobare a oxigenului, cu efecte devastatoare asupra temperaturii de transformare şi implicit a efectului de memorie. Elaborarea se face în cuptoare cu vid înaintat şi este urmată de prelucrare la cald (pentru obţinerea formei) şi eventual la rece (pentru control dimensional şi calitatea suprafeţei). Domeniul compoziţional este restrâns, iar temperatura de transformare variază în funcţie de compoziţie.

În tab. 5.1 sunt exemplificate principalele tipuri de aliaje cu memorie dezvoltate pentru aplicaţii comerciale şi temperaturile de transformare corelate cu compoziţia chimică [2].

Tabel 5.1

Pentru definirea formei, aliajul este deformat, fixat şi (în stare deformată) este

tratat termic. Uneori etapele trebuie parcurse succesiv sau este necesară o recoacere prealabilă pentru creşterea limitei de deformare şi evitarea fisurării. Din cauza riscului înaintat de oxidare se folosesc cuptoare cu atmosferă controlată. Încălzirea se efectuează frecvent la temperaturi situate între 325 ci 525 °C dar pot fi utilizate şi alte temperaturi (300-900 °C) în funcţie de complexul de proprietăţi fizice şi mecanice dorit.

Page 22: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 22 M5.MACP

Limita maximă de deformare în aliajele cu memorie din familia Ni-Ti se situează între 6-8 %, însă limita recomandată pentru utilizare este între 3-4%, iar ductilitatea în stare recoaptă poate atinge valori de 60-70 %.

Tratamentele de suprafaţă pot fi diverse; cel mai frecvent se obţine la suprafaţă un oxid gri-cenuşiu ca urmare a tratamentului termic în aer sau albastru strălucitor — dacă oxidul cenuşiu a fost înlăturat înainte de tratamentul termic final. Suprafeţele pot fi prelucrate suplimentar prin lustruire electrolitică sau pot fi aplicate tratamente speciale de creştere a biocompatibilităţii.

Tratamentele termomecanice pentru inducerea efectului dublu de memorie sunt realizate frecvent prin cicluri de evidenţiere a efectului de memorie (deformare — încălzire), în urma cărora se obţine un efect dublu intrinsec. Din metodele de ciclare, cea cu deformare impusă este cea mai simplă şi presupune deformarea aliajului cu memorie la o temperatură superioară celei Af, urmată de răcirea în această stare, respectiv de repetarea acestui ciclu de câteva ori. Ciclarea prin superelasticitate are loc prin încălzire la temperaturi mai mari decât Af, urmată de aplicarea a zeci de cicluri (60-80) tensiune-deformaţie. Ciclarea termică la tensiune constantă utilizează câteva zeci de cicluri (20-40) încălzire — răcire aplicate materialului supus în timpul ciclării unei tensiuni constante.

Efectul dublu “în sistem” se obţine prin asocierea aliajului cu memorie (capabil să recupereze forma la încălzire) cu un material elastic (care va acţiona la răcire).

Page 23: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 23 M5.MACP

Activitatea 2

Timp de lucru: 20 minute

1. În funcţie de condiţiile în care se produce redobândirea formei calde, ESMF poate fi: cu revenire liberă, cu revenire reţinută şi cu generare de lucru mecanic. Explicaţi diferenţele dintre acestea.

---------------------------------------------------------------------------------------------------

---------------------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------------------

2. Comparaţi figurile 5.17 si 5.18. Arătaţi asemănările şi deosebirile dintre efectul de memorie a formei în dublu sens şi superelasticitate.

----------------------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------------------

--------------------------------------------------------------------------------------------------

3. Descrieţi motivele pentru care familia compozitelor cu memoria formei polimer-metal, sunt candidaţi ideali pentru fabricarea „muşchilor” artificiali.

----------------------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------------------

--------------------------------------------------------------------------------------------------

Page 24: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 24 M5.MACP

REZUMAT

► în LECŢIA 1 s-au studiat noţiuni generale despre materiale inteligente şi

domeniile de utilizare a acestora. Prin aportul sistemelor materiale inteligente proiectanţii nu vor mai trebui să supradimensioneze produsele pentru a le mări fiabilitatea. Experienţa nu se va mai dobândi prin studii de caz şi anchete, ci chiar în timpul funcţionării sistemelor materiale inteligente, prin monitorizarea reacţiilor şi a adaptabilităţii acestora.

Apoi, s-au prezentat aliajele cu memoria formei cu accent pe fenomenul pe care se bazează, transformarea martensitică. S-au studiat caracteristicile esenţiale pe care trebuie să le îndeplinească transformarea martensitică în cazul aliajelor cu memorie a formei termoelasticitatea, reversibilitatea şi prezenţa maclelor interne. Fenomenele ce au loc în cazul deformării unui aliaj cu memoria formei s-au analizat la nivel macro şi microscopic.

► în LECŢIA 2 s-au studiat mecanismele distincte de generare a efectului de

memorie a formei: memoria termică, prin care se permite recuperarea formei prin încălzire sau răcire şi care se manifestă ca efect simplu de memorie a formei (ESMF) respectiv efect dublu de memorie a formei (EDMF) şi memoria mecanică, prin care se permite apariţia superelasticităţii numită şi pseudoelasticitate (PSE).

În continuare s-a analizat legătura dintre transformarea martensitică şi comportarea macroscopică a materialului unui arc din AMF, în cadrul efectelor menţionate mai sus.

În final s-au prezentat unele materiale nemetalice cu memoria formei şi obţinerea aliajelor cu memorie.

REZULTATE AŞTEPTATE

După studierea acestui modul, ar trebui să cunoaşteţi noţiuni generale despre materiale inteligente şi domeniile de utilizare a acestora. De asemenea, să înţelegeţi fenomenul transformării martensitice, mecanismul de generare a efectului de memorie a formei şi să aveţi noţiuni despre obţinerea aliajelor cu memoria formei.

Page 25: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 25 M5.MACP

P U N C T E

C H E I E

Aplicaţiile inginereşti trebuie să funcţioneze în mod corespunzător în cele mai variate condiţii de exploatare. Din acest motiv, în proiectarea clasică, inginerul trebuie să ia în calcul “scenariul celui mai nefavorabil caz”. Rezultă un produs cu coeficienţi mari de siguranţă, ceea ce implică un surplus al consumului de masă şi de energie.

Spre deosebire de structurile convenţionale, care au doar rolul de a suporta sarcinile statice şi dinamice, structurile adaptive îşi pot modifica caracteristicile în funcţie de solicitări.

Materialele inteligente încorporează proprietăţile de adaptabilitate şi de multifuncţionalitate.

Din piaţa mondială a materialelor inteligente 75% reprezintă materialele piezoelectrice şi electrostrictive, câte 10% materialele magnetostrictive şi cele cu memoria formei şi restul de 5% materialele electro- şi magnetoreologice.

Materialele cu memorie se caracterizează prin capacitatea de a recupera o formă avută înaintea unei deformări remanente printr-o simplă încălzire.

Aliajul Ni-Ti prezintă excelente caracteristici legate de fenomenele de memoria formei, cum ar fi deformaţiile maxime care pot fi recuperate de până la 10 %.

Materialul suferă transformarea martensitei în austenită şi cu această ocazie îşi reia forma pe care au avut-o iniţial ca şi când şi-ar fi amintit această formă.

Fenomenul de „memoriei a formei" se bazează pe două caracteristici esenţiale ale martensitei din aceste aliaje: martensita este termoelastică şi structura acestei martensite este caracterizată prin prezenţa de macle interne .

În aceste condiţii, deformarea plastică aplicată în stare martensitică se realizează nu prin alunecări ci prin demaclare.

Memoria termică, prin care se permite recuperarea formei prin încălzire sau răcire se manifestă ca efect simplu de memorie a formei (ESMF) respectiv efect dublu de memorie a formei (EDMF) iar memoria mecanică, prin apariţia superelasticităţii numită şi pseudoelasticitate (PSE).

Page 26: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 26 M5.MACP

TEST DE AUTOEVALUARE

1) În proiectarea clasică, inginerul trebuie să ia în calcul: a) scenariul celui mai nefavorabil caz, legat atât de calitatea materialelor din

componenţa produsului cât şi de condiţiile de exploatare ale acestuia; Da / Nu b) un produs cu coeficienţi mari de siguranţă, ceea ce implică un surplus al

consumului de masă şi de energie; Da / Nu

c) observaţiile efectuate după rupere, când este întotdeauna prea târziu, dacă s-au pierdut bunuri materiale sau mai ales vieţi omeneşti.

Da / Nu 2) Un sistem inteligent poate: a) suporta sarcini statice şi dinamice, fără să permită anticiparea

comportamentului la oboseală, înaintea ruperii catastrofale; Da / Nu b) detecta variaţiile mediului şi îşi poate modifica caracteristicile proprii astfel

încât să controleze variaţiile care au generat această modificare; Da / Nu

c) îndeplini funcţii de actuatori (muşchi), de senzori (nervi) sau de control (creier).

Da / Nu

Încercuiţi răspunsurile corecte la întrebările următoare. ATENŢIE: pot exista unul, niciunul sau mai multe răspunsuri corecte la aceeaşi întrebare.

Timp de lucru: 30 minute

Page 27: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 27 M5.MACP

3) Din piaţa mondială a materialelor inteligente 75% reprezintă : a) materialele magnetostrictive şi cele cu memoria formei; Da / Nu b) materialele electro- şi magnetoreologice;

Da / Nu c) materialele piezoelectrice şi electrostrictive. Da / Nu 4) Transformarea de tip martensitic este: a) posibilă doar la oţelurile-carbon; Da / Nu b) orice transformare în stare solidă de tip militar, prin care se realizează

formarea coerentă a unei faze dintr-alta în urma deplasării simultane a tuturor atomilor pe distanţe inferioare celei de salt difuziv;

Da / Nu c) orice transformare din structură cubică cu feţe centrate (cfc) în structură

tetragonală cu volum centrat (tvc). Da / Nu 5) Transformarea austenitei în martensită începe la temperatura: a) martensită final (Mf); Da / Nu b) austenită start (As);

Da / Nu c) martensită start (Ms). Da / Nu 6) Caracteristicile esenţiale pe care trebuie să le îndeplinească transformarea

martensitică în cazul aliajelor cu memorie a formei, sunt: a) transformarea martensitică este termoelastică şi reversibilă; Da / Nu b) martensita se caracterizează prin prezenţa alunecărilor între straturile

atomice; Da / Nu

c) martensita se caracterizează prin prezenţa maclelor interne. Da / Nu 7) Superelasticitatea este cauzată de transformările martensitice induse prin

tensiune: a) la temperaturi constante din domeniul austenitic (T>Af); Da / Nu b) la temperaturi constante din domeniul martensitic (T<Mf);

Da / Nu

Page 28: Modul-5-Mat avansate 2009

Socaciu Teodor “Materiale avansate pentru calitatea produselor”

Pagina 28 M5.MACP

c) la scăderea temperaturii din domeniul austenitic (T>Af), la domeniul martensitic (T<Ms).

Da / Nu 8) Superelasticitatea numită şi pseudoelasticitate (PSE) se mai numeşte: a) memoria termică; Da / Nu b) efect dublu de memorie a formei;

Da / Nu c) memoria mecanică. Da / Nu 9) ESMF- generator de lucru mecanic: a) se produce în absenţa oricăror constrângeri exterioare; Da / Nu b) se produce atunci când, la încălzire, elementul de memoria formei este

împiedicat să-şi redobândească forma caldă; Da / Nu

c) este evidenţiat sub efectul unei tensiuni, menţinută constantă, în timpul încălzirii.

Da / Nu 10) Tratamentele termomecanice pentru inducerea efectului dublu de memorie

sunt realizate frecvent prin ciclare: a) termică la tensiune constantă utilizează câteva zeci de cicluri (20-40)

încălzire - răcire aplicate materialului; Da / Nu b) cu deformare impusă este cea mai simplă şi presupune deformarea aliajului

cu memorie la o temperatură superioară celei Af, urmată de răcirea în această stare, respectiv de repetarea acestui ciclu de câteva ori;

Da / Nu c) prin superelasticitate care are loc prin încălzire la temperaturi mai mari decât

Af, urmată de aplicarea a zeci de cicluri (60-80) tensiune-deformaţie. Da / Nu

Prin conectare la internet la adresa de site www.mmsc.upm.ro, vă logaţi cu datele de autentificare primite (user şi parolă) şi completaţi în modulul TESTE răspunsurile corecte la întrebări (pe care le-aţi încercuit anterior). ATENŢIE: Numai după transmiterea on-line a testului v-aţi îndeplinit obligaţiile de parcurgere a modulului.

Timp de lucru: 10 minute