ALIAJE CU MEMORIA FORMEI

Aliajele Ti-Ni (nitinol) fac parte din categoria aliajelor cu memoria formei
i li se preconizeaz o utilizare pe scar larg n domeniul implanturilor
ortopedice. Compoziia chimic orientativ a acestui aliaj este: 49 - 51% Ti, restul
Ni.
Proprietile aliajelor Ti-Ni sunt n funcie de coninutul de Ni n aliaj, dar i
de starea n care se afl aliajul (laminat, recopt, clit), dup cum se observ i
din tabel.
Proprietile aliajelor Ti-Ni
Compoziia dup analiz
Starea n care s-a
Hv
r

[% grt]
ncercat aliajul
Ni
C
N
W
11.4
0.07
0.029
0.59
Laminat la 7850C
70.4 11.0
298
11.4
0.07
0.029
0.59
Clit n ap de la 8700C
54.7 0.0
527
+
0.0
Recopt
64.3 15.0 211
+
1.0
Recopt
66.1 15.0 220
2.0+
Recopt
78.1 3.0
271
+
5.0
Recopt
78.0 2.0
272
+
10.0
Recopt
70.0 2.0
259
+ Coninutul de Ni se arat dup dozarea arjei.
Proprietile unice ale NiTi au furnizat tehnologii ce ngduie aplicarea n
industria medical i dentar. Aceste aplicaii au inclus ustensile chirurgicale,
implanturi permanente, inclusiv implanturi n interiorul vaselor de snge.
Dou aplicaii medicale ncununate de succes ale aliajele NiTi sunt filtrul
Simon Nitinol (SNF) i ancora de sutur a osului Miteck. Filtrul SNF e un
instrument de forma unei umbrele dispus prin memoria formei de a prinde
cheagurile de snge din cava venei. SNF s-a dezvoltat prin anii 1970 i de atunci
a fost folosit cu succes la sute de pacieni.
Ancorele de sutur Mitek au revoluionat domeniul de chirurgie ortopedic
furniznd o ataare sigur, stabil pentru tendoane, ligamente i alte esuturi moi
la os. Constnd din titan sau avnd n compoziie NiTi cu dou sau mai multe
arcuri de fire NiTi, ancora Mitck e introdus printr-o mic incizie n golul fcut n
os. De la introducerea lui n 1989(pentru chirurgia umrului) folosirea ancorei
Mitck s-a extins s includ 25 aplicaii ortopedice i una urologic.
Biocompatibilitatea excelent, o rezisten mare la coroziune i o
citocompatibilitate excelent a NiTi au fcut posibile aceste aplicaii unice.
Nichelul din NiTi e unit chimic cu titanul ntr-o legtur puternic intermetalic
aa c riscul reaciei chiar la pacienii sensibili la Nichel este extrem de sczut.
Alte aplicaii ale NiTi sunt: arcuri ortodontale, deme pentru anevrisme
intracraniene, muchi artificiali contractili pentru inima artificial.

r
>6
>6

Proprietati de memorie a formei aliaje

inteligente
Proprietati de memorie a formei aliaje inteligente
Fenomenul de memorie a formei se manifesta in anumite aliaje cu transformare
martensitica reversibila in care acest constituent de calire martensita are caracter
termoelestic. Acest fenomen se manifesta spectaculos in aliajul Ni Ti
numit NITINOL (si in alte aliaje). Sarme drepte, realizate cand aliajul se afla in stare
austenitica, sunt racite pana la temperatura camerei (sub Ms) cand sufera transformare
martensitica (fig. 4.27). In aceasta ultima stare sarmele sunt deformate plastic sub forma
de spirala.
La o usoara incalzire (peste As), materialul sufera transformarea martensitica inversa,
trecand in austenita, cand sarmele se despiraleaza, reluandu-si forma liniara pe care au
avut-o initial. Aceasta transformare surprinzatoare este in contrast cu ireversibilitatea
binecunoscuta a deformarii plastice a materialelor metalice.
Fig. 4.27 Reprezentarea
schematica a efectului
de memorie a formei

Explicatia fenomenului de memorie a formei se bazeaza pe doua caracteristici esentiale ale

martensitei din aceste aliaje:

- caracterul termoelastic si reversibil al martensitei care consta in existenta unor

interfete coerente si mobile la limita interfazica martensita austenita;
- prezenta de macle interne in substructura martensitei si nu dizlocatii (ceea ce
inseamna ca si interfetele din substructura sunt coerente si mobile).
In conditiile prezentate mai sus deformarea plastica aplicata in stare martensitica se
realizeaza nu prin alunecari ale cristalelor si dizlocatiilor ci prin demaclarea maclelor
interne din martensita. La transformarea inversa cand martensita se transforma in
2

austenita, regiunile demaclate isi reiau orientarea pe care au avut-o in martensita initiala.
In acest mod tensiunile interne inmagazinate in martensita la deformarea plastica a
aliajului actioneaza provocand deformarea in sens invers si ca urmare, la revenirea in
stare austenitica, corpul isi reia forma exterioara pe care a avut-o in starea austenitica
initiala.
Pentru ca efectul de memorie a formei sa se manifeste este necesara existenta unei
structuri ordonate, cand deformarea plastica se realizeaza prin procese reversibile de
demaclare maclare si sa se evite deformarea plastica prin procese ireversibile de
alunecare si deplasare a dizlocatiei.
Aplicatiile practice ale aliajelor cu memorie a formei se bazeaza pe caracteristica
lor esentiala reluarea la incalzire a formei corpului avute inainte de deformarea sa
plastica in stare martensitica, dar si pe alte proprietati interesante si anume proprietati
elastice neobisnuite (comportare elastica de tip cauciuc), capacitate deosebita de
amortizare a socurilor, memorie de forma in dublu sens.
Aliajele cu memoria formei NiTi, avand o buna biocompa-tibilitate cu tesuturile
vii pot fi utilizate ca placi de compresie cu actiune dinamica pentru fixarea regiunilor de
fractura osoasa sau ca tija de indreptare a coloanei vertebrale. In aceste aplicatii aliajul
este programat sa-si reia forma la o usoara incalzire in regiunea implantului. Sunt in curs
de cercetare realizarea unor fibre musculare artificiale din aliaje NiTi care sa serveasca
drept element contractil al inimii artificiale. Aliajele NiTi sunt de asemenea utilizate cu
succes in tehnica protezarii dentare.

1 Efectul de memorie a formei

Cand un material metalic conventional este deformat plastic, deformarea are un
caracter permanent ; dupa inlaturarea fortei, materialul poate fi adus la forma originala numai
printr-o noua deformare plastica.

Aliajele cu memoria formei se disting de cele uzuale prin aceea ca, daca sunt
deformate plastic la cald, sub o anumita forma, si apoi sunt racite si deformate la
temperatura ambianta, ele isi reamintesc de forma lor initiala prin incalzire. In functie de
gradul initial de deformare, aceste aliaje isi pot recapata forma initiala total sau partial in
procesul de incalzire. Exista doua tipuri de efecte de memorie a formei: efectul simplu si
efectul dublu.
1.1 Efectul simplu de memoria formei
In stare martensitica la rece, aliajele cu memoria formei pot fi usor deformate de la
forma avuta la cald, pentru a le fixa forma la rece. Singura restrictie impusa acestei
deformari la rece este ca gradul de deformare sa nu depaseasca 8%. Aceasta deformare
plastica aparenta la la rece poate fi complet modificata prin incalzire, cand materialul
revine la forma avuta la cald (fig. 4.28).
Acest fenomen este numit efect simplu de memoria formei, in care este memorata
numai forma la cald. Temperatura de tranzitie dintre forma la rece si forma la cald este
determinata de natura aliajului si de parametrii de procesare.
3

Un efect remarcabil suplimentar care se produce la incalzirea probei consta in

aparitia unei tensiuni externe masurabile in material, care poate produce lucru mecanic. O
parte a energiei de transformare la incalzire este eliberata sub forma de tensiune interna
acumulata in material.

Fig. 4.28 Schema si graficul efectului simplu de memoria formei

a) forma probei fixata la cald, aflata la temperatura ambianta (T<M f); b) schimbarea formei la
rece (T< Af) prin reducerea lungimii L (curba A-B) sub actiunea fortei F; c) forma la rece
ramane aproximativ constanta si dupa inlaturarea fortei F (curba B-C); d) prin incalzirea probei
peste Af, aceasta revine la forma avuta la cald, la lungimea L (curba C-D)

1.2 Efectul dublu de memorie a formei

Efectul dublu de memorie a formei se refera la memorarea in materialul metalic a
doua forme, in contrast cu efectul simplu, fara a fi aplicate forte exterioare. Materialul isi
aminteste de forma nedeformata la cald si de asemenea, de forma deformata la rece.
Forma la rece este obtinuta spontan in perioada racirii din faza austenitica. Efectul dublu
de memoria formei se obtine numai dupa un tratament termomecanic special care poate fi
aplicat acestor aliaje.
In fig. 4.29 se prezinta schema efectului dublu de memorie a formei, fara a fi
aplicate forte exterioare de deformare.

Fig. 4.29 Schema

efectului dublu de
memoria formei
a) forma materialului,
obtinuta dupa
deformarea la cald (T>Af); b) forma obtinuta spontan la racire (T<Mf), fara aplicarea
unei forte exterioare (curba A-B); c) forma redobandita (amintita) la incalzirea probei in
domeniul austenitic (T>Af) peste temperatura Af (curba B-C)

2 Natura si mecanismul transformarii martensitice in

aliajele metalice
4

Fenomenul de memoria formei se manifesta in unele aliaje neferoase cu transformare

martensitica reversibila in care martensita are caracter termoelastic, spre exemplu
aliajele: Cu-Al-Ni, Au-Cd, Ti-Ni sau compusii intermetalici Cu3Al, Ni-Al, etc.
Fenomenul de memoria formei se manifesta spectaculos in aliajul echiatomic Ni-Ti
numit NITINOL, a carui transformare martensitica reversibila se bazeaza pe doua
caracteristici esentiale:
-

martensita este termoelastica;

substructura martensitei este caracterizata de prezenta maclelor interne in

structura cristalina.

Transformarea martensitica se produce in metale si aliaje in stare solida, fara procese

de difuzie, ea are loc la temperaturi scazute unde viteza de difuzie si autodifuzie sunt
nule. Germenii transformarii martensitice pot fi formati prin trei procese:
-

germinare clasica omogena sau eterogena, prin fluctuatii termice;

fixarea prin racire brusca a embrionilor formati la temperatura inalta;

pe cale termica, prin gruparea unor defecte de structura, obtinandu-se centre de

deformare cu structura apropiata de a martensitei.

In toate cazurile nucleele sunt separate de matrice prin interfete coerente sau
necoerente. O interfata de separare necoerenta reprezinta limita de discontinuitate dintre
doua regiuni cristaline distincte din punct de vedere al orientarii cristalografice (fig. 4.30
a). O interfata de separare coerenta asigura o imbinare perfecta a planelor cristalografice
ale celor doua faze (retele) vecine, dar in zona interfazica apare o indoire sau curbare a
planelor cristalografice, ceea ce induce in aceste zone o energie de deformare elastica
importanta.

Fig. 4.30 Interfete de separare austenita-martensita

5

a) necoerente prin plane de alunecare; b) coerente prin macle

Cristalele de martensita au forma de placi care strabat cristalul fazei initiale de la
o limita la alta; de regula intr-un cristal de faza initiala se formeaza mai multe placi de
martensita care se intalnesc sub diferite unghiuri pe suprafata cristalului formand un
aspect acicular caracteristic (fig. 4.31).

a
)

b)
Fig. 4.31 Modificarea formei si structurii la cresterea unui cristal de martensita
a) modificarea formei cristalului de austenita; b) aspectul acicular al cristalelor de
martensita

Modul in care
faza veche isi modifica structura cristalina pentru a se transforma in martensita poate fi
inteles luand ca exemplu formarea martensitei in oteluri. In figura 4.32 se indica modul in
care celula elementara cubica cu fete centrate de austenita (CFC) se transforma in celula
elementara tetragonala cu volum centrat (TVC) de martensita.
Mecanismul transformarii martensitice pretinde ca o anumita unitate structurala
din reteaua fazei vechi sa devina celula elementara a retelei de martensita. Acest lucru e
posibil numai daca intre cele doua fete cristaline exista o anumita corespondenta (numita,
in cazul otelurilor, corespondenta Bain).
Mecanismul transformarii martensitice, bazat pe distorsiunea retelei cristaline a
fazei vechi aflata in corespondenta cu reteaua martensitei, este in corelatie cu aspectele
observate experimental, ca de exemplu:

- mecanismul modifica numai structura, nu si compozitia chimica, martensita

avand aceeasi compozitie chimica cu a fazei din care provine;
- mecanismul implicat in transformare este de fapt o deformare a fazei vechi, el
corespunde si celorlalte caractere esentiale ale transformarii martensitice ca absenta
proceselor de difuzie si viteza mare de realizare a transformarii.
Daca in cazul otelurilor transformarea martensitica are un caracter ireversibil,
adica la incalzire ea se transforma nu in austenita din care a provenit, ci in fazele de
echilibru ferita si cementita.
Spre deosebire de oteluri, la majoritatea metalelor si aliajelor neferoase
transformarea martensitica are caracter reversibil, adica la incalzire martensita se
transforma in faza initiala din care a provenit la racire. Acest fenomen se produce la acele
metale polimorfe sau sisteme de aliaje la care nu exista o faza intermediara de echilibru
intre martensita si faza initiala stabila la temperatura inalta.

3 Transformari martensitice reversibile

In sistemele de aliaje neferoase cu transformare reversibila, martensita se
transforma din nou in faza initiala din care s-a format (faza care in mod arbitrar se va
numi austenita, ea nefiind prezenta in aliajele neferoase).
Caracterul reversibil al martensitei este pus in evidenta in fig. 4.33 prin curba de
variatie cu temperatura a cantitatii de martensita transformata.

Se
constata ca si
transformarea
inversa
martensitaaustenita se
realizeaza prin
acelasi mecanism de crestere rapida, ca si transformarea directa, ea producandu-se intr-un
interval de temperatura cuprins intre domeniile As-Af (inceputul si sfarsitul transformarii
austenitice) si Ms-Mf (inceputul si sfarsitul transformarii martensitice). Din latimea
buclei de histerezis This se poate deduce valoarea energiei libere
(G-M), necesare
ca forta motrice pentru transformarea martensitica:

in care:

G energia libera a transformarii structurale din faza initiala in faza

martensitica M.
variatia entropiei la transformarea martensitica;
intervalul de temperaturi intre transformarea martensitica directa si inversa.
Cel mai reprezentativ aliaj cu aplicatii biomedicale este sistemul echiatomic Ni-Ti
prezentat in diagrama de echilibru termic din figura 4.34.
In acest sistem aliajul de compozitie echiatomica (50% Ni si 50%Ti) formeaza compusul
intermetalic TiNi care la racire sufera o transformare martensitica prin schimbarea retelei
cristaline CFC in retea rombica. Temperatura Ms de inceput de transformare martensitica
se situeaza aproximativ la temperatura camerei in cazul racirii lente si la minus 500C
pentru racirea rapida (calire in apa). La incalzirea aliajului echiatomic Ti-Ni are loc
transformarea martensitica inversa, cand dispar treptat plachetele de martensita. Din
valorile temperaturilor observate experimental a rezultat ca histerezisul transformarii
martensitice in acest aliaj esteThis al carui interval are valoarea de 240C.

4 Martensite termoelastice
Intr-un numar limitat de aliaje neferoase ca: Ag-Zn, Cu-Al-Ni, In-Tl Ni-Ti,
martensita are caracter termoelastic. Conditiile necesare pentru formarea acestui tip de
martensita sunt:

- valoarea mica a deformarii retelei cristaline la transformarea martensitica directa (0,020,05);

- distributia ordonata a atomilor de specii diferite in reteaua cristalina a martensitei, care
nu poate fi distrusa prin procese de alunecare;
- substructura martensitei este formata din macle interne care are posibilitatea de a se
demacla cu usurinta;
- valoare redusa a histerezisului This.
In cazul acestor martensite, asa cum s-a aratat mai sus, deformatia retelei cristaline este
redusa, echilibrul transformarii se stabileste cand deformatia austenitei este inca elastica,
motiv pentru care acestea sunt numite martensite termoelastice.
Cresterea cristalelor de martensita termoelastica se face in mod treptat (sacadat),
deoarece la racirea aliajului la temperaturi joase are loc nu numai germinarea de noi
plachete ci si dezvoltarea plachetelor care si-au incetat cresterea la o temperatura mai
inalta si care isi reiau cresterea cand marirea grauntelui subracit a furnizat o forta
motrice G-M mai mare; la aceasta temperatura joasa cresterea inceteaza din nou.

5 Morfologia martensitei
Transformarile martensitice pot fi realizate prin schimbarea temperaturii (racire) si prin
solicitari, tensiuni exterioare. Acest aspect se explica prin urmatoarele fenomene:
- entalpia libera a austenitei si a martensitei precum si echilibrul lor depind nu numai de
schimbarea temperaturii si compozitiei ci si de aplicarea unor tensiuni exterioare;
- procesele de nucleere si crestere a plachetelor de martensita sunt asociate cu eforturi de
forfecare sub actiunea tensiunilor din reteaua cristalina.
Aceste efecte termodinamice si cinetice sunt dependente de directia de actionare a
solicitarii fata de orientarea cristalelor.
5.1 Martensita produsa pe cale termica
Acest tip de martensita este caracterizat prin dependenta sa de scaderea temperaturii
aliajului. Procesul de formare a cristalelor de martensita dispare daca scaderea
temperaturii se opreste sau temperatura creste. In aceste transformari esential este
echilibrul dintre energia chimica a transformarii si rezistenta mecanica a carei
componenta este acumulata sub forma de energie elastica. Transformarea insotita de
variatia temperaturii aliajului este numita transformare termoelastica a martensitei si se
caracterizeaza prin domeniul temperaturii de tranzitie a transformarii martensitice si
austenitice, asa cum se prezinta in diagrama din fig. 4.35, domeniu caracterizat de
punctele Ms, Mf, As, Af .

Asa cum se
constata in
graficul de mai
sus, viteza de
crestere a fractiei
de martensita
pare a fi
determinata de
variatia
temperaturii. Totusi, transformarea martensitica se poate produce si spontan, sub influenta
excesului de energie interna a retelei cristaline. Produsul se numeste martensita
termoelastica, care este caracterizat, de asemenea, prin cele patru temperaturi de
tranzitie. Martensita termoelastica, ca si martensita indusa pe cale termica, poate fi partial
sau total acomodata la faza initiala. Diferitele forme de martensita se pot prezenta la
examen macroscopic in siruri zig-zag (martensita termica), in plachete (martensita
masiva), in grupuri sau in benzi. Datorita timpului insuficient de transformare a fazei
initiale, care sa permita relaxarea retelei cristaline, rezulta tensiuni locale si densitati mari
de dislocatii care pot fi constatate in reteaua martensitei. Aceste dislocatii sunt imobile si
se numesc dislocatii de acomodare, ele fiind necesare pentru formarea microretelei
deformate.
In absenta tensiunilor exterioare, martensita formata pe cale termica este caracterizata de
prezenta diverselor placi nedeformate. Daca insa se aplica o tensiune uniaxiala exterioara,
martensita indusa termoelastic va creste in grupuri de plachete, avand forma
macroscopica deformata.
5.2 Martensita formata sub influenta tensiunilor exterioare
Aceasta martensita se formeaza continuu la cresterea tensiunii exteriore aplicate si
devine reversibila cand valoarea tensiunii scade, iar temperatura ramane constanta, asa
cum se constata in fig. 4.36.

Fig. 4.36 Transformarea

martensitica termoelastica
sub actiunea unei tensiuni
exterioare

A-M tensiunea la care

incepe transformarea
austenitei in martensita; M
tensiunea
la
care
incepe
transformarea
inversa
a
martensitei
in austenita
A
10

Martensitele vor creste preferential sub forma de plachete si vor fi pronuntat texturate
in conditii de aplicare a unei tensiuni. Influenta stresului exterior asupra transformarii
martensitice, la temperatura constanta, se poate exprima prin temperatura Msdefinita ca
temperatura la care transformarea martensitica poate avea loc sub o tensiune exterioara
aplicata. Temperatura maxima Ms=(Ms)max depinde de conditiile de aplicare a stresului, de
felul orientarii structurii cristaline, de limita de curgere a austenitei si de alti factori.
Daca deformarea sub sarcina se produce la racirea aliajului, la temperatura Td si daca
Af<Td<Md, atunci formarea martensitei din austenita nu mai are loc la incetarea aplicarii
tensiunii. Totusi, in conditiile in care Ms<Td<Af martensita formata sub sarcina ramane
termodinamic stabila si dupa eliminarea tensiunii aplicate. Aceasta inseamna ca in
conditii de stres, temperatura de transformarea martensitica Ms este mai mare decat in
lipsa stresului.
Proprietatile functionale ale aliajelor cu memoria formei sunt rezistenta corespunzatoare la
coroziune si buna compatibilitate. Cele mai remarcabile utilizari ale acestor aliaje sunt
aplicatiile medicale bazate pe efectul de superelasticitate. De asemenea este important de
remarcat designul aplicatiilor pentru memoria formei, care cere intotdeauna un mod specific
de abordare complet diferit de al materialelor conventionale.

Investigatiile privind utilizarea aliajelor cu memoria formei in domeniul medicinii sunt

in plina desfasurare, noutatile apar in fiecare revista de specialitate si la fiecare sesiune
internationala de comunicari stiintifice din domeniul medical.

Materialele cu memorie a formei sau metalul cu memorie au fost descoperite n

anii1930. n 1932 A. lander a descoperit comportarea pseudoelastic a aliajului Au-Cd.
Mai trziu Greninger i Mooradian (1938) au observat, la aliajele Cu-Zn, formarea i
dispariia fazei martensitice odat cu creterea sau scderea temperaturii. Despre
efectul de memorie, datorat comportrii thermoelastice a fazei martensitice, pentru
anumite aliaje, au fost publicate ample rapoarte de ctre Kurdjumov i Khandros (1949),
respectiv Chang i Read (1951). Abia n anii 1962-1963, n cadrul Laboratorului Naval

11

Ordnance Laboratory , a fost realizat i lansat primul aliaj cu memorie a formei destinat
utilizrii pe scar larg, Nitinolul, fiind comercializat ulterior sub numele de Nitinol (un
acronym de la Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratories). Aliajul care a dat natere
acestui material conine 58,8% Nichel, Oxigen maxim 0,05%, Carbon 0,02%, restul de
procente (relativ la mas) fiind Titan. Chiar dac aceste valori sunt aproximativ exacte
cu cele folosite la fabricarea respectivului aliaj, proprietile care caracterizeaz
denumirea de material cu memorie se datoreaz tratamentului termic i modului n care
a fost realizat acets aliaj. Memoria acstui aliaj const n proprietatea materialului de a fi
supus unei solicitri mecanice care conduce la deformarea plastic a corpului alctuit
din acest material, deformare care este nlturat numai n clipa n care materialul cu
memorie este supus unei temperaturi ridicate de recuperare a formei. O alt proprietate
deosebit a acestui aliaj const n superelasticitatea prezentat de aliajele cu memorie
a formei, superelasticitate exploatat cu succes, mai ales n construcia arcurilor.
Aceste fenomene se explic prin prezena fazei de transformare martensitic de
simetrie redus, pentru temperaturi scazute sau temperatura ambiant, respectiv, odat
cu nclzirea materialului, trecerea la o faz cu simetrie cristalografic ridicat austenit. Aceast reorganizare structural are efecte macroscopice care conduc la
variaii dimensionale ale aliajelor, fapt ce poate fi exploatat n construcia unor
dispozitive eficiente energetic i miniaturizabile.
Cele mai cunoscute aliaje care prezint efectul de memorie a formei sunt NiTi
(Nichel Titanium), CuZnAl, i CuAlNi.
Figura 1 . Aliaj de Cu-Al-Ni, supus unei transformri termice. Dimensiunea mostrei este
de 370
microni
Cele dou proprieti amintite anterior : efectul de memorie i pseudoelasticitatea
12

se datoreaz unor transfomri de faz solid, ceea ce const n rearanjarea molecular

a aliajului fr a intervene schimbri de faz (solid n lichid sau gaz). Explicaia const
n modificarea n anumite limite a distanelor interatomice, intermoleculare, fr a
aprea distrugerea acestror legturi, materialul rmnnd n continuare n stare solid.
Cele mai multe aliaje care au proprietaile menionate, prezint iniierea aceste
modificri la variaii ale temperaturii de minim 10C. Cele dou faze care permit
modificrile caracteristicilor fizice ale aliajului, n condiii termodinamice specifice
poart
numele de faza Martensitic, i faza Austenitic.
Faza Martensit a fost denumit astfel dup numele metalurgistului german ,
Adolf Martens (1850-1914). Aceast faz este considerat a avea o structur cristalin
Austenit
temperatur
Martensit
temperatur
cu o simetrie de tip tetragonal centrat volumetric( body-centred tetragonal - BCT), fiind
rezultatul unei rciri rapide a aliajului ajuns n starea austenit.
Figura 2. Imaginea fazei martensitice ntr-un oel.
Se remarc aspectul de ac (discuri martensitice) al modului n care materialul s-a
solidificat datorit rcirii rapide.
Acest transformare, datorit procesului rapid de rcire nu are o stabilitate
termodinamic deosebit, fapt care permite trecerea din acest stare n starea de
austenit cu un efort termic relative redus. Cei doi termini sunt specifici vocabularului
metalurgic, alturi de ferrite i cementite facnd parte din diagrama fier carbon.
Martensita, nefiind ns o faz stabil, n cadrul respectivei diagrame, nu a fost
13

reprezentat separat, ea fiind privit, mai mult, sub forma unui defect n aliaj, pentru
cazul oelurilor.
Martensita, este o faz uor deformabil, n cazul materialelor cu memorie,
caracteristic temepraturilor mediului ambient, sau mai general vorbind, temperaturilor
sczute. Structura molecular, este comprimat, fapt care permite, la aciunea unei
fore sau efort deformator s aib loc o modificare structural nedistructiv, care face
parte tot din fazele martensitice posibile. La transferul asupra aliajului a unei energii
termice, suplimentare, acesta trece n stare austenit, regulat, pentru ca la refacerea
condiiilor termice iniiale s se revin n starea martensitic iniial.
Figura 3. Diagrama Fe-C - http://willyank.sites.uol.com.br
Deoarece martensita are o densitate mai redus dect celelalte faze de
temperatur sczut, la aplicarea transformrilor termice care afecteaz aceast faz,
modificrile ce au loc, la trecerea n austenit, conduc la o serie de variaii volumetrice
sensibile. Martensita este privit ca o stare intermediar prin care trece un aliaj sau
material , pn n clipa n care ajunge ntr-o stare complet echilibrat termodinamic.
Acest fenomen de generare a strii martensitice poart numele de metastabilitate.
Figura 4. Faza Martensit n aliajul CuZnAl
La producerea oelurilor, n cadrul procesului de fabricaie, se induc termic
formarea unor stri martensitice abundente, pentru ca apoi prin control termic,
renclziri controlate, s se induc starea de echilibru termochimic dorit.
Utiliznd o serie de modele geometrice care s explice stabilitatea fizico-chimic
a fazelor materialelor , se remarc existena urmtoarelor lattice:
Crystal cubic (sc)
Cristal cubic cu centrare

14

volumetric
Body-Centered Cubic (BCC)
specific martensitei
Cristal cubic cu centrare pe
fiecare fa a cristalului
Face-Centered Cubic (FCC)
specific austenitei
Numele de austenit a fost ales dup numele lui Sir William Chandler RobertsAusten (1843-1902). Aceast faz este caracterizat printr-o structur de tip cristalin cu
centrare pe fiecare fa a cristalului (Face-Centred Cubic -FCC). Aceast faz este o
faz metalic, non-magnetic, care exist n preajma temperaturii critice a aliajului.
Pentru o ct mai clar nelegere a fenomenului este propus spre analiz
urmtoarea figur:
Astfel n starea A, aliajul cu memorie a formei este n starea de austenit. n
absena oricrei solicitri mecanice, printr-o rcire rapid a aliajului se obin o variaie
de faz martensitic, care poate avea pn la 24 de forme posibile punctul B. Odat
cu aplicarea unui efort mecanic, apare deformarea martensitei, existnd posibilitatea ca
la finalul solicitrii s se obin o singur form de martensit punctul D. La nclzirea
acestei faze, are loc simetrizarea i alinierea cristalografic a aliajului, obinndu-se
astfel austenita simetric, unic structural, specific punctului E.
O reprezentare corespunztoare transformrilor structurale, relativ la efortul
mecanic aplicat , deformarea mecanic a mostrei i temperature T este prezentat
sugestiv n figura urmtoare:
Asfel la aplicarea unei solicitri mecanice are loc orientarea fazelor martensitice

15

pn la opinerea unui singur tip de faz dominant. La continuarea solicitrii mecanice,

dincolo de aceast limit, apare distrugerea mostrei. Deformarea maxim indus,
datorat dominanei martensitice va putea fi recuperat prin nclzirea mostrei, pn la
obinerea fazei simetrice molecular, austenit. La rcire se realizeaz trecerea n starea
iniial n care coexist mai multe forme martensitice.
Principalele aplicaii ale efectului de memorie a formei sunt implementate n
urmtoarele domenii:
Echipamente electrocasnice
Vehicule spaiale
Termostate
Conectoare hidraulice
n timp ce aplicaiile pseudoelasticitii cuprind domenii ca:
Rame de ochelari
Instrumente medicale
Antene de telefoane celulare
Fire orthodontice
Sintetiznd punctual principalele avantaje i dezavantaje ale aliajelor cui
memorie a formei, putem include n rndul avantajelor:
Bio-compatibilitatea
Diversitatea domeniilor de aplicaii
Proprieti mecanice remarcabile (rezistena, protecie anticoroziv)
respectiv n rndul dezavantajelor:
Pre de cost nc ridicat, n coparaie cu alte materiale metalice
Rezistena la oboseal mai redus dect anumite oeluri speciale

16

TEORIA I COMPORTAMENT GENERAL AL

MATERIALELOR CU MEMORIE A FORMEI
Efectul SIMPLU de memorie a formei
Dup cum rezult din Figura 5, aliajele cu memorie a formei au capacitatea de a
suferi o modificare a formei la o temperatur joas sub aciunea unei fore i de a pstra
aceast form pn cnd sunt nclzite, moment n care revin la forma iniial. Aceast
schimbare de form are loc ca urmare a modificrii structurii cristaline a aliajului.
Figura 5 . ndoirea unui fir din aliaj cu memorie a formei
S lum ca exemplu aliajul nichel-titan, a crui structur cristalin la temperatur
nalt, numit austenit, este cubic (Figura 6. A). Dup rcire, aliajul adopt o
structur numit martensit, cu o reea monoclinic care n plan seamn cu un
paralelogram (Figura 6.B).
Cnd un aliaj cu memorie a formei este rcit, atomii nu se nclin toi n aceeai
direcie, dup cum ne-am atepta, ci se formeaz iruri de atomi nclinate alternativ la
stnga sau la dreapta (fig. 2.3.B).
Figura 6. Structura cristalin a aliajului nichel-titan
cu memorie a formei
De remarcat c oricare 4 atomi vecini, din structura la temperatur joas (Figura
7. B), sunt aranjai n form de paralelogram n cazul structurii martensitice.
[B] TEMPERATUR JOAS
STRUCTUR
MARTENSITIC
[A] TEMPERATUR NALT
STRUCTUR CUBIC

17

AUSTENITIC
[B] TEMPERATUR JOAS [A] TEMPERATUR INALT
Figura 7. Reorganizarea atomilor la rcirea aliajului
cu memorie a formei
Fenomenul prezentat n Figura 7.B se numete maclare, deoarece atomii sunt
aezai simetric n raport cu un plan, numit plan de simetrie (Figura 8).
Figura 8. Maclarea
Cnd se aplic o for asupra aliajului acesta se deformeaz pe msur ce
atomii, aezai simetric n raport cu planul de simetrie, sunt reorientai n aceeai
direcie, dup cum se arat n Figura 9.
Figura 9 . Deformarea structurii la temperatur
joas prin aplicarea unei fore
n acest proces numit demaclare fora necesar pentru a reorienta atomii este
relativ mic.
Dac aliajul este apoi nclzit, martensita deformat revine la austenit, iar piesa
i recapt forma inial, deoarece poziiile iniiale ale atomilor sunt cunoscute n faza
de austenit. ntregul proces este rezumat n Figura 10.
Figura 10. Transformarea structural ntre
temperatura nalt i cea joas
Trebuie s spunem c descrierea n plan a efectului simplu de memorie a formei,
prezentat mai sus, este mult simplificat fa de fenomenul real, dar este un model
adecvat pentru majoritatea scopurilor de proiectare.
TEMPERATUR INALT
Efectul dublu de memorie a formei

18

Pn acum am discutat numai de aliaje care prezint efectul de memorie a

formei ntr-un singur sens; dup cum se vede n Figura 5 forma de austenit de la
temperatura nalt este recuperat automat la nclzire, dar este necesar aplicarea
unei fore n starea martensitic pentru a deforma aliajul la temperatur joas. Este
posibil obinerea unui efect de memorie a formei n dublu sens, prin care elementul cu
memorie revine la rcire la forma de la temperatura joas, iar la nclzire la forma de la
temperatura nalt. Acest comportament este numit efect de memorie a formei n dublu
sens sau efect de memorie a formei reversibil, dup cum se vede n Figura 11, pentru
un arc elicoidal.
Figura 11. Efectul dublu de memorie a formei
De remarcat c, n cazul ambelor efecte de memorie, numai n timpul nclzirii se
genereaz lucru mecanic (adic for i deplasare). n timpul rcirii aliajului cu efectul
de memorie n dublu sens, acesta i recapt forma de la temperatura joas fr a
putea furniza for unor componente externe.
Efectul dublu de memorie a formei prezint avantajul c permite materialului s
treac spontan de la o form la alta, att prin nclzire ct i prin rcire, atunci cnd
temperatura atinge valorile de transformare corespunztoare.
Aceasta nseamn c nu mai este nevoie de o intervenie extern pentru
deformarea materialului i astfel perspectivele de utilizare sunt mult mai favorabile.
Este de remarcat n acest caz faptul c, n plus, fa de cele prezentate
anterior, materialul adopt o form corespunztoare i la rcire. La atingerea
temperaturii Ms ncepe recuperarea formei la rcire i aceasta se desvrete la
atingerea temperaturii Mf
Aceast comportare este intens studiat i cercetat n ultimii ani, att

19

pentru elucidarea mecanismului care guverneaz efectul dublu de memorie, ct i n

ceea ce privete obinerea i utilizarea sa. Cert este c materialele care prezint efectul
simplu de memorie a formei nu prezint implicit i efectul dublu. Pentru obinerea
acestui efect este necesar nvarea materialului n cadrul unui proces numit educare.
Educarea pentru obinerea efectului dublu de memorie a formei
presupune efectuarea unor cicluri termomecanice asupra materialului. Acestea constau,
n general, n nclzirea i rcirea repetat a materialului, cruia i s-a impus o anumit
solicitare.
Explicaia, n cazul efectului dublu de memorie a formei, este tot de natur
microstructural i cristalografic. n cazul efectului simplu de memorie a formei s-a
artat c acesta apare la transformarea din faza martensitic n faza mam, datorit
ordinii atomice existente n faza mam i care nu las dect o singur posibilitate de
rearanjare a atomilor. Pentru reluarea formei la rcire, problema este puin mai dificil i
aceasta din cauz c exist mai multe posibiliti de orientare a variantelor de
martensit formate. De exemplu, pentru o faz mam cu structura cubic (cazul cel mai
ntlnit la aliajele cu memorie uzuale) exist 24 de posibiliti de transformare n
martensit. Toate aceste posibiliti sunt, aa cum s-a artat, echiprobabile i de aceea
transformarea la rcire nu se desfoar ntotdeauna pe aceeai cale. Scopul
tratamentului termomecanic de educare este de a forma o variant favorizat de
martensit, care s ia natere la rcire. n felul acesta materialul este obligat s adopte
un aranjament atomic la nclzire i este ajutat s adopte un singur aranjament atomic
i la rcire. O imagine sugestiv a acestui tratament de educare se poate formula
gndindu-ne la un cltor care ajunge la o bifurcaie din care se desprind mai multe
drumuri i la captul crora se afl acelai rezultat. Dac acest cltor este condus de

20

mai multe ori pe acelai drum, de fiecare dat cnd se va ntoarce la aceeai bifurcaie,
el va alege calea pe care o cunoate, pentru c aceasta este calea btut, cu care el sa
obinuit.
Analizele microstructurale efectuate pe variante particulare prezint teorii diverse
cu privire la formarea variantelor favorizate de martensit. Cele mai probabile ipoteze
presupun c n timpul educrii apar, fie o martensit rezidual (rmas netransformat
la nclzire), fie defecte n structur i care favorizeaz ulterior dezvoltarea doar a unei
variante de martensit. Ipoteza prezenei martensitei reziduale pornete de la unele
observaii care arat posibilitatea de existen a unor formaiuni de martensit i la
temperaturi mai mari dect temperatura Af, unde ele ar trebui s dispar. Aceste
formaiuni se dezvolt n continuare, fiind ntotdeauna aceleai. Ipoteza, privind
existena unor defecte de structur orientate, pleac de la observaia c transformarea
martensitic produce defecte n structura fazei mam i, la rcire, pe aceste defecte iau
natere variantele de martensit favorizate.
Se cunosc cinci procedee de prelucrare de baz pentru a imprima un efect n
dublu sens unui element cu memorie a formei:
1. deformarea puternic a elementului n starea martensitic;
2. deformarea elementului, n starea de austenit, prin aplicarea unei tensiuni
mai mari dect tensiunea minim care produce curgerea materialului;
3. deformarea elementului n starea de austenit cu o for oarecare, cobornd
apoi temperatura sub Mf, pentru o perioad lung de timp, meninnd permanent fora
aplicat;
4. solicitarea elementului n starea martensitic i apoi nclzirea lui pn trece
n starea de austenit;

21

5. deformarea elementului dup mbtrnirea cauzat de formarea unor mici

aglomerri atomice n starea de austenit.
Procedeul 1 poate fi folosit pentru aliajele Ni-Ti, dar de regul n timpul rcirii se
obine numai o recuperare parial a formei. S-a descoperit c un aliaj Ni-Ti-Cu (aliaj
Raychem), care trece printr-o serie de cicluri termice sub o sarcin nominal, capt
progresiv efectul de memorie n dublu sens, efect care se intensific odat cu creterea
numrului de cicluri. Procedeul 4 se adapteaz bine la aliajele Cu-Zn-Al, dar cu un efect
de memorie n dublu sens mai mic dect n cazul aliajelor Ni-Ti. Toate procedeele de
mai sus produc zone de tensiuni interne precum dislocaiile, martensita stabil
(martensit care nu se mai transform n austenit la nclzire) sau aglomerrile
atomice minuscule. Zonele tensionate servesc la controlul direciei n care maclele de
martensit se orienteaz de la sine n timpul rcirii. Deci, exist o orientare preferenial
la nivel atomic, care determin, n cazul unui element cu memorie a formei, reluarea
formei la temperatur joas la nivel macroscopic, prin rcire.
Efectul de memorie complet reversibil
Efectul de memorie complet reversibil difer de efectul n dublu sens prin
urmtoarele caracteristici:
1. este posibil o modificare mai mare a formei;
2. formele de temperatur joas i nalt sunt fiecare inversul celeilalte, deci
este posibil o inversare complet a curburii n cazul unei benzi cu memorie a formei.
Se poate obine un aliaj cu efect de memorie complet reversibil dintr-un aliaj cu
compoziia 50,5% atomi Ni, restul Ti, prin solicitarea aliajului n forma sa de la
temperatura nalt i mbtrnirea la o temperatur de 400C, timp de 50 de ore.
Figura 12 ilustreaz efectul de memorie complet reversibil.

22

Figura 12. Efectul de memorie a formei complet reversibil

De remarcat c, datorit proceselor suplimentare necesare precum i lipsei de
fiabilitate a aliajelor cu efect de memorie n dublu sens i complet reversibil, ele nu sunt
folosite de regul pentru a furniza deplasare n direcie invers. De aceea se folosete o
for ajuttoare extern pentru a deforma elementul cu memorie a formei la
temperatur joas, iar efectul n dublu sens ajut la scderea valorii forei necesare
acestei deformri.
DETERIORAREA EFECTULUI DE MEMORIE A FORMEI
Pierderea parial sau total a capacitii aliajelor cu memorie a formei de a
satisface cerinele unei aplicaii poate s apar att datorit solicitrilor de natur
termic sau termomecanic ct i ca urmare a unor transformri care apar n timp, chiar
n absena solicitrilor.
Cauza principal a pierderii stabilitii n aliajele cu memorie a formei este dat
de particularitile transformrii martensitice, care se desfoar fr difuzie i care are
ca rezultat obinerea unei faze metastabile, martensita. Aceast faz metastabil nu se
afl n starea corespunztoare energiei minime. Ca urmare a teoriei termodinamice
apare tendina de trecere spre o stare care asigur energia liber minim, dar care ns
nu mai respect condiiile impuse de transformarea martensitic i ca urmare se ajunge
la instabilitatea efectului de memorie a formei.
n majoritatea aplicaiilor aliajelor cu memorie a formei, modificrile proprietilor
sau dimensiunilor, ca urmare a instabilitii efectului de memorie, sunt mici i pot fi
neglijate. n unele cazuri ns, ele trebuie luate serios n considerare deoarece pot duce
chiar la imposibilitatea utilizrii unor anumite materiale pentru anumite aplicaii. Cei mai
importani parametri care trebuie avui n vedere la utilizarea unor materiale cu memorie

23

a formei sunt: temperatura la care se nclzete sau se pstreaz aliajul, timpul de

meninere la o anumit temperatur, solicitarea la care este supus materialul. n funcie
de aceti parametri se poate vorbi de mbtrnirea n faza mam, mbtrnirea n faza
martensitic, supranclzirea i, respectiv, oboseala aliajelor cu memorie.
mbtrnirea n faza mam
Meninerea aliajului cu memorie la temperaturi corespunztoare fazei mam
(peste temperatura critic Af) provoac modificri ale temperaturilor de transformare
dependente att de temperatur, ct i de timpul de meninere. n Figura 13 sunt
reprezentate modificrile care apar la nivelul temperaturilor de transformare pentru
cazul unui aliaj cu memorie a formei din familia Cu-Zn-Al, meninut la temperatura
corespunztoare fazei mam (peste Af).
Se remarc existena a trei stadii cu evoluie diferit a temperaturilor. Un prim
stadiu (notat cu I), se caracterizeaz prin existena unei stabiliti n ceea ce privete
parametrii transformrii. n al doilea stadiu (II) se observ o uoar tendin de
cretere a temperaturilor. n al treilea stadiu se observ o modificare
Figura 13. Modificri ale temperaturilor de transformare, la mbtrnirea
n faza mam, ale unui aliaj cu memorie Cu-Zn-Al
accentuat a parametrilor transformrii, concretizat prin creteri ale temperaturilor As,
Af i, respectiv, scderi ale temperaturilor Ms, Mf. La nivel macroscopic se poate
constata c, pentru a se obine efectul simplu de memorie, trebuie ca nclzirea s se
realizeze la temperaturi mai ridicate. n acelai timp, efectul dublu de memorie a formei
este pus n eviden prin rcire la temperaturi tot mai sczute.
Din punct de vedere microstructural, responsabilitatea pentru mbtrnirea
aliajelor cu memorie trebuie atribuit proceselor de difuzie i de ordonare atomic, care

24

sunt stimulate de temperatur ridicat de meninere. Difuzia este favorizat de

meninerile ndelungate la temperatur ridicat. n general, se poate vorbi de un timp de
meninere la o anumit temperatur, fr ca difuzia s fie foarte activ. Acest timp se
numete timp de supranclzire i este cu att mai mic, cu ct temperatura este mai
ridicat. n cazul n care acest timp este depit, se fac simite efectele difuziei n
cadrul transformrii martensitice reversibile, care se desfoar prin excelen fr
difuzie. Ca urmare, va aprea o evoluie spre o structur mai stabil din punct de
vedere termodinamic, numit precipitare. Prin precipitare se modific i compoziia fazei
mam i temperaturile de transformare, iar n ultima faz, prin nlocuirea fazei mam,
se pierde i efectul transformrii martensitice reversibile.
O a doua cauz care se consider c determin mbtrnirea n faza mam o
reprezint reacia de ordonare atomic. La explicarea efectului de memorie a formei s-a
artat c originea efectului rezid din aranjamentul atomic ordonat al fazei mam i
care este reluat la nclzire. Dac aceast ordine nu este stabilit perfect n cadrul
transformrii inverse, faz mam-martensit, atunci cnd sistemul este nclzit se
favorizeaz deplasri atomice i se completeaz ordonarea.
La efectul simplu de memorie a formei se poate vorbi, deci, de o mbtrnire n
faza mam care conduce la modificri ale temperaturilor de transformare (ca urmare a
ordonrii atomice) i chiar la dispariia efectului de memorie (ca urmare a precipitrii).
Efectul dublu de memorie a formei poate fi de asemenea afectat, deoarece prin
nclzire la temperaturi ridicate se distrug centrele care permit apariia i dezvoltarea
variantelor favorizate de martensit.
Consecinele mbtrnirii n faza mam pot fi, n general, nlturate printr-o
repetare a tratamentului efectuat pentru obinerea martensitei.

25

mbtrnirea n faza martensitic

Dac aliajul cu memorie este meninut la temperaturi corespunztoare fazei
martensitice (sub As), se constat, de asemenea, modificri ale parametrilor
transformrii. Aceste modificri sunt cu att mai importante cu ct meninerea se face la
temperaturi mai apropiate de As.
Totodat, se modific i alte proprieti i anume: duritatea crete, iar capacitatea de
amortizare se reduce simitor.
ntre ipotezele care par s explice cel mai bine responsabilitatea pentru aceast
mbtrnire, cele mai probabile sunt cele bazate pe fenomenele de difuzie care au ca
efect rearanjarea atomilor n faza martensitic i, respectiv, cele care consider c
apare o blocare mecanic a interfeelor de transformare, ca urmare a prezenei unor
defecte atomice introduse n fazele de procesare mecano-termic. Exist argumente n
favoarea ambelor ipoteze i este foarte probabil c acestea apar simultan. Importana
lor relativ difer n funcie de natura tratamentului termic aplicat.
n vederea reducerii tendinei de mbtrnire n faza martensitic, se recomand
ca la clirea materialului s se realizeze o meninere de 12 ore la o temperatur puin
superioar temperaturii Ms. Ca rezultat, se vor obine temperaturi de transformare mult
mai puin afectate de consecinele mbtrnirii.
Oboseala aliajelor cu memorie
Nici un produs nu-i poate pstra funciile un timp nelimitat i prin urmare, aliajele
cu memorie a formei nu se constituie ca o excepie de la aceast regul.
Oboseala aliajelor cu memorie se manifest diferit, n funcie de tipul aliajelor,
natura solicitrilor i condiiile termomecanice utilizate. Analizele efectuate au artat c
un element cu memorie n dublu sens i poate modifica forma de peste 100000 de ori,

26

dac este solicitat doar termic, cu condiia ca temperatura s nu fie prea ridicat, nainte
de a se constata o pierdere a deformaiei de 10%. Pentru solicitri de natur
pseudoelastic, exist la dispoziie doar foarte puine date. Totui, rezistena la
oboseal a aliajelor cu memorie a formei este mult mai ridicat dect a celorlalte
materiale. Se poate vorbi de 105106 cicluri de utilizare, n condiiile unor solicitri mai
mari dect cele ntlnite la materialele din aceeai familie, dar la care nu s-a indus
transformarea martensitic. Este ns dificil s compari dou materiale cu comportare
diferit, deoarece mecanismul deformrii elastice din aliajele cu memorie este, aa cum
se va vedea, total diferit de cel al materialelor obinuite.
CAPACITATEA DE AMORTIZARE A VIBRAIILOR
Datorit comportrii microstructurale deosebite, aliajele cu memorie
prezint cea mai ridicat capacitate de amortizare a vibraiilor dintre toate materialele
metalice. Amortizarea este neliniar i independent de frecven. De altfel, aceast
proprietate pare s fie sensibil la variaiile de temperatur i la antecedentele de
ciclare termic. Aliajele cu memorie a formei, luate n condiii de temperatur
corespunztoare fazei martensitice sau bifazei austenit-martensit, prezint o
capacitate sporit de amortizare a ocurilor sau de atenuare a vibraiilor mecanice.
Frecarea intern important este dat de disiparea energiei mecanice de excitaie la
nivelul interfeei dintre variante, n cazul unui material martensitic sau la nivelul
interfeei
austenit-mertensit, n cazul unui material bifazic.
Pn n prezent, ns, nu sunt foarte clar elucidate nici aspectele privind
comportarea efectiv n diverse condiii i nici mecanismele prin care se realizeaz
amortizarea.
Comportamentul de histerezis
27

Datorit proceselor care au loc la scar atomic ia natere un histerezis termic.

Cu alte cuvinte, transformarea austenitei n martensit (reacia "direct") are loc la o
temperatur mai mic dect transformarea martensitei n austenit. n Figura 14, la o
temperatur mai mic dect Mf, aliajul este 100% martensit. Dac este nclzit, va
atinge o temperatur As, la care ncepe formarea austenitei. nclzit n continuare aliajul
revine la 100% austenit cnd a atins temperatura Af. La rcire, formarea martensitei
ncepe la temperatura Ms i se termin la temperatura Mf .
Figura 14. Histerezis de temperatur
Este important s observm c valorile absolute ale temperaturilor de
transformare, lrgimea i forma histerezisului depind n mare msur de compoziia i
prelucrarea aliajului. Majoritatea aliajelor cu memorie a formei au limea buclei de
histerezis de 10500C, cu excepia unor aliaje cu histerezis larg fabricate pentru aplicaii
speciale.
Principala cauz a histerezisului este frecarea intern provocat de deplasarea
interfeelor austenit - martensit i de apariia defectelor structurale n reeaua
cristalin a aliajului.
FAMILII DE ALIAJE CU MEMORIE A FORMEI
Dei exist cel puin 20 de familii de aliaje cunoscute, care prezint efectul de
memorie a formei, n prezent numai 3 au importan comercial: nichel-titan (Ni-Ti),
cupru-zinc-aluminiu (Cu-Zn-Al) i cupru-aluminiu-nichel (Cu-Al-Ni).
Dezvoltarea acestor aliaje s-a fcut, mai nti, pentru aplicaii n domeniul militar,
corespunztoare temperaturilor joase: racorduri de canalizare, conectori cu for de
inserie nul etc., utiliznd Ni-Ti sau Cu-Zn-Al.
Aliaje nichel-titan

28

Aliajele Ni-Ti, numite i Nitinol, au, de regul, n compoziie aproximativ 50%

atomi Ni, 50% atomi Ti i mici adaosuri de cupru, fier, cobalt sau crom. Un aliaj ternar
remarcabil este Ni-Ti cu 10% atomi de Cu. Aliajele Ni-Ti sunt de aproape patru ori mai
scumpe dect aliajele Cu-Zn-Al, dar au cteva avantaje fa de Cu-Zn-Al i Cu-Al-Ni:
ductibilitate mai mare, amplitudine mai mare a deplasrii, rezisten excelent la
coroziune (comparabil cu a oelurilor inoxidabile din seriile 300), temperaturi de
transformare stabile, biocompatibilitate nalt i posibilitatea de a-i recupera forma prin
nclzire electric. Dar, aplicaiile cu aliajele Ni-Ti sunt limitate de temperaturile de
transformare martensitic de 1000C i de histerezisul de transformare de 250C.
n producerea aliajelor de nichel-titan se parcurg mai multe etape. Prima etap
debuteaz cu topirea n vid a componentelor (sunt folosite tehnici moderne cum ar fi
topirea n vid inductiv, topirea n vid cu fascicul de electroni, topirea n vid sub arc
electric). Acest procedeu este urmat de o comprimare n volum i/sau o comprimare
centrifugal, la temperaturi cuprinse ntre 7000C i 9000C. n continuare, are loc
prelucrarea prin tragere n fire a aliajelor (dac acesta este produsul final). Pentru
realizarea efectului de memorie urmeaz tragerea la rece, ce conduce la o reducere a
ariei cu aproximativ 30 de procente, ntre procesele de recoacere. Recoacerea
intermediar se realizeaz la temperaturi cuprinse ntre 6000C i 8000C. Formarea
stratului de oxid n timpul recoacerii mbuntete aditivitatea lubrifiantului de tragere.
Carburile de formare sunt folosite pentru fire de diametre mai mari de 1,3 mm, n timp
ce pentru diametre mai mici sunt utilizate matrie de diamant. Odat ce materialul a fost
adus la dimensiunea dorit, are loc un tratament termic de fixare a formei pentru a
impune temperatura nalt dorit, temperatur ce va fi memorat dup nclzire.
Etapele tratamentului termic pentru obinerea unui arc elicoidal sunt: turnarea

29

materialului n matri, nclzirea aliajului la 4000C timp de 30 minute, rcirea n aer

liber
i extragerea piesei finale din matri.
Tratamentul termic are dou efecte majore pentru aliajele nichel-titan. Primul
efect se manifest prin creterea temperaturii de transformare odat cu creterea
temperaturii de nclzire, n timp ce cel de-al doilea efect const n mrirea numrului
ciclurilor de via, odat cu descreterea temperaturii la care se execut tratamentul
termic. Ambele efecte sunt legate direct de transformrile la rece ce au fost reinute de
material, dup procesare. Acestea reduc temperaturile de transformare ale aliajului.
Aliaje pe baz de cupru
Cele mai cunoscute aliaje din aceas categorie sunt aliajele: cupruzincaluminiu i cuprualuminiu-nichel.
Pentru ca aliajele pe baz de cupru s prezinte un efect de memorie a formei se
impune aplicarea unui tratament termic de betatizare (durificare) dup operaiile de
topire i turnare. Acest tratament termic are loc, pentru aliajele Cu-Zn-Al, la temperaturi
cuprinse ntre 6500C i 9500C. Din studiile efectuate asupra acestui aliaj s-a observat c
temperaturile de transformare cresc odat cu creterea temperaturii de betatizare i cu
timpul necesar acestui proces. Scopul acestui tratament termic este de a stabiliza
temperatura ridicat a fazei beta. Odat cu realizarea acestui desiderat este necesar
rcirea materialului la o temperatur sczut, n scopul reinerii fazei beta. n cazul n
care are loc o rcire lent, faza beta se descompune ntr-o faz de echilibru stabil,
efectul de memorie fiind astfel pierdut.
Aliajele pe baz de cupru sunt foarte sensibile la viteza de rcire a materialului.
Pentru aliajele Cu-Zn-Al, temperaturi stabile, se obin numai prin aplicarea unui
tratament de mbtrnire dup rcire, tratament obinut, spre exemplu, prin meninerea
30

aliajului la o temperatur de 800C, timp de 24 de ore.

Una dintre cele mai uzuale metode utilizate este metoda de rcire n doi sau mai
muli pai, cnd are loc rcirea aliajului la o temperatur intermediar, imediat dup
betatizare, urmat de rcirea la temperatura mediului ambiant. Dac ns, are loc
rcirea direct la temperatura mediului, aliajul va beneficia de o stabilizare martensitic,
care poate conduce la o transformare incomplet austenitic, n timpul nclzirii
ulterioare, fapt ce implic obinerea unor temperaturi As i Af mai ridicate.
Aliajele Cu-Al-Ni sunt, n general, supuse unei betatizri realizate prin nclzirea
la temperaturi ridicate, urmat de o rcire n ap rece. Tratametul de mbtrnire,
destinat stabilizrii transformrii, const n meninerea aliajului la o temperatur de
1500C timp de o or.
Aliajele Cu-Zn-Al, cu un slab coninut de aluminiu, au o temperatur de lucru
mic, util n aplicaii practice i o contracie la rece de cel puin 20%. Aceste aliaje pot
fi rcite, cu condiia ca la fiecare pas de rcire s aib loc i o clire intermediar a
materialului. Un coninut mare de aluminiu va deteriora comportamentul la temperaturi
mici. Prezena magneziului va mbunti comportamentul la temperaturi sczute, chiar
i n prezena unui coninut ridicat de aluminiu.
Aliajele Cu-Al-Ni, prezint o ductibilitate redus, la temperaturi sczute, datorit
prezenei fazei gamma. Acesta este de fapt motivul pentru care aceste aliaje lucreaz
n special la temperaturi ridicate, mai ales n regiunea fazei beta. Nivelul concentraiei
de nichel este recomandat a fi meninut sub 7%, pentru a nu afecta prea mult
comportamentul la temperatur sczut. Un dezavantaj major al acestui aliaj este faptul
c, n timpul tratamentului termic, aliajul prezint apariia unei granulaii de rcire mari.
Aceast granulaie este de ordinul milimetrilor, fapt ce conduce la apariia aspectului

31

rugos al materialului i a interstiiilor granulare.

Un alt efect nedorit, datorat acestei granulaii, este degradarea performaelor
aliajului n timpul proceselor mecano-termice, care conduce la reducerea numrului
ciclurilor de funcionare. Pentru eliminarea acestui dezavantaj, n timpul procesului
termic de durificare, sunt adugate, la aliajele Cu-Zn-Al, respectiv Cu-Al-Ni, cantiti
reduse de bor i titan.
Aceste elemente formeaz particule insolubile, ce inhib creterea granulaiei
sau care favorizeaz formarea nucleelor de particule.
Tehnologiile moderne, ca metalurgia pulberilor sau solidificarea rapid prin
amestec, pot produce granule fine de aliaj pe baz de cupru, fr a mai fi necesar
adugarea unor elemente de reducere a granulaiei. Aliajele de Cu-Zn-Al procesate pe
baza tehnologiei pulberilor au condus la obinerea unor materiale cu granulaie de 30 de
microni, care au oferit un numr de cicluri de funcionare mult mai mare dect aliajele
obinute n condiii tradiionale. Aliajele de Cu-Al-Ni, obinute pe baza tehnologiei
pulberilor, au prezentat o cretere semnificativ a ductibilitii, de circa 7%, fa de o
reducere cu 0,6% a ciclurilor de funcionare, relativ la tehnologiile anterioare.
Cupru-zinc-aluminiu
n general, aliajele Cu-Zn-Al au n compoziie 1525% din greutate Zn, 69%
din greutate Al i restul Cu. A fost descoperit i un aliaj Cu-Zn-Al-Mn. Aliajele Cu-Zn-Al
au un pre mai mic dect aliajele Ni-Ti i caracteristici inferioare. Temperaturile de
transformare se pot modifica uor dup mai multe cicluri (n special la temperaturi de
lucru mai mari de 1000C) sau dac aliajul nu este prelucrat corespunztor. Aceste aliaje
sunt predispuse la apariia fisurilor cnd sunt expuse la unii ageni corozivi.
Cupru-aluminiu-nichel

32

Aliajele Cu-Al-Ni au n compoziie 1314% Al, 34% Ni i restul Cu. Ca i n

cazul Cu-Zn-Al s-a descoperit un aliaj Cu-Al-Ni-Mn. Aliajele Cu-Al-Ni au o ductibilitate
mai mic dect Ni-Ti sau Cu-Zn-Al. Rezistena la coroziune este mai mic dect la Ni-Ti
i costul lor este mai mare dect la Cu-Zn-Al. Aliajele Cu-Al-Ni au o degradare mai
mic a proprietilor de memorie a formei dect Cu-Zn-Al, dup expunerea la
temperaturi n gama 1003500C. n plus, aliajele Cu-Al-Ni au cele mai mari
temperaturi de transformare dintre cele trei aliaje. Aceste aliaje se preteaz la aplicaii,
cum ar fi captori-activatori termici, ce necesit temperaturi ridicate i/sau un histerezis
sczut, de exemplu 100C, cu caracteristici situate ntre cele ale aliajelor Ni-Ti i Cu-ZnAl.
Comportamentul mecanic
n continuare se prezint comportamentul mecanic, al aliajelor cu memorie a
formei, la rcirea i nclzirea lor.
Tipuri de deplasare
Rezultatul rcirii i deformrii aliajului cu memorie a formei este deformaia
acumulat (Figura 15.
Cnd aliajul este nclzit deformaia este recuperat, deoarece atomii revin n
poziiile lor de la temperatura nalt. n Figura 5 se prezint un fir din aliaj cu memorie a
formei care, ndoit la temperatura joas, revine la forma iniial ntins, cnd este
nclzit. Aliajele cu memorie a formei pot fi folosite att pentru deplasarea liniar ct i
pentru cea de la torsiune i ncovoiere.
Figura 15. Acumularea unei deformaii datorat modificrii structurii
Deplasarea liniar poate fi demonstrat prin alungirea unui fir cu memorie a
formei (Figura 16).

33

La temperatura joas firul are lungimea L1 (Figura 16.A). O for aplicat la

temperatura joas ntinde firul pn la lungimea L2 (Figura 16.B). Dup cum se vede n
Figura 16.C, dup ndeprtarea forei, firul rmne la lungimea L2. Cnd firul este
nclzit, se va contracta pn la lungimea iniial L1 (Figura 16.D).
Figura 16. Obinerea deplasrii liniare n cazul unui
fir cu memorie a formei
Micarea de rotaie este ilustrat n Figura 17, folosind o bar cu memorie a
formei torsionat.
Figura 17. Bar din aliaj cu memorie a formei torsionat
Estimarea deplasrii
Mrimea deplasrii care poate fi obinut de la un component cu memorie a
formei este limitat de numrul total de atomi care se repoziioneaz la temperatura
joas, deformnd structura cubic de la temperatura nalt (Figura 10). Aceast
mrime a deplasrii este diferit de la un aliaj la altul (vezi tabelul 1). Pentru nichel-titan
deplasarea maxim este de 8% (aceasta nseamn c la 300 mm de fir de nichel-titan
se poate prevedea o deplasare de 24 mm). Dac elementul cu memorie a formei din
nichel-titan revine la forma liber de la temperatura nalt, cu fore exterioare, exist
probabilitatea ca aceast deplasare de 8% s fie realizat de mai multe ori. Dac sunt
APLICAREA
CUPLULUI
aplicate fore externe semnificative aceluiai element n timpul recuperrii formei, atunci
deplasarea obinut dup cicluri repetate va fi mai mic de 8%.
Comportamentul tensiune-deformaie
Spre deosebire de aliajele convenionale, cum ar fi oelul, care prezint un efect

34

limitat al temperaturii asupra comportamentului tensiune-deformaie, aliajele cu

memorie a formei prezint o dependen de temperatur notabil, datorit
transformrii reversibile austenit-martensit. Figura 18 ne arat comportamentul
tensiune-deformaie al unui aliaj cu memorie a formei la sau sub temperatura Mf,
microstructura constnd din variante de martensite aleator orientate (se presupune c
materialul a fost rcit de la starea de austenit fr a aplica o solicitare).
Conform Figura 18, segmentul de curb iniial OA reprezint deformarea
elastic, pn cnd nivelul de tensiune devine suficient pentru a reorienta maclele n
concordan cu solicitarea aplicat, n punctul A.
Figura 18. Comportamentul tensiune-deformaie al unui aliaj
cu memorie a formei la sau sub temperatura Mf
Pe segmentul AB maclele se orienteaz pn cnd toate se stabilesc n aceeai
direcie cristalografic, acest fenomen fiind cunoscut sub numele de demaclare.
Demaclarea este complet n punctul B. Martensita sufer din nou o deformare elastic
n poriunea BC. n punctul C nivelul de tensiune este suficient pentru a determina
deformarea plastic a martensitei. Pentru cele mai multe aliaje, dac nu pentru toate,
punctul C este limita superioar a tensiunii permise, dup care efectul de memorie a
formei este distrus sau puternic diminuat de deformarea plastic a martensitei. n cele
mai multe proiectri aliajul va fi supus unei tensiuni ntre punctele A i B, aa cum se
arat n Figura 18.
Figura 19 prezint comportamentul tensiune-deformaie, al unui aliaj cu memorie
a formei la o temperatur mai mare dect Af i mai mic dect Md, adic atunci cnd
aliajul are n totalitate structur de austenit. i de aceast dat segmentul de curb
iniial pn la un punct a reprezint doar deformarea elastic. Din punctul a ncepe

35

s se formeze martensita din faza de austenit. Acest structur este numit martensit
indus prin solicitare mecanic. n poriunea de curb ab matricea de austenit e
convertit n martensit cu orientare cristalografic omogen.
Segmentul bc reprezint deformarea elastic, deformarea plastic aprnd
dup punctul c, similar situaiei din Figura 18. Pentru comportamentul de descrcare
al aliajelor cu memorie a formei la temperaturi ntre Af i Md, trebuie vzut capitolul
patru
al acestei lucrri. Curbele tensiune-deformaie, la temperaturi tot mai nalte sunt similare
cu cele din Figura 19, exceptnd faptul c nivelul de tensiune la care se formeaz
martensita indus prin solicitare mecanic, este mai mare (acesta crescnd liniar cu
creterea temperaturii). Exist o temperatur limit superioar pentru formarea
DEFORMATIE
DEMACLARE
martensitei induse prin solicitare mecanic, notat cu Md. La temperaturi mai mari dect
Md deformarea neelastic face imposibil formarea martensitei induse.
Figura 19. Comportamentul tensiune-deformaie la
temperaturi peste Af i sub Md
Figura 20 prezint curba tensiune-deformaie, a unui aliaj cu memorie a formei, peste
temperatura Md; se observ c, n acest caz, comportamentul aliajului devine similar cu
cel al materialelor convenionale.
Figura 20. Comportamentul tensiune-deformaie
peste temperatura Md
Figura 21 este rezultatul combinrii curbelor din Figura 18 i Figura 19 ,
explicnd efectul de memorie a formei n funcie de tensiune i deformaie. Figura 21
evideniaz parametrii iniiali pe care se bazeaz proiectarea tuturor aliajelor cu
36

memorie a formei. Punctul de joas temperatur, determinat de coordonatele M i

M,
reprezint starea de deformare a elementului cu memorie a formei, cum ar fi un fir, n
faza martensitic (ntlnit la temperatura Mf). Cnd firul este nclzit, curba ajunge n
punctul avnd coordonatele A i A i firul se contract ridicnd greutatea "W".
Curbele din Figura 21 pot fi refolosite de proiectant de fiecare dat cnd ncepe
un nou proiect, ca un prim pas n aciunea de proiectare.
DEFORMATIE
DEFORMATIE
DEFORMATIE
Figura 21. Curbele tensiune-deformaie care arat
efectul de memorie a formei
Astfel, sunt furnizate proiectantului valorile unui anumit numr de parametri: A,
M, A, M, valori care trebuie s determine mrimea elementului cu memorie a
formei;
n exemplul nostru se pot determina lungimea i diametrul firului, parametrii selectnduse
dup cerine. n general, se procedeaz dup cum urmeaz:
1. tensiunea maxim dorit A i greutatea W, care trebuie deplasat, sunt
folosite pentru a determina diametrul sau grosimea elementului cu memorie a formei;
2. valorile pentru M (definite de proiectant), A (determinate pornind de la
modulul lui Young i tensiunea maxim A) i cursa cerut sunt folosite pentru
determinarea lungimii materialului care va fi utilizat la elementul cu memorie.
Proprieti ale aliajelor cu memorie a formei
Tabelul 2.1 ne d proprietile legate de memoria formei pentru trei dintre cele
mai utilizate aliaje.

37

Tabelul 2.1 Proprieti legate de memoria formei

PROPRIETATEA Ni-Ti Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni
Temperatura maxim As [0C] 100 120 200
Deformaia maxim pe o direcie
[%] 8 6 5
Histerezis [0C] 12 - 50 10 - 25 15 - 20
Limita de curgere la temperatur
nalt [MPa] 415 350 400
Limita de curgere la temperatur
joas [MPa] 70 80 130
Rezistena de rupere la traciune
[MPa] 700 600 500 800
Tabelul 2.2 prezint cteva proprieti ale celor trei aliaje.
Tabelul 2.2 Proprietile unor aliaje cu memorie a formei
PROPRIETATEA Ni-Ti Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni
Densitatea [g/cm3] 6,5 7,6 8,0 7,2
Rezistivitatea [cm] 80 - 89 8,5 - 9,7 11 - 13
Cldura specific [J/KgK] 837 400 373 - 574
Conductivitatea termic
[J/msK] 18 120 30 - 43
Figura 22 arat intervalele de temperaturi de transformare pentru aliajele de uz
industrial i de laborator.
* Aliaje de uz comercial

38

Figura 22. Intervale de temperaturi de transformare

la aliaje cu memorie a formei
MBINRI
mbinarea materialelor din aliaje cu memorie a formei este dificil. Dificultatea de
mbinare a lor este dat tocmai de proprietatea pentru care aliajele cu memorie a formei
sunt aa de folosite i anume alungirea i contracia lor. Experiena a artat c, aliajele
cu memorie a formei sufer deformaii n jur de 8%, ca rezultat al ciclurilor termice, n
timp ce, aliajele convenionale se alungesc i se contract cu maxim 0,5% prin
schimbarea temperaturii. Prin urmare, dac se face o mbinare prin sudur ntre un aliaj
cu memorie a formei i un aliaj convenional, cum ar fi oelul inoxidabil, n sudur va fi
prezent totdeauna o tensiune indus termic, care de regul va duce la apariia, n cele
din urm, a unei fisuri.
Alt problem privete zona afectat de cldur n timpul sudrii. Temperaturile
relativ nalte produse n timpul sudrii pot modifica semnificativ comportamentul
aliajului
cu memorie a formei. De exemplu, temperaturile mai mari de 600C vor afecta
majoritatea aliajelor nichel-titan, reducndu-le fora de aciune i amplitudinea deplasrii
care se pot obine dup cicluri repetate (sub sarcin). Pentru unele aplicaii aceste
efecte din zona de mbinare pot fi acceptate. Dac este cerut numai un numr foarte
mic de cicluri, atunci poate fi acceptat o mbinare sudat, lipit sau cositorit.
Se tie c aliajele nichel-titan i Cu-Zn-Al pot fi lipite folosind o umplutur de
argint, ns la locul de lipire este posibil apariia unei fisuri dup cteva sute de cicluri
severe.
n prezent, cea mai convenabil metod de mbinare este prin cteva mijloace
mecanice. mbinarea prin strngere este metoda folosit cu cel mai mare succes. n
39

general, de la o mbinare mecanic reuit se cere s se furnizeze suficient for de

legtur n condiiile unor cicluri termice i s se permit modificarea dimensiunilor
aliajului cu memorie a formei fr o schimbare semnificativ a acestei fore. Aceasta
este n mod curent evideniat de rspunsul elastic al materialului la mbinarea prin
strngere.
mbinarea mecanic este folosit pentru unirea sau fixarea capetelor firelor din
aliaj cu memorie a formei. Aceast metod este folosit uneori i pentru limitarea
alungirii arcurilor elicoidale. Mecanismele care conin arcuri elicoidale de compresiune
nu necesit, de regul, fixare; de exemplu, arcul este fixat prin contactul cu
componentele adiacente sau prin orificiile n care este introdus. Arcurile elicoidale de
ntindere prevzute cu crlige la capete, pun o problem interesant de mbinare.
ntradevr,
dac n timpul procesului de modelare a formei se nclzete ntregul arc,
atunci crligul terminal va tinde s se deformeze la temperaturi joase, fiind prin urmare
ineficient sau nesigur.
Dup proiectarea efectiv a componentei cu memorie a formei, metodologia de
mbinare reprezint probabil urmtoarea mare provocare adresat inginerului
proiectant. Experiena arat c tehnicile de mbinare trebuie s fie de natur mecanic
i c acestea trebuie s fie considerate parte integrant a proiectului.
CONFIGURAII TIPICE I MODURI DE
OPERARE PENTRU ALIAJELE CU MEMORIE A
FORMEI
n funcie de modul de operare, elementul cu memorie, la nclzire, poate s-i
recupereze forma (liber sau n condiii restrictive) i s produc lucru mecanic
funcionnd mpotriva unor fore constante sau variabile. Elementele cu memorie,
40

acionate termic sau electric, posed un mare potenial pentru a fi utilizate la dispozitive
de acionare cu diverse configuraii, cu o funcionare eficient, silenioas, simpl i cu
posibilitatea de a se controla pas cu pas modul de operare.
MODURI DE RECUPERARE A FORMEI
Modul de operare cu un element cu memorie a formei depinde de forma
elementului, de caracteristicile lui, precum i de ansamblul din care acesta face parte.
Recuperarea liber
Recuperarea liber are trei etape:
1. deformarea aliajului cu memorie a formei n starea martensitic la temperatur
joas;
2. ndeprtarea forei deformante (cnd poate avea loc i o uoar revenire);
3. nclzirea peste temperatura Af pentru a recupera forma de la temperatura
nalt.
n afar de jucrii i de demonstrarea efectului de memorie exist puine aplicaii
practice care folosesc recuperarea liber, ilustrat n Figura 5.
Recuperarea n condiii restrictive
Recuperarea n condiii restrictive este modul de operare folosit pentru cuple,
cleme i conectori electrici. Pentru a o nelege mai uor s ne imaginm un ax solid
rigid i un inel din aliaj cu memorie a formei (A.M.F.) cu diametrul interior puin mai mic
dect axul (Figura 23).
Inelul este lrgit la temperatura joas dup care este aezat pe ax. Apoi, inelul
este nclzit i i recapt forma parial, pn ia contact cu axul. Dup contact,
revenirea se oprete aprnd n schimb o tensiune n inel.
S-a observat c tensiunea de revenire crete cu deformarea de contact (de

41

exemplu cu deformarea inelului dup contactul cu axul). Deformrile de contact mici ar

trebui evitate deoarece conduc la tensiuni de contact diminuate. Aceasta arat c are
loc o reducere a posibilitii de recuperare a deformaiei, s zicem de la 8% la 6%
pentru aliajul nichel-titan. Cu aliaje nichel-titan clite s-au obinut tensiuni de revenire ce
depesc 700 Mpa.
n aplicaiile reale suportul nu este rigid ci sufer fie o deformare plastic, fie una
elastic. n acest caz tensiunea final i deformaia sunt influenate n mare msur de
proprietile mecanice ale suportului.
Figura 23. Recuperarea n condiii restrictive
Cuplele cu memorie a formei CryofitTM, produse de Advanced Metal Components
Inc., sunt folosite pentru mbinarea tuburilor i conductelor, mai ales n liniile hidraulice.
Acestea sunt fabricate sub forma unui manon lrgit care acoper capetele tuburilor de
mbinat. Cnd manonul este montat se nclzete i i reduce diametrul prinznd
tuburile i formnd o mbinare strns. Ele sunt folosite n aplicaii care necesit o
mbinare compact i sigur, de exemplu, mbinarea tuburilor hidraulice n aplicaiile
aerospaiale. Au fost folosite, de asemenea, n aplicaii industriale i marine. Cuplele
Cryofit sunt livrate, n general, n azot lichid i necesit unelte speciale de instalare.
Aceste cuple criogenice se contract i formeaz o mbinare definitiv cnd ajung la
temperatura de lucru a aplicaiei. Recent, a fost descoperit un aliaj nclzete pentru a
strnge din nichel-titan, care permite livrarea cuplelor la temperatura camerei i apoi
nclzirea n timpul instalrii pentru a realiza mbinarea.
Unul dintre principalele dezavantaje ale acestor cuple este costul lor relativ
ridicat comparativ cu alte metode de mbinare. ns ele fiind foarte sigure sunt folosite
des n aplicaii de uz militar, cum ar fi avioanele de vntoare militare.

42

n Figura 24 este prezentat o schem a conectorului electric cu memorie a

formei CryotactTM, produs de Raychem Corporation.
Figura 24. Conector CryotactTM
Conectorul se compune dintr-un contact rigid (din beriliu-cupru) i un element de
acionare cu memorie a formei. Ca i n exemplul cu cuplele CryofitTM, elementul de
acionare cu memorie este alungit la temperaturi joase, contactul se deschide,
permind introducerea picioruului cipului electronic. Ansamblul este lsat apoi s se
nclzeasc la temperatura de lucru i elementul de acionare cu memorie a formei se
contract prinznd strns picioruul. Din nou este nevoie de dispozitive speciale dar,
spre deosebire de cuple, ansamblul poate fi deschis i nchis de multe ori dac
componenta electronic trebuie nlocuit. Conectorii sunt folosii pentru conectarea
circuitelor dublu integrate. Ei au avantajul unei fore de strngere mari i a unei fore de
inserie nule.
Betaphase Inc. a realizat un conector electric pentru circuite imprimate. n acest
caz un element de acionare cu memorie a formei deschide un conector cu contacte
multiple cnd este nclzit, iar un arc din beriliu-cupru furnizeaz fora de strngere,
cnd ansamblul se rcete.
O aplicaie tipic de fixare o constituie inelele din srm de Ni-Ti, TinelLockTM,
fabricate de Raychem Corporation i folosite pentru prinderea unui conector de
mantaua de ecranare electromagnetic a unui cablu. Inelul se instaleaz la temperatura
camerei, apoi se comprim la nclzirea realizat electric. Inelele cu memorie a formei
pot fi, de altfel, folosite i la sigilarea componentelor speciale, la repoziionarea unui
angrenaj sau a lagrului pe ax.
Producerea de lucru mecanic - dispozitive de acionare

43

n acest mod de operare elementul cu memorie a formei, ca firul sau arcul

elicoidal, funcioneaz mpotriva unor fore constante sau variabile. Aceste elemente
genereaz fore i deplasri la nclzire. Cel mai simplu mod de operare este
funcionarea mpotriva unei fore constante. n Figura 25 este ilustrat o greutate
uoar suspendat de un fir cu memorie a formei.
TEMPERATUR NALT
Figura 25. Mod de lucru al unui fir cu memorie a formei
La temperatura joas firul se va deforma pn la lungimea L1, impus de un
limitator mecanic. La temperatura joas, fora exercitat de fir, F1, este mult mai mic
dect fora exercitat de greutatea W. Cnd firul este nclzit peste temperatura Af, el
revine la lungimea L 2 , cu o for F 2 egal cu fora gravitaional a greutii date.
Elementele cu memorie a formei pot funciona mpotriva diverselor fore, cum ar
fi fora generat de un arc de oel, presiunea fluidelor sau o for magnetic. Aplicarea
forelor exterioare, incluznd prencrcarea, sarcina, frecarea, produce modificri
semnificative ale temperaturilor de transformare i deci influeneaz histerezisul termic
al ntregului sistem. Prin urmare, este greu s se prezic exact comportamentul de
histerezis al oricrui sistem de acionare cu memorie a formei. De aceea pentru unele
prototipuri, ce necesit un reglaj fin, trebuie fcute unele ncercri preliminare.
DISPOZITIVE DE ACIONARE
Aliajele cu memorie a formei posed un mare potenial pentru a fi utilizate n
aplicaiile cu dispozitive de acionare. Ele pot fi folosite n diferite configuraii incluznd
arcurile elicoidale, grinzile n console, firele drepte, tuburile i arcurile torsionate.
Avantajele lor constau ntr-o funcionare eficient, silenioas, simpl i ntr-un control
pas cu pas al modului de operare.

44

Arcuri cu memorie a formei

Folosirea aliajelor cu memorie a formei sub form de arcuri elicoidale pare s
aib rezultate promitoare n aplicaiile cu dispozitive de acionare. Un arc cu memorie
a formei are caracteristicile for/deplasare rezonabile, o mrime compact i o
proiectare simpl.
Fora, pe care un arc dintr-un material oarecare o produce la o deviere dat,
depinde n mod liniar de modulul de forfecare al materialului. Aliajele cu memorie a
formei prezint o mare dependen de temperatur a modulului de forfecare al
materialului, care crete odat cu temperatura. Prin urmare, pe msur ce se mrete
temperatura, fora exercitat de un arc cu memorie a formei crete alarmant. Figura 26
ne arat un arc cu memorie a formei n diferite stri.
n partea dreapt a Figura 26, arcul se afl la o temperatur nalt cnd este
nencrcat. Aceasta este lungimea iniial pe care arcul a memorat-o i de care i va
aminti cnd se va nclzi la temperaturi mai mari dect Af. Aa cum se vede, n centrul
figurii 3.4, dac o greutate este plasat pe arc, cnd acesta este nclzit se va produce
o deplasare pn cnd apare o for egal cu fora aplicat, W. Dac temperatura este
acum cobort pn la Mf, arcul va deveni foarte mic i greutatea W l va comprima la
maxim, aa cum se vede n partea stng a Figura 26. Dac arcul este apoi nclzit va
reveni la lungimea exemplificat n centrul Figura 26, efectund un lucru mecanic egal
cu: (Wdeplasarea). Acest ciclu poate fi repetat de mai multe ori.
TEMPERATUR JOAS
Figura 26. Strile unui arc cu memorie a formei
Figura 27 prezint o situaie n care greutatea a fost nlocuit cu un arc realizat
dintr-un material convenional, de exemplu oelul. Fora cu care arcul cu memorie a

45

formei trebuie s se opun, variaz cu deplasarea. La temperatur joas arcul de oel

este capabil s comprime total arcul cu memorie a formei (Figura 27).
Figura 27. Deplasare n dublu sens obinut prin utilizarea
unui arc (de oel) de pretensionare
Cnd temperatura arcului cu memorie a formei crete, acesta se alungete
comprimnd arcul de oel i micnd astfel pistonul. Aceast metod de tensionare ne
ajut, n mod convenabil, s obinem o micare n dublu sens a unui arc cu memorie a
formei, fiind cea mai uzual metod folosit n aplicaiile cu dispozitive de acionare.
Consideraii teoretice privind dispozitivele de acionare
Dispozitivele de acionare cu memorie a formei sunt considerate ca fiind
dispozitive de putere redus concurnd astfel cu solenoizii, bimetalele i ntr-o anumit
msur cu motoarele wax. n tabelul 3.1 se compar caracteristicile diferitelor tipuri de
dispozitive de acionare de putere redus. Se estimeaz c arcurile cu memorie a
formei pot produce un lucru mecanic de peste o sut de ori mai mare dect n cazul
utilizrii bimetalelor termice. Uneori, n aplicaiile n care spaiul este limitat i cnd sunt
necesare fore relativ mari, pot fi folosite arcurile cu memorie a formei, cu toate c sunt
mai costisitoare dect bimetalele. n aplicaiile unde nu exist constrngeri speciale i
care necesit fore mici, bimetalele vor domina prin preurile lor sczute. De aceea,
dispozitivele din aliaje cu memorie a formei le pot nlocui, dar numai n cazul n care
este necesar o for relativ mare.
Tabelul 3.1 Caracteristicile dispozitivului de acionare
TIPUL TEMPERATUR
A
DEPLASARE

46

A CARACTERISTICI
Solenoid -50 la +1200C Liniar
-construcie simpl
-pre sczut
Bimetal -40 la +6000C ncovoiere
-pre sczut
-rspuns liniar
INITIALA
A
ARCULUI
Motor wax -40 la +1800C Liniar
-for mare
-pre sczut
-rspuns liniar
Aliaj cu
memorie a
formei
-100 la +1700C
Liniar
Torsiune
ncovoiere
- for mare/mrime
-construcie simpl
-rspuns liniar sau

47

neliniar
-funcionare
silenioas
-control termic i
electric
Motoarele wax produc fore mari, de ordinul a 300 N, iar dac ne intereseaz
numai fora, sunt mai economice dect arcurile cu memorie a formei. Totui, motoarele
wax sunt mai voluminoase i au un timp mai mare de rspuns. De aceea dispozitivele
de acionare din aliaje cu memorie a formei le pot nlocui, dar numai n cazul n care
este necesar o for relativ mic.
Pentru c Ni-Ti poate fi acionat electric relativ uor, arcurile i firele executate
din acest aliaj pot nlocui solenoizii n anumite aplicaii. Solenoizii obinuii au o for de
acionare mare i un pre unitar sczut n comparaie cu aliajele cu memorie a formei,
dar sunt voluminoase, zgomotoase i genereaz fore de inerie mari. n situaia n care
forele implicate sunt de ordinul a 10 N, spaiul este limitat, nivelul de zgomot i efectul
de inerie cerute sunt reduse, atunci arcurile i firele din aliaje cu memorie a formei pot
concura cu solenoizii. De altfel, dispozitivele de acionare din aliaje cu memorie a
formei, energizate electric genereaz o mai mic interferen electromagnetic dect
solenoizii. n general, vom avea un timp de rspuns mai rapid al solenoizilor dect al
dispozitivelor de acionare din aliaje cu memorie a formei energizate electric.
Dispozitivele de acionare cu fire cu memorie a formei pot da i fore destul de
mari, dar aciunea lor este strict dependent de lungimea srmei.
Folosirea aliajelor cu memorie a formei poate simplifica cteodat mecanismul
sau procedeul, reducnd numrul de subansamble i crescnd sigurana, deci

48

reducnd costurile de producie (fiabilitate ridicat).

Acionarea termic
Cel mai important lucru, referitor la acionarea termic a dispozitivelor de
acionare cu memorie a formei, este stabilirea cerinelor legate de temperaturile de
transformare, pentru o aplicaie dat. Cea mai ridicat temperatur poate fi peste Af, cel
puin la nceput, dar s nu scad niciodat mai jos de Ms, exceptnd numai situaia n
care elementul este resetat. Temperatura joas trebuie s fie cel puin ct Mf, la rcire,
dar niciodat nu trebuie s fie deasupra lui As.
Un alt factor important este temperatura maxim de expunere. Aliajele Ni-Ti au
o temperatur maxim de expunere de 2500C, urmate de aliajele Cu-Al-Ni cu
temperatura de 2000C i Cu-Zn-Al cu temperatura de 1200C. n general, se recomand
s se pstreze temperatura de operare a dispozitivelor de acionare cu memorie a
formei la o valoare la care se poate evita deteriorarea prin efecte termice, cum ar fi
deteriorarea temperaturilor de transformare structural i de fluaj (n special la Cu-ZnAl).
Un alt factor important este timpul de rspuns al dispozitivului de acionare. n
cele mai multe aplicaii transferul de cldur se face prin convecie. Aliajele
dispozitivelor de acionare, pe baz de Cu, tind s aib un timp de rspuns mai mic
dect cele pe baz de Ni-Ti, la forme i mrimi similare, datorit capacitii de nclzire
mici i conductivitii termice mari. n cazul dispozitivelor de acionare cu memorie a
formei timpul de rspuns este, de asemenea, n strns dependen de condiiile
mediului i de configuraie, adic de form, de raportul arie/volum etc. Pentru
configuraii cu srme i arcuri, timpul de rspuns este direct proporional cu diametrul
srmei. S-a constatat c, n cazul firelor cu diametrul mai mic de 0,13 mm, raportul

49

arie/volum se mrete foarte mult, iar timpul de rcire devine destul de rapid. Situaia
ideal este atunci cnd dispozitivul de acionare rspunde la temperatura fluidului n
care acesta este imersat.
Dispozitive pe baz de nichel-titan cu acionare electric
Pentru c are o rezistivitate mare de 80 pn la 89 micro ohmcm, Ni-Ti se poate
nclzi singur la trecerea curentului electric prin el. Timpul de rspuns este dependent n
mare msur de mrimea curentului folosit, de diametrul firului, de temperatura
mediului ambiant i de configuraia dispozitivului de acionare. De exemplu, un fir drept
al unui dispozitiv de acionare din Ni-Ti, cu diametrul de 0,6 mm necesit un curent
de 3,5 pn la 4 amperi pentru o acionare n 3 secunde, la temperatura camerei i fr
rcire forat. Pe de alt parte, un fir cu diametrul de 0,15 mm are nevoie numai de 0,4
amperi pentru un timp de acionare de o secund.
Tensiunea electric necesar este dependent de rezistena total a
elementului, care depinde de raportul diametru/lungime i de lungimea total a
elementului.
Unui dispozitiv de acionare din Ni-Ti i se poate aplica direct c.a. sau c.c., dar
trebuie s se aib n vedere s nu se depeasc temperatura maxim de 2500C, n
ideea evitrii instabilitii termice. Un control mai bun i o nclzire uniform sunt
posibile folosind metoda numit modulaie n lime a impulsului, n care variabila de
control nu este amplitudinea curentului care rmne constant, ci durata acestuia.
n varianta utilizrii curentului continuu, timpii de rcire i nclzire avnd o
variaie logaritmic la temperatura camerei, n condiiile de mediu, timpul de revenire (la
rcire) poate fi o problem n cazul diametrelor firelor mai mari de 0,5 mm.
Comportarea ciclic

50

La dispozitivele de acionare cu memorie a formei supuse la cicluri

termomecanice pot s apar dou dezavantaje:
1. mbtrnirea clasic prin oboseal;
2. pierderea deplasrii prin cicluri termice repetate.
Din pcate, exist foarte puine date disponibile privind comportamentul ciclic.
Oricum, pot fi fcute cteva comentarii generale. Creterea degradrii deplasrii, care
apare n urma ciclurilor termice, este puternic dependent de tensiunea aplicat.
Dispozitivele de acionare cu arc din Ni-Ti, supuse unor cicluri termice, sub o tensiune
de forfecare de aproximativ 172 MPa, nregistreaz o pierdere de aproximativ 15% a
deplasrii, dup 100000 cicluri. Aceast pierdere este liniar cu logaritmul numrului de
cicluri, cu un mare procentaj al pierderii nregistrat dup primele cteva mii de cicluri.
n general, mbtrnirea clasic prin oboseal nu reprezint o problem pentru
dispozitivele de acionare din Ni-Ti supuse unor cicluri termice. Aceasta devine o
problem de baz n cazul elementelor de Ni-Ti supuse ciclurilor electrice. Cu o valoare
nominal a tensiunii de forfecare de 172 MPa s-a constatat c efectul de mbtrnire
prin oboseal apare dup 25000 pn la 50000 de cicluri, n cazul energizrii electrice a
unui arc elicoidal din Ni-Ti. Durata la oboseal, n cazul acionrii electice, este puternic
dependent de condiiile de mediu, care conduc la efectul de curgere i la localizarea
concentrrilor de tensiune. n multe cazuri punctele terminale electrice ale dispozitivului
de acionare coincid cu punctele terminale mecanice, care sunt adesea zone de
concentrri ale tensiunii. Aceast situaie ar trebui evitat deoarece punctele conectate
electric sunt conexiuni reci i exist gradieni termici care pot cauza prezena unor
amestecuri de faze de martensit i austenit, situaie cunoscut ca fiind duntoare
ciclului de via. n schimb, este de preferat s se realizeze o separare a poziiilor

51

terminalelor electrice i mecanice ale unui dispozitiv de acionare, prin extinderea

materialelor cu memorie a formei dincolo de terminalele mecanice ale dispozitivelor de
acionare.
Cu-Zn-Al poate suferi fisuri la limitele de granulaie, datorate segregrii Zn n
aceast zon. De altfel, ca rezultat al ciclrii, se formeaz n martensit un numr mare
de fisuri mici; acestea pot constitui un punct de plecare pentru mbtrnirea prin
oboseal.
n general, aliajele Cu-Zn-Al sunt mai rezistente dect aliajele Cu-Al-Ni supuse la
mbtrnirea clasic prin oboseal, deoarece limita de curgere a aliajului Cu-Zn-Al este
aproximativ o treime din cea a aliajului Cu-Al-Ni, deci, Cu-Zn-Al se poate deforma
plastic n zonele de concentrare intern a tensiunii. n acest fel, se reduce tendina de
formare a fisurilor. Pentru aliajele Cu-Zn-Al trebuie folosite nivele sczute ale
tensiunilor, deoarece limitele de curgere mai mici le fac mult mai susceptibile la pierderi.
Aliajele Cu-Al-Ni sunt predispuse la fisuri prin oboseal, generate la limitele de
granulaie.
Trebuie accentuat c testarea oboselii ar trebui fcut n condiii ct mai
apropiate de cele din aplicaiile actuale, n ideea ca datele obinute s fie semnificative.
Aplicaiile dispozitivelor de acionare
Printre domeniile n care se poate folosi acionarea termic se numr i cel al
automobilelor:
cupl-ventilator;
controlul motorului;
controlul transmisiei.
Acionarea electric n automobile are aplicaii n:

52

 lmpi de cea;
faruri escamotabile;
controlul presiunii tergtoarelor.
Aplicaii posibile:
acionri electrice la: maini de splat vase, maini de splat i frigidere
(nlocuirea solenoizilor);
acionri termice la: cuptoare, recipiente pentru ap fierbinte, radiatoare
portabile, cafetiere i ceainice.
Poteniale aplicaii pentru acionarea electric exist de asemenea i n robotic.
n acest caz este posibil s folosim variaiile rezistivitii aliajelor cu memorie a formei la
poziionarea autocontrolat. Configuraiile cu fire elastice cu memorie a formei sunt cele
mai cunoscute n aplicaiile din robotic, datorit naltei lor eficiene. Dispozitivele de
acionare cu fire cu memorie a formei cntresc aproximativ 1/10 din greutatea
convenional a unui servomotor. Att firma Toki ct i Furukawa Companies au
dezvoltat cercetarea braelor de roboi, folosind fire de Ni-Ti acionate electric. Un robot
crab pentru mineritul subacvatic de mangan a fost, de asemenea, propus ca o
aplicaie a dispozitivului de acionare din Ni-Ti.
Protecia mpotriva incendiilor este o alt zon de aplicaie, iar aliajele pe baz
de Cu par s domine aceast zon. Firele din aliaje cu memorie a formei au fost folosite
ca senzori electrici (utiliznd modificarea rezistivitii cu temperatura) pentru detectarea
incendiilor. Alte aplicaii mpotriva incendiilor, care necesit ca mari suprafee s fie
protejate, folosesc firul att ca senzor ct i ca element de acionare. Domeniile
adiacente proteciei mpotriva incendiilor includ folosirea dispozitivelor de acionare cu
memorie a formei la supapele de opturare a gazelor i la stropitorile de ap. Avantajul

53

folosirii dispozitivelor de acionare cu memorie a formei mpotriva incendiilor este acela

c ele rspund odat cu creterea temperaturii mediului ambiant, putnd astfel anticipa
incendiul.
Un alt domeniu de aplicare al dispozitivelor de acionare cu memorie a formei l
constituie ntreruptoarele. Datorit cerinelor de temperaturi de transformare nalte,
aliajele pe baz de Cu au o aplicabilitate mai mare, n acest domeniu, dect cele de NiTi. Instalarea proteciilor contra scurtcircuitelor este dificil pentru elementele de
acionare cu memorie a formei, deoarece, de obicei, se dezvolt o temperatur nalt i
acest lucru tinde s strice memoria formei elementului sau cel puin s-i degradeze
serios aciunea.
Protecia mpotriva suprancrcrii staionare pare s fie un domeniu mult mai
promitor, n special pentru Cu-Al-Ni (limita de temperatur fiind 1700C). Folosirea
memoriei n acest domeniu permite simplificarea construciei n comparaie cu
bimetalele termice, care necesit mecanisme speciale de nchidere mecanic.
Deoarece rspunsul este termic, folosirea lor poate elimina falsele alarme datorate
ocurilor electrice pentru c ocul este diminuat de transferul de cldur. Din nou,
problema n acest domeniu pare s fie degradarea termic.
Consideraii mecanice
Cel mai mare succes n aplicaii l au componentele din aliaje cu memorie a
formei care posed, n mod curent, toate sau majoritatea urmtoarelor caracteristici:
1. proiectare mecanic simpl;
2. componenta cu efect de memorie a formei este introdus rapid i susinut de
celelalte pri din ansamblu;
3. componenta cu efect de memorie a formei este n contact direct cu

54

nclzirea/rcirea mediului;
4. frecarea este minimizat i nu exist concentrri de fore i tensiuni;
5. cerine de for i deplasare minime pentru componentele cu memorie a
formei;
6. componenta cu efect de memorie a formei este izolat (decuplat) fa de
forele accidentale cu variaie mare;
7. toleranele tuturor componentelor se coreleaz n mod realist cu cele ale
componentei cu efect de memorie.
Configuraii tipice ale dispozitivelor de acionare cu memorie a formei
Figura 28 prezint o aplicaie tipic, a elementului cu memorie, la o supap n
care fluidul curge perpendicular pe direcia de acionare a unui arc cu memorie a formei.
Figura 28. Controlul supapei prin efectul de memorie, cu
acionare perpendicular pe direcia de curgere
Figura 29 prezint o aplicaie care se refer la o supap n care fluidul (gazul)
curge dup o direcie paralel cu direcia de acionare a unui arc cu memorie a formei.
Figura 29. Controlul supapei prin efectul de memorie, cu acionare
paralel la direcia de curgere
Figura 30 ne arat un arc cu memorie a formei folosit s nchid i s deschid
o ieire de aer.
Figura 31 ilustreaz operaia de nchidere a supapei, care trebuie s
funcioneze asemenea unui mecanism de siguran pentru blocarea curgerii gazului n
cazul unui incendiu sau a atingerii unor temperaturi extreme. Trebuie subliniat c acest
arc cu memorie este utilizat la degajarea mecanismului de nchidere a supapei, deci el
lucreaz numai mpotriva frecrii.

55

Figura 30. Controlul ieirii aerului utiliznd efectul de memorie

Acest tip de proiect permite componentei din aliaj cu memorie a formei s controleze
fore relativ mari.
Figura 31. Mecanism de nchidere utiliznd efectul de memorie a formei
Figura 32 arat cum poate fi folosit un arc cu memorie a formei la controlul unui
clopot cu manivel.
Figura 32. Mecanismul unui clopot cu manivel care utilizeaz memoria formei
Prin schimbarea dimensiunilor manivelei clopotului pot fi obinute diferite
combinaii pentru for i deplasare pentru ajustarea avantajului mecanic.
Ca un ultim exemplu de aplicaie tipic a aliajelor cu memorie, Figura 33 prezint
o bar cu memorie a formei (adic o grind n consol) folosit pentru controlul termic al
microntreruptorului care, de altfel, se poate aciona i manual.
Figura 33. Controlul microntreruptorului prin efectul de memorie
Acest tip de sistem poate fi folosit pentru a asigura controlul automat i manual al
ventilatoarelor de rcire

56