liga niti - influência do teor de carbono e oxigênio
DESCRIPTION
Tese de doutorado acerca de liga NiTi com efeito de memória de forma, submetida a ensaio de fadiga por flexão rotativa para avaliação de sua resistência à fadiga.TRANSCRIPT
-
Tese apresentada Pr-Reitoria de Ps-Graduao e Pesquisa do Instituto
Tecnolgico de Aeronutica, como parte dos requisitos para obteno do ttulo
de DOUTOR EM CINCIAS no Programa de Ps-Graduao em
ENGENHARIA AERONUTICA E MECNICA, rea de MATERIAIS E
PROCESSOS DE FABRICAO.
William Marcos Muniz Menezes
INFLUNCIA DO TEOR DE CARBONO E OXIGNIO SOBRE
A VIDA EM FADIGA POR FLEXO ROTATIVA DE FIOS DE
LIGAS NiTi COM EFEITO MEMRIA DE FORMA
Tese aprovada em sua verso final por
Jorge Otubo Orientador
Celso Massaki Hirata Pr-Reitor de Ps-Graduao e Pesquisa
Campo Montenegro So Jos dos Campos, SP Brasil
2013
-
II
Dados Internacionais de Catalogao-na-Publicao (CIP) Diviso de Informao e Documentao
Menezes, William Marcos Muniz Influncia do teor de carbono e oxignio sobre a vida em fadiga por flexo rotativa de fios de ligas
NiTi com Efeito Memria de Forma / William Marcos Muniz Menezes. So Jos dos Campos, 2013. 190 folhas.
Tese de Doutorado Engenharia Aeronutica e Mecnica, rea de Materiais e Processos de
Fabricao Instituto Tecnolgico de Aeronutica, 2013. Orientador: Prof. Dr. Jorge Otubo.
1. Ligas nitinol. 2. Ligas de memria de forma. 3. Fadiga (materiais). 4. Propriedades mecnicas. 5. Ligas de nquel. 6. Ligas de titnio. 7. Engenharia de materiais. 8. Metalurgia. I. Instituto Tecnolgico de Aeronutica. II. Influncia do teor de carbono e oxignio sobre a vida em fadiga por flexo rotativa de fios de ligas NiTi com Efeito Memria de Forma.
REFERNCIA BIBLIOGRFICA MENEZES, William Marcos Muniz. Influncia do teor de carbono e oxignio sobre a vida em fadiga por flexo rotativa de fios de ligas NiTi com Efeito Memria de Forma. 2013. Total de 190 folhas. Tese de Doutorado em Engenharia Aeronutica e Mecnica, rea de Materiais e Processos de Fabricao Instituto Tecnolgico de Aeronutica, So Jos dos Campos.
CESSO DE DIREITOS NOME DO AUTOR: William Marcos Muniz Menezes TTULO DO TRABALHO: Influncia do teor de carbono e oxignio sobre a vida em fadiga por flexo rotativa de fios de ligas NiTi com Efeito Memria de Forma Tese de Doutorado / 2013 concedida ao Instituto Tecnolgico de Aeronutica permisso para reproduzir cpias desta tese e para emprestar ou vender cpias somente para propsitos acadmicos e cientficos. O autor reserva outros direitos de publicao e nenhuma parte desta tese pode ser reproduzida sem a sua autorizao (do autor). William Marcos Muniz Menezes Rua Nacim Anis Mimessi, 381 Urbanova So Jos dos Campos SP.
-
III
INFLUNCIA DO TEOR DE CARBONO E OXIGNIO SOBRE
A VIDA EM FADIGA POR FLEXO ROTATIVA DE FIOS DE
LIGAS NiTi COM EFEITO MEMRIA DE FORMA
William Marcos Muniz Menezes
Composio da Banca Examinadora: Prof. Dr. Carlos de Moura Neto Presidente Prof. Dr.Jorge Otubo Orientador Prof. Dr. Danieli Aparecida Pereira Reis ITA/UNIFESP Prof. Dr. Dilermando Nagle Travessa UNIFESP Dr. Sergio Luis Graciano Petroni IAE/AMR
ITA
-
IV
DEDICATRIA
Aos meus amados pais
Darcy e Wanderley.
minha querida irm
Cristine.
minha famlia,
meus filhos
Maria Clara e Andr William
e minha esposa
Patrcia,
Com carinho.
-
V
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Jorge Otubo, que me conduziu a novos conhecimentos no campo de materiais
metlicos avanados, disponibilizou recursos para pesquisa, e, tanto se dedicou
orientao de minha metodologia de trabalho, ao acompanhamento dos ensaios, e s
anlises e discusses cientficas, neste fabuloso campo da metalurgia.
Ao Instituto Tecnolgico de Aeronutica ITA pela oportunidade de pesquisa e pela
disponibilizao de seus recursos, sem os quais este trabalho no poderia ter sido realizado.
FAPESP, ao CNPQ e FINEP, pelos financiamentos concedidos.
VILLARES METALS e MULTIALLOY METAIS ESPECIAIS pela colaborao no
processamento das ligas metlicas desta pesquisa.
Ao Fsico e doutorando Osmar de Sousa Santos, pela valiosssima colaborao na
execuo e anlise dos resultados de ensaios mecnicos e metalogrficos.
Ao colega Odair Dona Rigo pela contribuio no desenvolvimento das ligas NiTi ora
estudadas.
Aos colegas do ItaSmart Group, Dr. Heide Bernardi, Leonardo Naito, e Karine Kafer, pela
colaborao nas atividades de ensaios, realizadas nos laboratrios do ITA.
Aos amigos Dr. Tibrio Uchoa Matheus e Dr. Leonardo Kyo Kabayama, que muito
contriburam para o desenvolvimento da metodologia de ensaio e preparao da matria
prima deste trabalho.
Aos colegas da AMR pela colaborao na obteno de imagens microscpicas.
APG Associao de Ps Graduandos do ITA, pelo apoio aquisio de instrumentos
eletrnicos necessrios aos equipamentos desenvolvidos neste trabalho.
A todos que, de alguma forma, colaboraram com este trabalho.
-
VI
EPGRAFE
O pensamento a nossa dignidade. Tratemos, por conseguinte, de pensar
bem, pois a que est o princpio da moral.
Blaise Pascal
-
VII
RESUMO
Este trabalho avalia a resistncia fadiga por flexo rotativa de ligas NiTi na forma de fios,
em funo da presena de impurezas e qualidade superficial das mesmas. O desenvolvimento
da pesquisa foi realizado em duas etapas, sendo a primeira destinada ao desenvolvimento de
um equipamento para ensaio de fadiga por flexo rotativa. A segunda etapa destinou-se
preparao de fios por trefilao, execuo de ensaios mecnicos e anlise mecnica e
metalrgica dos materiais. Os ensaios de fadiga foram divididos em dois grupos, para
ciclagem parcial sem ruptura e ciclagem total at a ruptura dos fios. Aps o processo de
fadiga, as amostras cicladas parcialmente foram ensaiadas por trao, com aplicao de
deformao at 6%, seguido de descarregamento com recuperao elstica do material. Com a
qualidade superficial dos fios melhorada, pde-se constatar a vida em fadiga dos materiais
determinada por fatores intrnsecos. A vida em fadiga dos fios de NiTi com menor teor de
carbono 90% maior que a dos fios com elevados teores deste elemento. O aspecto da fratura
indica que a liga de menor teor de carbono armazena mais energia no processo de crescimento
de trincas por fadiga; tambm sofre considervel transformao martenstica induzida por
fadiga, fato que modifica sensivelmente suas propriedades mecnicas ao longo do processo de
ciclagem.
Palavras chave: Nquel-Titnio, Efeito Memria de Forma, pseudoelasticidade, fadiga, flexo
rotativa.
-
VIII
ABSTRACT
This study evaluates the rotary bending fatigue resistance of NiTi alloys wires as a function of
its impurities content and its surface finishing. This research was carried out in two steps: a
development of a machine to rotate bending fatigue test and the manufacturing of wires by
drawing process; and secondly, the mechanical testing and metallurgical analyzes. Fatigue
tests were carried out considering partial fatigue cycles and total fatigue cycles until sample
failure. The partially cycled samples were tensile tested up to 6% strain, then the load released
to elastic shape recovery. Once the wire surface quality is adequate, it is find that the fatigue
life of the materials is determined by intrinsic factors. The fatigue life of NiTi wires with
lower carbon content exceeds in 90% the fatigue life of higher carbon wires. The appearance
of the fracture indicates that the low carbon alloy store more energy in the process of fatigue
crack growth generating smaller area with dimple structure. For the alloy with low carbon
content, martensitic transformation occurs mainly due to fatigue induced, what brought forth
changes on its mechanical properties during fatigue process.
Key words: Nickel-Titanium, Shape Memory Effect, pseudoelasticity, fatigue, rotary bending.
-
IX
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Transformaes de fases em ligas NiTi com Efeito Memria de
Forma (adaptado de NEMAT-NASSER e GUO, 2006).
pg. 38
Figura 2 Deformao recupervel em ciclo de histerese (figura do autor). pg. 39
Figura 3 Regies de temperatura e tenso de ocorrncia de
pseudoelasticidade (adaptado de OTSUKA & REN, 2005).
pg. 41
Figura 4 Curvas tenso-deformao pra a liga Ti-50%atNi sob vrias
temperaturas (adaptado de FUNAKUBO, 1987).
pg. 44
Figura 5 Relao entre limite de escoamento e temperatura para uma liga Ti-
50,3%at Ni, monocristalina, solubilizada a 1273K (1.000C) por 1
hora, seguida de envelhecimento a 673K (400C) por 1 hora
(adaptado de OTSUKA & REN, 2004).
pg. 45
Figura 6 Tipos caractersticos de curvas tenso- deformao de ligas NiTi
(adaptado de OTSUKA & REN, 2005).
pg. 46
Figura 7 Sinuosidade tpica da raiz de um dente primeiro molar inferior, com
dois canais na raiz mesial, e um canal na raiz distal (adaptado de
www.forp.usp.br/restauradora).
pg. 52
Figura 8 Lima endodntica em preparo do canal radicular
(www.glaciallakesental.com).
pg. 53
Figura 9 Modelagem de canal radicular (www.dentsply.com.br). pg. 53
Figura 10 Desenho esquemtico de segmento de lima fraturado dentro do
canal radicular (RUDDLE, 2001).
pg. 54
Figura 11 (a) Fratura do instrumento no tero mdio do canal distal (R-X); (b)
Canal radicular aps remoo do fragmento (R-X); (c) Fragmento
pg. 54
-
X
removido (MELLO & KHERLAKIAN, 2010).
Figura 12 Masserankit para retirada de fragmento de lima endodntica
(www.micro-mega.com/anglais/produits/masseran/).
pg. 55
Figura 13 Uso das tcnicas de vibrao por ultrassom e Masserankit para
extrao de fragmento de lima endodntica (www.mecourse.com).
pg. 55
Figura 14 Dispositivo de ensaio de limas endodnticas (BAHIA, 2004). pg. 56
Figura 15 Dispositivo de ensaio de limas endodnticas (BRITTO, 2009). pg. 56
Figura 16 Dispositivo de ensaio de limas endodnticas (GAMBARINI et al,
2008).
pg. 56
Figura 17 Dispositivo de ensaio de limas endodnticas (LARSEN et al, 2009). pg. 57
Figura 18 Dispositivo de ensaio de limas endodnticas (STOJANAC et al,
2012).
pg. 57
Figura 19 Macro geometria da lima endodntica (adapatado de YOUNG et al,
2007).
pg. 58
Figura 20 Sulcos de usinagem na aresta de corte de uma lima endodntica
(www.dentsply.com.br).
pg. 58
Figura 21 Exemplos de perfis de limas endodnticas (YOUNG et al, 2007). pg. 58
Figura 22 Mtodo de determinao do ngulo do canal radicular por
Schneider (adaptado de PLOTINO et al, 2009).
pg. 60
Figura 23 Mtodo de determinao do ngulo do canal radicular (adaptado de
PRUETT et al, 1997).
pg. 61
Figura 24 Esquema do dispositivo para ensaios de fadiga por flexo rotativa
utilizado por DIAS, 2005.
pg. 62
Figura 25 Montagem do fio de NiTi em condio de flexo rotativa
(FIGUEIREDO, 2006).
pg. 63
-
XI
Figura 26 Variao da tenso em cada ponto da seo transversal do fio em
flexo (adaptado de HIBBELER, 2004), sofrendo um ciclo de
revoluo.
pg. 65
Figura 27 Segmento de fio em flexo com momento esttico M, submetido
uma certa rotao, (figura do autor).
pg. 66
Figura 28 Nmero mdio de ciclos (Nf) em funo da amplitude de
deformao e velocidade de rotao (adaptado de MATHEUS,
2007).
pg. 68
Figura 29 Vida em fadiga da liga VIM 06 estudada por MATHEUS, 2007
(figura do autor).
pg. 69
Figura 30 Vida em fadiga da liga VIM 41 estudada por MATHEUS, 2007
(figura do autor).
pg. 69
Figura 31 Superfcie de fio VIM 41, a= 1,37%, = 180 rpm e Nf= 11.555
ciclos. Anlise por MEV (MATHEUS, 2007).
pg. 70
Figura 32 Superfcie de fio VIM 06, a= 0,8%, = 455 rpm, Nf= 7.229 ciclos.
Anlise por MEV (MATHEUS, 2007).
pg. 70
Figura 33 Mquina tipo monobloco para trefilao, do Laboratrio de
Processamento de Materiais LPM / ITA.
pg. 74
Figura 34 Tipo de imperfeio dos fios de NiTi que foi eliminado pelo novo
procedimento de fabricao desenvolvido por KABAYAMA et al,
2008, do ItaSmart Group.
pg. 75
Figura 35 Superfcie do fio de NiTi VIM 16. Anlise por MEV. pg. 76
Figura 36 Forno tubular de 1,20 m LPM / ITA. pg. 76
Figura 37 Termopar e pirmetro para controle do processo de aquecimento do pg. 77
-
XII
forno.
Figura 38 Aplicao de massa como carga para tracionamento do fio no
processo de memorizao retilnea dos fios de NiTi.
pg. 77
Figura 39 Vedao das extremidades do forno tubular com manta cermica. pg. 78
Figura 40 (a) Desbobinamento do fio de NiTi para tratamento termomecnico
de memorizao retilnea, (b) Fio rebobinado de NiTi, liga VIM 39.
pg. 78
Figura 41 Fluxograma de planejamento de ensaios, contemplando relaes
entre ensaios e propriedades das ligas NiTi VIM 16 e VIM 39.
pg. 79
Figura 42 Fluxograma da programao de ensaios das ligas NiTi, VIM 16 e
VIM 39.
pg. 80
Figura 43 Mquina de flexo rotativa para ensaios de fios de NiTi, utilizada
neste trabalho.
pg. 81
Figura 44 Dispositivo para ensaios de fadiga de fios em flexo rotativa,
desenvolvido pelo ItaSmart Group (MATHEUS et al, 2007).
pg. 82
Figura 45 Sensor magntico (reed switch) de ciclos, montado em placa de
fenolite.
pg. 83
Figura 46 Conjunto eletromecnico do sensor de ruptura do fio. pg. 83
Figura 47 Sensor de temperatura montado em suporte moldado em
poliestireno.
pg. 83
Figura 48 Integrao do sistema de sensoriamento do processo de fadiga do
fio em flexo rotativa.
pg. 83
Figura 49 Montagem da amostra de NiTi no equipamento de ensaio de fadiga. pg. 84
Figura 50 Limitador de posio do fio. pg. 84
Figura 51 Aplicao manual de graxa a base de MoS2 sobre o fio. pg. 84
Figura 52 Ajuste do raio de curvatura do fio de NiTi em flexo com auxlio de pg. 85
-
XIII
um gabarito de PVC.
Figura 53 Sistema montado para ensaio de fadiga de fios por flexo rotativa. pg. 85
Figura 54 Marcao de uma extremidade da amostra com tinta esmalte
sinttica de secagem rpida.
pg. 86
Figura 55 Marcao da extremidade e do segmento de maior deformao em
flexo no arco formado pelo fio.
pg. 86
Figura 56 Eixos e semieixos para clculo do momento de inrcia da seo
transversal do fio (figura do autor).
pg. 88
Figura 57 Equipamento INSTRON modelo 5500R para ensaio de trao.
Laboratrio de Ensaios Mecnicos LEM / ITA.
pg. 90
Figura 58 (a) Extensmetro INSTRON modelo 2630-038 para tomada de
alongamento da amostra, com comprimento inicial de 50 mm; (b)
Detalhe da fixao do extensmetro no fio.
pg. 91
Figura 59 Deformao residual aps descarregamento ensaio de trao a 6,0%
de deformao e descarregamento da amostra 16.BR.000.01.
pg. 92
Figura 60 Deformao residual da amostra 16.BR.000.01 aps
descarregamento do ensaio de trao a 6,0% de deformao.
pg. 92
Figura 61 Esquema para corte dos fios de NiTi na condio de no ciclados
(BR) e com ciclagem parcial (FR).
pg. 93
Figura 62 Esquema para corte dos fios de NiTi na condio de ciclados at a
ruptura (FR).
pg. 94
Figura 63 Vista da superfcie cilndrica e da fratura da amostra 16.FR.100.02,
de alto carbono, que suportou 21.014 ciclos at sua ruptura. Anlise
por MEV.
pg. 97
Figura 64 Vista da superfcie cilndrica e da fratura da amostra 16.FR.100.04, pg. 97
-
XIV
de baixo carbono, que suportou 12.487 ciclos at sua ruptura.
Anlise por MEV.
Figura 65 Vista da superfcie cilndrica e da fratura da amostra 39.BR.000.01,
de baixo carbono, no ciclada. Anlise por MEV.
pg. 97
Figura 66 Vista da superfcie cilndrica da amostra 39.FR.100.03 (baixo
carbono), que suportou 44.207 ciclos at sua ruptura. Anlise por
MEV.
pg. 97
Figura 67 Amostra 39.FR.100.01. Vista em detalhe da superfcie cilndrica
com adeso de xidos. Anlise por MEV.
pg. 98
Figura 68 Amostra 39.FR.100.03. Vista em detalhe da superfcie cilndrica
com adeso de fina camada de xidos. Anlise por MEV.
pg. 98
Figura 69 Relao da vida em fadiga com o teor de carbono para ligas NiTi
em referncia (VIM 06, VIM 16, VIM 39 e VIM 41).
pg. 100
Figura 70 Precipitados embebidos em matriz de martensita, liga NiTi VIM 16,
amostra 16.FR.100.03. Polimento #1200 e ataque com cido ntrico
e fluordrico, gua destilada, imerso 15 s. Anlise por MO.
pg. 101
Figura 71 Liga NiTi VIM 39, amostra 39.FR.100.04, com menor quantidade
de precipitados que a liga NiTi VIM 16. Polimento #1200 e ataque
com cido ntrico e fluordrico, gua destilada, imerso 15 s.
Anlise por MO.
pg. 101
Figura 72 Liga VIM 16, amostra 16.FR.100.03 com intensa formao de
carbonetos. Anlise por MEV.
pg. 102
Figura 73 Liga VIM 39, amostra 39.FR.100.04 com intensa formao de
carbonetos. Anlise por MEV.
pg. 102
Figura 74 Carbonetos de titnio (TiC) identificados por EDS na seo pg. 102
-
XV
longitudinal da amostra 16.FR.100.03. Anlise por MEV.
Figura 75 EDS VIM 16 amostra 16.FR.100.03 Imagem do mapeamento
de elementos qumicos na seo longitudinal do fio, indicando
presena de carbonetos de titnio (TiC).
pg. 103
Figura 76 EDS VIM 16 Amostra 16.FR.100.03 Grfico do mapa de
elementos qumicos indica precipitados do tipo carboneto de titnio
(TiC).
pg. 103
Figura 77 EDS VIM 16 Amostra 16.FR.100.03 Grfico do perfil
qumico da linha que se sobrepe ao precipitado indica sua
constituio como carboneto de titnio (TiC).
pg. 104
Figura 78 Precipitados embebidos em matriz de martensita, liga NiTi VIM 16,
amostra 16.FR.010.02. Polimento #1200, e ataque com cido ntrico
e fluordrico, gua destilada, imerso 5 s. Anlise por MO.
pg. 104
Figura 79 Detalhe da figura, liga NiTi VIM 16, amostra 16.FR.010.02.
Observao de carbonetos fraturados, alinhados e facetados.
Polimento #1200 e ataque com cido ntrico e fluordrico, gua
destilada, imerso 5 s. Anlise por MO.
pg. 104
Figura 80 Seo longitudinal da amostra 39.FR.100.04, ciclada at a ruptura,
apresentando partcula TiC. Anlise por MEV.
pg. 105
Figura 81 EDS VIM 39 amostra 39.FR.100.04 Imagem do mapeamento
de elementos qumicos na seo longitudinal do fio, indicando
presena de carbonetos de titnio (TiC).
pg. 105
Figura 82 EDS VIM 39 Amostra 39.FR.100.04 Grfico do mapa de
elementos qumicos sugere ocorrncia de precipitados do tipo
carboneto de titnio (TiC).
pg. 106
-
XVI
Figura 83 VIM 16 Amostra 16.FR.100.04 (vida em fadiga de 12.487 ciclos).
Anlise por MEV.
pg. 106
Figura 84 VIM 16 Amostra 16.FR.100.02 (vida em fadiga de 21.014 ciclos).
Anlise por MEV.
pg. 106
Figura 85 Trincas intergranulares nucleadas na superfcie da amostra
16.FR.100.03 (vida em fadiga de 18.484 ciclos). Anlise por MEV.
Ataque com cido ntrico e fluordrico, imerso 5 s.
pg. 107
Figura 86 Trinca intergranular em detalhe, nucleada na superfcie da amostra
16.FR.100.03. Anlise por MEV. Ataque com cido ntrico e
fluordrico, imerso 5 s.
pg. 107
Figura 87 (a) Superfcie de fratura da amostra16.FR.100.02 (liga VIM 16)
aps 21.014 ciclos em flexo rotativa; (b) Detalhe da regio de
incio da trinca. Anlise por MEV.
pg. 108
Figura 88 (a) Superfcie de fratura da amostra 16.FR.100.04 (VIM 16); (b)
Detalhe da regio de incio da fratura com trincas transversais na
superfcie cilndrica. Anlise por MEV.
pg. 108
Figura 89 Regio de nucleao da fratura na amostra 16.FR.100.04, liga VIM
16, que suportou 12.487 ciclos em fadiga por flexo rotativa.
Anlise por MEV.
pg. 109
Figura 90 Mapeamento qumico por EDS, da regio de nucleao da fratura
da amostra 16.FR.100.04, da liga VIM 16. Indicao de
precipitados do tipo carbonetos de titnio (TiC), formando um
tringulo de tenses.
pg. 109
Figura 91 Corte transversal superfcie de fratura da amostra 16.FR.100.03
(liga VIM 16) aps 18.484 ciclos. Anlise por MEV.
pg. 110
-
XVII
Figura 92 Corte transversal superfcie de fratura da amostra 39.FR.100.04
(liga VIM 39) aps 32.121 ciclos. Anlise por MEV.
pg. 110
Figura 93 Esquema de referncias para anlise do aspecto da fratura na
direo radial da superfcie de fratura do fio (figura do autor).
pg. 111
Figura 94 Regio perifrica (R100), de nucleao da fratura, da superfcie de
fratura do fio da liga VIM 16, amostra 16.FR.100.04. Anlise por
MEV.
pg. 112
Figura 95 Regio central (R0) da superfcie de fratura do fio da liga VIM 16,
amostra 16.FR.100.04. Anlise por MEV.
pg. 112
Figura 96 Liga VIM 39amostra 39.FR.100.03 - Regio perifrica (R100) onde
ocorre nucleao da fratura, com trinca intergranular. Anlise por
MEV.
pg. 113
Figura 97 Regio central (R0) da superfcie de fratura do fio da liga VIM 39,
amostra 39.FR.100.03. Anlise por MEV.
pg. 113
Figura 98 Comparativo das superfcies de fratura das ligas VIM 16 e VIM 39.
Anlise por MEV.
pg. 114
Figura 99 Grficos aps ciclagens parciais em flexo rotativa liga VIM
16 (0,110% C).
pg. 116
Figura 100 Grficos aps ciclagens parciais em flexo rotativaliga VIM
39 (0,058% C).
pg. 116
Figura 101 Parmetros da curva referentes s propriedades mecnicas das
ligas NiTi (figura do autor).
pg. 117
Figura 102 Tenso de trao para deformaes de 3,0% (3%) e 6,0% (6%)
com a evoluo do nmero de ciclos em flexo rotativa dos fios de
NiTi.
pg. 119
-
XVIII
Figura 103 Estgios da resistncia mecnica das ligas NiTi aps fadiga por
flexo rotativa.
pg. 120
Figura 104 Mdulo de elasticidade E e recuperao elstica RE em funo do
nmero de ciclos em flexo rotativa liga VIM 16.
pg. 122
Figura 105 Mdulo de elasticidade E e recuperao elstica RE em funo do
nmero de ciclos flexo rotativa liga VIM 39.
pg. 122
Figura 106 Dispositivo de ensaio de fios em flexo rotativa, desenvolvido por
WAGNER et al, 2004.
pg. 137
Figura 107 Dispositivo de ensaio de fios em flexo rotativa, de PATEL, 2005. pg. 138
Figura 108 Dispositivo de ensaio em flexo rotativa utilizado por BRITTO,
2009.
pg. 138
Figura 109 Dispositivo de ensaio em flexo rotativa utilizado por
FIGUEIREDO, 2006.
pg. 138
Figura 110 Vista frontal do subconjunto operatriz do dispositivo de
MATHEUS et al, 2007.
pg. 139
Figura 111 Vista posterior do subconjunto operatriz do dispositivo de
MATHEUS et al, 2007.
pg. 139
Figura 112 Dispositivo para ensaio de fadiga de fios em flexo rotativa,
desenvolvido por MATHEUS et al, 2007.
pg. 140
Figura 113 Dispositivo para ensaio de fadiga de fios em flexo rotativa,
desenvolvido no presente trabalho.
pg. 141
Figura 114 Bloco sensor de ciclos com mini bornes para reed switch. pg. 141
Figura 115 Reset rpido do sensor de ruptura de fio. pg. 141
Figura 116 Elementos em vista frontal da ROTATFLEX 180. pg. 144
Figura 117 Elementos em vista posterior da ROTATFLEX 180. pg. 145
-
XIX
Figura 118 Prtico para integrao fsica dos subconjuntos. pg. 146
Figura 119 Detalhe de suportes fixos para sistema de agitao (a) e sensor de
temperatura (b).
pg. 146
Figura 120 Detalhe de furao e batentes para montagem do chassi de
alumnio.
pg. 146
Figura 121 Ala para manuseio e transporte do equipamento. pg. 146
Figura 122 Dispositivo de MATHEUS et al, 2007, para um raio mnimo para
flexo da amostra de 50 mm.
pg. 147
Figura 123 Dispositivo ROTATFLEX 180, para um raio mnimo para flexo da
amostra de 40 mm.
pg. 147
Figura 124 Usinagem da haste do agitador do banho de controle da temperatura
da amostra.
pg. 148
Figura 125 (a) Mini mancais do sensor de ruptura do fio aps primeira etapa de
usinagem, a qual se seguiu furao central e abertura de rosca (b).
pg. 148
Figura 126 (a) Primeira montagem do sistema sensor de ruptura (bloco
eletromecnico conversor de sinal), com micro chave (b).
pg. 148
Figura 127 Controle transistorizado de baixa potncia para acionamento do
motorredutor.
pg. 149
Figura 128 Esquema eletroeletrnico do novo comando do motorredutor,
sensor de ciclos, sensor de ruptura e totalizadores de dados.
pg. 150
Figura 129 Circuito do sistema automtico de controle do banho, ligado s
sadas i1 e i2.
pg. 151
Figura 130 Circuito de acionamento manual do sistema de agitao do banho,
com sinalizao luminosa de funcionamento.
pg. 151
Figura 131 Circuito de alta potncia para energizao do sistema de pg. 151
-
XX
aquecimento termo resistivo de at 2 kW.
Figura 132 (a) Design com impresso a laser e pintura da placa cobreada de
fenolite destinada corroso; (b) placa j corroda mostrando a
soldagem dos terminais de seus componentes eletroeletrnicos.
pg. 152
Figura 133 (a) Montagem de componentes eletroeletrnicos na placa do
comando de rotao da amostra; (b) Placa completa com
componentes e cabos de energizao, instrumentao e controle.
pg. 153
Figura 134 Caixa de comando do sistema de rotao de fios em flexo. pg. 153
Figura 135 Corpos de prova de fios de ao inoxidvel aps ensaios de fadiga
em flexo rotativa.
pg. 154
Figura 136 Apalpador em acrlico que sofreu ruptura durante os ensaios
preliminares.
pg. 155
Figura 137 Novo apalpador em PVC, componente do sistema sensor de
ruptura.
pg. 158
Figura 138 (a) Suporte do sensor de temperatura do banho, moldado em
poliestireno; (b) Fixao giratria do suporte do sensor de
temperatura.
pg. 162
Figura 139 Calibrador de arqueamento (a) e limitador de posicionamento (b). pg. 162
-
XXI
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Caractersticas de materiais submetidos transformao
martenstica (FUNAKUBO, 1987)
pg. 34
Tabela 2 Tipos de deformaes associadas temperatura (FUNAKUBO,
1987).
pg. 47
Tabela 3 Parmetros geomtricos utilizados por diversos autores, em
ensaios de limas endodnticas de NiTi sob flexo rotativa.
pg. 59
Tabela 4 Parmetros de ensaios de fadiga por flexo rotativa de NiTi
utilizado por vrios autores.
pg. 67
Tabela 5 Composies qumicas das ligas NiTi analisadas, determinadas
por fluorescncia de raios X.
pg. 73
Tabela 6 Temperaturas de transformao de fases das ligas NiTi em estudo,
determinadas por DSC.
pg. 73
Tabela 7 Parmetros para memorizao dos fios de NiTi. pg. 77
Tabela 8 Parmetros de ensaio em flexo rotativa das ligas VIM 16 e VIM
39.
pg. 83
Tabela 9 Tipos de amostras e parmetros dos ensaios de trao. pg. 91
Tabela 10 Sequncia de lixas do procedimento de polimento de amostras
metalogrficas.
pg. 94
Tabela 11 Ciclagem at ruptura em fadiga por flexo rotativa das ligas VIM
16 e VIM 39.
pg. 99
Tabela 12 Vida em fadiga Comparativo entre as ligas VIM 06, VIM 16,
VIM 39 e VIM 41.
pg. 100
Tabela 13 Caractersticas qumicas e trmicas das ligas VIM 06, VIM 16, pg. 100
-
XXII
VIM 39 e VIM 41.
Tabela 14 Caractersticas mecnicas da liga VIM 16 aps ciclagem. pg. 118
Tabela 15 Caractersticas mecnicas da liga VIM 39 aps ciclagem parciais. pg. 118
Tabela 16 Data sheet da ROTATFLEX 180. pg. 142
Tabela 17 Avaliao de itens de robustez do equipamento ROTATFLEX. pg. 156
Tabela 18 Avaliao de itens de operacionalidade da ROTATFLEX 180. pg. 158
Tabela 19 Avaliao de itens de confiabilidade de medidas. pg. 163
Tabela 20 Instrumentos para tomada de medidas dos ensaios de fadiga por
flexo e rotao de fios.
pg. 165
Tabela 21 Dados do ensaio de qualificao da mquina de fadiga
ROTATFLEX 180.
pg. 167
-
XXIII
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
DSC Differential Scanning Calorimetry (Calorimetria Diferencial de
Varredura)
EDS Energy Dispersive Spectroscopy (Espectrometria de Raios X por
Disperso de Energia)
EMF Efeito Memria de Forma
LAMEV Laboratrio de Microscopia Eletrnica de Varredura
LAT Laboratrio de Anlises Trmicas
LED Diodo emissor de luz
LEM Laboratrio de Ensaios Mecnicos
LPM Laboratrio de Processamento de Materiais
MEV Microscopia Eletrnica por Varredura
MO Microscopia ptica
NiTi Nquel Titnio
PVC Policloreto de vinila
SMA Shape Memory Alloy (liga com efeito memria de forma)
VIM Vacuum Induction Melting (fuso a vcuo por induo)
-
XXIV
LISTA DE SMBOLOS
A Fase austenita
Af Temperatura final da transformao austentica
Ai Temperatura inicial da transformao austentica
Ap Temperatura de pico da transformao austentica
AM Transformao de fases, de austenita para martensita
B2 Fase da liga nquel-titnio
B19 Fase da liga nquel-titnio
CCC Cbico de corpo centrado
d Dimetro do fio
D1 Dimetro a 1 mm da extremidade
D3 Dimetro a 3 mm da extremidade
D4 Dimetro a 4 mm da extremidade
D14 Dimetro a 14 mm da extremidade
D16 Dimetro a 16 mm da extremidade
E Mdulo de elasticidade
J Momento de inrcia
LR Limite de resistncia
M Fase martensita
Mf Temperatura final da transformao martenstica
Mi Temperatura inicial da transformao martenstica
Mp Temperatura de pico da transformao martenstica
MT Momento torsor
MoS2 Bissulfeto de molibdnio
-
XXV
MP Transformao reversa martensita para austenita
Nf Vida em fadiga
r raio do fio
R Raio de curvatura do fio
RE Recuperao elstica
R100 Posio a 100% do raio (borda)
R75 Posio a 75% do raio
R50 Posio a 50% do raio
R25 Posio a 10% do raio
R0 Posio a 0% do raio (centro)
R-X Raios X
ST Seo transversal
T Temperatura
Td Temperatura da deformao
XNi Frao de nquel
XC Frao de carbono
XO Frao de oxignio
Fe-C Liga ferro carbono
MOS2 Bissulfeto de molibdnio
TiO xido de titnio
TiO2 Dixido de titnio
HF cido fluordrico
HNO3 cido ntrico
H2O gua destilada
Ni-Ti Liga nquel-titnio
-
XXVI
Ti4Ni2Ox xido de nquel titnio
TiC Carboneto de titnio
Deformao
a Amplitude da deformao
a,100 Amplitude da deformao a 100% do raio
a,75 Amplitude da deformao a 75% do raio
a,50 Amplitude da deformao a 50% do raio
a,25 Amplitude da deformao a 25% do raio
a,0 Amplitude da deformao a 0% do raio
a-Nf Vida em fadiga por deformao cclica
A Deformao elstica da austenita
M Deformao elstica da martensita
G Energia livre de Gibbs
Tenso
N Desvio padro da vida em fadiga
3% Tenso com 3% de deformao
6% Tenso com 6% de deformao
Grfico tenso-deformao
Raio em um ponto qualquer da seo transversal do fio
%p Porcentual em peso
# Granulometria dada pela abertura da peneira (tamanho da partcula)
-
XXVII
SUMRIO
Contedo
1. INTRODUO .................................................................................................................. 31
1.2. Objetivos especficos .............................................................................................. 33
2. REVISO BIBLIOGRFICA ......................................................................................... 34
2.1. Transformao martenstica termoelstica ......................................................... 35
2.2. Efeito memria de forma EMF .......................................................................... 37
2.3. Transformao pseudoelstica.............................................................................. 39
2.4. Efeito memria de forma nas ligas NiTi .............................................................. 41
2.5. Propriedades mecnicas das ligas NiTi ................................................................ 42
2.6. Efeito de impurezas sobre as transformaes de fase nas ligas NiTi ................ 47
2.6.1. Efeitos do elemento qumico carbono ......................................................... 47
2.6.1.1. Tipos de ligas NiTi ........................................................................................ 48
2.6.1.2. Efeito do teor de carbono sobre a temperatura de incio da
transformao martenstica Ms da liga NiTi ......................................... 48
2.6.1.3. Efeito do teor de carbono sobre as propriedades mecnicas sob
tenso da liga NiTi ........................................................................................ 50
2.6.2. Efeitos do elemento qumico oxignio sobre as ligas Ni-Ti ....................... 51
2.7. Aplicaes das ligas NiTi com efeito memria de forma .................................... 51
2.8. Ligas NiTi submetidas a ensaios de fadiga por flexo rotativa ......................... 52
-
XXVIII
2.8.1. Flexo rotativa em limas endodnticas de NiTi ......................................... 53
2.8.2. Flexo rotativa em fios de NiTi .................................................................... 60
2.8.3. Esforos atuantes sobre os fios em flexo rotativa ..................................... 64
2.8.4. Parmetros de ensaios de fadiga em flexo rotativa de fios NiTi ............. 66
2.9. Influncia da condio de superfcie sobre a vida em fadiga de ligas
NiTi estudadas por MATHEUS, 2007. ................................................................. 68
3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL .......................................................................... 72
3.1. Material: caractersticas fsico-qumicas e dimenso das amostras para
ensaios de fadiga ..................................................................................................... 72
3.2. Fabricao dos fios ................................................................................................. 74
3.3. Memorizao retilnea dos fios ............................................................................. 76
3.4. Planejamento dos ensaios ...................................................................................... 79
3.4.1. ETAPA I Ensaio de fadiga por flexo rotativa ....................................... 81
3.4.2. ETAPA II Ensaios para caracterizao mecnica e metalrgica
dos materiais. ................................................................................................ 89
3.4.3. Ensaio de trao ............................................................................................ 89
3.4.4. Microscopia ptica (MO) ............................................................................. 92
3.4.5. Microscopia eletrnica de varredura (MEV) ............................................. 95
3.4.6. Espectrometria de raios X por disperso de energia (EDS) ..................... 95
4. RESULTADOS E DISCUSSES ..................................................................................... 97
4.1. Qualidade da superfcie dos fios ........................................................................... 97
4.2. Vida em fadiga de ligas NiTi ................................................................................. 98
-
XXIX
4.3. Presena de precipitados ..................................................................................... 101
4.4. Ocorrncia de trincas e fraturas em fadiga ....................................................... 106
4.5. Morfologia da superfcie de fratura ................................................................... 111
4.6. Propriedades mecnicas das ligas NiTi aps ciclagem em fadiga ................... 115
5. CONCLUSES ................................................................................................................ 124
6. SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ......................................................... 125
7. REFERNCIAS ............................................................................................................... 126
APNDICE ........................................................................................................................... 137
PROJETO, MANUFATURA E QUALIFICAO DE EQUIPAMENTO DE
ENSAIO DE FADIGA DE FIOS ......................................................................................... 137
A.1. Concepo do equipamento de ensaio de fadiga por flexo rotativa ................... 137
A.2. Detalhamento de subconjuntos do equipamento ................................................... 145
A.2.1. Prtico ................................................................................................................. 145
A.2.2. Chassi, conjunto mecnico e eletro-mecnico ................................................. 147
A.2.3. Comando eletro-eletrnico do sistema de rotao da amostra .......................... 149
A.3. Materiais e procedimentos dos ensaios de qualificao operacional e
metrolgica ........................................................................................................... 154
A.4. Resultados da qualificao do equipamento de ensaio de fadiga ......................... 155
A.5. Robustez industrial do equipamento ...................................................................... 156
A.6. Operacionalidade ...................................................................................................... 158
A.7. Confiabilidade metrolgica de parmetros de ensaio ........................................... 162
A.8. Concluses acerca da qualificao do equipamento .............................................. 165
-
XXX
ANEXO 1 PR TESTES DO EQUIPAMENTO DE FLEXO ROTATIVA ............. 168
ANEXO 2 ENSAIOS DE FADIGA POR FLEXO ROTATIVA TABELAS
DE CONSOLIDAO DE DADOS ................................................................................... 173
ANEXO 3 GRFICOS TENSO-DEFORMAO DOS ENSAIOS DE
TRAO ............................................................................................................................... 181
ANEXO 4 MDULO DE ELASTICIDADE (E) DAS LIGAS NiTi VIM 16 E
VIM 39 ................................................................................................................................... 189
-
31
1. INTRODUO
O desenvolvimento e aplicao das ligas NiTi tem forte relao com suas propriedades
mecnicas de efeito memria de forma (EMF) e pseudoelasticidade; tais propriedades, quando
combinadas com a resistncia mecnica e corroso, possibilitam a aplicao das ligas NiTi
na obteno de peas e ferramentas que se submetem a elevados esforos de fadiga,
principalmente em condies de flexo e rotao. Ressalta-se aqui seu uso como matria
prima de limas endodnticas (GAMBARINI et al, 2008). Inmeras outras aplicaes se
encontram na rea biomdica como tubos para cateterismo, ortodntica como arcos
ortodnticos, e tambm na rea industrial como elementos de vlvulas para controle de fluxo
de fluidos (HUMBEECK, 1997).
O que leva ligas NiTi a apresentarem o efeito memria de forma a transformao
martenstica que ela pode sofrer em carter reversvel, cuja fora motriz pode ser de origem
trmica ou mecnica. A utilizao de fios de NiTi em flexo promove a gerao de martensita
induzida por deformao (OLSON & COHEN, 1975), resultando em um substancial
comportamento elstico, superior a 6%, dessas ligas com EMF. Essa elasticidade suplementar
constitui-se de fato em recuperao de forma pela gerao de martensita reversvel, e por esse
motivo a elasticidade do material habitualmente denominada pseudoelasticidade.
Para tal estudo de fundamental importncia a submisso dos materiais estudados a
ensaios de fadiga por flexo rotativa; tais ensaios tm se apresentado como teste mecnico
padro nas condies descritas por WAGNER et al, 2004, PATEL, 2005, FIGUEIREDO,
2006, FIGUEIREDO et al, 2006, BRITTO, 2009, MATHEUS, et al, 2007, MATHEUS et al,
2008. tamanha sua importncia, que esse tipo de ensaio recebeu um especial
desenvolvimento no presente trabalho, com o projeto e fabricao de um equipamento
-
32
especfico para ensaio de fadiga em fios dessas ligas, com robustez industrial e confiabilidade
metrolgica.
Considerando a produo mundial de fios de NiTi restrita alguns poucos plos, o
presente trabalho tambm avalia o comportamento em fadiga por flexo rotativa de fios de
NiTi produzidos em carter de pesquisa no Brasil. OTUBO et al (1997 e 2000), desenvolveu
ligas NiTi pelos processos Vacuum Induction Melting (VIM) e Electron Beam Melting
(EBM), com diferentes teores de nquel e titnio, contendo outros elementos qumicos
(carbono e oxignio), que mesmo na condio de impurezas, podem modificar
significativamente as propriedades mecnicas deste material. O estudo da influncia destas
impurezas sobre as propriedades mecnicas do material o que motivou esta pesquisa.
A preparao dos fios, que so a matria prima dos ensaios deste trabalho, foi feita
pelo ItaSmart Group (Grupo de Materiais com Memria de Forma do ITA) que a partir de
lingotes obtidos pelo processo VIM, efetuou seu processamento mecnico por laminao,
forjamento rotativo e trefilao (KABAYAMA et al, 2010). So dois importantes aspectos
conferidos ao material, que inferidos por esses processos de fabricao, podem gerar
considerveis variaes da vida em fadiga dos fios de NiTi: (i) o teor de impurezas e (ii) as
condies de acabamento superficial. Nessa linha, o presente trabalho atende a sugestes
enunciadas em trabalhos anteriores desenvolvidos por MATHEUS (MATHEUS, 2008), que
recomenda o melhoramento da qualidade de superfcie dos fios de NiTi destinados a ensaios
de fadiga, por meio de tcnicas mais adequadas do processamento termomecnico. Objetiva-
se com isto minimizar o efeito da qualidade superficial do fio e evidenciar a influncia de
impurezas sobre a vida em fadiga por flexo rotativa nas ligas NiTi.
-
33
1.1. Objetivo geral
Avaliar a influncia dos teores de carbono e oxignio sobre a vida em fadiga de fios de
ligas NiTi submetidos flexo rotativa.
1.2. Objetivos especficos
O atendimento ao objetivo geral requer o atendimento a certas necessidades
tecnolgicas, e realizao de anlises mecnicas e metalrgicas, como segue:
(i) Projetar e construir equipamento que atenda condies dimensionais e de
potncia para submisso de fios de liga NiTi a esforos de fadiga por flexo
rotativa.
(ii) Efetuar a caracterizao metalogrfica dos materiais.
(iii) Efetuar as caracterizaes macrogeomtricas e microgeomtricas dos fios de
NiTi.
(iv) Determinar a vida em fadiga por flexo rotativa, por meio do nmero de
ciclos suportados pelo material.
(v) Determinar o comportamento mecnico do material em processo de fadiga
por flexo rotativa, por meio da histerese tenso-deformao do material em
ciclagem parcial.
(vi) Identificar os fatores que influenciam o mecanismo de fratura de fios em
fadiga por flexo rotativa.
-
34
2. REVISO BIBLIOGRFICA
A transformao martenstica sofrida por uma liga metlica uma mudana de fase de
seu sistema cristalino, com invarincia de rede; esse tipo de transformao pode ocorrer, de
acordo com a liga metlica, de maneira no termoelstica, ou de forma termoelstica. Estas
duas possibilidades de transformao de fases so denominadas de transformao martenstica
no termoelstica e transformao martenstica termoelstica respectivamente, onde a ltima
possui caracterstica de reversibilidade cristalogrfica (OTUBO, 1996).
A martensita formada termoelasticamente possui interface austenita-martensita mvel,
permitindo a reverso das fases (MA) no aquecimento, pelo movimento da interface no
sentido inverso ao da transformao martenstica (AM).
As ligas que apresentam transformao martenstica termoelstica possuem pequena
histerese trmica quando comparadas s no termoelsticas, assim como tambm pequena
variao estrutural e volumtrica, com dados comparativos na Tabela 1. O fenmeno efeito
memria de forma EMF ocorre em materiais que apresentam transformao martenstica
termoelstica.
Tabela 1: Caractersticas de materiais submetidos transformao martenstica
(FUNAKUBO, 1987)
Liga Composio Mi Fases Variao
volumtrica (%)
Fe C 0,2 a 2,0% C 100 a 530C* CFCTCC + 4,0
Ni Ti 49 a 51% Ni -50 a 100C B2B19 - 0,34
*Para ao carbono com C < 1,5%p (NISHIYAMA, 1978)
O efeito memria de forma EMF a capacidade de certos materiais voltarem sua
geometria original, aps serem deformados plasticamente no estado martenstico, quando
-
35
aquecidos a temperaturas superiores a Ai, que sua temperatura final de austenitizao
(OTUBO, 1996).
2.1. Transformao martenstica termoelstica
A anlise da energia de transformao de fase pode ser feita considerando a nucleao
da fase martenstica na forma lenticular onde a dimenso espessura desprezvel quando
comparada ao raio do ncleo de martensita (MEYERS & HSU, 1982).
A energia livre (G) necessria nucleao da martensita, ou seja, sua fora motriz
pode ser descrita pela equao 1 (FUNAKUBO, 1987), com os mesmos fundamentos
abordados por OLSON & COHEN (1981):
G=Energia Qumica + Energia Interface + Energia Deformao (Elstica+Plstica). (1)
Ocorre que a energia de interface e a energia de deformao plstica, relativas
nucleao da martensita, so muito menores que a energia qumica e a energia de deformao
elstica, podendo ser desprezadas para se obter a equao 2 (FUNAKUBO, 1987):
G=Energia Qumica + Energia de Deformao Elstica , (2)
que pode ser escrita da forma:
. . . . . . . . . . . . . , (3)
onde
gc = variao da energia livre qumica por unidade de volume;
A.(t/r) = energia da deformao elstica por unidade de volume;
r = raio do ncleo de martensita;
t = espessura do ncleo de martensita.
-
36
Isso ocorre porque a variao de volume insignificante, e existe elevada coerncia
entre a fase me e a fase martensita, tornando a deformao plstica perfeitamente
negligencivel.
Os termos da equao correspondem varivel qumica e de deformao elstica,
ressaltando-se que a energia qumica sofre ativao trmica. Para temperaturas abaixo de Mi,
o fator qumico diminui, enquanto o fator deformao elstica aumenta. O equilbrio entre os
efeitos trmico e elstico resulta na denominao termoelstico. De acordo com a
equao 3, o equilbrio poder ser afetado por aquecimento, resfriamento (Energia Qumica)
ou aplicao de fora externa (Energia de Deformao Elstica) gerando induo por tenso.
As mudanas de forma acompanham a formao de martensita, efeito esse provocado
pela deformao por cisalhamento ao longo do plano de hbito. Uma vez havendo
componentes perpendiculares ao plano de hbito, pode-se dizer que ocorre deformao por
pseudocisalhamento.
Caso ocorra deformao ou rotao no plano de hbito, mas no ao longo de todo o
processo de transformao martenstica, essa deformao denominada deformao plana
invariante. Em termos macroscpicos, deformaes planas invariantes so uniformes porque
planos e linhas da fase me (P) so preservados na fase martenstica (M).
As transformaes martensticas termoelsticas que ocorrem em ligas com efeito
memria de forma so deformaes de cisalhamento puro, e que envolvem pequenas
variaes de volume.
Uma vez que no ocorre deformao plstica ao redor da fase me, observa-se um
comportamento termoelstico do material. Ligas ferrosas e aos apresentam variaes de
volume da ordem de 4% nos processos de transformao martenstica, e essas ligas so
-
37
acompanhadas por deformao plstica da fase me; essa transformao , portanto,
notadamente no termoelstica.
Toda transformao martenstica leva a uma modificao geomtrica do material,
mesmo que se trate de uma nica ripa de martensita em um monocristal. Tambm, ainda que
se tenha um nico cristal de fase me, a gerao de martensita poder ocorrer em diversos
planos de hbito, e essas estruturas martensticas so denominadas variantes. Podem ser
geradas 24 variantes de martensita associadas ao reticulado da fase me.
Como as variantes de martensita so geradas lado a lado, acabam reduzindo a
deformao que acompanha a transformao martenstica, e a isso se denomina auto
acomodao.
Uma estrutura martenstica quando submetida aplicao de uma fora externa, sofre
deformao a qual acompanhada pelo crescimento de uma variante com determinada
orientao, a partir de um conjunto inicial de 24 variantes que coalescem. Porm, o
aquecimento do material acima da temperatura Af resultar numa transformao reversa, que
induzir o material a reverter forma original da fase me.
2.2. Efeito memria de forma EMF
Transformaes martensticas notadamente geram deformaes de ordem
macroscpica, as quais so originadas por pseudocisalhamento. Dessa forma, a deformao
gerada pela transformao martenstica de natureza similar s deformaes por
escorregamento de planos atmicos (discordncias) ou maclao. Isso ocorre nos metais em
geral, quando submetidos a esforos de tenso. Porm, existem alguns materiais que so
capazes de sofrer transformaes martensticas reversveis sem deformao por
-
38
escorregamento ou maclao, e consequentemente apresentam comportamento diverso dos
metais e ligas comuns.
Ligas metlicas capazes de sofrerem transformao martenstica apresentam valores
caractersticos de temperaturas para obteno das fases P e M, que so Mi, Mf, Ai, Af. A fase
me tradicionalmente representada pela letra A, de austenita, e a fase de alta temperatura.
A fase martenstica representada pela letra M, de martensita, e a fase de baixa temperatura.
Os ndices i e f referem-se ao incio e fim da transformao. Em uma escala qualitativa de
temperaturas pode-se representar tais temperaturas como na Figura 1. A temperatura mxima
que se pode induzir martensita por tenso indicada por Md.
Por se tratarem de transformaes adifusionais, a cintica do processo no altera os
valores de temperatura de transformao, mas apenas o volume de martensita nucleada.
Abaixo da temperatura Af, mesmo deformada plasticamente mediante aplicao de
tenso, uma amostra da liga com EMF poder recuperar sua forma, eliminando a deformao
pelo aquecimento acima de Af (FUNAKUBO, 1987).
Figura 1: Transformaes de fases em ligas NiTi com Efeito Memria de Forma
(adaptado de NEMAT-NASSER e GUO, 2006).
Mf Mi AfAi
Mf
Mi
Ai
Af
-
39
O histrico de observao desse fenmeno data da dcada de 1950, inicialmente com
as ligas Au-Cd e In-Tl. Na dcada de 1960 tal comportamento foi encontrado na liga NiTi, e
posteriormente, na dcada de 1970 na liga Cu-Al-Ni. A partir de ento, pesquisas tm sido
conduzidas em ligas que sofrem transformaes martensticas termoelsticas, uma vez que o
EMF comum a essas ligas metlicas.
Entende-se que so necessrias duas condies bsicas para que ocorra total
recuperao da forma das ligas EMF, quando aquecidas acima da temperatura Af:
1) A transformao martenstica deve ser cristalograficamente reversvel;
2) Deformaes por escorregamento no devem ser envolvidas no processo de
deformao.
2.3. Transformao pseudoelstica
Muitas ligas termoelsticas apresentam o fenmeno da pesudoelasticidade ou
superelasticidade, que se manifesta pela induo de martensita com aplicao de tenso
mecnica. A martensita induzida em temperaturas nas quais a austenita normalmente
estvel, sofre deformao elstica, permitindo que o material como um todo se deforme
elasticamente mais do que seria esperado pela deformao somente da austenita (Figura 2).
Figura 2: Deformao recupervel em ciclo de histerese (figura do autor).
plat
M
A
M
A
A = deformao elstica da austenita. M = deformao por induo da martensita por tenso.
-
40
Curvas de tenso e deformao obtidas em ensaios de ligas com EMF, em
temperaturas inferiores a Af, formam anis (loops) fechados (histereses), e esse
comportamento denominado pseudoelasticidade.
A histerese resultado de transformao martenstica induzida por tenso e
transformao reversa.
O comportamento pseudoelstico do material dividido em duas classes:
1- Transformao pseudoelstica associada s transformaes martensticas;
2- Maclao pseudoelstica associada ao movimento reversvel de interfaces de
maclao.
Em ligas com EMF, possvel recuperar deformaes geradas em temperaturas
inferiores a As pelo aquecimento do material a temperaturas acima de Af.
No caso de efeito pseudoelstico, deformaes geradas acima da temperatura Af
podem ser revertidas pela eliminao da tenso, e nesse caso, a recuperao da forma
conduzida pela transformao reversa. Ambos os efeitos esto associados, essencialmente, ao
mesmo fenmeno, e somente o meio como se induz a transformao reversa diferente. De
fato, quase todas as ligas que apresentam EMF tambm tm comportamento pseudoelstico.
A Figura 3 apresenta esquematicamente as regies de temperatura e tenso nas quais o
EMF e a pseudoelasticidade podem ocorrer, assim como sua relao com as tenses crticas
nas quais a deformao por escorregamento se inicia.
-
41
Figura 3: Regies de temperatura e tenso de ocorrncia de pseudoelasticidade
(adaptado de OTSUKA & REN, 2005).
2.4. Efeito memria de forma nas ligas NiTi
A fase austentica das ligas NiTi, quase equiatmicas, de estrutura CCC (B2) com
parmetro de rede a0=0,301~0,302 nm (OTSUKA et al, 2005). A estrutura martenstica dessa
liga apresenta arranjo monoclnico, B19, com parmetros a=0,2889 nm, b=0,412 nm,
c=0,4622 nm e =96,80 (OTSUKA et al, 2005).
As transformaes de fase das ligas NiTi apresentam por vezes um comportamento
complexo, dependendo de sua composio qumica e do processo de aquecimento, o que por
sua vez influenciam o efeito memria de forma do material. As ligas NiTi apresentam
recuperao elstica da ordem de 5% ou superior, quando tensionadas em temperaturas
superiores a Af.
Uma maneira simples de avaliar o efeito memria de forma de uma liga de NiTi
utilizar um fio desse material e enrol-lo em um parafuso (seguindo seu fio de rosca), e fixar
suas extremidades. Aps isso, aquecer o conjunto a 300C por uma hora (processo de
memorizao de forma), e, em seguida, resfriar ao ar at a temperatura ambiente. Uma vez em
Tenso crtica para induo de martensita
Tenso crtica mnima para escoamento
Mf Mi Af Ai
EMF
Temperatura
Tens
o
Tenso crtica mxima para escoamento
Transformao por pseudoelasticidade
-
42
temperatura ambiente, o fio deve ser retirado do parafuso, endireitado e colocado em gua
aquecida (100C), onde se verifica que o fio recupera a forma original de bobina.
Caso a deformao do fio em sua memorizao tenha sido acentuada, o efeito
memria de forma ocorrer tanto no aquecimento quanto no resfriamento. Assim, aps ser
reaquecido a 100C e retornar forma de bobina, ao ser resfriado o fio sofrer uma razovel
retificao.
Pode-se dizer que a transformao martenstica a partir de fases de alta temperatura
produz uma elevada quantidade de variantes, preferencialmente orientadas com a forma do
fio.
2.5. Propriedades mecnicas das ligas NiTi
Como o ensaio tenso-deformao permite a caracterizao de um material segundo as
principais propriedades mecnicas, ROZNERs (FUNAKUBO, 1987) desenvolveu curvas
tenso-deformao para amostras de Ti-50%at Ni policristalino, numa faixa de temperaturas
entre -196C e 700C, concluindo que:
(1) abaixo de 70C, o campo de escoamento descontnuo, e aps deformaes de
Lders, de 4 a 7%, as amostras so encruadas at taxas elevadas;
(2) entre 100C e 400C o escoamento torna-se contnuo e a taxa de encruamento
diminui;
(3) acima de 400C praticamente no ocorre encruamento e o alongamento
extremamente elevado e homogneo;
(4) a tenso de escoamento mnima em temperatura ambiente e aumenta at 100C;
-
43
(5) mesmo a -196C, so possveis alongamentos prximos de 40%.
As peculiaridades das propriedades mecnicas das ligas NiTi so devidas s
transformaes martensticas termoelsticas que ocorrem em temperaturas prximas
temperatura ambiente.
Ao contrrio dos aos carbono, a fase martenstica de baixa temperatura das ligas NiTi
possui menor dureza que a fase de alta temperatura.
MIYAZAKI et al, 1982 e SABURI et al, 1982, realizaram experimentos com
diferentes amostras de nquel-titnio (Ti-50%at Ni, Ti-50,5%at Ni e Ti-51%at Ni) a fim de
relacionar os efeitos do envelhecimento, do teor de nquel, e do tratamento trmico de
recozimento sobre as propriedades da liga sob trao.
As amostras foram aquecidas a 800C e depois resfriadas em gua. Aps esse
tratamento, as amostras foram submetidas a ensaios de trao em vrias temperaturas.
Basicamente, as amostras foram deformadas em 5% e depois descarregadas; em seguida,
foram aquecidas lentamente at temperaturas superiores a Af, com medio da recuperao da
deformao residual.
Para a liga Ti-50%at Ni o mnimo valor do limite de escoamento ocorre por volta de
66C (Figura 4).
-
temp
apres
da de
pseu
-44C
-49C
ligas
Figura 4:
Acima d
peratura, ma
A recupe
sentando um
eformao p
doelasticida
A pseud
C a -21C,
C.
A Figura
NiTi com c
Tens
o,
(MPa
)
Curvas tens
de 66C o
as abaixo de
erao da f
ma deforma
plstica res
ade, e um co
doelasticidad
e tambm
a 5 apresen
composio
20C
95C
so-deforma
(adaptad
o limite d
e 66C ele r
forma induz
o plstica
sidual. Essa
omportamen
de observ
recuperao
nta uma rela
o qumica en
57C
105
ao pra a l
do de FUNA
e escoame
reduz suavem
zida por aq
a parcial rem
liga no ap
nto similar
vada na lig
o de forma
ao entre
ntre 50 e 51
C 6
C
Deformao
iga Ti-50%
AKUBO, 19
ento LE
mente.
quecimento
manescente.
presenta ne
apresenta
a Ti-51%at
(com aque
a temperatu
1%at Ni (co
66C
115C
o, (%)
at Ni sob v
987).
aumenta
no com
. A 125C n
enhuma faix
ado pela liga
t Ni na faix
ecimento po
ura e a ten
om Ti reman
73C
125C
rias tempe
rapidamen
mpleta acim
no ocorre r
xa de tempe
a Ti-50,5%a
xa de temp
osterior) ent
so de esco
nescente), e
84
Mf : 69C Mi : 37C Ai: 80C Af: 110C
44
raturas
nte com a
ma de 84C,
recuperao
eratura com
at Ni.
peraturas de
tre -74C e
oamento de
a Figura 6,
C
4
a
,
o
m
e
e
e
,
-
45
apresenta tipos de curvas tenso-deformao caractersticas de ligas NiTi com efeito memria
de forma.
Figura 5: Relao entre limite de escoamento e temperatura para uma liga Ti-50,3%at Ni,
monocristalina, solubilizada a 1273K (1.000C) por 1 hora, seguida de envelhecimento a
673K (400C) por 1 hora (adaptado de MIYAZAKI et al in OTSUKA & REN, 2005).
Deformao (%)
Tens
o (M
Pa)
-
46
Figura 6: Tipos caractersticos de curvas tenso- deformao de ligas NiTi
(adaptado de FUNAKUBO, 1987).
Os tipos de deformao que as ligas nquel-titnio podem sofrer so detalhados na
Tabela 2, que incluem as deformaes elsticas, pseudoelstica e plstica das fases presentes.
A deformao e posterior recuperao de forma dependem das fases presentes no incio (sem
aplicao de carga), e da induo de nova fase, no caso a martensita medida que o material
tensionado. Com a retirada da tenso aplicada sobre o material (descarregamento), a
recuperao de forma ser composta pela recuperao elstica das fases presentes e do efeito
memria de forma.
Tipo I Tipo II
Tipo III Tipo IV
Tipo V
Deformao
Tens
o
-
47
Tabela 2: Tipos de deformaes associadas temperatura (FUNAKUBO, 1987).
Tipo I Td
-
48
forma soluo slida com as fases NiTi, e tambm gera precipitados TiC. Tais constituies
alteram os valores de Mi da liga NiTi, assim como suas propriedades mecnicas, em especial
a resistncia mecnica sob tenses repetitivas (fadiga).
2.6.1.1. Tipos de ligas NiTi
As ligas NiTi sem adio de elementos, exceto na condio de impurezas, podem ser
classificadas em trs grupos:
(1) Ligas NiTi com baixssima contaminao por carbono (OTUBO, 2004);
(2) Ligas Ni-Ti-C com adies de grafite, onde o carbono aparece como
elemento de liga (FUNAKUBO, 1987);
(3) Ligas NiTi contaminadas por carbono devido ao uso de cadinhos de
grafite (OTUBO, 2006).
2.6.1.2. Efeito do teor de carbono sobre a temperatura de incio da transformao
martenstica Mi da liga NiTi
A avaliao dos efeitos do teor de carbono sobre as temperaturas de transformao da
liga NiTi, requer a determinao da relao entre Mi e teor de Ni em uma liga NiTi de alta
pureza.
Experimentos conduzidos por FUNAKUBO, 1987, com amostras de ligas NiTi
revelaram que a temperatura Mi permanece inalterada, indiferente temperatura
austenitizao, para ligas com teor de Ni (XNi) menor ou igual a 49,81%at Ni. Por outro lado,
ligas com maior teor de nquel (50,35 e 50,74%at Ni) apresentam abaixamento das
temperaturas de transformao com elevao da temperatura de austenitizao. Esse
fenmeno se estabiliza em temperaturas de austenitizao superiores a 650C.
-
49
Ligas NiTi com maior concentrao de nquel (50,35 e 50,75%at Ni segundo
FUNAKUBO, 1987), quando recozidas entre 400 e 500 C, e seguidas de tmpera,
apresentam dois picos nas curvas de temperatura medidas pelo ensaio por DSC; ocorre,
portanto, uma transformao de dois estgios.
Os testes constataram que a temperatura Mi das ligas NiTi apresenta tendncia de
queda para maiores concentraes de carbono presente no material. Os fatores que geram esse
comportamento so:
(1) Presena do elemento qumico carbono como contaminante, em soluo slida na
matriz da liga NiTi;
(2) Parte do elemento qumico carbono forma precipitado TiC, sequestrando Ti da
matriz e a enriquecendo em Ni, o que reduz a temperatura Mi.
Considerando-se que todo carbono forma carbonetos TiC estequiomtricos, tem-se
uma correo do teor de nquel pra a fase matriz de NiTi, dada por:
, /% 100 /% 100 2 /% (4)
O comportamento da temperatura Mi com a composio qumica apresenta uma queda
linear com a concentrao corrigida de nquel, considerando que:
se XC=0,2~0,6%at ento 49,6%at XNi,C 51,2%at.
Essa relao obtida com uso do mtodo dos mnimos quadrados.
-
50
2.6.1.3. Efeito do teor de carbono sobre as propriedades mecnicas sob tenso da
liga NiTi
As propriedades mecnicas da matriz austentica e da fase martenstica de uma liga
NiTi so muito distintas. A tenso de escoamento da austenita de alta temperatura maior que
a da martensita de baixa temperatura, ao contrrio do que ocorre nos aos.
Ligas NiTi produzidas por fuso a arco (NiTi com ~0,2%at C) e por induo a vcuo
(NiTi com ~0,5%at C), recozidas a 700C (por 2 horas), e temperadas em gua, apresentam as
seguintes caractersticas (FUNAKUBO, 1987):
(i) Os carbonetos (TiC) tm baixa contribuio sobre a tenso de escoamento;
(ii) A menor tenso de escoamento temperatura ambiente (19C nesses ensaios)
ocorre para teores XNi,C (nquel corrigido) entre 50,0 e 50,4%at Ni;
(iii) A tenso de escoamento se eleva com o aumento do teor de nquel corrigido,
XNi,C;
(iv) A tenso mxima (LR) do material temperatura ambiente influenciada pelo
teor de carbono, sendo os maiores valores de tenso atribudos s amostras
com teores de 0,2~0,5%at C, 25% maiores que os valores de tenso de
amostras com extra-baixos teores de carbono (0,03 a 0,04%at C);
(v) A deformao em fratura (f, deformao mxima) tambm se mostra maior
para amostras com teores de 0,5%at C.
-
51
2.6.2. Efeitos do elemento qumico oxignio sobre as ligas Ni-Ti
O titnio puro tem grande afinidade pelo oxignio, formando TiO e TiO2, e da mesma
forma a liga NiTi tem essa afinidade, formando Ti4Ni2OX. O oxignio como impureza da liga
NiTi tem como principal origem a matria prima do titnio que esponjosa. As quantidades
tpicas de oxignio na liga NiTi so da ordem de 200 a 500 ppm (DUERIG, 2011).
As transformaes em ligas Ni-Ti-O com teores de oxignio inferiores a 0,32%at O
ocorrem em um nico estgio (PM), indiferente temperatura para tmpera. Porm, em
ligas com concentraes de oxignio superiores a 0,61%at O, a transformao ocorre em dois
estgios, para temperaturas de tmpera pouco abaixo de 650C.
Ocorre queda da temperatura Mi com o teor de oxignio, de acordo com a equao 4:
78 92,63 % (5)
A contaminao por oxignio provoca degradao de propriedades mecnicas e torna a
liga NiTi mais frgil.
2.7. Aplicaes das ligas NiTi com efeito memria de forma
grande o espectro de aplicaes de ligas NiTi com efeito memria de forma dadas
suas propriedades mecnicas (LIU et al, 1997) e qumicas. Suas vantagens so relativas
elevada elasticidade, que pode ser da ordem de vrias unidades de porcentuais (por volta de
8%), resistncia fadiga e estabilidade qumica em condies de biocompatibilidade.
As aplicaes da liga NiTi com efeito memria de forma encontram aplicaes em
engenharia de automao e controle (PREDKI et al, 2008, WU e SCHETKY, 2000),
amortecimento mecnico (HUMBEECK, 2003), limas endodnticas (GAMBARINI et al,
2008, ALEXANDROU et al, 2006), fios ortodnticos (BRADLEY et al, 1996), molas
-
(BOU
2000
2
odon
mate
da el
efetu
resist
opera
8).
F
parm
parm
radic
resul
URAUEL e
0).
2.8. Ligas N
A aplica
ntolgica. O
eriais que po
lasticidade,
uar desbaste
tncia fad
aes em qu
Figura 7: Si
na raiz m
Cada tip
metros sob
metros o
culares.
O adequ
ltados na mo
et al, 1997
NiTi subme
ao de ligas
O uso de lim
odem se aju
o material
e de tecido
diga em fle
ue a ferram
inuosidade t
mesial, e um
po de dente
b os quais
dimetro d
uado ferram
odelagem d
7, BARWA
tidas a ensa
s NiTi com
mas para p
ustar geom
da lima de
numa oper
exo combin
menta acion
tpica da rai
canal na rai
e possui an
ser realiz
das ferrame
mental e pr
de canais rad
ART, 1996)
aios de fad
m superelasti
reparao d
metria carac
eve ser dota
ao de cor
nada com r
nada em rot
iz de um de
iz distal (ad
natomia n
zado o trat
entas utiliz
rocedimento
diculares (F
, e impla
iga por flex
icidade tem
de canais ra
cterstica do
ado de resis
rte; soma-se
rotao, que
tao para e
ente primeir
daptado de w
nica com va
tamento en
adas na ide
o do tratam
Figura 9).
antes biome
xo rotativ
m significativ
adiculares e
os canais (F
stncia mec
e a isso a n
e lhe confir
efetuar o pr
ro molar inf
www.forp.u
ariaes co
dodntico.
entificao
mento endod
ecnicos (G
va
va importn
em Endodo
Figura 7), p
nica, que l
necessidade
ra durabilid
eparo do ca
ferior, com d
usp.br/restau
omplexas, q
Um dos i
e preparo
dntico, pe
52
GUNTHER,
ncia na rea
ontia requer
orm, alm
lhe permita
e de possuir
dade nessas
anal (Figura
dois canais
uradora/)
que dita os
importantes
dos canais
ermite bons
2
,
a
r
m
a
r
s
a
s
s
s
s
-
53
Figura 8: Lima endodntica em
preparo do canal radicular.
(www.glaciallakesdental.com)
Figura 9: Modelagem de canal radicular
(www.dentsply.com.br).
O estudo da resistncia fadiga do NiTi, tem sido feito em duas frentes,
preponderantemente, que so:
(1) Fadiga em flexo rotativa de limas endodnticas, as quais so a condio geomtrica
final que o material assume (BAHIA, 2004, BRITTO, 2009, BUONO et al, 2002,
GAMBARINI, 2008, JAMLEH et al, 2012, LARSEN et al, 2009, STOJANAC et al,
2012);
(2) Fadiga em flexo rotativa de fios, que so matria prima de limas endodnticas
(EGGELER et al, 2004, FIGUEIREDO, 2006, MATHEUS et al, 2007, MYIAZAKI et
al, 1999, PATEL, 2005, SAWAGUCHI et al, 2003, WAGNER et al, 2004).
2.8.1. Flexo rotativa em limas endodnticas de NiTi
O interesse no estudo de limas endodnticas visa melhorar o tratamento endodntico
nos requisitos de conforto do paciente durante o tratamento, de eficincia e eficcia do
-
proce
lima
(a)
Figu
Ca
como
entre
possi
Mass
infer
edimento d
endodntic
Fig
ura 11: (a) F
anal radicul
Na prep
o fratura de
e outros fa
ibilitam a
serankit (Fi
rior a 70% (
de prepara
ca dentro do
gura 10: De
fratur
Fragmento d
lar aps rem
parao qu
instrument
tores, s fa
retirada de
gura 12) e o
RAMOS, 2
o do canal
o canal e seu
senho esque
rado dentro
(b)
do instrume
moo do fra
KH
mico-cirrg
tos (lima), p
falhas por f
e fragmento
o extrator p
2009).
l radicular,
us conseque
emtico com
do canal ra
ento fraturad
agmento (R
HERLAKIA
gica da ter
perfuraes
fadiga do
os de lima
por ultrassom
e da minim
entes transto
m seta indic
adicular (RU
do no tero
R-X); (c) Fra
AN, 2010).
rapia endod
ou desvios;
material da
as, presos
m, porm o
mizao do
ornos (Figur
cando segm
UDDLE, 200
(c)
mdio do c
agmento rem
dntica pod
; esses acide
as ferramen
aos canais
ndice de s
s riscos de
ras 10 e 11)
mento de lim
01).
canal distal
movido (ME
dem ocorrer
entes so re
ntas. Algun
radiculare
sucesso norm
54
ruptura da
).
ma
(R-X); (b)
ELLO &
r acidentes
elacionados,
ns mtodos
es, como o
malmente
4
a
s
,
s
o
-
55
Figura 12: Masserankit para retirada de fragmento de lima endodntica
(www.micro-mega.com/anglais/produits/masseran/).
A extrao de fragmentos pode exigir a combinao de mais processos, como mostra a
sequncia na Figura 13.
Figura 13: Uso das tcnicas de vibrao por ultrassom e Masserankit para
extrao de fragmento de lima endodntica (www.mecourse.com).
Os estudos de vida em fadiga, realizados com limas endodnticas, utilizaram, em sua
grande maioria, dispositivos que reproduziram dimenses similares s encontradas em canais
radiculares, como BAHIA, 2004 (Figura 14), BRITTO, 2009 (Figura 15), GAMBARINI et al,
2008 (Figura 16), LARSEN et al, 2009 (Figura 17), STOJANAC et al, 2012 (Figura 18).
-
56
Figura 14: Dispositivo de ensaio de limas endodnticas (BAHIA, 2004).
Figura 15: Dispositivo de ensaio de limas endodnticas (BRITTO, 2009).
Figura 16: Dispositivo de ensaio de limas endodnticas (GAMBARINI et al, 2008).
-
57
Figura 17: Dispositivo de ensaio de limas endodnticas (LARSEN et al, 2009).
Figura 18: Dispositivo de ensaio de limas endodnticas (STOJANAC et al, 2012).
A anlise da vida em fadiga de limas deve considerar fatores diversos (CMARA,
2008), que se somam s caractersticas da matria prima que so os fios, ou seja,
caractersticas de geometria (Figura 19), acabamento (Figura 20), perfilamento (Figura 21) e
esforos adicionais de toro, so acrescentadas aos parmetros originais para fios como:
dimetro do fio, raio em flexo do fio, velocidade de rotao, e temperatura do sistema. Nesse
vrtice, PEDULL et al, 2012, identificam diferentes respostas fadiga por flexo rotativa de
limas obtidas por usinagem e conformao mecnica, onde o conjunto de caractersticas
conferidas lima pela usinagem favorece o processo de falha. Isso demonstra que um
conjunto adicional de parmetros ser acrescentado s condies iniciais do material (fio),
dependendo do processo de fabricao da lima, para resultar em sua capacidade de resistir
fadiga.
-
influ
ngu
parm
consi
Figura
Fig
Fig
Estudos
uenciaram a
ulo de flex
metros utili
iderados os
19: Macro g
gura 20: Su
gura 21: Exe
sobre fadig
a falha dess
o, raio de
zados em e
valores de
C
C
geometria d
ulcos de usin
(ww
emplos de p
ga de lima
ses instrum
flexo, co
ensaios de li
dimetro m
Conicidade 2%
Conicidade 6%
da lima endo
nagem na ar
ww.dentsply
perfis de lim
as mecaniza
mentos, dos
nicidade e
imas apre
mximo da li
0
%
%
odntica (ad
resta de cor
y.com.br)
mas endodn
adas consid
quais se d
comprimen
esentada na
ima, nem se
0,32 mm de a
0,96 mm de a
daptado de Y
te de uma li
nticas (YOU
deraram div
destacam: v
nto da lima
Tabela 3. N
eu perfil da
umento no di
aumento no di
YOUNG et
ima endod
UNG et al, 2
versos parm
velocidade
a. Uma sn
Nesta tabela
seo trans
metro
imetro
58
t al, 2007).
ntica
2007).
metros que
de rotao,
ntese desses
a no foram
sversal.
8
e
,
s
m
-
59
Tabela 3: Parmetros geomtricos utilizados por diversos autores, em ensaios de limas
endodnticas de NiTi sob flexo rotativa.
Velocidade de rotao
(rpm)
ngulo do arco
de flexo
Raio de curvatura em flexo
(mm)
Conicidade (Taper)
Compri-mento da
lima
(mm)
BAHIA1 250 45 5 0,04 e 0,05 20, 25 e 30
BRITTO2 300 e 600 90 6 a 7 0,04 25
GAMBARINI3 300 60 5 0,06 20 e 25
GRANDE4 300 60 2 e 5 0,04, 0,05 e 0,06 10, 15, 20, 25, 30, 35 e
40
OUNSI5 (in vitro) 240 80 5 0,05*e 0,09** 25
OUNSI5 (in vivo) 240 23,6 5 a 7 0,05*e 0,09** 25
LARSEN6 300 e 500 60 3 0,04 e 0,06 20 e 25
LOPES7 300 e 600 90 6 0,05*e 0,09** 25
STOJANAC8 500 27 e 35 13 e 40 0,06 25 1BAHIA, 2004, 2BRITTO, 2009, 3GAMBARINI et al, 2008, 4GRANDE et al, 2006, 5OUNSI et al, 2007, 6LARSEN et al, 2009, 7LOPES et al, 2008, 8STOJANAC et al, 2012. * D1 a D3 ** D4 a D14
Alguns parmetros como a velocidade de rotao e comprimento da lima so
condicionados disponibilidade de mquinas rotativas (drills) e instrumentos com valores de
mercado. A amplitude de valores dos parmetros citados tambm elevada, chegando a ser de
150% no caso da velocidade de rotao, de 233% para o ngulo do arco de flexo, e a
surpreendentes 1.900% para o raio de curvatura em flexo. A amplitude de deformao em
trao das limas fica em torno de 6 a 8% para a maioria dos estudos, mas STOJANAC et al,
2012, realizaram testes com deformaes da ordem de 0,8%, similarmente aos ensaios de fios
efetuados neste trabalho.
-
varia
recom
prpr
de m
2009
2
ensai
come
Pode-se
a numa faix
mendadas p
O ngulo
rias caracte
medidas dos
9) e PRUET
Figura 22
2.8.2. Flex
O estudo
ios de fios
ercial.
constatar qu
xa de 240
por fabrican
o do arco em
ersticas de
ngulos em
TT et al, 199
: Mtodo de
o rotativa
o do compo
de NiTi d
ue a velocid
a 600 rpm
tes de limas
m flexo va
ngulos de
m canais rad
97, so apre
e determina
(adaptado d
a em fios de
ortamento e
de produo
1=
1
dade de rot
m, e, at s
s, para cond
aria, para a
mudana d
diculares, de
sentadas na
ao do ngu
de PLOTIN
e NiTi
em fadiga p
o comercia
=43
ao das lim
sub faixas
dies reais
maioria do
de direo e
e acordo co
as Figuras 2
ulo do cana
NO et al, 200
por flexo
al e fios de
mas em ens
dessa amp
de servio.
os estudos, d
em canais ra
om Schneid
2 e 23.
al radicular p
09).
rotativa tem
e desenvolv
2
2
saios de flex
plitude de v
de 45 a 90
adiculares. A
er (in PLOT
por Schneid
m sido feit
vimento cie
2=52
60
xo rotativa
valores so
0, dadas as
As tcnicas
TINO et al,
der
o mediante
entfico no
0
a
o
s
s
,
e
o
-
NITI
MEM
INTE
abord
no m
endo
forne
mm,
comp
ou d
infor
Figura 23
O uso d
INOL DEV
MORY-ME
ERNATION
dagem da a
mercado, e q
odnticos e a
Estudos
ecido pela M
1,2 mm, e
posio qum
dispositivo
rmando que
3: Mtodo d
de fios de
VICES AND
TALLE (w
NAL, fabric
avaliao da
que tm sid
acessrios o
conduzido
MEMORY
1,4 mm, co
mica dos fi
de teste,
e foi utiliza
de determin
PR
origem co
D COMPO
www.memor
cado pela F
a resistncia
do utilizado
ortodnticos
s por SAW
-METALLE
om limpeza
os era de 50
mas apena
ada uma fur
1=60r1=5 m
1 r1
nao do ng
RUETT et al
mercial co
ONENTS (w
ry-metalle.d
FURUKAW
a fadiga p
os como ma
s.
WAGUCHI
E (Weil AM
superficial
0,9%at NiT
as fornece
radeira com
mm
gulo do can
l, 1997).
mo o NIT
www.nitinol
de), assim c
WA ELETR
or flexo ro
atria prim
et al, 200
M Rhein, G
por decapag
Ti. Esse est
um desen
m rotao de
2
nal radicular
INOL, fa
l.com) e ta
como o SEN
RIC Co, co
otativa de m
a para prod
03, avaliara
Germany), c
gem, mas s
tudo no ap
nho esquem
e 300 rpm,
r2
r (adaptado
abricado pe
ambm forn
NTALLOY
onsiste em
materiais j
duo de in
am material
com dime
em eletropo
resenta o eq
mtico da
que se aco
2=60 r2=2 mm
61
de
ela NDC
necido pela
Y da GAC
importante
disponveis
nstrumentos
l comercial
etros de 1,0
olimento. A
quipamento
montagem,
oplava pelo
a
C
e
s
s
l
0
A
o
,
o
-
62
mandril uma das extremidades do fio. O esquemtico do dispositivo indica que o fio era
conduzido em uma guia tubular com o raio de curvatura desejado.
O material comercial fornecido pela NDC foi utilizado em estudos de fadiga por
flexo rotativa conduzidos por DIAS, 2005. Os fios tinham dimetro de 1,0 mm e composio
qumica de 51,0%at NiTi, determinada por espectroscopia de raios X (EDS). O dispositivo
utilizado apresentado em um esquema, dado pela Figura 24.
Figura 24: Esquema do dispositivo para ensaios de fadiga por flexo rotativa utilizado
por DIAS, 2005.
FIGUEIREDO, 2006, desenvolveu estudos com fios de NITINOL fornecidos pela
NDC, em trs diferentes classes: austentico superelstico, martenstico estvel e bifsico;
todos tendo como referncia a temperatura ambiente. Os fios de constituio austentica
superelstica, similares aos utilizados no presente trabalho, com dimetro de 1,0 mm foram
submetidos fadiga por flexo rotativa, como mostra a Figura 25. As deformaes utilizadas
nos ensaios foram na faixa de 0,6% a 12,0%, com raios de curvatura entre 83,8 mm e 4,7 mm,
respectivamente. Os resultados de vida em fadiga foram similares aos obtidos por
SAWAGUCHI et al, 2003.
-
63
Figura 25: Montagem do fio de NiTi em condio de flexo rotativa (FIGUEIREDO, 2006).
Por sua vez, o estudo de fios de NiTi em fadiga por flexo rotativa, de origem
cientfica no comercial, visa o melhoramento de atributos mecnicos e metalrgicos do
material, com possibilidade de modificao das suas tcnicas de fabricao. Diversos estudos
sobre o comportamento em fadiga de fios no comerciais foram desenvolvidos, em especial
os trabalhos conduzidos por OTUBO et al, 1997, OTUBO et al, 2000,FRENZEL et al, 2004,
ZHANG et al, 2005, MEHRABI et al, 2008 e SASHIHARA, 2007.
No somente a preparao da liga de NiTi, mas tambm seu processamento mecnico
foi desenvolvido pelo Grupo de Materiais com Memria de Forma do ITA (ItaSmart Group),
coordenado pelo Prof. Jorge Otubo, em especial a trefilao de fios (KABAYAMA et al,
2008).
MATHEUS, 2007, utilizou duas ligas NiTi, denominadas VIM 06 (com 1880 ppm de
carbono) e VIM 41 (com 520 ppm de carbono), produzidas em forno de induo a vcuo; seu
objetivo foi avaliar a resposta de ligas NiTi aos esforos de fadiga por flexo rotativa at a
ruptura, sob diferentes condies de amplitude de deformao e velocidade de rotao. As
ligas foram escolhidas por apresentarem diferentes concentraes de impurezas, mais
especificamente carbono e oxignio, e serem fundidas e conformadas mecanicamente pelos
mesmos processos at o formato final de fios. Os ensaios utilizaram parmetros fixos de
-
64
dimetro dos fios, composio qumica dos fios e temperatura ambiente; os parmetros
variveis utilizados foram velocidade de rotao e raio em flexo dos fios.
Os resultados mostram, no s que as impurezas tm grande influncia sobre a
resistncia fadiga da liga NiTi, mas tambm que o processo de conformao mecnica de
fabricao dos fios pode inferir fatores ainda mais significativos vida em fadiga
(MATHEUS et al, 2008). Esses fatores so defeitos superficiais de trefilao com
alinhamento longitudinal, dos tipos risco, dobramento, esfoliao ou trinca.
Tambm com o objetivo de minimizar fatores que pudessem gerar desvios na anlise
da vida em fadiga, o uso de um equipamento de elevada repetibilidade e exatido de medidas,
um importante fator a ser considerado. Diversos trabalhos acerca de flexo rotativa de fios
de NiTi no apresentam um equipamento propriamente dito, mas apenas um esquema do
dispositivo.
2.8.3. Esforos atuantes sobre os fios em flexo rotativa
A anlise de esforos mecnicos sobre fios, que conduzem o material fadiga, inclui,
em primeira anlise, flexo e toro. Considerando-se o movimento de rotao com
velocidade angular constante Movimento Circular Uniforme em cada seo transversal do
fio em flexo, pode-se considerar a inexistncia de ciclos de fadiga em toro, mesmo com a
presena de esforo de toro sobre o material. De acordo com a equao de toro (DIETER,
1976):
. . (6)
. . (7)
-
65
. ou . (8)
Onde r o raio mximo do fio, J o momento de inrcia do fio e max a mxima
tenso cisalhante do material. Se os valores de r, J e max so constantes, ento o momento
toror do fio MT = constante, ou seja, MT = 0.
Deve-se considerar que o torque atuante sobre o fio no o pleno torque do motor,
uma vez que o fio atua como elemento movido, com uma extremidade livre, oposta
extremidade fixada ao eixo motor de rotao. Assim sendo, o torque mximo a ser atribudo
toro do fio relativo ao torque de equilbrio com as foras de atrito entre o fio e os mancais,
e atrito interno da deformao elstica do fio, numa histerese de energia praticamente nula em
um ciclo completo de trao e compresso de cada seo do fio em revoluo (Figura 26).
A