Aliajul cu Memoria Formei Ni-Ti

1. NOTIUNI GENEREALE

Fenomenul de „memorie a formei” este prezent la anumite aliaje cu transformare martensitică reversibilă în care martensita are un caracter termoelastic. Un produs finit confectionat din astfel de materiale poate fi deformat de la o forma initiala, cu o configuratie stabila termic, pana la o alta forma, cu o configuratie instabila termic. Acest produs se spune ca are memoria formei pentru faptul ca, la aplicarea unei incalziri, poate reveni de la configuratia instabila termic la configuratia initiala, stabila termic, adica se poate spune ca ,,isi aminteste” forma initiala.

La aliajele metalice, proprietatea de a avea memoria formei este rezultatul faptului ca acestea prezinta o transformare reversibila de la o stare austenitica la o stare martensitica, la schimbarea temperaturii. Printre aliajele neferoase care au o martensită termoelastică reversibilă se pot enumera Au-Cd, Ti-Ni, In-Tl, Cu-Zn b¢ , Cu-Al-Ni, Cu-Zn-X, Ti-Ni-Cu, sau compuşii Cu3Al, Fe3Pt, NiAl, Cu1-xAuxZn (apropiat de compoziţia aliajului Heusler CuAuZn2).

Conceptual, obtinerea proprietatii de memoria formei presupune ca un aliaj care se prezinta in stare martensitica in apropierea temperaturii camerei si care are o structura austensitica intr-un domeniu larg de temperaturi, incluzind si temperatura camerei, sa poata prezenta o transformare de histerezis suficient de mare, peste 125 °C. Daca histerezisul termic este suficient de mare si temperatura camerei se situeaza in apropierea mijlocului acestui histerezis, atunci aliajul poate fi fabricat si depozitat (in mod conventional) si in stare martensitica. Cat timp histerezisul este suficient de mare, aliajul nu va putea sa se transforme din stare martensitica in stare austenitica pina ce nu va fi incalzit peste temperatura camerei. Incalzirea se va aplica numai dupa ce aliajul va fi instalat sau adus in conditiile de functionare dorite.

Fiind un domeniu relativ nou al tehnicii de varf, datele referitoare la obtinerea acestor materiale si aplicaţiile lor sunt departe de a fi suficient cunoscute. Desi pe plan international se desfasoara numeroase cercetari in acest domeniu, rezultatele sunt in general publicate dupa aparitia pe piata a noilor produse sau nici atunci, intrucat exista si se conserva monopolul de firma al catorva producatori specializati din tari puternic dezvoltate, cum sunt SUA si Japonia.

2. MATERIALUL CU MEMORIA FORMEI “NITINOL”

"Vedeta" materialelor cu memoria formei este în mod incontestabil aliajul NITINOL, numit astfel după Ni-Ti şi Naval Ordnance Laboratory (actualmente Naval Surface Warfare Center) – locul unde a fost descoperit. La ora actuală se consideră ca ţările europene cele mai implicate în industria materialelor cu memoria formei sunt Franţa (unde societatea IMAGO produce exclusiv dispozitive pe bază de Cu-Zn-Al) şi Germania.

În România nu se poate vorbi, din păcate despre o "industrie" a materialelor cu memoria formei, deşi există firme care comercializează – de exemplu – tuburi din polimeri termocontractabili pentru conductorii electrici de forţă sau rame de ochelari din “metale cu memorie”. Din punct de vedere al cercetării, însă, se poate vorbi despre un mult mai viu interes, mai ales în marile centre universitare (Bucureşti, Timişoara, etc.) printre care şi Iaşi. Lista aliajelor cu memoria formei (AMF) este impresionantă însă de uz comercial au devenit numai aliajele pe bază de Ni-Ti, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni şi Fe-Mn-Si.

Fig. Efectul de memorie a formei.

Principalul fenomen care a fost pus în legătura cu comportamentul de memoria formei este cunoscut de peste 100 de ani şi perpetuează amintirea ilustrului metalograf german Von Martens – transformarea martensitică.

Fig. Efectul de memorie a formei.

2.1. Transformarea martensitică

Denumirea transformării provine de la produsul de reacţie –martensita – "un microconstituent…din oţelul călit caracterizat printr-un model acicular sau aciform", obţinut dintr o soluţie solidă stabilă la temperaturi înalte, - austenita pe bază de Feγ, cu reţeaua cristalină cubică cu feţe centrate (cfc) – şi a fost observată pentru prima dată la oţelurile-carbon.

MARTENSITA

2.1.1. Transformarea martensitică din oţelurile-carbon

Martensita din oţelurile-carbon este cunoscută încă din 1895 ca o soluţie solidă suprasaturată, instabilă, de carbon dizolvat în Feα şi obţinută la viteze foarte mari de răcire. Caracteristicile transformării martensitice din oţelurile-carbon pot fi prezentate atât la nivel macroscopic cât şi la nivel microscopic.

La nivel macroscopic, transformarea martensitică din oţelurile-carbon, cu mai mult de 0,2 %C, se caracterizează prin:

1 – variaţie de volum de cca. 4 %, însoţită de apariţia microreliefului pe suprafeţele probelor lustruite şi călite;

2 – degajarea unei importante cantităţi de căldură latentă asociată cu transformarea martensitică ( transformare exotermă);

3 – necesitatea depăşirii unei viteze critice de răcire pentru împiedicarea producerii transformărilor intermediare (de exemplu transformarea bainitică);

4. – transformarea este de tip exploziv, viteza ei fiind limitată doar de viteza de propagare a sunetului prin oţel, astfel încât călirea unei piese mici în apa dintr-un vas Dewar duce la spargerea acestuia, din cauza undei de şoc creată de transformare;

5 – durificarea materialului;

6 – transformarea se compune dintr-o forfecare simplă , de aprox. 20 de ori mai mare decât deformaţia elastică şi o alungire sau contracţie pe o direcţie perpendiculară;

7 – lipsa reversibilităţii (la încălzire intervine difuzia);

8 – transformarea se produce numai în timpul răcirii continue, cu viteze de minimum 6000C/s, prin germinarea şi creşterea de noi plăci de martensită (şi nu prin creşterea celor vechi), în intervale de timp de ordinul a 10-7s, deci nu este necesară activarea termică deoarece cantitatea de martensită nu depinde de durata de menţinere la o anumită temperatură;

9 – transformarea este în primul rând indusă termic (prin variaţia temperaturii) dar poate fi cauzată şi de deformarea plastică (transformare indusă mecanic sau sub tensiune).