A influência da segregação controlada dos solutos sobre o Efeito Memória de Forma de uma Liga do Tipo Cu - Zn - Al

CARLOS ANTONIO VIEIRA

  A influência da segregação controlada dos solutos sobre o Efeito Memória de Forma de uma Liga do Tipo Cu - Zn - Al

  Tese apresentada no setor de Pós-graduação do Departamento de Engenharia de Materiais da Faculdade de Engenharia Química de Lorena, ligada à Secretaria de Ciência, Tecnologia e Desenvolvimento Econômico do Governo do Estado de São Paulo, como parte dos requisitos para obtenção do grau de

  Doutor em Engenharia de Materiais.

  ORIENTADOR: Prof. Dr. Herman Jacobus Cornelis VOORWALD.

  Lorena – SP

  2004

  

FOLHA DE APROVAđấO

  (da Pós-Graduação em Engenharia de Materiais do Departamento de Engenharia de Materiais da Faculdade de Engenharia Química de Lorena da Secretaria da Ciência,

  Tecnologia e Desenvolvimento Econômico do Governo do Estado de São Paulo)

  

Área de Concentração:

  Materiais Metálicos, Cerâmicos e Polímeros

  

Título da Tese:

A influência da segregação controlada dos solutos sobre o

Efeito Memória de Forma de uma Liga do Tipo Cu - Zn - Al

  

Autor:

Carlos Antonio VIEIRA

  

Banca examinadora:

Nome: Prof. Dr. Herman Jacobus Cornelis VOORWALD (Orientador) Assinatura: Data: / / Nome: Prof. Dr.

  Assinatura: Data: / / Nome: Prof. Dr.

  Assinatura: Data: / / Nome: Prof. Dr.

  Assinatura: Data: / / Nome: Prof. Dr.

  Assinatura: Data: / /

  

Dedico este trabalho a Cristina – minha esposa, companheira e amiga – e a Frederico

Augusto, Guilherme Apoena e Lucas Alexandre – nossos filhos.

  

AGRADECIMENTOS

  Ao orientador professor Dr. Herman Jacobus Cornelis Voorward pelas diretrizes, incentivos nos momentos de dificuldades, confiança e apoio.

  Ao professor Dr. Helcio José Izonio Filho do Departamento de Engenharia Química – DEQUI- FAENQUIL, pela realização das análises químicas de composição das ligas produzidas.

  Ao professor Dr. Durval Rodrigues Junior do Departamento de Engenharia de Materiais – DEMAR - FAENQUIL pela realização das medidas das temperaturas de transformações de fases das ligas memória de forma estudadas.

  Aos professores e funcionários do Departamento de Engenharia de Materiais- DEMAR- FAENQUIL pela colaboração.

  À Universidade de Taubaté, por meio da Pró-reitoria de Extensão, pela concessão da bolsa-auxílio pesquisa.

  Aos técnicos Lamarino Vendramini e José Arauto Ribeiro, da Unitau, por suas prestimosas colaborações.

  À Villares Indústria de Base S/A, pela doação dos niples de grafita utilizados na fabricação das lingoteiras.

  À Sra. Ana Dinorah Rodrigues pela editoração final do trabalho. E a todos os meus familiares e amigos, pela paciência e generosidade.

  

RESUMO

  O Efeito Memória de Forma é conhecido desde a década de 50. Por volta do ano de 1975, as atenções voltaram-se para as ligas à base de cobre e a partir dos anos 90, as pesquisas concentraram-se nas soluções de problemas típicos da fabricação deste tipo de liga, visando atender às exigências de novas aplicações, tornando-as definitivamente um material funcional. As ligas para os estudos realizados neste trabalho foram produzidas em fornos de cadinho com queimador a gás (gás natural ou gás liqüefeito de petróleo), sem atmosfera controlada, com controle de temperatura feito por pirômetros de imersão e sendo a solidificação realizada em atmosfera ambiente. Todo o equipamento utilizado na fabricação das ligas estudadas, foi projetado e fabricado no período de desenvolvimento deste trabalho. Este trabalho apresenta um método de controle da volatização do zinco que foi empregado na fabricação das ligas básicas. Após um tratamento de solubilização, essas ligas foram utilizadas em um novo procedimento proposto de fabricação, por difusão e fusão seletiva, empregado para obter ligas Cu-Zn- Al com composições químicas distintas no sentido longitudinal do lingote, caracterizando, desta forma, uma segregação controlada dos solutos. A seguir as ligas foram laminadas a quente com o propósito de verificar a influência da segregação controlada dos solutos sobre o Efeito Memória de Forma. As análises dos resultados permitiram concluir que: a) o processo de controle da volatização do zinco mostrou-se eficiente; b) a fabricação de ligas com uma segregação controlada ao longo do lingote, pelo processo de difusão e fusão seletiva é possível; c) a dureza das ligas produzidas tem um efeito muito mais dependente da morfologia estrutural do que das variações de composições químicas; d) constatou-se que o efeito da segregação por variação de massa específica dos elementos químicos não foi eliminado, o que provocou uma variação na composição química levando as amostras a não manifestarem os Efeitos Memória de Forma nas temperaturas esperadas e e) a padronização dos procedimentos de fabricação permitirá produzir ligas com um controle da segregação dos solutos ampliando o Efeito Memória de Forma em um único componente fabricado com esse tipo de liga.

  Palavras-chave: Efeito Memória de Forma; EMF; fabricação de ligas à base de cobre.

  

ABSTRACT

  The Shape Memory Effect (SME) is known since the decade of 1950. By the year 1975 the attention focused on the copper-based alloys and from the 90s the researches focused on the solution of problems typically arisen from the manufacturing of this type of alloy, aiming the demands of the new applications. They have been definitely transformed, then, into a functional material.The alloys for the study done in this work were produced in crucible furnace with gas burners (natural and liquefied from petrol) without controlled atmosphere and with control of temperature done by pyrometers of immersion. The solidification occurred on room atmosphere.The equipment utilized on the manufacturing of the studied alloys has been projected and manufactured during the development of this work.This work presents a method of control of volatization of zinc utilized on the manufacturing of basic alloys. After a solubilization treatment, these alloys have been utilized in a new procedure proposed for manufacturing through selective diffusion and fusion used to obtain alloys Cu-Zn-Al with distinct chemical compositions on the longitudinal direction of the ingot, characterizing a controlled segregation of the solutes.The alloys were, then, hot rolled with the purpose of verifying the influence of the controlled segregation of the solutes on the Shape-Memory Effect (SME). The analysis of the results led to the following conclusions: a) the process of the control of the volatization of zinc proved to be efficient; b) the manufacturing of alloys with controlled segregation along of the ingot by the process of selective diffusion and fusion is possible; c) the hardness of the produced alloys has an effect much more dependent on the structural morphology than on the variation on the chemical compositions; d) it has been verified that the effect of the segregation by the variation of the specific mass of the chemical elements has not been eliminated, which caused a variation on the chemical composition leading to the non manifestation in the expected temperature of the Shape Memory Effect (SME); e) the standardization of the manufacturing procedures will permit the production of alloys with a control of segregation of the solutes broadening the Shape Memory Effect (SME) in just one component manufactured with this type of alloy.

  Key-words: Shape Memory Effect; SME; copper-based alloys manufacturation.

  

ILUSTRAđỏES

Lista de Figuras

Figura 2.1 - Comparação entre as temperaturas de transformações martensíticas

  não-termoelástica (Fe-Ni) e uma termoelástica (Au-Cd) ............................ 7

Figura 2.2 - Curvas Resistividade X Temperatura para os dois tipos de

  transformações martensíticas termo-elásticas.............................................. 9

Figura 2.3 - Sistema cristalino CCC: (a) Célula unitária da estrutura cristalina da

  fase matriz 2’ (b) e (c) planos {110} da seqüência de empilhamento ........ 10

Figura 2.4 - Representação de três tipos de planos resultantes do deslocamento

  atômico na transformação martensítica, em (a), (b) e (c) .......................... 11

Figura 2.5 - Empilhamento de planos alternados da martensítica resultantes da

  seqüência (1)

  3 ou 3 R ................................................................................. 11

Figura 2.6 - Empilhamento de planos alternados fase da fase martensítica

  resultantes da sequência (21) ou 9R .......................................................... 12

Figura 2.7 - Célula unitária cristalina na fase matriz 1 , em (a) e planos {110} da

  sequência de empilhamento, em (b) e (c) .................................................. 13

Figura 2.8 - Os Seis tipos de planos resultantes do deslocamento atômico na

  transformação martensítica ........................................................................ 13

Figura 2.9 - Estruturas martensíticas resultantes do empacotamento alternado dos

  planos da Figura 2.20, em (a) 18R (1) , (b) 18 R (2) e (c) 6R .................... 14 ou

Figura 2.10 - Representação esquemática da transformação da fase matriz DO

  3

  (

  1 ) para fase martensítica 18 R (l ) ou (’ 1 ) ............................................ 15

Figura 2.11 - As quatro direções possíveis de deformação para um plano {011}......... 16Figura 2.12 - Componentes da deformação na transformação martensítica.(P): fase

  matriz; (M): fase martensítica ................................................................. 17

Figura 2.13 - Estrutura do diamante grupo II resultante do crescimento das

  martensitas lado a lado ............................................................................ 18

Figura 2.14 Representação da auto-acomodação das martensitas variantes: (a) em

  duas dimensões e (b) em três dimensões................................................. 19

Figura 2.15 - Curvas Tensão versus Deformação para um monocristal de uma liga

  Cu-34,7Zn-3,0Sn (%em peso), com Mi = -52°C, Mf= - 65°C, Ai ==

  • 50°C e Af= - 38°C................................................................................. 20

Figura 2.16 - Curva Tensão versus Deformação de uma liga com memória de

  forma a uma temperatura menor que Af.................................................. 21

Figura 2.17 - Correspondência do reticulado cristalino no momento da reversão da

  transformação matriz - martensita ........................................................... 22

Figura 2.18 - Comportamento das transformações pseudo-elásticas para um

  monocristal de uma liga do tipo Cu- Al-Ni ............................................ 23

Figura 2.19 - Representação esquemática da ocorrência dos efeitos EMF e pseudo-

  elástico em função das tensões e temperaturas........................................ 24

Figura 2.20 - Diagrama Tensão X Deformação mostrando os múltiplos estágios da

  pseudo-elasticidade associados com as sucessivas transformações induzidas por tensões............................................................................... 25

Figura 2.21 - Estrutura cristalina das várias martensitas induzidas por tensões nas

  ligas Cu-Al-Ni, em (a) representação do plano basal e em (b)

Figura 3.1 - Diagrama de fase para as ligas Cu-Zn........................................................ 28Figura 3.2 - Diagrama de fase para um sistema ternário Cu-Zn-Al com 6 % em

  peso de alumínio ........................................................................................ 29

Figura 3.3 - Diagrama de fase para um sistema ternário Cu-Zn-Al, mostrando a

  temperatura M i para a liga com 2 %, 4% e 6 % em peso de alumínio...... 30

Figura 3.4 - Relação entre a porcentagem do alumínio e as temperaturas de

  transformação para uma liga Cu-Al-Ni, após uma solubilização a 1000°C com resfriamento em água fria ..................................................... 31

Figura 3.5 - Comportamento da deformação em um monocristal da liga

  tipo Cu-Al-Ni, com Mi = -140°C, Mf= - 150°C, Ai = - 109°C e Af= - 90°C (T<A f ) ..................................................................................... 33

Figura 3.6 - Comportamento da deformação em um monocristal da liga tipo

  Cu-Al-Ni, com Mi = - 140°C, Mf= - 150°C, Ai = - 109°C e Af=-90°C ... 34

Figura 3.7 - Comportamento da deformação de uma liga do tipo Cu-Al-Ni

  policristalina, com Mi = - 82°C, Mf= - 70°C, Ai = - 60°C e Af=-48°C.... 34

Figura 3.8 - Comportamento da deformação de uma liga do tipo Cu-Zn-Al

  policristalina, com Mi = 15°C, Mf= - 5°C, Ai = 15° C e Af= 155°C........ 35

Figura 3.9 - Relação entre o número de ciclos térmicos (N) e as alterações nas

  tempera turas de transformações ( T ) para uma liga do tipo Cu-Zn-Al ... 37

Figura 3.10 - Alterações nas curvas Tensão X Deformação de um policristal de Cu-

  Zn-Sn próprias do ciclo de deformação................................................... 38

Figura 3.11 - Alterações nas curvas Tensão X Deformação de um policristal de Cu-

  Al-Ni próprias do ciclo de deformação ................................................... 39

Figura 3.12 - Alterações nas curvas Tensão X Deformação de um monocristal de

  Cu-Al-Ni próprias do ciclo de deformação ............................................. 40

Figura 3.13 - Vida em fadiga dos corpos de provas A, B e C ....................................... 42Figura 3.14 - Curvas Tensão X Deformação e vida em fadiga para um monocristal

  de um a liga do tipo Cu-Al-Ni deformada a 24°C e a 100°C, com Mi = - 45°C e Af= - 20 °C............................................................... 43

Figura 3.15 - Relação entre a temperatura e a deformação de uma liga do tipo

  Cu-Al-Ni policristalina............................................................................ 45

Figura 3.16 - Relação entre as temperaturas de transformações e o tempo de

  envelhecimento, após tratamento de solubilização seguido por envelhecimento a baixa temperatura, 39°C ............................................. 51

Figura 4.1 - Forno de cadinho com aquecimento por queimador à gás ......................... 54Figura 4.2 - Forno de cadinho com aquecimento por queima de carvão ....................... 54Figura 4.3 - Forno de cadinho basculante ...................................................................... 55Figura 4.4 - Representação esquemática das zonas estruturais da macroestrutura de

  fundição, seção transversal de uma peça cilíndrica ................................... 56

Figura 4.5 - Possíveis variações na macroestrutura de uma mesma peça, seção

  longitudinal, em função das condições de solidificação: (a) ausência da zona equiaxial central; (b) presença das três zonas; (c) ausência das coquilhada e colunar .................................................................................. 56

Figura 4.6 - Exemplo de alimentação do metal líquido inadequada (a)

  e adequada (b) ............................................................................................ 62

Figura 4.7 - Esquema da solidificação dendrítica: a) equiaxial; e b) colunar ................ 63Figura 4.8 - Influência do intervalo de solidificação na formação da estrutura: (a)

  ligas de grande intervalo de solidificação; e (b) pequeno intervalo de solidificação ............................................................................................... 63

Figura 4.9 - Efeito da velocidade de crescimento de bolhas em sua forma e

  tamanho...................................................................................................... 65

Figura 4.10 - Formação de bolhas junto à interface metal/molde.................................. 66Figura 4.11 - Representação esquemática da sequência de formação de uma gota

  quente durante a solidificação.................................................................... 69

Figura 5.1 - Relação entre a composição química e a Mi de transformação ................. 71Figura 5.2 - Forno 2, de cadinho com aquecimento por queimador a gás .................... 75Figura 5.3 - Forno 2 - de cadinho com aquecimento por queimador a gás

  (Detalhe da tampa com seu refratário fundido) ......................................... 76

Figura 5.4 - Queimador: (1) corpo; (2) direcionador de combustão; (3) entrada de

  ar; (4) duto condutor da mistura ar/gás; (5) vedação; (6) suporte do misturador ar/gás; (7) placa defletora: (8) cone venturi e (9) entrada do gás....................................................................................... 78

Figura 5.5 - Suporte do queimador ................................................................................ 78

  : l - rotor; 2 - carcaça; 3 - correia; 4 - motor;

Figura 5.6 -Insuflador de ar

  5 - suporte de madeira, e 6 - válvula reguladora do fluxo de ar. ............... 79

Figura 5.7 - Ponta para alojamento dos termopares: superior ponta redonda e

  inferior ponta chata. ................................................................................... 80

Figura 5.8 - Lingoteiras: (a) vistas lateral e (b) vista superior....................................... 82Figura 5.9 - Lingoteiras destruídas após a primeira tentativa de fusão.......................... 82Figura 5.10 - Lingoteiras protegidas por uma estrutura externa de aço Inoxidável

  AISI 304 .................................................................................................. 83

Figura 5.11 - Lingoteira protegida no interior do Forno 1: (a) antes do processo de

  fusão e (b) depois do processo de fusão com forte volatização do zinco ........................................................................................................ 84

Figura 5.12 - Várias lingoteiras de grafite ..................................................................... 85Figura 5.13 - Identificação da disposição da composição química dos lingotes a

  serem produzidos por difusão e fusão seletiva: (a) L.456., (b) L.564. e (c) L.645 .............................................................................. 88

Figura 5.14 - Mufla de aquecimento das ligas a serem laminadas ................................ 90Figura 5.15 - Sistema experimental para caracterização das curvas

  ρ x T das ligas com efeito memória de forma. Caracterização durante o aquecimento/resfriamento até 180ºC ......................................................... 94

Figura 5.16 - Sistema experimental para caracterização das curvas ρ x T das ligas

  com efeito memória de forma. Caracterização durante o resfriamento com nitrogênio líquido............................................................................... 94

Figura 5.17 - Sistema experimental para caracterização das curvas ρ x T das ligas,

  com Efeito Memória de Forma .................................................................. 95

Figura 6.1 - Identificação das amostras para análise química de três lingotes com

  composição 72Cu-22Zn-6Al...................................................................... 96

Figura 6.2 - Representação gráfica da Concentração x Posição das análises

  químicas das ligas 72Cu-22Zn-6Al .......................................................... 97

Figura 6.3 - Representação gráfica da Concentração x Posição das análises

  químicas das liga 1 (70Cu-24Zn-6Al), liga 2 (71Cu-23Zn-6Al) e Liga 3 (72Cu-22Zn-6Al). ........................................................................ 99

Figura 6.4 - Lingote da liga 3 mostrando dois pedaços de cobre não fundidos,

  provocados pela retirada da coquilha prematuramente do forno ............. 100

Figura 6.5 - Fratura em uma das interfaces de composições durante processo de

  usinagem, Liga 645.0.............................................................................. 102

Figura 6.6 - Identificação das amostras das placas a serem laminadas:

  (a) amostra 2 e (b) amostra 1 ................................................................... 102

Figura 6.7 - Amostras após o processo de laminação: amostras 1 e 2 (liga 456.0) e

  amostra 3 (liga 4.0) .................................................................................. 105

Figura 6.8 - Aspectos estruturais dos lingotes L.456.1 , L 564.1 e L 645.1 ................ 107Figura 6.9 - Representação gráfica da Concentração de Alumínio x Posição das

  análises químicas das liga 456.1, liga 564.1 e Liga 645.1.................... 108

Figura 6.10 - Representação gráfica da Concentração de Zinco x Posição das

  análises químicas das liga 456.1, liga 564.1 e Liga 645.1.................... 109

Figura 6.11 - Representação gráfica da Concentração de Cobre x Posição das

  análises químicas das liga 456.1, liga 564.1 e Liga 645.1.................... 109

Figura 6.12 - Representação gráfica da Concentração de Alumínio x Posição

  equivalente das análises químicas das liga 4.1, liga 5.1 e Liga 6.1...... 110

Figura 6.13 - Disposição e identificação dos lingotes das liga 456.1, liga 564.1 e

  liga 645.1 ............................................................................................... 110

Figura 6.14 - Lingotes após a difusão e fusão seletiva: (a) Lingotes após fusão

  seletiva (em bruto) e (b) Marcação dos lingotes para retirada de amostras para análise química ............................................................... 111

Figura 6.15 - Aspectos macrográficos das ligas 456.1, liga 564.1 e liga 645.1........... 111Figura 6.16 - Aspectos macrográficos das liga 4.2, liga 5.2 e liga 6.2 ........................ 114Figura 6.17 - Disposição e identificação dos lingotes das liga 456.4, liga 564.4,

  liga 645.4, liga 456.3 e liga 465,3 ......................................................... 114

Figura 6.18 - Aspectos macrográficos das liga 456.3 e liga 465.3 .............................. 115Figura 6.19 - Aspectos macrográficos das liga 456.4, liga 564.4 e liga 645.4 ............ 116Figura 6.20 - Ligas 4.2, 5.2, 6.2, 456.3 e 465.3 laminadas a quente............................ 117Figura 6.21 - Mostra as liga 456.4, liga 564.4 e liga 645.4 ......................................... 118Figura 6.22 - Representação gráfica da Concentração de Alumínio x Posição das

  análises químicas das liga 456.4, liga 564.4 e Liga 645.4.................... 121

Figura 6.23 - Representação gráfica da Concentração de Zinco x Posição das

  análises químicas das liga 456.4, liga 564.4 e Liga 645.4.................... 122

Figura 6.24 - Representação gráfica da Concentração de Cobre x Posição das

  análises químicas das liga 456.4, liga 564.4 e Liga 645.4.................... 122

Figura 6.25 - Representação gráfica da Concentração de Alumínio x Posição das

  análises químicas das liga 456.3 e liga 465.3....................................... 123

Figura 6.26 - Representação gráfica da Concentração de Zinco x Posição das

  análises químicas das liga 456.3, liga 465.3......................................... 123

Figura 6.27 - Representação gráfica da Concentração de Cobre x Posição das

  análises químicas das liga 456.3, liga 465.3......................................... 124

Figura 6.28 - Gráfico resistividade elétrica versus temperatura para corrente de

  excitação de 0,3A e respectivas temperaturas de transformações de fases durante o aquecimento e resfriamento........................................ 126

Figura 6.29 - Gráfico resistividade elétrica versus temperatura para corrente de

  excitação de 0,6A e respectivas temperaturas de transformações de fases durante o aquecimento e resfriamento........................................ 127

Figura 6.30 - Gráfico resistividade elétrica versus temperatura para corrente de

  excitação de 0,8A e respectivas temperaturas de transformações de fases durante o aquecimento e resfriamento....................................... 127

Figura 6.31 - Gráfico resistividade elétrica versus temperatura para as ligas 4.2 e

  5.2 .......................................................................................................... 128

Figura 6.32 - Gráfico resistividade elétrica versus temperatura para a liga 456.1.... 129Figura 6.33 - Gráfico resistividade elétrica versus temperatura, para as ligas 465.3

  e 564.4 ................................................................................................... 130

Figura 6.34 - Gráfico resistividade elétrica versus temperatura, para as ligas 456.4

  e 456.3 ................................................................................................... 131

  

Lista de Tabelas

Tabela 3.1 - Efeito da concentração de Níquel na temperatura de transformação de

  uma liga Cu-Al-Ni (% em peso) ................................................................ 31

Tabela 3.2 - Efeito do resfriamento e composição sobre a temperatura Mi................... 32Tabela 3.3 - Tipos de deformações ocorridas em cada fase, durante os ensaios de

  fadiga em uma liga Cu-Al-Ni .................................................................... 41

Tabela 4.1 - Cristalografia de Dendritas ........................................................................ 57Tabela 5.1 - Composição química das ligas para estudo da volatização do Zinco ........ 72Tabela 5.2 - Composição química das ligas básicas a serem utilizadas na fabricação

  dos lingotes com segregação no sentido longitudinal do lingote por difusão e fusão seletiva .............................................................................. 73

Tabela 5.3 - Massa de cada elemento químico utilizado na fabricação das ligas para

  controle da volatização do zinco................................................................ 73

Tabela 5.4 - Massa de cada elemento químico utilizado na fabricação das ligas a

  serem utilizadas na fabricação dos lingotes com segregação no sentido longitudinal ................................................................................................ 74

Tabela 5.5 - Grau de pureza de matéria-prima usada na preparação das ligas LMF .... 74Tabela 5.6 - Resultados da calibragem dos termopares montados nas pontas

  redonda e chata .......................................................................................... 80

Tabela 6.1 - Resultados das análises químicas das ligas 72Cu-22Zn-6Al, posição

  analisada por concentração (% em peso) ................................................... 97

Tabela 6.2 – Resultados das análises químicas da liga 1 (70Cu-24Zn-6Al), liga 2

  (71Cu-23Zn-6Al) ....................................................................................... 99

Tabela 6.3 - Valores das reduções sofridas pela amostra 01....................................... 103Tabela 6.4 - Valores das reduções sofridas pela amostra 02....................................... 104Tabela 6.5 - Valores das reduções sofridas pela amostra 03........................................ 104Tabela 6.6 – Resultados das análises químicas da liga 456.1, liga 564.1 e liga 645.1;

  posição analisada por concentração (% em peso).................................... 108

Tabela 6.7 - Valores de dureza Vickers para as ligas no estado bruto de fundição ..... 119Tabela 6.8 - Valores de dureza Vickers para as ligas laminadas. ................................ 120Tabela 6.9 – Resultados das análises químicas da liga 456.3 e liga 465.3;

  posição analisada por concentração (% em peso).................................... 120

Tabela 6.10 – Resultados das análises químicas da liga 456.4, liga 564.4 e liga

  645.4; posição analisada por concentração (% em peso)......................... 121

Tabela 6.11 - Resultados das análises químicas das ligas 4.2, 5.2 e 6.2 ...................... 125Tabela 6.12 – Valores das temperaturas Mi (início da transformação martensítica) -

  teórios e reais ........................................................................................... 132

  Lista de Siglas, Símbolos e Abreviaturas

  Mi - temperatura de início da transformação martensítica Mf - temperatura do término da transformação martensítica Ai - temperatura de início da transformação matriz Af - temperatura do término da transformação matriz EMF – Efeito Memória de Forma LMF – Liga Memória de Forma SME - Shape Memory Effect SMA – Shape Memory Alloys

  t’ = variação total de energia na transformação termoelástica

  ∆E

  c = variação da energia química livre por unidade de volume

  ∆E T = temperatura de equilíbrio

  o

  T = tensão na linha de discordância G = módulo de elasticidade transversal b = valor do vetor de Burgers R = raio de curvatura da linha de discordância ρ = resistividade elétrica ∆V = leitura da voltagem A = área da seção transversal das amostras I = corrente elétrica L = distância entre os terminais devoltagem

  SUMÁRIO

CAPễTULO I - INTRODUđấO ............................................................................................................... 1

  1.1. Considerações Iniciais ..................................................................................................................... 1

  1.2. Objetivos do trabalho ...................................................................................................................... 5

  1.3. Justificativa...................................................................................................................................... 5 CAPễTULO II - ASPECTOS TEốRICOS DAS TRANSFORMAđỏES MARTENSễTICAS TERMOELÁSTICAS E O EFEITO MEMÓRIA DE FORMA ................................ 7

  2.1. A transformação martensítica termoelástica.................................................................................... 7

  2.1.1. Características gerais.............................................................................................................. 7

  2.2. Características estruturais das transformações martensíticas........................................................... 9

  2.2.1. Ligas que apresentam transformação martensítica termoelásticas......................................... 9

  2.2.2. Análise da estrutura cristalina na transformação martensítica ............................................ 10

  2.3. Mudança de forma na transformação martensítica ........................................................................ 16

  2.4. A própria acomodação da deformação na transformação e nucleação da martensita .................... 17

  2.5 O Efeito Memória de Forma........................................................................................................... 19

  2.5.1. Considerações sobre os mecanismos do Efeito Memória de Forma ..................................... 19

  2.6. A origem do Efeito Memória de Forma ........................................................................................ 22

  2.7. A pseudo-elasticidade.................................................................................................................... 23 CAPÍTULO III - VARIÁVEIS E SELEđấO DAS LIGAS COM EFEITO MEMốRIA DE FORMA À BASE DE COBRE................................................................................. 27

  3.1  Considerações iniciais .................................................................................................................... 27

  3.2 Ligas Cu-Zn-Al ............................................................................................................................. 27

  3.3. Variações nas temperaturas de transformações ............................................................................. 30

  3.4. O Comportamento da deformação................................................................................................. 32

  3.4.1 Deformação em monocristais ................................................................................................. 32

  3.4.2. Deformação em policristais................................................................................................... 34

  3.5. A estabilidade do Efeito Memória de Forma (EMF) em ciclos de deformação e ciclos térmicos........................................................................................................................................ 36

  3.5.1. O efeito do ciclo térmico sobre o EMF.................................................................................. 36

  3.5.2. O efeito do ciclo de deformação sobre o EMF ...................................................................... 38

  3.6. Resistência à fadiga de ligas com Efeito Memória de Forma à base de cobre .............................. 41

  3.7. Resistência à fratura e à ductilidade .............................................................................................. 43

  3.8. Refino de grãos.............................................................................................................................. 46

  3.9. Efeito do envelhecimento ............................................................................................................. 49

  3.9.1. Envelhecimento da fase matriz .............................................................................................. 50

  3.9.2. Envelhecimento na fase martensítica..................................................................................... 51

CAPễTULO IV - A FUSấO E SOLIDIFICAđấO DE LIGAS METÁLICAS................................... 53

  4.1. Técnicas e equipamentos de fusão................................................................................................. 53

  4.2. Macroestrutura de fundição ........................................................................................................... 55

  4.2.1. A Zona Coquilhada................................................................................................................ 57

  4.2.2. A Zona Colunar ..................................................................................................................... 57

  4.2.3. A Zona Equiaxial Central ...................................................................................................... 58

  4.3. A Segregação................................................................................................................................. 59

  4.4. Defeitos originados na solidificação.............................................................................................. 61

  4.4.1. Porosidades ........................................................................................................................... 61

  4.4.2. Bolhas .................................................................................................................................... 64

  4.4.3. Inclusões ................................................................................................................................ 66

  4.4.4. Trincas de contração ............................................................................................................. 68

  4.4.5. Gotas quentes ........................................................................................................................ 68

  4.4.6. Gotas frias ............................................................................................................................. 69

CAPITULO V - PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL..................................................................... 71

  5.1. Seleção das ligas a serem estudadas .............................................................................................. 71

  5.2. Os fornos utilizados na fabricação das ligas em estudos ............................................................... 74

  5.2.1. Queimador ou tocha .............................................................................................................. 77

  5.2.2. Insuflador de ar ..................................................................................................................... 78

  5.2.3. Sistemas de controle da combustão ....................................................................................... 79

  5.2.4. O controle da temperatura .................................................................................................... 79

  5.2.5. O sistema operacional do Forno 1 e do Forno 2................................................................... 81

  5.3. Sistema de lingoteiras para fusão e solidificação .......................................................................... 81

  5.3.1. A primeira experiência .......................................................................................................... 81

  5.3.2. A segunda experiência ........................................................................................................... 82

  5.3.3. A terceira experiência............................................................................................................ 84

  5.4. Processos de fabricação das ligas com Memória de Forma do Tipo Cu-Zn-Al com segregação controlada no sentido longitudinal do lingote............................................................ 85

  5.4.1. Processo de fabricação de ligas Cu-Zn-Al com o controle da volatização do zinco............. 86

  5.4.2. Processo de solubilização das ligas produzidas segundo os procedimentos acima ............. 87

  5.4.3. Procedimento de difusão e fusão seletiva para produção de ligas com a segregação controlada ao longo do sentido longitudinal do lingote......................................................... 87

  5.5. Procedimento de laminação a quente das ligas produzidas ........................................................... 89

  5.5.1. O laminador........................................................................................................................... 89

  5.5.2. Mufla de aquecimento............................................................................................................ 90

  5.5.2. Preparação das ligas para laminação e o procedimento de laminação................................ 91

  5.6. Procedimento de análise química .................................................................................................. 91

  5.7. Caracterização elétrica das ligas com Efeito Memória de Forma.................................................. 92

CAPÍTULO VI - RESULTADOS E DISCUSSÃO................................................................................ 96

  6.1. Experimento I ................................................................................................................................ 96

  6.2. Experimento II............................................................................................................................... 98

  6.3. Experimento III ........................................................................................................................... 101

  6.4. Experimento IV ........................................................................................................................... 106

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