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Prof. Filomena Viana

Monitora Inês Frada

Mestrado Integrado de Engenharia Metalúrgica e de Materiais

Licenciatura em Ciências de Engenharia – Engenharia de Minas e Geo-Ambiente

Equipa 5

Carlos Silva

Joana Costa

Miguel Lapa

Ricardo Luís

Susana Dias

Tiago Rodrigo

Vicente Silva

3 de novembro de 2016

LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA

EDUCAÇÃO DE LIGAS COM MEMÓRIA DE FORMA

Ligas com memória de forma

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Resumo No âmbito da unidade curricular Projeto FEUP realizou-se este relatório de

forma a compreender o comportamento e educação das ligas de memória de

forma de níquel e titânio, também conhecidas por ligas TiNi.

Para se educar uma liga de memória de forma são necessárias certas

condições laboratoriais, sob as quais foi incidida uma pesquisa, bem como o

emprego das mesmas a fim de se realizar um trabalho prático.

Este relatório inclui a descrição da atividade laboratorial realizada no dia

18 de outubro no Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais.

A experiência procurou consolidar os conhecimentos adquiridos na procura

de informação, para além de dar oportunidade aos alunos de educarem uma

liga com memória de forma.

A atividade decorreu com sucesso, tendo sido atingidos os objetivos

propostos.

Palavras-chave Ligas com memória de forma, shape memory alloys, ligas TiNi.

Ligas com memória de forma

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Agradecimentos Gostaríamos de agradecer, em primeiro lugar, à FEUP por despertar

interesse e uma enorme vontade de aprender, assim como proporcionar as

condições ideais para o fazer.

Em segundo lugar, é fundamental dar ênfase ao acompanhamento da

Professora Filomena Viana e também da monitora Inês Frada, pois sempre

se mostraram disponíveis para esclarecer qualquer dúvida ou questão. Um

obrigado ainda ao Sr. Ramiro que se apresentou como uma grande ajuda

aquando da atividade prática.

Por fim, há que valorizar a dedicação de todos os formadores que estiveram

presentes na semana de receção aos novos estudantes, na medida em que

visaram a integração dos alunos na faculdade e ofereceram um leque de

conhecimentos que se transformaram numa ótima preparação para nos

tornarmos melhores profissionais.

Ligas com memória de forma

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Índice Resumo .............................................................................................................. ii

Palavras-chave .................................................................................................. ii

Agradecimentos ................................................................................................ iii

Lista de Figuras ................................................................................................ v

Introdução ......................................................................................................... 1

Extração do Minério .......................................................................................... 2

Ligas com memória de forma ........................................................................... 4

Ligas Níquel e Titânio ................................................................................... 4

Aplicações das TiNi ....................................................................................... 6

Educação de ligas com memória de forma ....................................................... 7

Procedimento experimental .............................................................................. 8

Conclusão ........................................................................................................ 10

Referências Bibliográficas .............................................................................. 11

Ligas com memória de forma

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Lista de Figuras Figura 1 – Esquema da estrutura cristalina das fases martensite e

austenite.

Figura 2 – Molde metálico e liga enrolada no mesmo.

Figura 3 – Colocação do molde no interior do forno.

Figura 4 – Multímetro e termopar, instrumentos de auxílio na medição da

temperatura.

Figura 5 – Arrefecimento da liga em água.

Figura 6 – Deformação da liga após ter sido retirada do molde.

Figura 7 – A liga a voltar à forma educada (trevo) devido à subida da

temperatura.

1

Introdução De modo a ser estudada a educação das ligas de memória de forma, tema

proposto da disciplina de primeiro ano, Projeto FEUP, foi efetuada uma

investigação intensa de forma a que este relatório se apresentasse o mais

completo possível. Assim, este está organizado de maneira a que seja

compreensível todo o processo da educação do material referido, mas

propriamente ligas de níquel e titânio. Para complementar, existe ainda o

elemento laboratorial, no qual foi posto em prática o procedimento a adotar

para atingir o objetivo do trabalho.

Ligas com memória de forma

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Extração do Minério O níquel é extraído de dois tipos de minerais: lateritios e sulfatos. Apesar de

70% das reservas mundiais serem encontradas na forma lateritica, apenas

40% do níquel produzido é lateriritico. O níquel é um metal raro na crosta

terrestre. Aproximadamente 65% do níquel consumido são empregados na

fabricação de aço inoxidável e 12%, em superligas de níquel. Os restantes

23% são repartidos na produção de outras ligas metálicas, baterias

recarregáveis, cunhagens de moedas, revestimentos metálicos e fundição.

Com base na geofísica, acredita-se que a maior parte do níquel existente na

Terra encontra-se no núcleo interno e externo.

No ramo da engenharia, a metalúrgica é a que estuda os métodos e os

processos de extração dos minerais dos seus depósitos naturais. Este estudo

engloba todos os processos de tratamento do minério, como a lavagem,

concentração, separação, processos químicos e a extração pura do metal. A

ciência dos materiais tem como objetivo, para alem da extração, encontrar

as devidas aplicações tendo em conta as propriedades dos materiais, que por

vezes têm de ser trabalhadas para posterior uso.

Dentro dos processos necessários para o tratamento de minérios e metais

existem dois essenciais que através de reações químicas vão alterar as

características dos materiais. O primeiro processo é através da

pirometalurgia que envolve processos de altas temperaturas e que faz reagir

gases, sólidos e materiais fundidos. Os sólidos com metais valiosos são

tratados de modo a que no final do processo sejam convertidos no seu estado

elementar. O segundo processo desenvolve-se através da hidrometalurgia

que envolve a utilização de soluções aquosas de modo a extrair metais de

minérios existem dois essenciais que através de reações químicas vão alterar

as características dos materiais.

O primeiro processo é através da pirometalurgia que envolve processos de

altas temperaturas e que faz reagir gases, sólidos e materiais fundidos. Os

sólidos com metais valiosos são tratados de modo a que no final do processo

sejam convertidos no seu estado elementar.

O segundo processo desenvolve-se através da hidrometalurgia que envolve

a utilização de soluções aquosas de modo a extrair metais de minérios.

Outra forma de extrair o níquel é chamada “processo Mond”. Este processo

foi descoberto em meados de 1890 por Ludwig Mond, um químico inglês, e

pretende transformar óxido de níquel em níquel puro.

Ligas com memória de forma

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O H2 reduz o NiO a Ni, que por sua vez reage com o CO formando o

tetracarbonilníquel (volátil e altamente inflamável e tóxico).

Faz-se o ataque do Ni a 50ºC e num forno com resfriamento mantém-se a

temperatura abaixo da temperatura de decomposição.

Ni + 4CO Ni(CO)4 + calor, sendo que as impurezas permanecem no estado

sólido.

A dissociação é feita introduzindo-se monóxido de carbono na coluna central

de um forno especial mantido a 190ºC, onde circulam “bolas” de Ni pré-

obtidas.

Estas são aquecidas indiretamente e nelas depositam o Ni com mais de

9,95% de pureza. Aquecido a 230ºC, o gás decompõe-se, formando o metal

puro e CO, que é reciclado. [1]

Ligas com memória de forma

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Ligas com memória de forma As ligas de memória de forma (também conhecidas como SMA – Shape

Memory Alloys) são ligas metálicas que se caraterizam por voltarem à sua

forma original após uma deformação, sob a ação do aumento da temperatura

ou pressão. Este efeito ocorre devido à alteração/reorganização cristalina dos

materiais que constituem as mesmas ligas. A recuperação de forma acontece

entre os 8 e 10%. Esta ocorre após um ciclo de variação de temperatura [2].

Nestas ligas, existem duas fases sólidas nas quais a diferença está presente

na estrutura cristalina: a martensite e a austenite (fase mãe). A primeira é

a fase caraterística das ligas à temperatura ambiente. Os materiais

adquirem mais ductilidade e, como tal, tornam-se mais fáceis de trabalhar e

manobrar. Já a segunda fase, austenite, sucede a altas temperaturas, com

uma estrutura geralmente cúbica, apresentando maior simetria do que na

martensite [2,5].

.

Ligas Níquel e Titânio Este tipo de liga começou a ser utilizada no fim da década de 1960 para fins

militares, nomeadamente, para a construção de aviões de combate, os F-14.

As ligas TiNi compostas por aproximadamente 50% de níquel e 50% de

titânio são chamam-se “nitinol”.

Fig. 1 – Esquema da estrutura cristalina das fases

martensite e austenite [2]

Ligas com memória de forma

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As TiNi apresentam uma cor acinzentada e brilhante e uma densidade de

6.45 g/cm3. O seu ponto de fusão ronda os 1310 ºC (diferente da temperatura

necessária para ocorrer o efeito memória de forma)[7]. Este material é

bastante utilizado em áreas como a medicina e aeronáutica devido à

biocompatibilidade e resistência mecânica.

As suas principais aplicações devem-se à resistência à corrosão, capacidade

de amortecimento e superelasticidade. No entanto, estas apresentam

algumas desvantagens tais como o elevado custo de produção e pouca

resistência à fadiga[4,5,6].

Ligas com memória de forma

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Aplicações das TiNi A liga com memória de forma é utilizada no bioengenharia com diversas

funções. Umas delas é a reparação dos ossos partidos. A placa da liga tem

temperatura de transferência de memória parecida com a temperatura

corporal e é conectada a ambas as partes do osso quebrado. Devido ao calor

corporal a placa irá contrair-se e manter a forma original, exercendo assim

uma força de compressão no osso na zona de fratura. Após o osso ter sarado

a placa continua a exercer a força compressiva e ajuda a fortalecer durante

a reabilitação. Metais com memória também se aplicam a substituições de

anca tendo em conta a sua capacidade elástica.

Outra função da liga é o desbloqueamento de vasos sanguíneos, sendo assim

um tubo de liga é comprimido e introduzido no vaso bloqueado. O metal tem

memória de temporal perto da temperatura corporal, logo o metal expande

e abre os vasos entupidos.

Além disso, é usada para o arame do aparelho dentário. As ligas de memória

mantêm a sua forma já que se encontram a constante temperatura e devido

a elasticidade do metal de memória.

Estas também são usadas em válvulas de proteção que devido a um aumento

da temperatura as válvulas atuam. Por exemplo num chuveiro quando a

temperatura sobe demais estas válvulas atuam, ou seja, bloqueiam a

passagem de água só voltando a reabrir.

Ligas com memória de forma

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Educação de ligas com memória de forma Como vimos, estas ligas metálicas possuem uma estrutura cristalina que

tem a capacidade de memorizar uma forma específica e de regressar a esta

quando aquecida. É possível “programarmos” estas ligas para uma nova

forma.

Após darmos à liga a forma desejada enquanto está na fase martensite,

coloca-se num molde resistente e aquece-se o metal até este atingir

temperaturas perto dos 500ºC. A estas temperaturas, a liga irá mudar para

a fase austenita, mas a estrutura dos cristais não conseguirá forçar o metal

a regressar à forma que caracteriza essa fase por causa do molde. Deste

modo, por ação do calor, os cristais serão lentamente educados a “lembrar-

se” da estrutura que apresentam nesse momento. A liga não necessitará de

ser submetida a altas temperaturas durante mais de vinte minutos para ser

educada com a nova forma.

Esta facilidade de educar as ligas de memória forma dá-lhes uma

versatilidade que as torna muito úteis em vários ramos da Indústria. [8]

Ligas com memória de forma

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Procedimento experimental Antes da realização da experiência, foi formado um molde metálico com

orifícios onde são inseridos parafusos. A ordem e padrão destes parafusos

devem ser rigorosos de tal maneira que a liga seja enrolada e fixa nos

parafusos e, desta forma, adquirir a forma desejada. (Fig. 2)

Após a liga estar bem fixa, o molde é inserido num forno pré-aquecido a

500ºC. Devido a estas altas temperaturas, deve-se usar luvas termicamente

resistentes e uma tenaz metálica. (Fig. 3)

O molde e a liga repousam no forno durante 15 minutos. Durante o

aquecimento, a temperatura é medida num termopar inserido num orifício

da porta do forno. Este aparelho está associado a um multímetro, onde se

pode visualizar os valores da temperatura. (Fig. 4). O molde é depois retirado

do forno e colocado num recipiente cheio de água à temperatura ambiente (o

Fig. 2 – Molde metálico e liga enrolada no

mesmo

Fig. 3 – Colocação do molde no forno

Ligas com memória de forma

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molde é agitado dentro de água para evitar a formação de vapor de água),

onde arrefece rapidamente. (Fig. 5)

Após o molde ser seco, a liga é retirada e deformada (Fig. 6). Com auxilio de

um isqueiro (fonte de calor), é aquecida para se verificar se a educação foi

bem sucedida. Caso isso seja verdade, a liga irá reorganizar-se à medida que

é aquecida até a forma educada ser visível (Fig. 7).

Fig. 4 – Multímetro e termopar,

instrumentos de auxílio na medição

da temperatura.

Fig. 5 – Arrefecimento da liga em

água

Fig. 6 – Deformação da

liga após ter sido retirada

do molde

Fig. 7 – Liga a voltar à forma educada

(trevo) devido à subida da temperatura

Ligas com memória de forma

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Conclusão Em suma, a realização deste trabalho permitiu aos estudantes abrangerem

os seus conhecimentos sobre o mundo das ligas metálicas, nomeadamente

das ligas com memória de forma.

O facto de ter sido possível efetuar a educação da liga TiNi mostrou-se como

uma parte fundamental do trabalho, uma vez que foi possível presenciar o

processo em estudo e fazer parte do mesmo. Aliado ao que foi descrito

anteriormente, os resultados positivos geraram curiosidade e vontade de

aprender mais sobre esta matéria.

Ligas com memória de forma

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Referências Bibliográficas

1. Robert Lancashire. 2010. “Nickel Chemistry”. Acedido a 28 de outubro de

2016. http://wwwchem.uwimona.edu.jm:1104/courses/nickel.html

2. Silva, Paulo Lobo et al. “Shape memory alloys behaviour : A review”.

Volume 144. Páginas 776-783. Acedido a 26 de outubro de 2016. http://ac.els-

cdn.com/S1877705815016641/1-s2.0-S1877705815016641-

main.pdf?_tid=80f5e5fe-9c6b-11e6-a850-

00000aacb35e&acdnat=1477589802_4951ab049dd18d481da381037bab6a0

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3. Acedido a 15 de outubro de 2016.

https://en.wikipedia.org/wiki/Nickel_titanium

4. Johnson Matthey Medical Components. 2016. “How does Nitinol work?

All about Nitinol Shape Memory and Superelasticity”. Acedido a 30 de

setembro de 2016. http://jmmedical.com/resources/122/How-Does-Nitinol-

Work%3F-All-About-Nitinol-Shape-Memory-and-Superelasticity.html

5. Silva, Rui. “Metais com Memória de Forma”. Acedido a 25 de outubro de

2016. www.ua.pt/cv/readobject.aspx?obj=1259

6. Kang, Guozheng et al. “Review on structural fatigue of NiTi shape

memory alloys: Pure mechanical and thermos-mechanical ones”. Theoretical

and Applied Mechanics Letters. Volume 5. Páginas 245-254. Acedido a 15 de

outubro de 2016. http://ac.els-cdn.com/S2095034915000938/1-s2.0-

S2095034915000938-main.pdf?_tid=63268a50-9c6c-11e6-8047-

00000aacb35e&acdnat=1477590181_c4d0621ddb8cefe7589c4e5aeb8ffdd1

7. Chemistry Learner. 2016. “Nitinol”. Acedido a 2 de outubro de 2016.

http://www.chemistrylearner.com/nitinol.html

8. Fremond, Michael and Schuichi Myazaki. “Shape Memory Alloys”. Vol.

351. Springer, 2014.