6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO
6th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING
11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil
April 11th to 15th, 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil
CARACTERIZAÇÃO FÍSICA E MECÂNICA DE UMA LIGA Ni-Ti
SOLIDIFICADA RAPIDAMENTE
Aécio Cleber Santos Silva, [email protected]
Walman Benicio de Castro, [email protected]
George Carlos S. Anselmo, [email protected]
Carlos José de Araújo, [email protected]
1
Universidade Federal de Campina Grande – UFCG-CCT-UAEM, Aprigio Veloso, 882 – Cx. P. 10069 - Bodocongó,
58429-900 – Campina Grande/PB
Resumo: Este trabalho teve como objetivo analisar a caracterização física e mecânica de uma liga Ni-Ti solidificadas
rapidamente. A técnica de melting spinning foi utilizada com variação da velocidade da roda 30 e 50 m/s. Observou-se
que variando-se a velocidade da roda a espessura da fita diminuiu pela rápida extração de calor. Isso provocou uma
diminuição do tamanho de grão das fitas, pois a extração rápida de calor induz a um alto super-resfriamento. Com os
tamanhos de grão menores as temperaturas de transformação da fita diminuíram e um aumentado na resistência
mecânica das fitas foi observado.
Palavras-chave: Solidificação rápida, ligas Ni-Ti,memória de forma.
1. INTRODUÇÃO
Investigar, produzir e desenvolver materiais com memória de forma (Shape Memory Effect - SME) com geometria
de fitas é o principal objetivo dessa pesquisa. Em virtude de possuírem propriedades específicas, as ligas com efeito de
memória de forma (SMA´s) são fortemente utilizados em muitas áreas da ciência e tecnologia e está cada vez mais
aumentando o campo de suas aplicações. As aplicações mais importantes são na engenharia elétrica e mecânica,
tecnologia aeroespacial, medicina e robótica (Fernandes, 2006). Com o surgimento de novos desafios na engenharia,
novas pesquisas e desenvolvimentos em ligas com efeito de memória de forma com espessuras finas se fazem
necessárias, para que atenda as necessidades de miniaturização, operação mais econômica e resposta rápida de
dispositivos. Uma perspectiva consiste em produzir fitas com espessura de 100μm ou menos a partir de ligas à base de
nitinol (NiTi). Porém, é muito difícil produzir fitas com essa espessura a partir de ligas pré-deformadas à base de NiTi
utilizando a técnica convencional, que é a de laminação, pois o trabalho vai ser árduo e o custo do processo se torna alto
(Kima ey al., 2006a). Além disso, a tecnologia convencional por laminação de obtenção de fitas provoca diminuição do
efeito de memória de forma das ligas.
Diante disso, é bem sugestivo um projeto onde se possam obter fitas de ligas com efeito de memória de forma
utilizando resfriamento rápido (técnica de melt spinning). Essa técnica permitirá obtenção de uma grande quantidade de
fitas de novas ligas com memória de forma com variação nas propriedades físicas e mecânicas. A principal vantagem
dessa nova tecnologia está no fato de que ela permite, através do resfriamento rápido, a obtenção de ligas com estrutura
amorfa ou parcialmente amorfa, que depois do tratamento térmico, se tornam estruturas micro-cristalinas ou nanocristalinas com um fino grau de dispersão da ordem 1-2 (Duwez, 1981), o que não é possível obter através da tecnologia
convencional de processamento de ligas com efeito de memória de forma.
Diante disso, o objetivo do presente trabalho foi analisar a caracterização física e mecânica da liga Ni-45wt%Ti
solidificadas rapidamente utilizando a técnica de melting spinning.
2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
A liga Ni-45Ti utilizadas neste trabalho foi produzida ITA no âmbito do projeto CNPq “Casadinho” UFCG-ITA,
utilizando um forno de indução a vácuo (Vacuum Induction Melting - VIM). Para obtenção das fitas a técnica de
solidificação rápida Melt Spinning foi utilizada, conforme mostra a figura 1. Pedaços do lingote foram colocados no
interior de um cadinho de quartzo e estes alojados no interior de uma bobina de indução que se encontra numa câmara
com atmosfera de argônio para então ser refundido. A ejeção da liga líquida ocorreu na temperatura de
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Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011
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aproximadamente 1350°C, com uma pressão de 200 mbar, sobre um volante de cobre com velocidades de giro variando
de 30 e 50 m/s.
Figura 1. Representação esquemática do processo melt spinning.
A caracterização física das fitas solidificadas rapidamente foi realizada através de Calorimetria Diferencial de
Varredura – DSC com taxa de aquecimento e resfriamento de 10°C/min, para verificar as temperaturas de
transformações da liga Ni-Ti. Para a caracterização mecânica das fitas solidificadas rapidamente foram realizados
ensaios de tração utilizando a máquina INSTRON 5582.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1. Influência da velocidade de rotação da roda sobre a espessura da fita
Observa-se na figura 2 o nível de redução da espessura da fita com o aumento da velocidade de rotação da roda do
melting spinning. Quando a velocidade da roda aumentou de 30 m/s para 50 m/s a espessura da fita diminuiu de 41 µm
para 30 µm. O aumento da velocidade da roda provocou a redução da espessura da fita, porque o coeficiente de
transferência de calor na interface roda-fita e a velocidade de resfriamento aumentam, provocando uma alta extração de
calor. Isto significa que, a quantidade de metal líquido depositada na roda é bem menor quando se aumenta a velocidade
de rotação da roda, produzindo uma menor espessura da fita. Então, a variação da velocidade da roda permite um
efetivo controle da taxa de resfriamento do processo melting spinning (Kima et al, 2006b).
Figura 2. Variação da espessura da fita com a velocidade da roda.
3.2. Influência da taxa de resfriamento nas temperaturas de transformação
A tabela 1 mostra o resultado das temperaturas de transformação obtidas do DSC com a variação da velocidade da
roda. Observa-se que os valores das temperaturas de transformação diminuíram com o aumento da velocidade da roda.
Essa queda nos valores das temperaturas de transformação está relacionada provavelmente com o tamanho de grão, ou
seja, quanto maior a velocidade da roda, um menor tamanho de grão será obtido na microestrutura da liga. Observa-se
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que os picos de transformação são pequenos e largos com pequenas entalpias de transformação (em torno de 20 J/g) e
que histereses de transformação são pequenas (da ordem de 10 a 15 oC) (Kima et al, 2006c). Isto porque, o processo de
solidificação rápida gerada pela alta extração de calor da roda de cobre quando da obtenção das fitas, gera uma grande
quantidade de defeitos e tensão residual. O aumento de contornos de grãos e os defeitos causados pela tensões residuais
provavelmente agiram como barreiras para a transformação martensítica, levando a uma diminuição das temperaturas
de transformação quando a velocidade da roda aumentar (Chang et al, 2005).
Tabela 1. Valores das temperaturas de transformação.
MI
MF
AI
AF
Ti (%wt)
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
45
59,3
44,0
67,6
87,8
30 m/s
45
49,0
41,0
63,4
79,6
50 m/s
45
37,3
23,7
54,0
79,0
Amostra
Bruta de
Fusão
3.3. Influência da taxa de resfriamento nas propriedades mecânicas
Para estudar a conduta de deformação das fitas solidificadas em diferentes rotações da roda foi realizado ensaios de
tração na temperatura ambiente e as curvas tensão-deformação são apresentadas na figura 3.
(a)
(b)
Figura 15. Curva tensão-deformação das fitas. a) Velocidade da roda de 30 m/s; b) Velocidade da roda de 50 m/s.
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As fitas solidificadas com velocidade de 30 m/s apresentaram o resultados de tensão máxima de aproximadamente
247 MPa, enquanto que as fitas solidificadas com velocidade de 50 m/s apresentaram o resultados de tensão máxima de
aproximadamente 540 MPa. Isto vem reforçar a hipótese de que acontece uma diminuição do tamanho de grão da liga
solidificada rapidamente, gerada pelo aumento da velocidade da roda. Assim para super-resfriamento pequenos, a
solidificação acontece em condições de equilíbrio, fazendo com que tanto a nucleação quanto o crescimento dos cristais
ocorram lentamente. Mas quando o super-resfriamento é alto a nucleação e a velocidade de crescimento dos cristais
também são altas, provocando refino de grão na microestrutura e gera uma grande quantidade de defeitos e tensão
residual (Wu & Lin, 2006). O contorno de grão e os defeitos causados pela tensão residual como um resultado da
energia extra requerida durante a transformação levam a um aumento da resistência mecânica da liga quando a
velocidade da roda é aumentada (Chang, 2005).
4. CONCLUSÕES
Após os resultados obtidos neste trabalho, chegamos às seguintes conclusões:
1- A técnica de melting spinning permite a produção de fitas da ordem de 30 µm em apenas uma etapa de
processamento;
2- O aumento da velocidade de rotação da roda induziu uma redução das temperaturas de transformação,
provavelmente, pela diminuição do tamanho de grão causada pelo processo de solidificação rápida;
3- O aumento da velocidade de rotação da roda produziu melhores propriedades mecânicas, provavelmente, pela maior
quantidade de contornos de grão e tensões residuais que favorecem uma maior resistência mecânica.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao CNPq pelo suporte financeiro através dos projetos CASADINHO projeto no 620091/20088, UNIVERSAL projeto 471831/2009-3 e a concessão das bolsas de estudos para os alunos Aécio Cleber Santos Silva e
George Carlos. S. Anselmo.
6. REFERÊNCIAS
Chang, S. H.; Wu, S. K. and Chang, G. H., 2005, “Grain size effect on multiple-stage transformations of a cold-rolled
and annealed equiatomic TiNi alloy”. Scripta Materialia, v.52, p. 1341–1346.
Duwez, P., 1981, “Mettalic Glasses – Historical Background”, Topics in Applied Physics, v. 46, p. 19.
Fernandes, F. M. B., 2006, “Ligas com memória de forma”, Departamento de ciência dos Materiais / CENIMAT,
Universidade de Lisboa, Lisboa, p.1-32, 2006.
Kima, Y.; Yun, Y. and Nam, T., 2006a, “The effect of the melt spinning processing parameters on the solidification
structures in Ti–30 at.% Ni–20 at.% Cu shape memory alloys”, Materials Science and Engineering, A. 438-440,
p.545–548.
Kima. Y.; Malarria, J.; Elgoyhen, C.; Ochin, P and Portier, R., 2006b, “Shape memory properties of Cu-based thin tapes
obtained by rapid solidification”, Materials Science and Engineering, A 438–440, 763–767.
Kima, Y.; Yun, Y. and Nam, T., 2006c, “Microstructures and shape memory characteristics of rapidly solidified
Ti50Ni30Cu20 alloy ribbons”, Materials Science and Engineering, A. 438-440, p.540–544.
Saburi, T.; IN: Otsuka, K. and Wayman, C.M. (Eds.), 1998, “Shape Memory Materials”, Cambridge University Press,
Cambridge, UK, p. 49–73.
Wu, S. K. and Lin, K. N., 2006, “Martensitic transformation of grain-size mixed Ti51Ni49melt-spun ribbons”, Journal
of Alloys and Compounds, v. 424, 171–175.
7. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído nesse trabalho.
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PHYSICAL AND MECHANICAL CHARACTERIZATION OF THE Ni-Ti
SHAPE MEMORY ALLOY RAPIDLY SOLIDIFIED
Aécio Cleber Santos Silva, [email protected]
Walman Benicio de Castro, [email protected]
George Carlos S. Anselmo, [email protected]
Carlos José de Araújo, [email protected]
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Universidade Federal de Campina Grande – UFCG-CCT-UAEM, Aprigio Veloso, 882 – Cx. P. 10069 - Bodocongó,
58429-900 – Campina Grande/PB
Abstract. One important challenge of microsystems design is the implementation of miniaturized actuation principles
efficient at the micro-scale. Shape memory alloys (SMAs) have early on been considered as a potential solution to this
problem as these materials offer attractive properties like a high-power to weight ratio, large deformation and the
capability to be processed at the micro-scale. Shape memory characteristics of Ni–45wt%Ti alloy ribbons prepared by
melt spinning were investigated by means of differential scanning calorimetry and mechanical properties in a universal
testing machine INSTRON. In these experiments particular attention has been paid to change the velocity of cooling
wheel from 30 to 50 m/s. Then the cooling rates of ribbons were controlled. The effect of this cooling rate on
martensitic transformation behaviors and mechanical property are discussed.
Key-words: Rapid solidification, shape memory Ni-Ti alloy, mechanical property.
RESPONSIBILITY NOTICE
The authors are the only responsible for the printed material included in this paper.