influÊncia da taxa de resfriamento e do tempo de...

PROJETO DE GRADUAO

INFLUNCIA DA TAXA DE RESFRIAMENTO E DO TEMPO DE ENCHARQUE CRIOGNICO EM PROPRIEDADES TRMICAS E MECNICAS DE

UMA LIGA NiTi

Por, Leonardo Arantes Ayres Lopes

Braslia, 27 de junho de 2014

UNIVERSIDADE DE BRASILIA

FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECANICA

ii

UNIVERSIDADE DE BRASILIA

Faculdade de Tecnologia

Departamento de Engenharia Mecnica

PROJETO DE GRADUAO

INFLUNCIA DA TAXA DE RESFRIAMENTO E DO TEMPO DE ENCHARQUE CRIOGNICO EM PROPRIEDADES TRMICAS E MECNICAS DE

UMA LIGA NiTi

POR,

Leonardo Arantes Ayres Lopes

Relatrio submetido como requisito parcial para obteno

do grau de Engenheiro Mecnico.

Banca Examinadora

Prof. Edson Paulo da Silva, UnB/ ENM (Orientador)

Prof. Palloma Vieira Muterlle, UnB/ ENM

Prof. Daniel Monteiro Rosa, UnB/ ENM

Braslia, 27 de Junho de 2014

iii

RESUMO

As ligas com memria de forma (Shape Memory Alloys - SMA) so uma famlia de ligas

metlicas que exibem basicamente dois comportamentos excepcionais: pseudoelasticidade e

efeito de memria de forma. Isso quer dizer que esses materiais podem sofrer uma

deformao atravs de um carregamento mecnico e retornar para suas formas originais com

o descarregamento e um aquecimento respectivamente. Tais comportamentos possibilitam o

emprego desses materiais no desenvolvimento de aplicaes nas mais diversas reas. Podem-

se executar tratamentos criognicos a diferentes temperaturas para verificar a influncia das

propriedades mecnicas e trmicas em ligas com memria de forma compostas por NiTi. A

liga foi caracterizada atravs de dureza (escala Rockwell B), em relao s temperaturas de

transformao de fases e calor latente de transformao, Calorimetria Diferencial de

Varredura, mdulo de elasticidade e amortecimento (Tcnica de Excitao por Impulso). A

partir de uma anlise comparativa dos resultados da liga tratada e no tratada observou-se a

influncia do tratamento criognico nessas ligas.

ABSTRACT

Shape Memory Alloys - SMA are a family of metal alloys that have basically two kinds of

behaviors: pseudoelasticity and shape memory effect. This means that these materials can

undergo deformation by a mechanical load and return to their original forms with the

unloading and warming. Such behaviors allow the use of these materials in the development

of applications for many different purposes.

May be carried out cryogenic treatments at different temperatures to verify the influence of,

mechanical and thermal properties in shape memory alloys composed of NiTi. The alloy was

characterized by Differential Scanning Calorimetry), hardness (Rockwell scale), elastic

modulus and damping (Technique Impulse Excitation). From a comparative analysis of

untreated and treated alloy was observed to influence the cryogenic treatment in these alloys.

iv

SUMRIO

1 INTRODUO .............................................................................................................. 1 1.1 MOTIVAO DO TRABALHO ................................................................................... 1 1.2 OBJETIVO ............................................................................................................ 2 1.3 METODOLOGIA..................................................................................................... 2 1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO ................................................................................... 2

2 REVISO BIBLIOGRFICA ......................................................................................... 3

2.1 LIGAS COM MEMRIA DE FORMA ........................................................................... 3 2.2 TRANSFORMAO DE FASE MARTENSTICA TERMOELSTICA .................................... 4 2.3 COMPORTAMENTO TERMOMECNICO DAS SMA ........................................................ 5 2.3.1 QUASIPLASTICIDADE ............................................................................................ 5 2.3.2 PSEUDOELASTICIDADE ......................................................................................... 6 2.3.3 EFEITO MEMRIA DE FORMA ................................................................................. 8 2.4 LIGAS NiTi ........................................................................................................... 9 2.4.1 APLICAES DAS LIGAS NiTi ................................................................................ 11 2.4.1.1 APLICAES EM TUBULAES .............................................................................. 11 2.4.1.2 APLICAES NA AERONUTICA............................................................................. 12 2.4.1.3 APLICAES NA MEDICINA................................................................................... 13 2.5 PROPRIEDADES ................................................................................................... 16 2.5.1 MDULO ELSTICO ............................................................................................. 16 2.5.2 DUREZA ............................................................................................................. 16 2.5.3 AMORTECIMENTO ................................................................................................ 17 2.5.3.1 AMORTECIMENTO VISCOELTICO.......................................................................... 19 2.6 TCNICAS UTILIZADAS ........................................................................................ 21 2.6.1 CARACTERIZAO DO MDULO ELSTICO E DO AMORTECIMENTO ........................... 21 2.6.2 TCNICA DE EXCITAO POR IMPULSO ................................................................. 24 2.6.3 CALORIMETRIA DIFERENCIAL DE VARREDURA (DSC) ............................................... 25 2.7 TRATAMENTO CRIOGNICO .................................................................................. 26 2.7.1 TCNICAS .......................................................................................................... 27

3 MATERIAIS E MTODOS ............................................................................................29

3.1 MATERIAIS ANALISADOS ..................................................................................... 29 3.1.1 COMPOSIO QUMICA ........................................................................................ 29 3.1.2 CORPOS DE PROVA .............................................................................................. 29 3.2 TRATAMENTOS CRIOGNICOS .............................................................................. 34 3.3 TCNICA DE EXCITAO POR IMPULSO - SONELASTIC ......................................... 37 3.4 ENSAIO DE DUREZA ............................................................................................ 38 3.5 CALORIMETRIA DIFERENCIAL DE VARREDURA (DSC) ............................................... 39

4 RESULTADOS E DISCUSSO....................................................................................43

4.1 RESULTADO E ANLISE DO ENSAIO DINMICO ....................................................... 43 4.2 RESULTADO E ANLISE DO ENSAIO DE DUREZA ROCKWELL B.................................. 48 4.3 RESULTADO E ANLISE DO ENSAIO TRMICO ........................................................ 51

5 CONCLUSES ............................................................................................................60 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ....................................................................................62 ANEXOS ..............................................................................................................................64

v

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 - Curva frao volumtrica de martensita () x temperatura(T).. .................. 3

Figura 2.2 - Movimento coordenado dos tomos e deformao cisalhante na

transformao martenstica (Novk et al., 2008).......................................................4

Figura 2.3 - Curva Tenso-Deformao quasiplstica tpica .. ...................................... 6

Figura 2.4 - Curva tenso-deformao pseudoelstica tpica .. .................................... 7

Figura 2.5- Representao esquemtica das transformaes de fase (Lagoudas, 2008.

Modificado).. ........................................................................................................ 7 Figura 2.6 - Curvas tenso-deformao pseudoelstica Tpica. ................................. 8 Figura 2.7 - Efeito de Memria de Forma Esquemtico (Paiva, 2003).. ....................... 8

Figura 2.8 - Efeito de Memria de Forma Esquemtico. ............................................ 9

Figura 2.9 - Diagrama de fases da liga Ni-Ti (Otsuka, K. and X. Ren, 2005).. ...............10

Figura 2.10 - Modelo de esferas reduzidas que representam as estruturas

correspondentes s fases austentica e martenstica (Santos, 2008).. ..........................11

Figura 2.11 - Acoplamento SMA: insero dos tubos, a frio; martensita, ajuste dos tubos

devido ao aquecimento da manga, transformao da martensita em austenita (Funakubo,

1987).. ................................................................................................................12

Figura 2.12 - Aeroflio com SMA (Lockheed Martins, 2006).. ......................................13

Figura 2.13 - Filtro de Simon dispositivo cardiovascular (Lagoudas, 2008).. .............13

Figura 2.14 - Evoluo da forma durante o aquecimento (Fernandes, 2003).. ..............14 Figura 2.15 - Implante de placa ssea utilizada para reparar uma fratura na mandbula

(Castilho et al, 2011).. ..........................................................................................15

Figura 2.16 - Arcos ortodnticos de SMA (Lagoudas,2008)... ......................................15 Figura 2.17 - Relao da fora em funo da separao interatmica para tomos com

ligaes fracas e com ligaes fortes (Callister, 2007. Modificado).... ..........................16

Figura 2.18 - Ciclo de histerese tpica para amortecimento mecnico (Rao, 2008). .......18 Figura 2.19 - Modelo de um oscilador harmnico amortecido (amortecedor viscoelstico)

(Cossolino & Pereira, 2010. ....................................................................................19

Figura 2.20 - Ilustrao do fator de amortecimento (Cossolino & Pereira, 2010)...........21

Figura 2.21 Resposta ao Impulso para um oscilador simples...................................22

Figura 2.22 - Resumo das principais informaes para a determinao do amortecimento

pelo mtodo do decremento logartmico (Cossolino & Pereira, 2010)..24

Figura 2.23 - Equipamento tpico de Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC), (Perkin

Elmer, 2011).25

Figura 2.24 - Diagrama esquemtico de uma curva de DSC para uma SMA mostrando as

temperaturas de transformao de fase e o calor latenete associado (Lagoudas, 2008.

Modificado).26

Figura 3.1 - Corpos de prova de NiTi tratado criogenicamente com tempo de encharque

de 15 minutos (NiTi_TC15min, esquerda) e sem tratamento (NiTi_ST, direita)

utilizados nos ensaios da Tcnica de Excitao por Impulso e de Dureza.....................29


de 8 horas (NiTi_TC8h) utilizados nos ensaios da Tcnica de Excitao por Impulso e de

Dureza.................................. ............ ............ ............ ............ ............ ............30


de 16 horas (NiTi_TC16h) utilizados nos ensaios da Tcnica de Excitao por Impulso e

de Dureza.................... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..........30


de 24 horas (NiTi_TC24h) utilizados nos ensaios da Tcnica de Excitao por Impulso e

de Dureza .......................................................................................................30

Figura 3.5 - Recipiente onde foi armazenado nitrognio lquido..... .. .. ........ ...... .. .. 35 Figura 3.6 - Aquecimento do corpo de prova at a temperatura ambiente .......35

vi

Figura 3.7 - Equipamento para tratamento criognico Kryos Tecnologia (Gobbi,

2009)..36

Figura 3.8 - Curva geral de resfriamento e reaquecimento do tratamento criognico

profundo............................................................................................................36

Figura 3.9 - Sonelastic; 1: Sistema de suporte Sonelastic RTS-Auto; 2:Sistema de

excitao Sonelastic IED1; 3:Pulsador com solenide tubular1; 4: Microfone; 5: Corpo de prova (Cossolino & Pereira, 2010. Modificado).37

Figura 3.10 - Durmetro Pantec modelo Rasn-Rs Panambra. ......................................38

Figura 3.11 - Equipamento DSC 8000 Perkin Elmer ................................................39

Figura 3.12 - Cortadeira eltrica Struers secotom15 .................................................40

Figura 3.13 - Banho de Limpeza Ultrassom - Q335D. ................................................40

Figura 3.14 - Duplo-forno que permite a medio direta do fluxo de calor ...................41

Figura 3.15 - Ciclo de aquecimento e resfriamento usados para o ensaio de DSC..........42 Figura 4.1- Mdulo de elasticidade dos corpos de prova de NiTi sem tratamento, com

tratamento criognico profundo e tratado criogenicamente de forma brusca com 15

minutos, 8 horas, 16 horas e 24 horas de tempo de encharque, via Sonelastic ..........46

Figura 4.2 - Fator de Amortecimento dos corpos de prova de NiTi sem tratamento, com

tratamento criognico profundo e tratado criogenicamente de forma brusca com 15

minutos, 8 horas, 16 horas e 24 horas de tempo de encharque, via Sonelastic.. ........47 Figura 4.3 Dureza dos corpos de prova de NiTi sem tratamento, tratado

criogenicamente de forma brusca e com tratamento criognico profundo (Albano, 2013)

..........................................................................................................................51

Figura 4.4 Curva de DSC para a liga NiTi sem tratamento criognico ........................52

Figura 4.5 Curva de DSC para a liga NiTi com tratamento criognico profundo

(NiTi_TCP), (Albano, 2013) ....................................................................................52

Figura 4.6 - Curva de DSC para a liga NiTi tratada criogenicamente de forma brusca, 15

minutos de encharque (NiTi_TC15min).. ..................................................................53 Figura 4.7 - Curva de DSC para a liga NiTi tratada criogenicamente de forma brusca, 8

horas de encharque (NiTi_TC8h). ...........................................................................53

Figura 4.8 Curva de DSC para a liga NiTi tratada criogenicamente de forma brusca, 16

horas de encharque (NiTi_TC16h) ...........................................................................54

Figura 4.9 Curva de DSC para a liga NiTi tratada criogenicamente de forma brusca, 16

horas de encharque (NiTi_TC24h) ...........................................................................54

Figura 4.10 Temperatura de incio da fase martensita dos corpos de prova de NiTi sem

tratamento, com tratamento criognico profundo e tratado criogenicamente de forma

brusca com 15 minutos, 8 horas, 16 horas e 24 horas de tempo de encharque ............56

Figura 4.11 - Temperatura final da fase martensita dos corpos de prova de NiTi sem


brusca com 15 minutos, 8 horas, 16 horas e 24 horas de tempo de encharque.. ..........56

Figura 4.12 Temperatura de incio da fase austenita dos corpos de prova de NiTi sem



Figura 4.13 Temperatura final da fase austenita dos corpos de prova de NiTi sem



Figura 4.14 Temperatura do Pico Exotrmico dos corpos de prova de NiTi sem



Figura 4.15 Temperatura do Pico Endotrmico dos corpos de prova de NiTi sem



vii

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 - Principais caractersticas das fases martensita e austenita. ...................... 5 Tabela 2.2 - Tcnicas de ensaio de dureza (Callister, 2007). ......................................17

Tabela 3.1 - Composio qumica da liga NiTi (Albano, 2013). ....................................29

Tabela 3.2 - Parmetros geomtricos e de massa do corpo de prova cilndrico sem

tratamento criognico. ..........................................................................................31

Tabela 3.3 - Parmetros geomtricos e de massa do corpo de prova cilndrico tratado

criogenicamente com tempo de encharque de 15 minutos. ........................................31

Tabela 3.4- Parmetros geomtricos e de massa do corpo de prova 1 cilndrico tratado

criogenicamente com tempo de encharque de 8 horas. ........................................... 431

Tabela 3.5 - Parmetros geomtricos e de massa do corpo de prova 2 cilndrico tratado

criogenicamente com tempo de encharque de 8 horas. .............................................32

Tabela 3.6 Parmetros geomtricos e de massa do corpo de prova 3 cilndrico tratado criogenicamente com tempo de encharque de 8 horas ..............................................32

Tabela 3.7 Parmetros geomtricos e de massa do corpo de prova 1 cilndrico tratado

criogenicamente com tempo de encharque de 16 horas. ............................................32



Tabela 3.9 - Parmetros geomtricos e de massa do corpo de prova 3 cilndrico tratado criogenicamente com tempo de encharque de 16 horas. ............................................33


criogenicamente com tempo de encharque de 24 horas .............................................33





Tabela 4.1- Resultado do ensaio da Tcnica de Excitao por Impulso para material sem

tratamento (NiTi_ST) ............................................................................................43

Tabela 4.2 - Resultado do ensaio da Tcnica de Excitao por Impulso para o material

com tratamento criognico profundo (Albano, 2013) (NiTi_TCP). ................................44

Tabela 4.3 - Resultado do ensaio da Tcnica de Excitao por Impulso para o material

tratado criogenicamente de forma brusca, 15 minutos de encharque (NiTi_TC15min) ...44

Tabela 4.4 - Resultado do ensaio da Tcnica de Excitao por Impulso para material sem

tratamento (NiTi_ST) ............................................................................................44

Tabela 4.5 - Resultado do ensaio da Tcnica de Excitao por Impulso para os corpos de

prova 1, 2 e 3 tratado criogenicamente de forma brusca, 8 horas de encharque

(NiTi_TC8h) .........................................................................................................45

Tabela 4.6 - Resultado do ensaio da Tcnica de Excitao por Impulso para os corpos de

prova 1, 2 e 3 tratado criogenicamente de forma brusca, 24 horas de encharque

(NiTi_TC24h). ......................................................................................................45

Tabela 4.7 - Resultado do ensaio de Dureza Rockwell para material sem tratamento

(NiTi_ST) .............................................................................................................48

Tabela 4.8 - Resultado do ensaio de Dureza Rockwell para o material com tratamento criognico profundo (Albano, 2013) (NiTi_TCP) ........................................................48

Tabela 4.9 - Resultado do ensaio de Dureza Rockwell para o material tratado

criogenicamente de forma brusca, 15 minutos de encharque (NiTi_TC15min) ..............49

Tabela 4.10 - Resultado do ensaio de Dureza Rockwell para os materiais tratados

criogenicamente de forma brusca, 8 horas de encharque (NiTi_TC8h) .........................49


criogenicamente de forma brusca, 16 horas de encharque (NiTi_TC16h) .....................49


criogenicamente de forma brusca, 24 horas de encharque (NiTi_TC24h) .....................50

Tabela 4.13 - Temperaturas de Transformao de Fases e Calores Latentes de

Transformao das Ligas NiTi sem tratamento e tratadas criogenicamente obtidos a partir

do DSC ...............................................................................................................55

viii

LISTA DE SMBOLOS

Smbolos Latinos

T Temperatura

d Capacidade de amortecimento por unidade de volume

D0 Deformao quasiplstica

Ms Incio da transformao direta da austenita em martensita

Mf Final da transformao da austenita em martensita

Mp Temperatura de pico exotrmico

Md Maior temperatura na qual a martensita ser formada,

As Temperatura de incio da transformao reversa da martensita em austenita

Af Temperatura final da transformao reversa da martensita em austenita

Ap Temperatura de pico endotrmico

E Mdulo de elasticidade

Q Fator de Qualidade

C Comprimento do corpo de prova

Smbolos Gregos

Frao volumtrica de martensita

crit Tenso crtica

L Deformao recupervel mxima

Ms

Tenso inicial da transformao da martensita induzida por tenso

Mf

Tenso final da transformao da martensita induzida por tenso

As

Tenso inicial da transformao da austenita induzida por tenso

Af

Tenso final da transformao da austenita induzida por tenso

s Tenso da martensita maclada

f Tenso da martensita demaclada

Deformao

Densidade

Subscritos

crit crtica

s start

f final

p pico

0 equilbrio

aus austenita

mar martensita

max mximo(a)

L mximo(a)

MA Transformao da martensita para austenira

AM Transformao da austenita para martensita

ST Sem Tratamento

TC Tratado Criogenicamente

ix

Siglas

CFC Cbica de Faces Centradas

CCC Cbica de Corpo Centrado

TCC Tetragonal de Corpo Centrado

UnB Universidade de Braslia

SME Shape Memory Effect

GDL Grau De Liberdade

FFT Transformada Rpida de Fourier

DCT Deep Cryogenic Treatment

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

SMA Shape Memory Alloys

ULTP Ultra Low Temperature Process

ASTM American Society for Testing and Materials

DSC Differential Scanning Calorimeter

EDS Energy Dispersive x-Ray Detector

HRB Hardness Rockell B

E(flex) Mdulo de Elasticidade flexional (GPa)

Freq TF Frequncia "Time- Frequency"

TF Fator de amortcimento "Time Frequency" NiTi_ST NiTi Sem Tratamento criognico

NiTi_TCP NiTi com Tratamento Criognico Profundo

NiTi_TC15min NiTi Tratado Criogenicamente forma brusca tempo de encharque 15 minutos

NiTi_TC8h NiTi Tratado Criogenicamente forma brusca tempo de encharque de 8 horas



1

1 INTRODUO

1.1 MOTIVAO DO TRABALHO

O Tratamento Criognico Profundo (Deep Cryogenic Treatment DCT) um processo trmico

lento e controlado onde um material resfriado at uma temperatura em torno de -190C e depois

aquecido at a temperatura ambiente (Gobbi, 2009). A utilizao de temperaturas abaixo de zero para

a melhoria das propriedades de ao no uma prtica recente (Gobbi, 2009).

A literatura apresenta uma srie de relatos e experincias criognicas. A partir da dcada de 70,

com o desenvolvimento de tecnologias a baixas temperaturas, o processo criognico foi estendido para

a faixa de -196C. Foram reportadas melhorias significativas em diversos ramos da tecnologia

(Sartori, 2009). Estudos com temperaturas abaixo de zero passaram a se tornar mais comuns, com isso

foram reportadas melhorias significativas relacionadas com o aumento da resistncia ao desgaste em

aos ferramenta se comparado com ciclos trmicos tradicionais ou com tratamento sub-zero (Eboni,

2010; Farina, 2011; Surberg et al, 2008; Yen, 1997). Isso motivou a pesquisa do efeito do Tratamento

Criognico Profundo nas propriedades termomecnicas das SMA.

As ligas com memria de forma (Shape Memory Alloy SMA) so materiais que apresentam a

capacidade de recuperar uma deformao quando sujeitos a um ciclo trmico e/ou mecnico

apropriado (Silva & Castilho, 2011). Essa habilidade de memorizar consequncia direta da

transformao reversvel ocorrida na estrutura cristalina do material (Batra, 1999). A caracterstica

principal destes materiais a habilidade de sofrer grandes deformaes e, em seguida, recuperar sua

forma original quando a carga removida ou o material aquecido. As SMA apresentam duas

importantes caractersticas: efeito memria de forma e pseudoelasticidade. Essas ligas so capazes de

recuperar deformaes de at 10% quando submetidos a um aquecimento, depois de terem sido

deformadas abaixo da temperatura Mf, ou quando submetidas a um ciclo de carregamento e

descarregamento acima da temperatura Af (Pseudoelasticidade) (Lagoudas, 2008). Ambos os

fenmenos de recuperao de deformao vm possibilitando o emprego de SMA em inmeras

aplicaes, que vo desde implantes na medicina a engenharia aeroespacial (Otsuka & Wayman,

1998).

Trabalhos recentes sobre o DCT mostram que mudanas microestruturais ocorridas no material

podem melhorar significativamente a vida de aos ferramentas (Gobbi, 2009). Todavia, os fenmenos

relacionados ao DCT ainda no so compreendidos de forma plena (Gobbi, 2009). A influncia do

tratamento criognico em aos ferramentas e outros materiais tema de vrios estudos (Eboni, 2010;

Gobbi, 2009; Ashiuchi, 2009; Moreira et al, 2009). Entretanto, ainda recente a aplicao desse tipo

de tratamento nas ligas com memria de forma.

Alm disso, existem poucos estudos sobre como as taxas de resfriamento e aquecimento

influenciam os resultados do tratamento. Talvez essa seja a varivel que causa uma diferena, muitas

2

das vezes significativas, nos resultados experimentais observados por grupos de pesquisas distintos

(Ashiuchi, 2009).

1.2 OBJETIVO

Avaliar o efeito da taxa de resfriamento criognico em propriedades trmicas (calor latente e

temperatura de transformao de fase) e mecnicas (mdulo de elasticidade, amortecimento e dureza)

de uma liga NiTi.

1.3 METODOLOGIA

A metodologia utilizada baseada numa anlise experimental comparativa de corpos de prova de

ligas NiTi tratada e no tratada criogenicamente. Esse estudo desenvolvido por meio de ensaios

mecnicos, dinmicos e trmicos. De uma forma mais especfica:

Ensaios mecnicos: Dureza Rockwell;

Ensaios dinmicos: Tcnica de Excitao por Impulso;

Ensaios trmicos: Calorimetria Diferencial de Varredura.

Por meio destes ensaios sero determinadas as temperaturas de transformao de fase e o calor

latente de transformao, a dureza, o mdulo de elasticidade e o amortecimento das ligas. Todos os

ensaios tm como objetivo comparar qualitativamente e quantitativamente o material tratado

criogenicamente e o mesmo material no tratado.

Os resultados sero ento comparados e a influncia do tratamento criognico nas propriedades

trmicas e mecnicas analisada.

1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO

Este trabalho est dividido em cinco captulos. O captulo 2 trata da reviso bibliogrfica sobre as

ligas com memria de forma (SMA), tais como seu comportamento termomecnico, seus aspectos

microestruturais, os fenmenos de quasiplasticidade, efeito memria de forma e pseudoelasticidade. O

tratamento criognico, tcnicas experimentais utilizadas para caracterizao das ligas NiTi e o

conceito das propriedades que sero analisadas so abordadas neste captulo.

O captulo 3 discorre sobre os materiais e mtodos utilizados para desenvolvimento do trabalho.

No captulo 4 so apresentados os resultados dos ensaios da Tcnica de Excitao por Impulso,

Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) e Dureza, alm da anlise dos resultados. A concluso

apresentada no captulo 5.

3

2 REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 LIGAS COM MEMRIA DE FORMA

As SMA (Shape Memory Alloy) constituem um grupo de materiais metlicos capaz de recuperar a

forma original pela imposio de um campo de temperatura e/ou de tenso, devido a transformaes

de fase induzidas no material (Lagoudas, 2008). As SMA apresentam diversas aplicaes potenciais

baseadas em suas propriedades termoelsticas, efeito memria de forma e pseudoelasticidade (Otsuka

K. et al,1999). Esses materiais possuem uma deformao recupervel em torno de 8% (Krishnan,

2004).

O comportamento termomecnico destas ligas fortemente dependente da temperatura em que

elas se encontram, podendo apresentar um comportamento quasiplstico, a temperaturas mais baixas,

ou pseudoelstico, a temperaturas mais altas. A habilidade de retornar a um formato ou tamanho

previamente definido decorrente de transformaes de fase martenstica induzida trmica e/ou

mecanicamente (Delaey et al, 1975).

A Figura 2.1 representa esquematicamente a evoluo da frao volumtrica de martensita ,

definida como sendo a razo entre o volume da fase martenstica e o volume total da liga, em funo

da temperatura T. So identificadas quatro temperaturas caractersticas: Ms (Martensite start) a

temperatura inicial de formao de martensita, Mf (Martensite finish) a temperatura final de

formao de martensita, As (Austenite start) a temperatura inicial de formao de austenita e Af

(Austenite finish) a temperatura final de formao de austenita.

Figura 2.1 - Curva frao volumtrica de martensita () x temperatura(T).

4

Acima de Af a fase estvel a austenita e abaixo de Mf a fase estvel a martensita. Ao ser

resfriada a partir de uma temperatura superior a Af o material atingir uma temperatura Ms na qual

inicia-se a transformao martenstica. Essa transformao completa-se na temperatura Mf. No

aquecimento, a partir de uma temperatura inferior a Mf, o material atingira a temperatura As na qual

inicia-se a transformao reversa para a austenita. Essa transformao finaliza-se na temperatura Af .

Para temperaturas abaixo de Mf , as SMA apresentam o efeito de memria de forma e

quasiplasticidade, no qual, aps um processo de carregamento e descarregamento, a liga retorna

geometria original aps aquec-lo a uma temperatura superior a Af , promovendo, assim, a

recuperao da deformao residual. E acima de Af , temos o fenmeno da pseudoquasiplasticidade

(HODGSON et al., 1990).

Estas temperaturas so caractersticas de cada liga e variam em funo, basicamente, da

composio qumica e de tratamentos trmicos (Delaey et al., 1975, Otsuka & Wayman, 1998).

Portanto, as transformaes de fase martensticas desenvolvem um papel fundamental no

comportamento termomecnico das SMA, e de maneira especial as transformaes martensticas

termoelsticas.

As mudanas que ocorrem nas estruturas cristalinas das SMA esto relacionadas diretamente com

a dissipao de energia devido aos choques de discordncia e criao de defeitos cristalinos. Como

resultado tem-se um ciclo de histerese na temperatura, visto na Figura 2.1 (da Silva & Castilho, 2011).

2.2 TRANSFORMAO DE FASE MARTENSTICA TERMOELSTICA

A transformao martenstica um tipo de transformao de fase em que no h movimentos

atmicos em distncias considerveis, de forma que no h variao de composio qumica. O

movimento cooperativo de tomos conduz formao de uma nova fase, mais estvel, atravs de uma

reordenao atmica a curtas distncias. A Figura 2.2 ilustra esquematicamente a transformao

martenstica. Ela envolve movimento coordenado de tomos e deformao cisalhante.

Figura 2.2 Movimento coordenado dos tomos e deformao cisalhante na transformao martenstica (Novk

et al., 2008).

5

Transformaes martensticas so caracterizadas por um crescimento contnuo com o aumento da

temperatura e uma diminuio continua com o decrscimo de temperatura (Delaey et al, 1974). O

comportamento pseudoelstico anlogo ao comportamento termoelstico, s que nesse caso h uma

aplicao de tenso no material, ento a transformao ocorre com o aumento contnuo da aplicao

de tenso e o mesmo revertido quando a tenso vai diminuindo. De uma maneira geral pseudo-

elasticidade acontece se a deformao criada ao material por aplicao de uma carga, a uma

temperatura constante, for totalmente recuperada (Delaey et al,1974). A deformao quasiplstica

causada pela deformao da forma acompanhando a formao da martensita. Entretanto, a recuperao

ocorre quando a transformao revertida (Delaey et al,1974). A Tabela 2.1 apresenta as principais

caractersticas mecnicas referentes s fases martenstica e austentica.

Tabela 2.1 - Principais caractersticas das fases martensita e austenita.

Martensita Austenita

Facilmente deformvel Maior dureza

Estrutura tetragonal de corpo centrado Estrutura geralmente cbica

Menos rgida Fase de maior rigidez (EA 3EM)

Fase de baixa temperatura (TAS)

2.3 COMPORTAMENTO TERMOMECNICO DAS SMA

Quando solicitadas mecanicamente e, em funo da temperatura, as SMA apresentam

basicamente trs fenmenos: abaixo de Mf a quasiplasticidade, que caracterizado por uma grande

deformao residual proveniente de uma reorientao martenstica induzida mecanicamente (Krishnan

et al, 1974). Acima de Af a pseudoelasticidade, que um comportamento caracterizado por uma

recuperao de deformao aps a retirada da tenso. Essas deformaes so oriundas de uma

transformao martenstica induzida por tenso (Krishnan et al,1974). O efeito memria de forma a

recuperao da deformao quasiplstica com o aquecimento (Delaey et al, 1974).

2.3.1 QUASIPLASTICIDADE

Considere uma amostra de SMA a uma temperatura inferior a Mf . Nesta temperatura e livre de

tenses a liga existe numa fase martenstica denominada auto-acomodada ou maclada (Paiva, 2004).

Essa martensita auto-acomodada caracterizada por uma estrutura formada por diferentes variantes de

martensita, com diferentes orientaes que podem ser at 24 e formada com o resfriamento da

austenita livre de tenses (Batra, 1999). Na Figura (2.3) considere a existncia de apenas duas

variantes. Com a aplicao de uma fora trativa ser observada uma resposta elstica at que uma

determinada tenso crtica CRIT seja alcanada (ponto A). Em seguida, quando a martensita auto-

6

acomodada (ou maclada) submetida a uma tenso superior a CRIT, observa-se a formao da

martensita reorientada, trecho AB. O processo de reorientao da martensita maclada no envolve

deformao plstica. Aps uma deformao relativamente grande, que em algumas ligas pode chegar a

10% (Delaey et al., 1975), o material volta a apresentar um comportamento elstico. Ao descarregar a

amostra, a mesma manter a sua deformao, representada por DO, como uma deformao

quasiplstica. Este comportamento denominado quasiplasticidade (Paiva, 2004).

Figura 2.3 - Curva Tenso-Deformao quasiplstica tpica

2.3.2 PSEUDOELASTICIDADE

O fenmeno da pseudoelasticidade est associado transformao martenstica induzida por

tenso que acarreta na gerao de deformao durante o carregamento e, em seguida, recuperao de

forma quando descarregado a temperaturas acima de Af..

Considere uma amostra de SMA a uma temperatura superior a Af. Nesta situao, a fase

austentica a estvel (Delaey et al, 1975). De acordo com a Figura (2.4), para uma temperatura

constante T > Af, com a aplicao de um carregamento mecnico, o material se comporta

elasticamente at que uma tenso crtica crit seja alcanada (ponto A), quando, ento, d-se incio uma

transformao de fase direta (Austenita Martensita), trecho AB. Com a retirada da carga, o

material experimenta uma transformao reversa (Martensita Austenita), trecho CD. J que para T

> Af a martensita uma fase instvel fora da presena de um campo de tenses.

7

Figura 2.4 - Curva tenso-deformao pseudoelstica esquemtica.

Figura 2.5 - Representao esquemtica das transformaes de fase (Lagoudas, 2008. Modificado).

As deformaes pseudoelsticas podem chegar a 10% em certas ligas, sendo em torno de 8% um

valor tpico para as ligas NiTi (Krishnan et al,1974). A figura 2.15 ilustra este comportamento

esquematicamente. Sob uma tenso trativa, observa-se um comportamento elstico at um

determinado nvel de tenso. A partir da observa-se uma deformao relativamente grande com

pequena variao da tenso Fig. 2.6. Ao retirar a carga, a liga retorna ao seu estado inicial,

descrevendo um ciclo de histerese. A rea delimitada pela histerese expressa a energia dissipada

durante o processo (Krishnan et al,1974).

8

Figura 2.6 Curvas tenso-deformao pseudoelstica Tpica.

2.3.3 EFEITO MEMRIA DE FORMA

Uma SMA exibe o efeito memria de forma (Shape Memory Effect SME) quando deformada

na fase martenstica maclada e, depois, descarregada. Esse processo basicamente a recuperao de

deformao quasiplstica por meio do aquecimento do material deformado a uma temperatura acima

da Af. O aquecimento acima da Af induz a transformao reversa (Martensita Austenita) e,

consequentemente, a recuperao da deformao residual DO . A Figura (2.7) ilustra

esquematicamente esse processo. A recuperao de forma com o aquecimento se explica pelo fato de

que acima de Af a nica fase termodinamicamente estvel a austenita, e essa fase desconhece a

deformao quasiplstica. A martensita pode existir acima de Af apenas sob carga (Delaey et al, 1975).

Figura 2.7 Efeito de Memria de Forma Esquemtico.

9

A figura 2.8 ilustra o comportamento de memria de forma simples. Quando a SMA est abaixo

de Mf ela pode ser facilmente deformada (A B C). Entretanto, quando o material aquecido acima

de Af, ocorre uma mudana na estrutura da liga que a faz retornar a sua forma original (D) e, ao ser

resfriada, retorna condio inicial.

Figura 2.8 Efeito de Memria de Forma Esquemtico.

2.4 LIGAS NiTi

As ligas NiTi com memria de forma so um composto intermetlico. Este composto apresenta

uma solubilidade moderada do Nquel (Ni) e do Titnio (Ti), assim como de outros elementos

metlicos, alm de apresentar uma ductilidade comparvel de outras ligas metlicas (Krishnan et al,

1974). A composio das ligas de aproximadamente 55% de Nquel e 45% de Titnio (Figura 2.9).

10

Figura 2.9 - Diagrama de fases da liga Ni-Ti (Otsuka, K. and X. Ren, 2005).

Esta solubilidade de um maior nmero de elementos permite uma modificao significativa tanto

das suas propriedades mecnicas quanto das suas temperaturas de transformao (Frenzel, et al.,

2004). O Ferro (Fe) e o Cromo (Cr) tambm so frequentemente adicionados para baixar as

temperaturas de transformao, bem como o Cobre (Cu) que usado para reduzir a histerese de

transformao e diminuir a tenso de orientao da martensita. A presena de elementos de ligas como

o Oxignio (O) e o Carbono (C) podem tambm alterar as temperaturas de transformao e degradar

as propriedades mecnicas, o que faz com que seja desejvel minimizar a presena destes elementos

(Fernandes, 2003).

Devido elevada reatividade do Ti, a fuso dessas ligas deve ser feita preferencialmente sob vcuo

ou em atmosfera inerte, sendo comercialmente utilizadas tcnicas como a fuso por arco de plasma ou

por feixe de eltrons, ou ainda por induo sob vcuo (Frenzel, et al., 2004). Os lingotes obtidos so

depois conformados a quente por forjamento, laminao ou extruso. A maioria dos processos de

deformao a frio pode ser aplicada a estes materiais, mas a sua capacidade de encruamento muito

acentuada e torna-se por isso necessrio fazer um recozimento. A trefilagem normalmente utilizada

para produzir fios com dimenses que podem atingir 0,05mm, apresentando excelentes caractersticas

de superfcie (Fernandes, 2003).

Em temperaturas superiores a Af, a rede cristalina do NiTi (Ti localiza-se nos vrtices e o Ni no

centro dos lados ou no centro do corpo) apresenta a matriz formada por austenita cbica de corpo

11

centrado, B2. A fase produto, formada a temperaturas abaixo de Mf, constituda de martensita

monoclnica B19 (Zhang e Sehitoglu, 2004).

As ligas NiTi possuem boa combinao de propriedades como a alta resistncia mecnica. A boa

resistncia corroso e aos efeitos memria de forma pode ser explorada de vrias formas (Frenzel, et

al., 2004). No caso das ligas a base de Nquel-Titnio, a fase martenstica apresenta uma estrutura

monoclnica B19. Enquanto que a fase austentica apresenta uma estrutura cbica de corpo centrado

B2 (CCC B2), onde os tomos de nquel se encontram no centro da estrutura cbica. A Figura (2.10)

apresenta as estruturas correspondentes s fases austentica e martenstica (Novk et al., 2008).

Figura 2.10 - Modelo de esferas reduzidas que representam as estruturas correspondentes s fases austentica e

martenstica (Santos, 2008).

2.4.1 APLICAES DAS LIGAS NiTi

2.4.1.1 APLICAES EM TUBULAES

O fato de ligas NiTi possurem inmeras propriedades mecnicas (memria de forma,

pseudoelasticidade, biocompatibilidade, resistncia corroso) possibilita uma gama de aplicaes

que vo desde a medicina engenharia aeroespacial (Otsuka, 1998 & Sashihara et al 1938). O foco

comercial se d na rea mdica e odontolgica com produtos tais como stents, implantes ortopdicos e

aparelhos ortodnticos.

Em se tratando do efeito de memria de forma, o retorno forma inicial sob tenso uma situao

que pode ser utilizada para acoplamento de tubulaes de circuitos hidrulicos, como mostra a Figura

2.11. Estes acoplamentos tm a forma de casquilhos cilndricos de dimetro ligeiramente inferior ao

dos tubos a que devem ligar-se. So expandidos baixa temperatura, enquanto se encontram no estado

martenstico e quando so aquecidos sofrem uma contrao que une as extremidades dos tubos

(Fernandes, 2003).

12

Figura 2.11 Acoplamento SMA: insero dos tubos, a frio; martensita, ajuste dos tubos devido ao aquecimento

da manga, transformao da martensita em austenita (Funakubo, 1987).

Acoplamentos, unies e engates so desenvolvidos com estas ligas, devido principalmente

reduo do peso (acoplamentos em aeronaves), facilidade de instalao em difcil acesso,

confiabilidade comprovada, boa resistncia a choques e vibraes, e possibilidade de posterior

desmontagem (ao contrrio da unio feita por solda). Entretanto, o seu relativo alto preo tem sido

uma barreira para ampliao do uso comercial.

2.4.1.2 APLICAES NA AERONUTICA

Os flaps so estruturas mveis, inseridas nas asas, que promovem o ganho ou perda de altitude ou

a mudana de direo de um avio. A manobra de aeronaves depende da eficincia dos flaps. Estas

estruturas utilizam extensos sistemas hidrulicos que necessitam de bombas e atuadores, elevando o

custo e o peso, dois pontos crticos do projeto de aeronaves. Muitas alternativas na indstria

aeroespacial esto sendo pesquisadas para contornarem esse problema, e potenciais solues so as

SMA. A empresa Lockheed Martin desenvolveu um prottipo de aeroflio flexvel atuado por fios de

SMA (Figura 2.12), com o objetivo de substituir esses flaps atualmente utilizados em avies. Os fios

atuadores so aquecidos pela passagem de corrente eltrica externa. Primeiramente, o aeroflio

encontra-se em uma posio neutra, sem atuao. Depois, o atuador aquecido, encurtando o seu

tamanho e puxando para baixo a parte traseira do aeroflio. Neste caso, quando o atuador esfria, a

parte traseira volta para a posio de neutralidade.

13

Figura 2.12 - Aeroflio com SMA (Lockheed Martins, 2006).

2.4.1.3 APLICAES NA MEDICINA

Um importante requisito para qualquer material que usado no corpo humano a

biocompatibilidade, e as SMA atendem essa exigncia. O dispositivo cardiovascular composto de

SMA, chamado filtro de Simon consiste em um filtro de cogulos sanguneos (Figura 2.13). um fio

de NiTi que previamente deformado para assumir uma forma que lhe permita fixar-se s paredes

internas das veias (Lagoudas, 2008). Esse filtro deformado baixa temperatura, de modo a poder ser

inserido na veia pretendida junto com uma soluo salina que o mantm resfriado; ao ser submetido ao

calor do corpo humano ele retoma a configurao original, conforme a Figura 2.14

Figura 2.13 - Filtro de Simon dispositivo cardiovascular (Lagoudas, 2008).

14

Figura 2.14 Evoluo da forma durante o aquecimento (Fernandes, 2003).

Tambm na rea mdica podem-se citar os implantes de placas sseas no regime pseudoelstico

que auxiliam a recuperao de um osso quebrado ou fraturado, veja a figura 2.14. Frequentemente so

usadas em fraturas ocorridas na face, como nariz, mandbulas e na regio ssea ocular. Essa tcnica

conhecida na medicina como sntese ssea. As placas facilitam a cura dos ossos fraturados que

necessitam estar constantemente sobre compresso. Tal compresso obtida por implante sseo,

normalmente fabricado em titnio e ao inoxidvel, que mantm os ossos juntos e acelera a

recuperao do osso fraturado (Mantovani, 2000). Aps alguns dias de recuperao, a compresso

provida pelo implante sofre uma reduo na intensidade, pois, conforme se d a cura, as duas partes do

osso fraturado tendem a ficarem mais prximas. Com aumento da proximidade entre as partes, h um

afrouxamento do implante previamente fixado, aumentado a velocidade de recuperao.

Essas placas sseas so fabricadas em nquel-titnio com efeito de memria de forma. Usando uma

liga de NiTi que possui efeito de memria de forma acima de 15 C, os cirurgies seguem o mesmo

procedimento usado com implantes convencionais. Primeiramente a placa de NiTi resfriada abaixo

da sua temperatura de transformao e, ento, implantada no osso. Porm, com o aquecimento natural

do corpo humano, a SMA contrai e com isso gera uma compresso nos ossos fraturados, melhorando o

processo de cura se comparado a uma placa comum de titnio ou ao inoxidvel. Esta presso

contnua auxilia no processo de cura e reduz o tempo de recuperao (Mantovani, 2000).

Existem ainda muitos aspectos a serem estudados antes de se utilizarem efetivamente as SMA

como implantes. Neste ltimo exemplo o grande desafio para os engenheiros o desenvolvimento de

placas que aplicam a presso correta nas fraturas.

15

Figura 2.15 - Implante de placa ssea utilizada para reparar uma fratura na mandbula (Castilho et al, 2011).

Em 1975, Andreasen, da Universidade de Iowa, fez o primeiro implante de um dispositivo

ortodntico explorando a pseudoelasticidade de uma SMA para correo da posio dos dentes

(Hodgson et al., 1990). Esta correo imposta por meio de uma pequena variao de tenso quase

com stante que resulta em grande deformao, tomando como parmetro os materiais

convencionais. Consequentemente, o incmodo mnimo para o paciente. A grande vantagem do NiTi

o fato de permitir deformaes de cerca de 8 a 10% sem entrar no regime plstico, explorando o

fenmeno da pseudoelasticidade (Figura 2.16). possvel ainda conciliar este efeito, com a

transformao de fase imposta pela temperatura (Machado & Savi 2002).

Figura 2.16 - Arcos ortodnticos de SMA (Lagoudas,2008).

16

2.5 PROPRIEDADES

2.5.1 MDULO ELSTICO

O mdulo de elasticidade uma propriedade intrnseca dos materiais que descrevem a rigidez ou

resistncia do material deformao no regime elstico, quando esse submetido a uma tenso

externa de trao ou compresso. Quanto maior for o mdulo elstico, mais rgido ser o material, ou

menor ser a deformao elstica que ir resultar da aplicao de uma dada tenso (Callister, 2007).

Em uma escala atmica, a deformao elstica macroscpica manifestada como pequenas

alteraes no espaamento interatmico e no alongamento das ligaes interatmicas.

Consequentemente, o valor do mdulo de elasticidade uma medida da resistncia separao dos

tomos adjacentes, ou seja, das foras de ligao interatmicas. Portanto, o mdulo de elasticidade

tanto maior quanto maior a fora de atrao entre os tomos (Callister, 2007). importante ressaltar

ainda que esse mdulo proporcional inclinao da curva fora-separao na posio da separao

interatmica de equilbrio (r):

(

)

(1)

As curvas fora-separao para materiais que possuem tanto ligaes interatmicas fortes quanto

fracas esto retratadas na Figura 2.17. Como pode ser observada, a inclinao da curva em r est

indicada para cada caso. De um modo geral, quanto mais forte a ligao, mais inclinada ser a curva.

Como consequncia, maior ser o valor do mdulo de elasticidade (Callister, 2007).

Figura 2.17 - Relao da fora em funo da separao interatmica para tomos com ligaes fracas e com

ligaes fortes (Callister, 2007. Modificado).

2.5.2 DUREZA

Uma propriedade mecnica importante que deve ser mensurada no projeto a dureza. Ela consiste

em uma medida da resistncia de um material a uma deformao plstica localizada (p.ex., a uma

pequena impresso ou a um risco) (Callister, 2007).

17

Os ensaios de dureza so baseados no princpio de penetrao na superfcie do metal, pela

aplicao de uma carga de natureza esttica por intermdio de um penetrador. A profundidade ou o

tamanho da impresso resultante medida, os quais, por sua vez, so relacionados a um nmero de

dureza. A correlao baseada na tenso que o penetrador necessita para vencer a resistncia

superficial do material. Assim, quanto mais macio for o material, maior e mais profundo ser a

impresso e menor ser o nmero ndice de dureza (Callister, 2007). Os ensaios de dureza so

realizados mais frequentemente do que qualquer outro ensaio mecnico por diversas razes: So

simples e baratos, o ensaio no destrutivo e outras propriedades mecnicas podem, com frequncia,

ser estimadas a partir dos dados de dureza.

A dureza no uma grandeza absoluta, ou seja, ela depende da tcnica utilizada (mquina, carga,

tipo de penetrador). Os principais ensaios de dureza so: Rockwell, Brinell, Vickers e Knoop

(Callister, 2007). Na Tabela 2.2, pode-se visualizar as caractersticas de cada uma dessas tcnicas.

Tabela 2.2 - Tcnicas de ensaio de dureza (Callister, 2007).

2.5.3 AMORTECIMENTO

O amortecimento ou atrito interno uma das propriedades mais sensveis de materiais e estruturas,

tanto em escala macro como microscpica, sendo particularmente sensvel a trincas e micro-trincas.

o mecanismo pelo qual a amplitude das oscilaes de um sistema diminuda pela converso de sua

energia cintica em outro tipo, geralmente sonora ou calor (Rao, 2008). Quando um material

deformado, ele absorve energia. Esse efeito deve-se ao atrito entre os planos internos, que

deslizam ou escorregam enquanto as deformaes ocorrem (Rao, 2008).

18

Este pode ser causado por uma combinao de diversos mecanismos fsicos fundamentais como

granularidade e impurezas, efeitos termoelsticos causados por gradientes locais de temperatura

resultante de excitao no-uniforme, correntes de eddy em materiais ferromagnticos (tambm

chamada de correntes de Foucault), movimentos de cadeias em polmeros e etc (Musolino, 2011).

Existem diversos mtodos para determinao do amortecimento, os quais podem ser obtidos

basicamente por dois caminhos: mediante a durao da resposta do sistema a uma excitao transitria

(exemplo: mtodo do decremento logartmico) e em funo da resposta do sistema em funo da

frequncia (exemplo: mtodo da largura de meia banda de potncia). O mtodo do decremento

logartmico calcula o amortecimento a partir da atenuao da resposta acstica do material ou estrutura

aps uma excitao por impulso.

O mtodo da largura de meia banda de potncia calcula o amortecimento atravs da anlise da

frequncia do sinal oriundo da vibrao, a partir da relao entre a largura de banda e a frequncia

central de uma ressonncia. Ambos os mtodos consideram um modelo para os clculos, normalmente

o modelo de amortecimento viscoelstico.

A escolha do mtodo depende principalmente da faixa do amortecimento e da frequncia de

vibrao (Cossolino & Pereira, 2010). Todos os tipos de amortecimento esto associados a efeitos

do ciclo de histerese. A tenso () e a deformao () esto relacionadas como mostra a Figura 2.18. A

rea desse ciclo representa a energia perdida por unidade de volume do corpo por ciclo devido ao

amortecimento (Rao, 2008).

Figura 2.18 - Ciclo de histerese tpica para amortecimento mecnico (Rao, 2008).

19

Desta forma, a capacidade de amortecimento por unidade de volume, chamada de d, dada por

uma integral cclica:

, (2)

onde representa a tenso e a deformao.

Quando a carga aplicada a um corpo elstico aumentada, a tenso e a deformao no corpo

tambm aumentam. A rea sob a curva, dada pela equao (2) representa a energia introduzida no

sistema, ou seja, trabalho realizado, por unidade de volume do corpo (Rao, 2008). Quando a carga

aplicada ao corpo for retirada parte da energia ser devolvida ao sistema e outra parte dissipada.

Quando o caminho de descarregamento diferente do caminho de carregamento, a rea ABC na figura

2.18(b), a rea do ciclo de histerese na figura 2.18(a), denota a energia perdida por unidade de volume

do corpo.

2.5.3.1 AMORTECIMENTO VISCOELTICO

No modelo viscoelstico parte-se do pressuposto de que a natureza do amortecimento viscosa e a

fora de atrito proporcional velocidade, representando uma oposio ao movimento, sendo descrita

pela equao (Cossolino & Pereira, 2010):

, (3)

onde c uma constante de proporcionalidade e a velocidade de deslocamento de uma massa em

relao a um ponto fixo.

Um sistema massa-mola-amortecedor com 1 grau de liberdade (Figura 2.19), oscilando livremente,

tem seu movimento descrito pela equao:

(4)

Sendo m a massa, k a constante elstica da mola e c o coeficiente de amortecimento viscoso.

Figura 2.19 - Modelo de um oscilador harmnico amortecido (amortecedor viscoelstico) (Cossolino & Pereira,

2010).

20

Reescrevendo a equao 4, tem-se:

(5)

Definindo-se:

(6)

(7)

Onde frequncia de ressonncia natural e a taxa de amortecimento ou apenas

amortecimento. Reescrevendo a equao 5 em funo dos novos parmetros, tem-se:

(8)

E assumindo a soluo (Thorby, 2008):

(9)

Chega-se a descrito por:

(10)

Desta forma, o comportamento descrito pela equao acima depende da soluo de

Para : h duas solues reais e chamamos de caso superamortecido;

Para : h uma soluo real e chamamos de caso criticamente amortecido;

Para : h duas solues complexas e chamamos de caso sub-amortecido.

Os casos superamortecido e criticamente amortecido so no oscilatrios e no tem importncia

nesse estudo.

21

Figura 2.20 - Ilustrao do fator de amortecimento (Cossolino & Pereira, 2010).

2.6 TCNICAS UTILIZADAS

Como foi dito anteriormente, o objetivo do trabalho a anlise da influncia do tratamento

criognico nas propriedades termomecnicas das SMA. O enfoque ser dado no mdulo elstico,

amortecimento, dureza, temperaturas de transformao de fases e calor latente de transformao. As

tcnicas para determinao das propriedades descritas acima sero discutidas neste item.

2.6.1 CARACTERIZAO DO MDULO ELSTICO E DO AMORTECIMENTO

Os mdulos elsticos podem ser caracterizados por mtodos quase-estticos, dinmicos ou por

ultra-som. Os mtodos quase-estticos ou isotrmicos so baseados em ensaios mecnicos usualmente

destrutivos, e os dinmicos ou adiabticos, em tcnicas de ressonncia no destrutivas. Os valores

determinados pelos mtodos dinmicos so maiores que aqueles determinados pelos estticos em um

percentual tpico de 0,5% para metais. Para outros materiais, a diferena pode ser grande dependendo

dos efeitos anelsticos presentes (Cossolino & Pereira, 2004).

Os mtodos dinmicos permitem obter informaes tanto quantitativas (mdulos elsticos e

coeficiente de amortecimento) quanto qualitativas sobre a integridade de um componente mecnico.

Vale ressaltar ainda que o corpo de prova no fica inutilizado aps o ensaio e pode retornar intacto s

condies normais de servio ou ser ensaiado muitas outras vezes. Assim, podem-se determinar os

efeitos especficos que um tratamento trmico gerou em um determinado material. Alm disso,

22

permite rapidez e preciso na aquisio de resultados. Se fosse utilizada outra tcnica, a medio de

mdulo de ruptura, por exemplo, seria necessria uma amostra para cada medio (Cossolino &

Pereira, 2004).

A caracterizao do mdulo de elasticidade e do amortecimento deu-se por mtodo dinmico. Os

ensaios foram realizados nos materiais antes e aps a realizao de tratamento criognico.

O mtodo de decaimento logartmico foi utilizado para calcular o amortecimento do material. Este

consiste em calcular o amortecimento a partir da atenuao da resposta acstica do material ou

estrutura aps uma excitao por impulso.

Existem diversos mtodos para a determinao do amortecimento interno, sendo os mais utilizados

os do decaimento logartmico e o da largura de banda de meia potncia. O termo decremento

logartmico refere-se taxa de reduo logartmica, relacionada com a reduo do movimento aps o

impulso, pois a energia transferida para outras partes do sistema ou absorvida pelo prprio

elemento. importante ressaltar ainda que para os clculos que se seguem, foi utilizado o modelo de

amortecimento viscoelstico (Cossolino & Pereira, 2010). A escolha do mtodo depende

principalmente da faixa de amortecimento e da frequncia de vibrao (Silva, 2007).

Quando um sistema oscilatrio com um grau de liberdade, com amortecimento viscoso excitado

por um impulso (tcnica de excitao por impulso, Sonelastic) sua resposta vem na forma de

decaimento no tempo Figura 2.21, dada por:

Figura 2.21 - Resposta ao impulso para um oscilador simples (Cossolino & Pereira, 2010).

) ) (11)

Esta equao anloga equao 11, onde a frequncia natural amortecida, dada pela equao 12,

:

(12)

Se a resposta no tempo t=tn denotada por y, e a resposta no tempo t = tn + / denotada

por yn, ento, da equao 14, temos que:

23

), n=1,2,.. (13)

Suponha que y corresponda a um ponto no decaimento da funo com magnitude igual a A, e que

yn corresponde ao pico, r ciclos mais tarde, com magnitude An. Assim, temos que:

)

(14)

Onde o valor da frequncia amortecida da Eq. 12 foi utilizado. Desta forma, o decremento

logartmico (), obtido por:

)

(15)

Em termos do amortecimento (), tem-se:

)

(16)

Quando o amortecimento baixo (

24

Figura 2.22 - Resumo das principais informaes para a determinao do amortecimento pelo mtodo do

decremento logartmico (Cossolino & Pereira, 2010).

2.6.2 TCNICA DE EXCITAO POR IMPULSO

A Tcnica de Excitao por Impulso um ensaio dinmico (no-destrutivo) para a determinao

dos mdulos de elasticidade dinmicos e do amortecimento de materiais e consiste essencialmente em

excitar atravs de um impacto mecnico. O impacto de um pino metlico excita as frequncias

flexionais e torcionais do corpo de prova; utilizando o mtodo do decremento logartmico (para o

modelo de amortecimento viscoelstico) determina-se o amortecimento. Equipamentos modernos,

como o Sonelastic, fornecem as frequncias naturais, alm das harmnicas e o amortecimento dos

mais diversos tipos de materiais, de maneira prtica e rpida. O equipamento utiliza um software para

calcular o decremento logartmico e fornecer o valor do amortecimento alm dos mdulos elsticos.

O impacto gera um som que emitido pelo corpo de prova e tem origem nas suas frequncias

naturais de vibrao. importante ressaltar ainda que para os casos de geometrias simples (barra,

cilindro, disco, anel e placa) existe uma relao unvoca entre as frequncias naturais de vibrao com

as dimenses, a massa e os mdulos de elasticidade do corpo de prova.

As dimenses e a massa so parmetros mensurveis com um paqumetro e uma balana de

preciso, respectivamente. Conhecendo-se as dimenses, a massa e as frequncias naturais de

vibrao, o clculo dos mdulos elsticos a partir de modelos matemticos imediato. Portanto,

possvel calcular os mdulos de elasticidade a partir das frequncias naturais e o amortecimento a

partir da atenuao da resposta acstica. De uma maneira geral, o som emitido contm informaes

que permitem determinar as propriedades elsticas (Cossolino & Pereira, 2010).

25

2.6.3 CALORIMETRIA DIFERENCIAL DE VARREDURA (DSC)

A tcnica de anlise trmica usada nesse trabalho para a caracterizao das ligas foi a Calorimetria

Diferencial de Varredura (Differential Scanning Calorimeter). A partir dela, obtiveram-se as

temperaturas de transformao de fases e o calor latente de transformao. A calorimetria diferencial

de varredura (DSC) amplamente utilizada para estudar as temperaturas de transformao das ligas

SMA e tem a vantagem de requerer pequenas quantidades de materiais (Lagoudas, 2008).

O princpio de operao do DSC medir a taxa de fornecimento de energia calorfica entre uma

substncia e um material de referncia em funo da temperatura, enquanto ambas so submetidas a

um mesmo programa de aquecimento ou resfriamento, rigorosamente controlado. O dispositivo

chamado de diferencial porque tem a capacidade de monitorar a resposta de duas amostras e subtrair o

resultado. Isso muito til quando uma amostra de um material colocada em um forno vazio. O

resultado da calorimetria diferencial de varredura a resposta da amostra. O material da amostra pode

ser encapsulado numa atmosfera inerte para evitar a oxidao (Lagoudas, 2008).

No DSC, tanto a amostra quanto a referncia so mantidas a mesma temperatura ao longo do ciclo

trmico programado. Para tanto, necessria a correo da temperatura da amostra no momento de um

evento trmico e isto chamado de compensao trmica. Esta compensao trmica feita atravs do

aumento do suprimento de energia eltrica a micro-resistncias conectadas amostra e referncia.

Esta diferena de energia ento registrada em funo do ciclo trmico programado. Os eventos

trmicos da amostra so ento representados como desvios da linha de base, tanto para eventos

endotrmicos como exotrmicos (Caponero & Tenrio). A Figura 2.23 simplificao do

equipamento utilizado.

Figura 2.23 - Equipamento tpico de Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC), (Perkin Elmer, 2011).

A Figura 2.24 mostra uma curva DSC tpica de ligas SMA. Nela, a potncia (mW) necessria para

manter uma taxa constante de aquecimento ou de resfriamento para a amostra de SMA representada

no eixo das ordenadas e a temperatura da cmara representada no eixo das abscissas. A partir da

curva pode-se observar que caso uma amostra na fase de martensita maclada seja aquecida ser

observada uma transformao de fase reversa que tem incio em As. A reao que ocorre durante essa

transformao endotrmica e requer que seja fornecido calor adicional para a amostra a fim de

26

manter a taxa de aquecimento prescrita anteriormente constante. Essa mudana na energia fornecida

como o aumento da temperatura registrada como uma transformao "pico" durante o aquecimento.

Um pico semelhante tambm registrado durante o processo de resfriamento no qual ocorre uma

transformao da austenita para martensita (direta). As temperaturas de transformao so obtidas por

meio dos grficos pelos desenhos de tangentes a partir das regies de incio e fim dos picos. A

interseco dessas tangentes com as linhas base permite a obteno das temperaturas. O calor latente

associado para a transformao de fase pode ser calculado a partir das reas dessas curvas (Lagoudas,

2008).

Figura 2.24 - Diagrama esquemtico de uma curva de DSC para uma SMA mostrando as temperaturas de

transformao de fase e o calor latenete associado (Lagoudas, 2008. Modificado).

2.7 TRATAMENTO CRIOGNICO

O tratamento criognico vem sendo apresentado como um tratamento trmico com grandes efeitos

nas propriedades dos aos ferramentas. A ele so atribudas melhoras na resistncia ao desgaste e na

tenacidade dos aos ferramentas. Estes benefcios dependem tanto da temperatura utilizada quanto do

tempo de permanncia nesta temperatura. Os micromecanismos propostos para explicar os fenmenos

que ocorrem na microestrutura durante a permanncia em temperaturas criognicas e no aquecimento

subsequente no esto estabelecidos de forma clara (Farina, 2011).

Durante anos, os tratamentos criognicos desenvolveram-se rodeados de ceticismo. A sua

aplicao foi fundamentalmente emprica, baseada na experincia. Praticamente no houve

investigao aprofundada em torno deste assunto e sabe-se muito pouco acerca do que ocorre nos

materiais sujeitos a temperaturas criognicas (Sartori et al, 2006). Perante a clara evidncia de

resultados, nos ltimos anos, tem crescido o interesse neste processo e, consequentemente, surgido um

crescente esforo de investigao (Leskovsec et al, 2006).

Eboni (2010) analisou as microestruturas e as propriedades mecnicas geradas por processos

realizados em temperaturas abaixo de 0C, em corpos de prova de ao SAE M2, tratados

termicamente. Os resultados obtidos para os corpos de prova submetidos a -196 C mostraram que

ocorre algum outro fenmeno, alm da transformao de austenita retida em martensita. A bibliografia

27

afirma que ocorre a precipitao de nanocarbonetos. Ainda pode-se afirmar que aos rpidos tratados

criogenicamente tero um resultado superior aos tratados pelo processo convencional (tmpera e trs

revenidos).

Farina (2011) estudou os efeitos da introduo de etapas de tratamento criognico e do alvio de

tenses no ciclo trmico do ao ferramenta para trabalho a frio AISI D2. Variaram-se as temperaturas

de tratamento criognico, sendo elas principalmente: criognica (-196 C) e subzero (-80C). Foram

variados os tempos e permanncia s temperaturas criognicas: 2, 3, 10, 24, 30 e 36 horas. Verificou-

se o efeito da adio da etapa de alivio de tenses previamente ao tratamento criognico. A partir da

anlise, concluiu-se que os carbonetos secundrios (micromtricos) no apresentaram variao. Os

carbonetos secundrios de revenido (nanomtricos) apresentam-se mais finamente dispersos na matriz

nas amostras com tratamento criognico e sem alivio de tenses.

Ashiuchi (2009) investigou o efeito do DCT na vida por fadiga sob condies de fretting no Al

7050-T7451. Este material usado principalmente pela indstria aeronutica na construo de

nervuras de asas, trens de pouso e outros componentes de aeronaves. As principais concluses obtidas

com esse trabalho foram: para vidas longas, em geral, superiores a 2x106 ciclos, observou-se um

prolongamento na vida em fadiga pro fretting com o uso do DCT. Mais especificamente, o aumento da

durabilidade para os corpos tratados foi de 227% com relao aos corpos no tratados sob condies

nominalmente idnticas de carregamento. J para vidas inferiores a 2x106 ciclos o DCT pode afetar

negativamente a resistncia em fadiga sob condies de fretting. Por outro lado, o nmero de ensaios

nessa regio foi menor e a disperso maior.

Gobbi (2009) estudou o desempenho de corpos de provas do ao AISI D2 criogenicamente

tratados em relao resistncia ao desgaste microabrasivo, a influncia da temperatura de

austenitizao no ciclo de tratamento trmico e da ordem do revenimento em relao ao DCT. A partir

da anlise, concluiu-se que com o DCT, temperaturas elevadas de austenitizao no beneficiam a

resistncia ao desgaste abrasivo do material. Este efeito pode estar relacionado aos diferentes nveis de

austenita residual na microestrutura do ao, na condio somente temperado. J para amostras

austenitizadas a temperaturas mais baixas, os resultados revelaram que o DCT aumenta a resistncia

ao desgaste do ao AISI D2 em at 44%. Este efeito est principalmente relacionado ao aumento da

quantidade de finos carbonetos dispersos nas matrizes das amostras tratadas criogenicamente.

2.7.1 TCNICAS

H diversas formas e tcnicas de fazer tratamento a frio nos materiais, uma vez que frio pode ser

entendido como temperaturas menores que a temperatura ambiente.

De acordo com Bryson (1999), os tratamentos dos materiais a frio podem ser classificados como:

Tratamento Sub-zero de alguns minutos a algumas horas em at -80C por exposio ao

gelo seco de CO2;

28

Tratamento Criognico de forma brusca de alguns minutos a algumas horas em at -

196C por exposio rpida ao nitrognio lquido (N2L);

Tratamento Criognico Profundo (DCT) resfriamento lento, dezenas de horas em at -

196C por exposio lenta e controlada ao gs resfriado obtido da evaporao do N2L e

aquecimento lento e controlado.

O tratamento sub-zero hoje o mais popular e conhecido dos tratamentos a frio, ele utilizado na

indstria para promover maior estabilidade dimensional e remover tenses residuais dos processos de

laminao, extruso, forja, austenitizao, etc. conhecida por complementar o revenimento e

remover alteraes dimensionais da tmpera. Esse tratamento tambm representa o de menor

investimento inicial. O processo criognico passou por um perodo de descrdito, pelo menos at a

ltima dcada, devido falta de cuidado ou recursos com o que era executado. Por ausncia de

controle automatizado que a tecnologia da poca permitia, as peas tratadas eram mergulhadas

diretamente no N2 lquido, com isso aconteciam trincas por gradiente de contrao entre as camadas

externas e internas do material. O tratamento criognico precisou esperar o desenvolvimento da

informtica e da eletrnica de microprocessamento para ser redescoberto, assim todo o processo pode

ser acompanhado sem a necessidade de um operador presente durante o tempo do ciclo (Ashiuchi,

2009).

O chamado Tratamento Criognico Profundo consiste em um resfriamento a uma baixa taxa, a

partir da temperatura ambiente at a temperatura do nitrognio lquido (-196C. Embora os efeitos e

resultados que proporciona sejam funo do material e da aplicao, a maior ou menor magnitude

desses efeitos depende de uma combinao previa entre o tratamento habitual e o tratamento

criognico (Mariante, 1999; Farina, 2011).

O ciclo de criogenia pode ser feito em atmosfera gasosa de nitrognio ou usando a imerso direta

no lquido. Normalmente, esse resfriamento mantido durante 24 horas (podendo ser superior) e

depois retorna temperatura ambiente, tambm a taxas baixas (Yun & Xiaoping, 1998).

O tratamento criognico no altera a aparncia nem as dimenses dos componentes. Ele

realizado em atmosfera inerte e no ocorre mudana de cor ou oxidao. Umas das particularidades

desse tratamento que ele indetectvel. As alteraes so sutis e afetam o material escala

microestrutural (Silva, 1999). Isso evita mudanas bruscas de temperatura que possam provocar o

aparecimento de trincas e tenses internas (Carlson, 1969; Albert, 1992).

29

3 MATERIAIS E MTODOS

3.1 MATERIAIS ANALISADOS

3.1.1 COMPOSIO QUMICA

A liga NiTi utilizada para estudo fabricada pela empresa Nimesis. Na temperatura ambiente, a

liga encontra-se na fase martenstica, possui efeitos de memria de forma. A composio qumica foi

determinada por ensaio de EDX (Espectroscopia por Fluorescncia de Raio-X, Anexo 1), resultando

nos valores apresentados na tabela 3.1.

Tabela 3.1 - Composio qumica da liga NiTi (Albano, 2013).

Composio qumica

Componente pp %

Ni 55, 408

Ti 43, 888

Al 0, 295

Fe 0, 157

Ca 0, 143

Si 0, 109

3.1.2 CORPOS DE PROVA

Os corpos de prova utilizados foram cortados com uma serra circular de disco abrasivo e podem

ser visualizados pelas Figuras 3.1, 3.2, 3.3, 3.4. Foram utilizados trs corpos de prova para cada tempo

de encharque diferente.

Figura 3.1 Corpos de prova de NiTi tratado criogenicamente com tempo de encharque de 15 minutos

(NiTi_TC15min, esquerda) e sem tratamento (NiTi_ST, direita) utilizados nos ensaios da Tcnica de

Excitao por Impulso e de Dureza.

30

Figura 3.2 Corpos de prova de NiTi tratado criogenicamente com tempo de encharque de 8 horas (NiTi_TC8h)

utilizados nos ensaios da Tcnica de Excitao por Impulso e de Dureza.

Figura 3.3 Corpos de prova de NiTi tratado criogenicamente com tempo de encharque de 16 horas

(NiTi_TC16h) utilizados nos ensaios da Tcnica de Excitao por Impulso e de Dureza.

Figura 3.4 Corpos de prova de NiTi tratado criogenicamente com tempo de encharque de 24 horas

(NiTi_TC24h) utilizados nos ensaios da Tcnica de Excitao por Impulso e de Dureza.

31

As Tabelas 3.2 a 3.12 resumem os dados referentes s geometrias dos corpos de prova de NiTi e

suas respectivas massas. As dimenses foram realizadas em trs pontos diferentes: nas extremidades e

no meio do corpo de prova. Esses dados foram obtidos por meio de um paqumetro com incerteza de

0,05 mm e uma balana digital com incerteza de 0,0001 g.

Tabela 3.2 - Parmetros geomtricos e de massa do corpo de prova cilndrico sem tratamento.

Corpo de prova Comprimento (mm) Dimetro (mm) Massa (g)

Medida 1 78,40 10 40,2121

Medida 2 78,35 10 40,2121

Medida 3 78,35 10 40,2121

Valor mdio 78,37 10 40,2121

Desvio-padro 0,26 0 0

Coef. de variao % 0,516 0 0

Dimenses mdias 78,37 0,1 10 0,05 40, 2121 0,0001

Tabela 3.3 - Parmetros geomtricos e de massa do corpo de prova cilndrico tratado criogenicamente

com tempo de encharque de 15 minutos.

Corpo de prova Comprimento (mm) Dimetro (mm) Massa (g)

Medida 1 77,90 10 39,9864

Medida 2 77,90 10 39,9865

Medida 3 77,95 10 39,9864

Valor mdio 77,92 10 39,9864


Dimenses mdias 77,92 0,08 10 0,05 39,9864 0,0001


criogenicamente com tempo de encharque de 8 horas.

Corpo de prova 1 Comprimento (mm) Dimetro (mm) Massa (g)

Medida 1 40,25 10 20,6854

Medida 2 40,25 10 20,6853

Medida 3 40,30 10 20,6853

Valor mdio 40,27 10 20,6853


Dimenses mdias 40,27 0,08 10 0,05 20,6853 0,0001

32




Medida 1 36,20 10 18,6977

Medida 2 36,15 10 18,6977

Medida 3 36,20 10 18,6976

Valor mdio 36,17 10 18,6977


Dimenses mdias 36,17 0,08 10 0,05 18,6977 0,0001




Medida 1 40,50 10 20,8178

Medida 2 40,50 10 20,8179

Medida 3 40,45 10 20,8179

Valor mdio 40,47 10 20,8179


Dimenses mdias 40,47 0,08 10 0,05 20,8179 0,0001




Medida 1 36,40 10 18,2876

Medida 2 36,40 10 18,2877

Medida 3 36,40 10 18,2878

Valor mdio 36,40 10 18,2877

Desvio-padro 0 0 0

Dimenses mdias 36,40 0,05 10 0,05 18,2877 0,0001

33




Medida 1 35,65 10 18,4187

Medida 2 35,65 10 18,4188

Medida 3 35,65 10 18,4187

Valor mdio 35,65 10 18,2877

Desvio-padro 0 0 0

Dimenses mdias 35,65 0,05 10 0,05 18,4187 0,0001




Medida 1 35,20 10 18,1763

Medida 2 35,20 10 18,1764

Medida 3 35,20 10 18,1763

Valor mdio 35,20 10 18,1763

Desvio-padro 0 0 0

Dimenses mdias 35,20 0,05 10 0,05 18,1763 0,0001




Medida 1 33,00 10 17,0574

Medida 2 33,00 10 17,0575

Medida 3 33,05 10 17,0576

Valor mdio 33,02 10 17,0575


Dimenses mdias 33,02 0,08 10 0,05 18,1763 0,0001

34




Medida 1 35,10 10 18,1520

Medida 2 35,15 10 18,1520

Medida 3 35,10 10 18,1521

Valor mdio 35,12 10 18,1520


Dimenses mdias 35,12 0,08 10 0,05 18,1520 0,0001




Medida 1 42,75 10 21,9953

Medida 2 42,75 10 21,9955

Medida 3 42,75 10 21,9955

Valor mdio 42,75 10 21,9954

Desvio-padro 0 0 0

Dimenses mdias 42,75 0,03 10 0,05 21,9954 0,0001

3.2 TRATAMENTOS CRIOGNICOS

3.2.1 TRATAMENTO CRIOGNICO BRUSCO

O tratamento criognico de forma brusca, como se fosse uma tmpera criognica, foi realizado

com a imerso do corpo de prova diretamente no N2 liquido. Ou seja, o resfriamento procedeu com a

maior taxa de resfriamento possvel. O processo simples, o tempo de encharque da liga NiTi no N2

lquido foi variado em: 15 minutos, 8 horas, 16 horas e 24 horas. Na Figura 3.5 pode-se verificar o

recipiente de armazenamento de nitrognio lquido. Posteriormente os corpos de prova foram retirados

do recipiente e ocorreu o aquecimento at a temperatura ambiente de forma natural (Figura 3.6).

35

Figura 3.5 Recipiente onde foi armazenado nitrognio lquido.

Figura 3.6 Aquecimento do corpo de prova at a temperatura ambiente.

3.2.2 TRATAMENTO CRIOGNICO PROFUNDO

O tratamento criognico profundo foi realizado por Albano (2013). O processo disponibilizado

pela empresa Kryos Tecnologia comercialmente chamado de ULTP, Ultra Low Temperature

Process, no qual se utiliza vapor de nitrognio lquido como meio de resfriamento. Todo o processo,

ou seja, a taxa de resfriamento, manuteno na temperatura de tratamento criognico e aquecimento

at a temperatura ambiente controlado por software e hardware especficos desenvolvidos pela

36

empresa (Gobbi, 2009). Na Figura 3.7, pode-se identificar a cmara de tratamento e o cilindro de

armazenamento de nitrognio lquido, pertencentes Kryos Tecnologia.

Figura 3.7 - Equipamento para tratamento criognico Kryos Tecnologia (Gobbi, 2009).

O corpo de prova de NiTi foi submetido ao tratamento trmico baseado no ciclo indicado na

Figura 3.7. De acordo com esse ciclo, a liga resfriada at a temperatura em torno de -190C e

mantido a essa temperatura entre doze e vinte e quatro horas. Em seguida, ocorre aquecimento at a

temperatura ambiente.

Albano (2013) realizou este experimento com taxa de variao de temperatura no resfriamento e

no aquecimento de 17,83 C/h. No presente trabalho foram realizados experimentos com taxas

elevadssimas de resfriamento (imerso em N2 variando-se o tempo de encharque) para a comparao

de resultados. A princpio, os corpos de prova no necessitam de uma taxa to lenta como mostrada na

Figura 3.8, contudo, foi realizado para garantir a integridade dos mesmos sobre critrio cientifico.

Figura 3.8 Curva geral de resfriamento e reaquecimento do tratamento criognico profundo.

37

3.3 TCNICA DE EXCITAO POR IMPULSO - SONELASTIC

O Software para a caracterizao dos mdulos de elasticidade e do amortecimento pela Tcnica de

Excitao por Impulso utilizado foi o Sonelastic verso PC Based Lab I. Tecnicamente, o Software

Sonelastic consiste em um analisador de vibraes transitrias, das quais so extradas as

frequncias e a respectiva taxa de atenuao para a realizao do calculo do amortecimento.

Na aplicao a que se destina, o Software identifica quais so as frequncias de vibrao e os

respectivos amortecimentos mediante o processamento da resposta acstica do corpo de prova,

resposta esta induzida por uma excitao mecnica por impulso (uma leve pancada na superfcie do

corpo de prova). Para desempenhar tal tarefa, o Software Sonelastic possui um sistema de

programao computacional avanado e faz uso de ferramentas matemticas nos clculos dos mdulos

de elasticidade e amortecimento a partir do decaimento logartmico, em acordo com a Norma ASTM

E-1876 e correlatas (Cossolino & Pereira, 2010).

Figura 3.9 - Sonelastic; 1: Sistema de suporte Sonelastic RTS-Auto; 2:Sistema de excitao Sonelastic IED1;

3:Pulsador com solenide tubular1; 4: Microfone; 5: Corpo de prova (Cossolino & Pereira, 2010. Modificado).

O equipamento constitudo basicamente por um pulsador automtico, transdutor (microfone) e

um suporte, conforme mostrado na Figura 3.9 acima. A funo do pulsador aplicar um impacto no

corpo de prova para gerar as vibraes mecnicas, sem danific-lo; a do transdutor captar a resposta

acstica e transform-la em sinal eltrico para que seja possvel identificar as frequncias de

ressonncia. Os suportes de corpo de prova tm o objetivo de apoiar os corpos de prova em seus

pontos e/ou linhas nodais para poder vibrar livremente ao receber a excitao. Vale lembrar ainda que

os suportes dependem das dimenses e da geometria dos corpos de prova

38

A aquisio do sinal feita por meio de um microfone com cpsula e largura de banda de 20 kHz.

importante que o sistema de excitao e captao do sinal exera mnima influncia sobre o

amortecimento da vibrao flexional fundamental. As caracterizaes foram realizadas utilizando o

suporte de corpo de prova Sonelastic RTS-Auto, indicado pelo nmero 1 na Figura 3.9, que impem as

condies de contorno mecnico timas para o modo de vibrao flexional fundamental. Neste suporte

a amostra apoiada exatamente sobre os ns de vibrao flexional fundamental por finos fios

metlicos na posio 0,224C, em que C o comprimento do corpo de prova. O ajuste da posio

realizado automaticamente por um sistema mecnico baseado no

influÊncia da taxa de resfriamento e do tempo de...

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