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Ligas com memória de forma Como educar ligas com memória de forma Projeto Feup 2016/2017 Mestrado Integrado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais e Licenciatura em Engenharia de Minas e GeoAmbiente Grupo 7 Ana Vieira, Carlota Caçador, João Marques, João Paulo, Luís Regueiras, Mariana Gonçalves, Rita Alves
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Ligas com memória de forma
Como educar ligas com memória de forma Projeto Feup 2016/2017
Mestrado Integrado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais e Licenciatura em Engenharia de Minas e Geo-‐Ambiente
Grupo 7 -‐ Ana Vieira, Carlota Caçador, João Marques, João Paulo, Luís Regueiras, Mariana Gonçalves, Rita Alves
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Sumário
No âmbito da unidade curricular Projeto FEUP, foi proposta a realização de um relatório que se baseasse no tema da educação de ligas com memória de forma. Assim este relatório irá incidir mais especificamente nas ligas Ni-‐Ti ou nitinol, uma vez que estas se apresentam como sendo as mais comercializadas; abordando aspetos como a extração e a fusão do Níquel, aplicações das ligas com memória de forma, o seu processo de educação e a explicação deste fenómeno.
Começará por definir o que são ligas com memória de forma, explicando o fenómeno detalhadamente. Partirá depois para uma análise das ligas níquel-‐titânio, acompanhada de um pequeno estudo sobre o Níquel, desde as suas principais caraterísticas até à sua extração. Finalmente abordará as principais aplicações das ligas com memória de forma de Ni-‐Ti até aos seus processos de educação, acompanhado por um protocolo de atividade experimental.
Palavras-‐Chave
Ligas com memória de forma, SMA (shape memory alloys), Martensite, Austenite, Ligas Ni-‐Ti, Níquel, SMA education
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Agradecimentos
Gostaríamos de apresentar os nossos sinceros agradecimentos não só à professora Filomena e à nossa monitora Inês, que sempre se mostraram disponíveis a prestar os esclarecimentos suscitados, como também à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto e sobretudo à sua biblioteca que possibilitaram a realização deste relatório.
Deixamos também uma palavra de gratidão ao Sr. Ramiro da oficina do departamento que tão bem nos orientou na construção dos moldes para a realização do trabalho prático.
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Índice Introdução ....................................................................................................................... 1
Ligas com memória de forma ......................................................................................... 2
Liga Ni-‐Ti .......................................................................................................................... 3
Níquel .............................................................................................................................. 3
Extração do Níquel ....................................................................................................... 3
Propriedades e Caraterísticas das ligas Ni-‐Ti .................................................................. 4
Aplicações das ligas Ni-‐Ti ................................................................................................ 4
Educação das ligas de memória de forma: trabalho prático ......................................... 5
Conclusão ........................................................................................................................ 8
Bibliografia ...................................................................................................................... 9
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Índice de Figuras Figura 1 -‐ Níquel no estado sólido ................................................................................... 3 Figura 2 – Esquema de transição de fases e respetivo esquema de alteração da estrutura cristalina ........................................................................................................... 2 Figura 3 -‐ Fixação da liga à placa com parafusos dando-‐lhe a forma que se pretende que ela adquira após a educação .................................................................................... 6 Figura 4 -‐ Colocação da placa com a liga no forno a 500ºC durante 15 minutos ............ 6 Figura 5 -‐ Retira-‐se a placa do forno e coloca-‐se em água .............................................. 7 Figura 6 -‐ Soltar a liga da placa ........................................................................................ 7 Figura 7 -‐ Deformar a liga e de seguida aquecê-‐la observando que esta adquiriu a forma para a qual foi educada ......................................................................................... 7
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Introdução Foi com a descoberta das ligas Ni-‐Ti que o efeito da memória de forma
começou a ser estudado mais aprofundadamente. Este efeito da memória de forma ou, em inglês, shape memory efect é a capacidade que um metal apresenta de recuperar a sua forma anterior.
De entre as várias ligas que apresentam o efeito da memória de forma, destacam-‐se as ligas Níquel-‐Titânio, entre elas a liga Nitinol constituída por 50% Níquel, 50 % Titânio e que é uma das mais comercializadas.
Este relatório pretende, assim, elucidar acerca do efeito da memória de forma, das suas propriendade e aplicações, abordando também as ligas níquel – titânio e ainda o níquel, como um dos seus constituintes, recorrendo para isso a pesquisa online e à consulta de manuais, apoiando-‐se ainda na realização de uma atividade prática que possibilitou a melhor compreensão deste fenómeno.
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Ligas com memória de forma
As ligas com memória de forma ou SMA (Shape Memory Alloys) são materiais metálicos que têm como principal caraterística a capacidade de recuperar a sua forma original após sofrerem deformações. Estas ligas são assim capazes de voltar à sua forma “memorizada” quando sujeitas a um aumento de temperatura ou de pressão ou outras condições de tensão.As ligas com memória de forma, apresentam, em estado sólido, duas fases bem distintas, a martensite e a austenite. Através da alteração da temperatura da liga (a chamada temperatura de transformação), ocorre um rearranjo da sua estrutura cristalina, havendo uma mudança de fase que sucede sempre com a liga no estado sólido.
Este fenómeno pode ser facilmente explicado, considerando a estrutura cristalina que o metal exibe durante o fenómeno da memória de forma. Isto é, as ligas que apresentam a propriedade da memória de forma, apresentam em estado sólido, duas fases cristalinas bem distintas: a martensite e a austenite. É através da alteração da temperatura da liga (a chamada temperatura de transformação), que irá ocorrer um rearranjo da sua estrutura cristalina, havendo uma mudança de fase que sucede sempre com a liga no estado sólido.
A Martensite é, então, a fase em que a liga se encontra à temperatura ambiente e carateriza-‐se por uma estrutura bastante suscetível a deformações. Assim, é nesta fase que através da aplicação de forças, é possível deformar a liga.
Por sua vez a Austenite corresponde à fase em que os materiais, ao serem aquecidos, recuperam a sua forma original. É a fase de alta temperatura (que normalmente ronda os 70º) e de estrutura geralmente cúbica, em que o material se apresenta com maior dureza.
As ligas com memória de forma mais comercializadas são as Ni-‐Ti. (1) (2) (3)
Figura 1 – Esquema de transição de fases e respetivo esquema de alteração da estrutura cristalina
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Liga Ni-‐Ti
As ligas níquel-‐titânio, também conhecidas por ligas Ni-‐Ti, são ligas em que tanto o níquel como o titânio se apresentam em percentagens semelhantes. Como tal, abordaremos sucintamente a extração do níquel e algumas das suas características.
Níquel
O níquel é um elemento químico de símbolo Ni que ocupa a posição 28 na tabela periódica e que se encontra no grupo 10 e no 4º período da tabela periódica e apresenta número atómico 28. É o 22º elemento mais abundante na crosta terrestre e à temperatura ambiente, encontra-‐se no estado sólido, exibindo uma cor branco-‐prateada.
Este metal, apresenta um elevado ponto de fusão (1543ᵒC), é bastante resistente à oxidação e à corrosão e é bastante dúctil, características que permitem diversas aplicações nomeadamente na indústria, nos transportes, na electrónica, etc. (4)
Extração do Níquel O níquel encontra-‐se à superfície terrestre associado a outros elementos
formando depósitos de óxidos/hidróxidos, sulfuretos ou silicatados. Hoje em dia, a extração deste elemento ocorre principalmente através dos
depósitos de sulfuretos. Estes normalmente têm na sua constituição, para além de níquel, ferro e cobre.
Figura 2 -‐ Níquel no estado sólido
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Antes de avançarem para a extração dos elementos, os minérios passam por vários métodos físicos ficando de tamanho muito reduzido.
O minério de níquel presente é extraído através da flotação. Esta é uma técnica de separação de misturas que consiste na introdução de bolhas de ar a uma suspensão de partículas. Deste modo, as partículas aderem às bolhas, formando uma espuma que pode ser removida da solução.
De seguida, estas partículas passam para um processo de separação electromagnética para depois passarem por vários processos de refino que envolvem aquecimentos e arrefecimentos controlados e vários processos mecânicos, obtendo-‐se óxidos de níquel. Estes óxidos podem ser utilizados diretamente pela indústria do aço.
No entanto, para obtenção de níquel mais puro, pode utilizar-‐se ao processo de Mond. Este é um processo alternativo onde o níquel reage com o carbono formando o chamado “níquel carbonilo” com um grau de pureza superior a 90%.
Para diferentes teores de certos elementos nos depósitos de níquel pode também proceder-‐se à pirometalurgia e à hidrometalurgia. (5) (6) (7)
Propriedades e Caraterísticas das ligas Ni-‐Ti
Estas ligas metálicas têm duas propriedades peculiares que as tornam numas das mais conhecidas do mercado. São estas, o efeito de superelasticidade e o efeito de memória de forma. A superelasticidade está diretamente relacionada com o armazenamento de energia potencial por parte da liga. Enquanto que no efeito da memória de forma é necessário que ocorra a elevação da temperatura para que se verifique a propriedade. Isto é, para que se verifique a recuperação da forma inicial, após uma deformação, é necessária uma variação de pressão ou de temperatura.
As ligas níquel-‐titânio apresentam uma tensão de memória de forma de aproximadamente 8,5%, não apresentam propriedades magnéticas, têm excelente resistência à corrosão e apresentam a ductilidade mais alta de entre todas as ligas com memória de forma. (8)
Aplicações das ligas Ni-‐Ti
Para além das aplicações associadas à memória de forma, estas ligas são também aplicadas em funções onde é necessária a capacidade de recuperação de quantidades significativas de tensão (superelasticidade).
As ligas ni-‐ti são utilizadas em dispositivos de acionamentos, nos quais o material, tem a capacidade para regressar à sua forma inicial livremente, ou é totalmente limitada a recuperação de forma, fazendo com que o material exerça uma grande força sobre a estrutura, ou por fim são utilizadas em dispositivos de acionamentos, onde o material, é parcialmente limitado pelo material circundante deformável.
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Esta liga metálica, devido à boa biocompatibilade que apresenta, é também usada como biomaterial em diversas aplicações na área da saúde. Fios ortodônticos, materiais ortopédicos e componentes para a realização de cirurgias pouco invasivas, são exemplos de aplicações na área da saúde.
As armações de óculos são também um exemplo da aplicação das ligas de níquel e titânio.
Em 1970 foram desenvolvidos e construídos motores térmicos de demonstração, sendo utilizado fios de níquel-‐titânio para produzir energia mecânica a partir de fontes quentes e frias.
As ligas ni-‐ti podem ser utilizadas, por exemplo, num sistema de controlo da temperatura, uma vez que a variação da temperatura as fará mudar de forma. Assim, ao serem atingidas certas temperaturas, estas mudanças de forma podem ativar o mecanismo de controlo da temperatura. Podem também ser aplicadas numa sonda de arame, com a função de localizar e identificar tumores de forma a tornar mais precisa a cirurgia (superelasticidade).
A propriedade da memória de forma é bastante útil para a aeronáutica naquilo a que vulgarmente se chama “smart wings”. Esta designação é dada às asas de avião que contêm na sua constituição ligas com memórias de forma nas pás. São utilizados fios com memória de forma que são aquecidos por passagem de corrente elétrica manipulando assim a área flexível das pás.
Como último exemplo, as ligas ni-‐ti podem ser usadas para ligar tubagens. Primeiro a liga com memória de forma com diâmetro igual ou menor aos tubos é deformada de maneira a poder ser usada e depois é colocada entre os tubos. Posteriormente a liga é aquecida recuperando a forma inicial selando assim as tubagens. (8) (9) (10)
Educação das ligas de memória de forma: trabalho prático
Com já foi mencionado, as ligas que apresentam memória de forma podem ser bastante úteis. Para poderem ser utilizadas nas mais diversas aplicações, estas ligas necessitam de ter “memorizada” uma forma específica, para que possam cumprir o seu objetivo. Assim, necessitam de ser educadas para que lhes possa ser atribuída, posteriormente, uma função, para que possam ser aplicadas. Existem várias formas de educar as ligas, desde a educação simples, que permite que a liga adquira uma forma, quando aquecida, e a educação em dois sentidos.
A educação simples de uma liga com memória de forma é um processo
térmico, uma vez que é o calor o factor que irá permitir a alteração da forma “memorizada” pela liga. Este tratamento consiste em sujeitar a liga a uma temperatura de 500ºC durante 15 minutos, imobilizando-‐a na forma desejada. Assim deve-‐se:
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1. Fixar a liga na forma pretendida utilizando uma placa com parafusos (que estarão dispostos na placa de acordo com a forma desejada, funcionando como um molde);
2. Levar ao forno a 500ºC durante 15 minutos;
3. Após decorridos os 15 minutos, retirar a placa com a liga do forno e mergulhá-‐la imediatamente em água fria para que arrefeça rapidamente;
4. Secar a placa;
5. Remover a liga da placa; 6. Deformar a ligar e, utilizando uma fonte de calor (isqueiro/secador),
aquecer a liga e observar a forma que esta adquire, verificando se é, efetivamente a forma para que foi educada (a forma na qual estava disposta na placa).
Figura 3 -‐ Fixação da liga à placa com parafusos dando-‐lhe a forma que se pretende que ela adquira após a educação
Figura 4 -‐ Colocação da placa com a liga no forno a 500ºC durante 15 minutos
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Figura 3 -‐ Retira-‐se a placa do forno e coloca-‐se em água
Figura 4 -‐ Soltar a liga da placa
Figura 5 -‐ Deformar a liga e de seguida aquecê-‐la observando que esta adquiriu a forma para a qual foi educada
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Conclusão
Em conclusão, foi verificado que as ligas com memória de forma se tratam de materiais metálicos que têm como principal característica recuperar a sua forma original após deformação. Este tipo de situações ocorrem quando estes materiais se encontram sujeitos a aumentos de temperatura, pressão ou outras condições de tensão.
As ligas metálicas com estas caraterísticas podem ser aplicadas em diversas áreas e as ligas mais comercializadas são as de titânio e níquel, que são compostas por estes dois metais, em percentagens semelhantes. Após um estudo aprofundado sobre o elemento metálico níquel, podemos afirmar que o mesmo corresponde a um material com um elevado ponto de fusão, bastante resistente à oxidação e corrosão e bastante dúctil. Estas características possibilitam a sua utilização em diversas aplicações, nomeadamente a nível industrial, ao nível dos transportes e também da electrónica.
Foi constatado que as ligas ni-‐ti possuem duas propriedades muito particulares como sendo o efeito da superelasticidade e o efeito de memória de forma. A superelasticidade está relacionada com o armazenamento de energia potencial por parte da liga. Já o efeito de memória de forma está interligado com a capacidade das ligas níquel-‐titânio em sofrer deformação a uma dada temperatura e, em seguida, recuperar a sua forma inicial. Além disso, através do estudo destas ligas, descobrimos que o nitinol apresenta uma tensão de memória de forma de aproximadamente 8,5%, não é magnético, tem uma resistência muito boa à corrosão e apresenta a ductilidade mais alta de entre todas as ligas com memória de forma.
Relativamente às aplicações das ligas ni-‐ti, estas são utilizadas em funções onde é necessária a capacidade de recuperação de quantidades significativas de tensão (superelasticidade) -‐ por exemplo, dispositivos de acionamento. Para além destas aplicações, o nitinol, devido à sua biocompatibilidade, também é utilizado como biomaterial em diversas aplicações na área da saúde.
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Bibliografia 1. Case, Lisa, et al., et al. Shape Memory Alloy. [Online] [Citação: 11 de 10 de 2016.] http://www-‐personal.umich.edu/~btrease/share/SMA-‐Shape-‐Training-‐Tutorial.pdf. 2. Administration, National Aeronautics and Space. How to Train Shape. [Online] [Citação: 14 de 10 de 2016.] https://technology.nasa.gov/t2media/tops/pdf/LEW-‐TOPS-‐32.pdf. 3. Superelasticity and Shape Memory Alloys. University of Cambridge. [Online] [Citação: 15 de 10 de 2016.] http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/superelasticity/summary.php. 4. Nickel Metal -‐ The Facts. Nickel Institute. [Online] [Citação: 5 de 10 de 2016.] https://www.nickelinstitute.org/en/NickelUseInSociety/AboutNickel/NickelMetaltheFacts.aspx. 5. Níquel. Engenharia de Materiais. [Online] [Citação: 25 de 10 de 2016.] http://ipc3materiais2010.blogspot.pt/2010/12/niquel.html. 6. Ferreira, Ana Maria. Aula 9 -‐ Metais. Minérios. Processos de Extração. Aluminotermia. [Online] [Citação: 25 de 10 de 2016.] http://www2.iq.usp.br/docente/amdcferr/disciplinas/QFL2129/Aula_9_-‐_Metais_-‐_Aluminotermia.pdf. 7. Ferreira, Diogo e al, et. Níquel. [Online] [Citação: 26 de 10 de 2016.] http://www.ufpa.br/getsolda/docs_graduacao/trab_niquel.pdf. 8. Nitinol | A liga metálica de titânio e níquel com memória. Ciências e Tecnologia. [Online] [Citação: 29 de 9 de 2016.] https://cienciaetecnologias.com/nitinol/. 9. Nickel and Nickel Alloys. Total Materia. [Online] [Citação: 1 de 10 de 2016.] http://www.totalmateria.com/Article9.htm. 10. Metalpedia. Uses of nickel. [Online] [Citação: 3 de 10 de 2016.] http://metalpedia.asianmetal.com/metal/nickel/application.shtml. 11. Nickel. Wikipedia -‐ The Free Encyclopedia. [Online] [Citação: 3 de 10 de 2016.] https://en.wikipedia.org/wiki/Nickel.
