As SMA podem apresentar duas fases distintas a nível cristalográfico correspondendo a propriedades materiais bem diferenciadas tal como está espelhado na Tabela 3.1. Estas fases são designadas por Austenite, que se trata da fase de alta temperatura, e por Martensite, que é a fase de baixa temperatura [2]. É no entanto possível alterar a configuração cristalográfica através de um tratamento termo-mecânico. Enquanto que a
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fase austenítica está associada a uma microestrutura cristalográfica cúbica, a microestrutura cristalográfica da fase martensítica é tetragonal, ortorrômbica ou monoclínica. É importante sublinhar, que a transformação de fases, ou a alteração microestrutural de uma SMA, não implica necessariamente uma difusão atómica (grandes deslocamentos atómicos), mas sim, um pequeno movimento ordenado e cooperativo dos átomos em relação à sua posição original, provocando deste modo, uma distorção da rede de cristais por uma tensão de corte, e não sendo percetíveis macroscopicamente.
A rede de cristais martensíticos pode adotar diferentes direções, designadas de variantes (na liga NiTi podem ocorrer até 24 variantes) [2]. Neste processo é possível obter Martensite maclada, onde existem várias variantes, ou Martensite demaclada, onde predomina apenas uma variante. O facto de ser possível a ocorrência de uma transformação de fase reversível (de Austenite para Martensite e de Martensite para Austenite), confere às SMA uma importância muito relevante.
Estas transformações de fase podem ser estimuladas através de uma variação temperatura do material. Assumindo que uma SMA se encontre na fase austenítica à temperatura ambiente (fase mãe e porque o equilíbrio térmico ocorre à temperatura ambiente) e que não existe qualquer tipo de carga aplicada, quando ocorre uma diminuição da temperatura do material, a microestrutura cristalina tende a reestrutura-se da fase austenítica para a fase martensítica, não havendo uma alteração aparente da forma do elemento. No processo inverso, aumento da temperatura do material, e reestruturação inversa da cristalografia (de Martensite para Austenite), a forma do elemento também se mantém [1].
Para além do estímulo de mudança de fase poder ser uma variação da temperatura do material, também é possível induzir a alteração de fase martensítica maclada para fase martensítica demaclada através de uma alteração do estado de tensão (Figura 3.1 a). Numa segunda fase, após a aplicação de carga e consequente deformação no material em fase martensítica demaclada, este mantém a deformação mesmo depois de retirada a carga. Assim, através de uma variação de temperatura, é possível induzir uma transição de fase (Martensite demaclada para Austenite) que força o material a retomar a macroestrutura cristalográfica inicial (Figura 3.1 b). Finalizando o ciclo e diminuindo a temperatura para a ambiente, o material recupera novamente a fase martensítica
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maclada, recuperando agora a microestrutura cristalográfica, não alterando a macroestrutura da fase anterior (fase austenítica). A este processo de transformações de fase e recuperação de forma inicial do material dá-se o nome de Efeito de Memória de Forma (Shape Memory Effect – SME)
a) Transição de fase mecanicamente b) Transição de fase mecânica e termicamente
Figura 3.1 – Processos de indução de mudança de fase em SMA inerentes ao SME. Adaptado de [2]
Paralelamente, numa SMA também é possível transitar da fase austenítica (à temperatura ambiente) para a fase de martensite demaclada através de um aumento do estado de tensão (a uma temperatura constante), percurso 1 da Figura 3.2. A reversão de fase pode ocorrer através da redução do estado de tensão, percurso 3
da Figura 3.2. Atendendo a que neste processo o elemento de SMA consegue readquirir a forma original então o material apresenta características de superelasticidade. Este processo e esta característica de superelasticidade estão esquematizados na Figura 3.2. Neste processo, quando a SMA se encontra na fase austenítica, é possível que o material sofra um aumento de temperatura quando lhe é aplicada uma carga de forma mais rápida. Por sua vez, este tende a sofrer uma diminuição de temperatura quando tende a adquirir a forma original [2].
Na Figura 3.3 está apresentado um diagrama típico, tensão-extensão - ), de um ensaio à tração de uma SMA de NiTi. Neste diagrama, o início da fase martensítica (Mi) está assinalado pelo número 2, e o fim (Mf) pelo número 3. Por sua vez, a fase austenítica (Ai) ocorre inicialmente em 4 e termina (Af) em 5.
MPa) t (ºC) Martensite Demaclada Martensite Maclada MPa) t (ºC) Martensite Demaclada Martensite Demaclada Austenite
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Figura 3.2 – Ciclo pseudoelástico de uma SMA. Adaptado de [2]
Nas SMA, a propriedade de memória de forma ocorre quando o material se encontra na fase martensítica maclada (fase mãe). O elemento de SMA deforma-se quando lhe é imposto um aumento do estado de tensão. A deformada mantem-se mesmo quando o estado de tensão reduz. Só através do aumento da temperatura do material será possível o elemento adquirir a forma original e porque deste modo é possível haver uma transição para a fase austenítica. Após este processo, o elemento mantem-se inalterado em termos de forma (macro estruturalmente) mesmo que ocorra uma diminuição adicional da temperatura, no entanto ocorre uma transição para a fase martensítica maclada inicial (micro estruturalmente).
Figura 3.3 – Curva tensão – extensão - de uma SMA de NiTi. (Adaptado de [2]) De forma a complementar esta descrição, apresenta-se na Figura 3.4 um diagrama que sintetiza esquematicamente este processo de transição de fases e relaciona os parâmetros de tensão, extensão e temperatura.
MPa) (%) Martensite Demaclada Austenite 1 2 3 4 MPa) (%) 0 100 200 300 400 500 600 700 1 5 Af Ai Mi Mf 4 2 3
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Neste diagrama é possível verificar que em B, o material se encontra na fase martensítica maclada (fase mãe). Após a aplicação de um aumento da tensão, o material inicia a transição para a fase martensítica demaclada ( Mi), terminando em Mf. Em C, o
material atinge a extensão máxima, e de seguida sofre um alívio em termos de carga mantendo a fase martensítica demaclada (D). Após estas primeiras etapas experimentais, aplica-se um aumento de temperatura, e em E, inicia-se a transição para a fase austenítica (Ai) que culmina em F. Finalmente, através de uma diminuição de temperatura até se atingir a temperatura ambiente, e o material retoma a fase martensítica maclada inicial (B).
Figura 3.4 – Diagrama tensão-extensão-temperatura de uma SMA de NiTi. (Adaptado de [2])
3.5. Considerações Finais
Alguns tipos de SMM e as respetivas aplicações foram indicadas e sumariamente descritas neste capítulo. No contexto dos SMM há a destacar os SMP, os SMC e as SMA.
No caso dos SMP, é possível afirmar que são aplicados em várias áreas. Porém, denota- se uma maior incidência na área da Medicina, e que é justificado pela sua biocompatibilidade. MPa) (%) t (ºC) 200 400 600 800 B Mi Mf Ai Af 100 A Austenite Martensite Maclada D C E F Martensite Demaclada Martensite Demaclada
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O facto de os SMC terem uma grande capacidade de memória de forma demarca-os dos outros tipos de SMM. A aplicabilidade dos SMC está essencialmente incidente na conceção de dispositivos de pequena escala.
As SMA são ligas metálicas que possuem duas fases, a Austenite e a Martensite. Na fase austenítica o material é mais rígido e na fase martensítica o material torna-se mais dúctil. Também foi possível observar que quando o material se encontra na fase martensítica, à temperatura ambiente, quando este é deformado, é possível recuperar a forma original após a aplicação de uma variação de temperatura no material (efeito memória de forma). No entanto, quando este se encontra em fase austenítica à temperatura ambiente, o material permite extensões elevadas recuperáveis (superelasticidade). Para além disto, também foram realçadas as diferentes formas de induzir transição de fase nestes materiais. Não só através de um aumento ou de uma diminuição de temperatura mas também através da aplicação de uma carga de forma a induzir uma variação do estado de tensão.