pivic - gabriel bissaro barban

7/23/2019 PIVIC - Gabriel Bissaro Barban

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TTULO:

ATENUAO DE VIBRAES EM COMPSITOS ATIVOS A BASE DE RESINA EPXI COM FIOS DE NiTi COM

MEMRIA DE FORMA

Palavras chave: Amortecimento de vibraes, Compsitos, NiTi, Memria de forma

RESUMO:

Ligas com memria de forma tem tido grande interesse como material que pode ser aplicados em

amortecimento passivo bem como amortecimento ativo de vibraes. A capacidade ativa de amortecimento

pode ser obtida em materiais compsitos por meio de tenses ou deformaes de recuperao de fios de ligas

com memria de forma embutidos na matriz polimrica dos compsitos. Esses fios controlam a energia

interna das estruturas, permitindo uma modificao modal controlada e ajustada das propriedades dinmicas

dos elementos estruturais. Alm dos danos por impacto, possvel ter ativamente um controle dinmico de

forma e como conseqncia obter melhora da resistncia fadiga, melhor desempenho e longa vida til de

elementos estruturais. Este trabalho tem como objetivo desenvolver um compsitos ativos de epxi com fios

da liga de NiTi com efeito de memria de forma e estudar as suas caractersticas de amortecimento devibraes de por meio de ensaios de amortecimento de vibraes.


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SUMRIO:

Pg.

RESUMO 1

INTRODUO 3

OBJETIVO 3JUSTIFICATIVA 3

REVISO DA LITERATURA 4

1 Histria das ligas de memria de forma. 4

2 Transformao martenstica. 4

3 Transformao martenstica termoelstica. 5

4 Efeito memria de forma. 6

5 Superelasticidade. 6

6 Amortecimento de vibraes. 7

METODOLOGIA 8

1 Obteno do fio de NiTi com memria de forma. 8

2 Desenvolvimento do compsito ativo. 8

3 Determinao da frequncia natural da barra de SMAHC. 8

4 Ensaios de atenuao de vibraes. 9

CRONOGRAMA DE ATIVIDADES 9

PRINCIPAIS CONTRIBUIES ESPERADAS 9

PARTICIPAO DE EQUIPE EXECUTORA. 10

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 10


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INTRODUO

Um grande nmero de materiais compsitos com ligas de memria de forma tem sido desenvolvido,

nos quais so utilizadas matrizes metlicas, como alumnio (Al) e estanho (Sn), bem como matrizes

polimricas. Vrios tipos de compsitos inteligentes hbridos foram desenvolvidos com a incorporao de

fibras com memria de forma com materiais compsitos. Existem sistemas consistindo de matriz de resina

epxi e elementos incorporados de ligas com memria de forma (Shape Memory Alloys SMAs) na forma de

fios, tiras ou fitas. [PAYANDEH, 2012].

As fibras de SMA so usadas para reforar a matriz epxi, absorver energia e reduzir a tenso residual

por meio da tenso induzida pela transformao martenstica das ligas de memria de forma. As fibras de SMA

embutidas tambm so usadas para melhorar a eficincia de estruturas, melhorar a capacidade de

amortecimento de vibraes, aumentar a resistncia a danos por impacto, e minimizar deformao por

fluncia. Esses resultados so obtidos pelo aumento da rigidez do compsito, possibilitando a reduo de

rudos em sistemas de rotores e em transmisso/radiao de som de painis de compsitos. Compsitos com

ligas de memria de forma (SMA Composites) tm se apresentado como um efetivo material adaptvel para

controle ativo de vibrao e de acstica estrutural [PAYANDEH, 2012].

As fibras com memria de forma embutidas, sob a restrio da matriz, apresenta um comportamento

de transformao diferente daquelas em condies de liberdade de recuperao. Essa restrio recuperao

de forma chamada de recuperao vinculada. Geralmente essas fibras so pr-deformadas, posteriormente

embutidas na matriz epxi, e quando o sistema de fibras ativado pelo aquecimento resistivo so geradas

tenses na matriz que se ope a carga devido recuperao de forma das fibras, melhorando as propriedades

dos compsitos com SMA, tornando-os mais rgidos [PAYANDEH, 2012].

OBJETIVO

O objetivo deste projeto de iniciao cientfica (IC) desenvolver um compsito ativo com fios de SMAembutidos em resina epxi. Utilizando este compsito ativo ser estudada a capacidade de atenuao de

vibraes em diferentes modos de ativao trmica das fibras com memria de forma.

JUSTIFICATIVA

As necessidades do setor aeronutico sempre fomentaram pesquisas relativas a propriedades

mecnicas de novos materiais assim como suas aplicaes nesse setor. Pretende-se com este projeto de IC,

estudar o desenvolvimento de novos materiais, bem como suas possveis aplicaes e com isso contribuir com

a formao de pessoal, e para isso sero realizadas atividades para:

a) Despertar entre os estudantes de graduao a vocao cientfica atravs de sua integrao com os

pesquisadores e as Instituies que possam se envolvidas neste projeto, por meio do relacionamento

entre pesquisadores e alunos dos cursos de graduao e ps-graduao;

b) Proporcionar aos estudantes de graduao a oportunidade de aprendizado de tcnicas e mtodos

cientficos, utilizados no desenvolvimento de novos materiais;

c) Proporcionar aos alunos o contato com empresas, visando solues de problemas tecnolgicos;

d) Contribuir para a formao de pessoal em alto nvel, proporcionando ao graduando, conhecimento

terico e domnio sobre a tecnologia de caracterizao e desenvolvimento de novos materiais,

especialmente materiais com memria de forma e suas aplicaes.

Este projeto de IC estar vinculado linha de pesquisa do Grupo de Fabricao (grupos de pesquisa do

CNPq) e ao projeto de pesquisa Caracterizao microestrutural e mecnica de ligas para aplicaes


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aeronuticas, que visa o estudo da microestrutura e de propriedades mecnicas de ligas para aplicao nas

indstrias do setor aeronutico e aeroespacial.

REVISO DA LITERATURA

1 Histria das ligas de memria de forma.

O fenmeno do Efeito Memria de Forma (EMF) pode ser definido como sendo a capacidade de certosmateriais metlicos voltarem ao estado ou forma original com o aquecimento em temperaturas acima da

temperatura final de transformao da martensita em austenita aps serem deformados plasticamente no

estado martenstico. Ligas convencionais apresentam deformaes plsticas permanentes quando deformadas

alm de seu limite elstico.

As primeiras descobertas sobre o efeito Memria de Forma foram deitas em 1932 por RLANDER, com

a observao do comportamento pseudo-elstico da liga de Au-Cd. GRERINGER e MOORADIAN observaram,

em 1938, a formao e o desaparecimento da fase martenstica por meio da reduo e do aumento da

temperatura da liga de Cu-Zn. A base do fenmeno de memria de forma governada pelo comportamento

termo-elstico da fase martenstica, o qual, uma dcada depois, foi amplamente registrado por KURDUMOV eKHANDROS em 1949 e por CHANG e READ em 1951. Na dcada de 1960, BUEHLER e seus companheiros

descobriram o efeito de memria de forma das ligas equiatmicas de nquel-titnio (NiTi), em U. S. Naval

Ordenance Laboratory), que foram consideradas um avano no campo dos materiais com memria de forma.

Esta liga de NiTi foi chamada de NITINOL (Nickel Titanium Naval Ordenance Laboratory). Desde ento, intensas

pesquisas foram realizadas para esclarecer os mecanismos de seu comportamento bsico de memria de

forma.

2 Transformao martenstica.

As diversas propriedades funcionais das ligas com memria de forma esto intimamente ligadas stransformaes de fases de solues slidas que ocorrem em fases metaestveis (fases que possuem uma

energia menor que a inicial, embora seja maior que a da forma estvel de algumas ligas especficas). Isto

ocorre sem difuso e chamada de transformao martenstica e a fase slida obtida durante o resfriamento

chamada de martensita.

O fenmeno de memria de forma baseado na transformao da fase austentica (fase de

temperatura alta) para fase martenstica (fase de temperatura baixa) em escala atmica trmicamente

dependente. Esse comportamento chamado de transformao martenstica termoelstica. Essa

transformao martenstica termoelstica responsvel pela recuperao de forma resultante da necessidade

do retculo cristalino a acomodar-se em um estado de mnima energia para uma determinada temperatura. Atransformao da martensita em austenita chamada de transformao reversa.

As temperaturas das transformaes martenstica e reversa podem ser obtidas com a utilizao de um

calormetro diferencial de varredura de temperatura (DSC Differential Scanning Calorimetry). O resultado da

varredura das variaes de energia trmica especfica absorvida ou liberada em funo da temperatura

apresenta uma curva como mostrado na figura 1.


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Figura 1 Resultado de DSC mostrando as transformaes martenstica e reversa.

Na transformao martenstica, quando a fase austentica resfriada, comea a se transformar em

martensita (figura 1). A temperatura na qual se inicia essa transformao chamada de temperatura de inicioda transformao da austenita em martensita (Mi), a temperatura na qual a transformao se completa

chamada de temperatura de fim da transformao da austenita em martensita (Mf). A transformao

martenstica atinge um pico de transformao na temperatura, indicada por Mp. Quando a fase martenstica

aquecida, comea a se transformar em austenita. A temperatura na qual se inicia essa transformao

chamada de temperatura de inicio da transformao da martensita em austenita (Ai), a temperatura na qual a

transformao se completa chamada de temperatura de fim da transformao da martensita em austenita

(Af). A transformao reversa atinge um pico de transformao na temperatura, indicada por Ap.

Nas ligas com EMF, a relativa simetria entre as duas fases (austenita e martensita) leva a uma

transformao altamente ordenada, onde o deslocamento de tomos individuais pode ser precisamente

previsto e eventualmente leva a mudanas de forma em escala macroscpica. A estrutura cristalina da

austenita relativamente mais simtrica se comparada com a fase martenstica. Se um monocristal

constitudo de austenita for resfriado abaixo de Mf, ocorre a transformao da austenita em at 24 variantes

(planos de hbito cristalograficamente equivalentes) de martensita auto-acomodantes, sem mudana de

forma macroscpica. Essas variantes so revertidas em uma nica orientao possvel da fase original

(austenita) quando o monocristal aquecido acima de Af [HODGSON, 2006].

3 Transformao martenstica termoelstica.

O mecanismo no qual uma variante da martensita se deforma chamada de maclao, possuindo uma

imagem de espelho da matriz cristalina de forma simtrica, o plano de simetria que separa as regies de macla

chamado de plano de maclao. Enquanto muitos metais se deformam por meio de deslizamento ou

discordncias, as ligas de memria de forma respondem s tenses de trao, simplesmente, por meio de

mudanas na orientao de sua estrutura cristalina atravs da movimentao dos contornos das maclas (figura

2). A recuperao de forma obtida aquecendo-se a amostra acima de fim da transformao da martensita

em austenita (Af).


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Figura 2 Mecanismo de deformao e de reverso de forma [HODGSON, 2006].

Uma amostra de SMA deformar at reduzir a martensita multi-orientada em uma martensita de

orientao nica, resultado em uma variante equivalente quela que produza uma deformao mxima na

direo do eixo de trao. Deformaes alm de um valor mximo resultaro em deformaes plsticas por

deslizamento (como ocorre em materiais comuns), as quais so irrecuperveis. Se a deformao for

interrompida no meio do processo, a amostra ainda possuir diferentes variantes da martensita. Aquecendo-

se essa amostra acima de Af, a fase original com orientao idntica a existente antes da deformao criadadevido transformao das variantes da martensita em austenita de acordo com as equivalncias entre as

estruturas da fase original e cada variante da martensita. Esse fenmeno causa a completa reverso da forma

que a amostra possua antes da deformao e a base das propriedades especificas como o efeito de

memria de forma e a superelasticidade [HODGSON, 2006].

4 Efeito memria de forma.

As ligas com memria de forma tm estrutura martenstica so sensveis a mudana na temperatura

ambiente e tendo a habilidade de converter sua forma para uma estrutura programada. A martensita

macia e pode ser deformada facilmente, e retomando a forma e a rigidez original quando aquecida at atemperatura Af (T2) como pode ser visto na figura 3.

5 Superelasticidade.

A superelasticidade (ou pseudoelasticidade) refere-se habilidade da liga de memria de forma de

retornar a forma original aps serem aliviados de uma tenso que produza uma deformao substancial. Esse

fenmeno baseado na formao de martensita induzida por tenso mecnica. A aplicao de uma tenso

externa causa a formao de martensita em temperaturas maiores que Ms (T3) como pode ser visto na figura

3. A deformao macroscpica acomodada pela formao de martensita. Quando essa tenso retirada a

martensita reverte-se em austenita e a amostra retorna a sua forma original.


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Figura 3 Variao das propriedades mecnicas com a temperatura.

Devido superelasticidade, as ligas com memria de forma podem ter deformaes muitas vezes

maiores que as deformaes suportadas por materiais comuns, sem que se deformem plasticamente,

caracterizando o comportamento semelhante ao da borracha. Porm esse comportamento observado

somente acima de uma faixa de temperatura especfica. Essa mxima temperatura, na qual a martensita no

pode ser induzida por tenso chamada Md. Acima dessa temperatura, a liga de memria de forma se

deforma da mesma maneira que os outros materiais, por meio de deslizamentos na estrutura cristalina.

As propriedades de memria de forma e de superelasticidade so limitadas por uma deformao de

aproximadamente 8% que pode ser recuperada pela retirada do carregamento ou pelo aquecimento.

Deformaes acima desse valor limite iro permanecer como uma deformao plstica permanente. Atemperatura de trabalho de dispositivos com memria de forma deve permanecer dentro da faixa de

temperatura entre Af e Md (faixa de temperatura de transformao da martensita em austenita induzida pela

tenso mecnica), se a temperatura de trabalho estiver fora dessa faixa, as caractersticas de memria de

forma podem ser alteradas.

6 Amortecimento de vibraes.

Uma liga com memria de forma pode apresentar uma capacidade de amortecimento de vibraes.

Quando um material com memria de forma austentica carregado ciclicamente com cargas alm de um

valor crtico, a transformao martenstica induzida mecanicamente, acompanhada por uma histerese. Essahisterese representa a energia dissipada [SCHMIDT, 2004].

A capacidade de amortecimento da fase martenstica termoelstica est relacionada histerese do

movimento das interfaces (interface variante da martensita, borda de maclas) [HUMBEECK, 2003]. Essa

histerese do movimento das interfaces das maclas pode produzir um atrito interno que dissipa as energias

absorvidas das vibraes que pode ser controlado por meio das interaes entre discordncias e outras falhas

dos ltices.

As ligas de NiTi esto entre as mais importantes ligas com memria de forma devido ao seu excelente

efeito de memria de forma e superelasticidade, e portanto apresenta uma elevada capacidade de amortecervibraes, pois exibe um elevado pico de atrito interno associada a um mdulo de cisalhamento mnimo

durante a transformao martenstica mecanicamente induzida, e por causa desse fato favorvel a sua


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utilizao em aplicaes que necessitam de dissipao de energia. Tais caractersticas tambm contribuem no

aumento da vida em fadiga dessa liga j que uma parcela da austenita transformada em martensita que

apresenta menor rigidez.

O amortecimento pelo atrito interno das ligas de NiTi pode ser relacionado a parmetros

experimentais como a taxa de variao da temperatura de aquecimento/resfriamento, a freqncia e a

amplitude aplicada, como tambm a tenso de escoamento do material. A relao desses parmetros

experimentais pode ser obtida com a utilizao de um analisador dinmico mecnico (Dynamic Mechanical

Analyzer DMA) que um instrumento de absoluta preciso e repetibilidade, que consegue medir atane o

mdulo de armazenamento (E) das amostras, parmetros que quantificam as energias armazenadas na

microestrutura [CHANG, 2008].

Diversos pesquisadores j apresentam relatos sobre projeto de componentes capazes de absorver

cargas dinmicas com a utilizao de ligas com memria de forma. Tais componentes podem ser integrados a

partes crticas de estruturas as quais necessitam de protees contra cargas de impacto. Um exemplo dessas

aplicaes a utilizao em conexo de juntas que conectam peas de cascos de veculos submergveis s suas

estruturas, blindagem de tanques ou containers resistentes exploso. Outro campo de aplicao promissor

a fabricao de vrios dispositivos passivos ou ativos de absoro de vibrao [LAGOUDAS, 2003]. Atualmente

essa capacidade de amortecimento de vibraes das ligas de NiTi tem tido grande ateno devido ao seu

potencial de uso na reduo de rudos e prolongamento de vida em fadiga de estrutura em vibrao, como

estruturas de avies [BISCARINI, 2003].

METODOLOGIA.

1 Obteno do fio de NiTi com memria de forma.

Para o desenvolvimento de um compsito ativo devero ser produzidos os fios da liga de NiTi com

memria de forma, produzido no Instituto Tecnolgico de Aeronutica, que possui a composio e astemperaturas de transformao de fase apresentados na tabela 1.

Ligas de NiTiNi

(%at)

Ni

(%wt)

C

(%wt)

O

(%wt)

Mi

(C)

Mp

(C)

Mf

(C)

Ai

(C)

Ap

(C)

Af

(C)

VIM 40 49,42 54,70 0,066 0,1113 62,5 51,2 38,0 65,3 81,9 91,0

Esse material, que se encontra com dimetro de aproximadamente 2,2mm, deve ser reduzidos para o

dimetro de aproximadamente 0,5mm por meio de um processo termomecnico com reduo de rea de 15%

em cada passe de trefilao seguidas de interrecozimentos a 600C por 5 minutos.

2 Desenvolvimento do compsito ativo.

O compsito ativo chamado de Compsito Hbrido com Ligas de Memria de Forma (SMAHC Shape

Memory Alloys Hybrid Composite) ser produzido com os fios da liga de NiTi com memria de forma

produzidos, embutidos em uma barra de resina epxi. Essa barra de SMAHC com 300 x 25 x 4 mm 3, ter 5 fios

de NiTi treinado distribudos ao longo do plano neutro da barra.

3 Determinao da frequncia natural da barra de SMAHC.

Antes de realizar os ensaios dinmicos de atenuao de vibrao necessrio determinar a frequncianatural de vibrao da barra de SMAHC desenvolvida. Essa frequncia natural ser medida em diferentes

modos de ativao trmica dos fios de NiTi.


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4 Ensaios de atenuao de vibraes.

A barra de SMAHC ser testada em modo de engastamento simples para verificar a sua resposta

dinmica durante o aquecimento resistivo dos fios de NiTi com memria de forma.

CRONOGRAMA DE ATIVIDADES.

O cronograma de execuo deste trabalho que ter o perodo de execuo de 01/08/2012 at

31/07/2013 (12 meses) e a sua respectiva legenda so apresentados a seguir.

Atividades/

Meses

Meses

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12

A x x x x x x x x x x x

B x x

C x x

D x xE x x x x

F x x x x x x x

G x x

H x x x x

ATIVIDADES Descrio

A Reviso bibliogrfica

B Produo do fio de NiTiC Desenvolvimento do SMAHC

D Medida da frequncia natural do SMAHC

E Ensaio dinmico de atenuao de vibrao

F Anlise de resultados

G Redao de artigos para congressos e revistas cientficas

H Redao de relatrios

PRINCIPAIS CONTRIBUIES ESPERADAS.

Este projeto de iniciao cientifica pretende contribuir:

1) Formao e capacitao de pessoas na confeco de revises e relatrios tcnicos e nasseguintes reas: A) em processos termomecnicos; B) no desenvolvimento de composito ativo; C)na determinao de frequncia natural de vribrao do compsito ativo desenvolvido; D) emensaios dinmicos de atenuao de vibraes.

2) Cientifica e tecnolgica, a perspectiva que com o desenvolvimento de um compsito ativoser possvel estudar as principais aplicaes desse material na industria aeronutica nodesenvolvimento de materiais que atuam como sensor-atuador.

3) Publicao de pelo menos 1 artigo em congresso.


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PARTICIPAO DE EQUIPE EXECUTORA.

A execuo deste trabalho contar com a participao do Prof. Leonardo Kyo Kabayama como prof.

orientador, o Prof. Silmara Cristina Baldissera Kabayama, como prof. Colaboradora, o Prof. Jos Juliano Lima

Jr. como prof. Colaborador na rea de vibraes e o Prof. Antonio C. Ancelotti Jr. Como prof. Colaborador na

rea de compsitos.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

[CHANG, 2008] CHANG, S. H., WU, S. K., Effect of cooling rate on transformation temperature measurements

of Ti50Ni50 alloy by differential scanning calorimetry and dynamic mechanical analysis, Materials

Characterization 59, 2008, p-987~990

[HODGSON, 2006] HODGSON, DAREL E., WU, MING H., BIERMANN, ROBERT J., Shape Memory Alloys,

retirado da internet em 09/05/2006 Johnson Matthey Nickel-Titanium,

(http://www.jmmedical.com/html/johnson_matthey_home_page.html).

[HUMBEECK, 2003] HUMBEECK, J. VAN, Damping capacity of thermoelastic martensite in shape memory

alloys, Journal of Alloys and Compounds 355, 2003, p-58~64

[LAGOUDAS , 2003] LAGOUDAS, D. C., RAVI-CHANDAR, K., SARH K., PETER POPOV, P., Dynamic loading

of polycrystalline shape memory alloy rods, Mechanics of Materials 35, 2003, p-689~716

[PAYANDEH, 2012] PAYANDEH, Y. , MERAGHNI, F., PATOOR, E., EBERHARDT, A., Study of the

martenstica transformation in NiTi-epoxy smart composite and its effect on overall behavior.

[SCHMIDT, 2004] SCHMIDT, I., LAMMERING, R., The damping behaviour of superelastic NiTi components,

Materials Science and Engineering A 378, 2004, p-70~75
http://www.jmmedical.com/html/johnson_matthey_home_page.htmlhttp://www.jmmedical.com/html/johnson_matthey_home_page.htmlhttp://www.jmmedical.com/html/johnson_matthey_home_page.htmlhttp://www.jmmedical.com/html/johnson_matthey_home_page.html

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