Instytut Nauki o Materiałach
Uniwersytet ÅšlÄ…ski w Katowicach
ul. 75 Pułku Piechoty 1A, 41-500 Chorzów, tel. [phone], e-mail: [e-mail]
Nazwa modułu: Biomateriały
Instrukcja do ćwiczenia nr 6
 Badanie zjawiska nadsprężystości
w stopie NiTi z pamięci kształtu
Wprowadzenie teoretyczne:
Stopy metali z pamięcią kształtu można zaliczyć do nowej grupy materiałów inteligentnych, czyli
takich, które są zdolne do reagowania na bodz
ce zewnętrze przez istotną zmianę swoich
właściwości dla pożądanej i skutecznej odpowiedzi na te bodz
ce. Ich szczególne własności, jakimi
są efekty pamięci kształtu, nadsprężystość, są ściśle związane z odwracalną, termosprężystą
przemianą martenzytyczną, która polega na zmianie struktury,
czyli rekonfiguracji atomów, w wyniku działania pola temperatury, naprężeń lub pola
magnetycznego.
Stopy nikiel-tytan o składzie chemicznym zbliżonym do równo-atomowego znajdują coraz
szersze, stale rosnące zastosowanie w medycynie. Dotyczy to implantów, narzędzi, urządzeń
i aparatury. Wynika to z unikalnych zjawisk pamięci kształtu i nadsprężystości oraz wysokiej
biozgodności i odporności na korozję. Istotne są możliwości rozwinięcia implantów w narządach
organizmu zarówno pod wpływem temperatury, jak i dużej zdolności do odkształcenia sprężystego,
odporności na złamania i wyboczenia elementów, możliwości utrzymania stałego naprężenia,
histerezy naprężeń i zdolności do dynamicznych oddziaływań. Stopy NiTi mają strategiczne
znaczenie w pokonaniu szerokiego zakresu technicznych i konstrukcyjnych problemów,
związanych z miniaturyzacją medycznych urządzeń i rosnącym trendem małoinwazyjnych,
a zatem mało traumatycznych procedur chirurgicznych. Wyjątkowe własności zadecydowały o tym,
że w ostatnich latach nastąpił znaczący wzrost wykorzystania stopów NiTi w produkcji wyrobów
medycznych. Przykładem są stosowane już od ponad 30 lat i rozpowszechnione na całym świecie
łuki ortodontyczne używane w leczeniu wad zgryzu oraz implanty ortopedyczne w postaci klamer
z pamięcią kształtu do zespoleń złamań kości. Klamry te podczas operacji umożliwiają zespolenie
kości wskutek samoczynnego podgięcia się ramion pod wpływem ciepła ciała pacjenta. Obserwuje
się coraz większe wykorzystanie stentów do udrażniania naczyń krwionośnych, przewodów
moczowych, dróg żółciowych, jelit, tchawicy lub przełyku, spinek do anastomozy naczyń
krwionośnych lub jelit, implantów stosowanych w ortopedii oraz narzędzi chirurgicznych dla
chirurgii małoinwazyjnej, nadsprężystych prowadników, części urządzeń i aparatury medycznej.
Implanty wytwarzane są ze stopów o składzie zbliżonym do równo-atomowego NiTi i stosowane
klinicznie od wielu lat w chirurgii i ortopedii  do łączenia złamań kości, leczenia i korekcji
kręgosłupa, w ortodoncji, dystrakcji kości lub łączenia tkanek miękkich.
Przemiana martenzytyczna
Zjawiska pamięci kształtu w stopach metali są ściśle związane z odwracalną przemianą
martenzytyczną, która polega na rekonfiguracji położeń atomów i zmianie komórki elementarnej.
W stopach NiTi, faza macierzysta B2, o sieci regularnej przestrzennie centrowanej ulega
przekształceniu w jednoskośną sieć martenzytu, przedstawioną na Rys. 1.
Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach
Biomateriały, ćwiczenie nr 6  Badanie zjawiska nadsprężystości w
stopie NiTi z pamięci kształtu
Rys. 1. Zmiana struktury stopu NiTi w wyniku przemiany martenzytycznej
Przemiana martenzytyczna jest przemianą pierwszego rodzaju, a więc zachodzi przez
zarodkowanie nowej fazy i wzrost jej zarodków. Głównymi cechami przemiany są bezdyfuzyjność
oraz charakter przemieszczeniowy. Określenie przemiany jako bezdyfuzyjnej oznacza, że nie
wymaga ona dyfuzji atomów na duże odległości, a więc w jej trakcie nie zachodzi migracja atomów
przez granice rozdziału faz macierzystej i martenzytycznej. W wyniku tego martenzyt ma ten sam
skład chemiczny, stopień atomowego uporządkowania i zdefektowania sieci krystalicznej, co faza
macierzysta. Przemieszczeniowy charakter przemiany przejawia siÄ™ skoordynowanym
przesunięciem atomów w obszarze przemiany.
Istnieją dwa różne aspekty badań nad przemianą martenzytyczną. Jeden to zależności
geometryczne i krystalograficzne między fazą macierzystą a martenzytem, drugi to termodynamika
i kinetyka przemiany. Umownie możemy wyróżnić dwa rodzaje odkształceń, które doprowadzają
fazę macierzystą do przemiany w martenzyt: odkształcenie sieci
i niezmiennicze odkształcenie sieci. Odkształcenie sieci jest jednorodną deformacją, wywołującą
zmianę kształtu, która może być obserwowana makroskopowo na polerowanych powierzchniach
w postaci reliefu. To odkształcenie sieci jest nazywane odkształceniem Baina.
Najczęściej podczas przemiany faza macierzysta zostaje odkształcona plastycznie i tym samym
utracona zostaje zdolność do odwracalności przemiany. Jeżeli wzajemne dopasowanie sieci fazy
macierzystej i tworzącego się martenzytu (akomodacja) zachodzi przez odkształcenie sprężyste, to
przemiana ma charakter odwracalny i nosi nazwę przemiany martenzytycznej termosprężystej.
Taki charakter przemiany odgrywa decydującą rolę w zjawisku pamięci kształtu. Powtarzając za
Olsonem, że przemiana martenzytyczna może być wyrażona jako bezdyfuzyjna przemiana
z dominującym ścinaniem sieciowym, zachodząca na drodze zarodkowania i wzrostu. Istotne
jednak również jest uwzględnienie przesunięć atomów i samoakomodacji mikroodkształceń, które
powodują minimalne zmiany odkształceń.
Deformacja towarzysząca przemianie martenzytycznej jest zazwyczaj tak duża w stosunku do
sztywności i wytrzymałości fazy macierzystej, że wzajemne dopasowanie struktur obu faz, czyli ich
akomodacja wywołuje odkształcenie plastyczne osnowy. W konsekwencji niemożliwe jest
odwracalne przemieszczenie się granicy rozdziału faz. Znaczna część energii odkształcenia,
pełniąca rolę siły napędowej procesu przemiany odwrotnej, zostaje bowiem rozproszona, zamiast
zostać zmagazynowaną w układzie dla uzyskania warunków odwracalności. W przypadku
gdy odkształcenie postaciowe jest akomodowane sprężyście, staje się możliwe odwracalne
przemieszczenie granicy rozdziału faz, a więc przemiana jest odwracalna. Odwracalne,
termosprężyste przemieszczanie się granicy rozdziału faz przedstawiono schematycznie na Rys. 2.
Podczas chłodzenia rosnąca siła napędowa przemiany jest równoważona energią odkształcenia,
magazynowaną w stopie podczas przemieszczania się granicy rozdziału faz. W wyniku sprężystej
akomodacji granica rozdziału zachowuje swą charakterystyczną strukturę i ruchliwość.
str. 2
Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach
Biomateriały, ćwiczenie nr 6  Badanie zjawiska nadsprężystości w
stopie NiTi z pamięci kształtu
Rys. 2. Schematyczne przemieszczanie granicy rozdziału faz w odwracalnej przemianie
martenzytycznej
Energia odkształcenia ma istotne znacznie podczas nagrzewania w procesie odzysku kształtu,
jak również podczas ponownego odkształcenia, powodując przemieszczanie granicy rozdziału i w
sposób ciągły równoważąc malejącą siłę napędową przemiany. Ten stan równowagi pomiędzy
energią swobodną (gch) i sprężystą (gsp) w przemianie martenzytycznej określa się
termosprężystością.
Przebieg odwracalnej przemiany martenzytycznej przedstawia krzywa histerezy zmian ilości
fazy martenzytycznej od temperatury  Rys. 3. Na tym rysunku w sposób schematyczny
przedstawiono również przebieg przemiany jako odkształcenie przez ścinanie sieci fazy
macierzystej. Zmiany ilości fazy martenzytycznej podczas chłodzenia fazy macierzystej można
określić na podstawie pomiaru zmian natężenia dyfrakcyjnej linii rentgenowskiej fazy
martenzytycznej. Na rysunku przedstawiono również charakterystyczne temperatury przemiany
martenzytycznej. Ms i Mf oznaczają temperatury początku i końca przemiany martenzytycznej na
krzywej chłodzenia, a As i Af temperatury początku i końca tworzenia fazy macierzystej  jako
przemiany odwrotnej na krzywej nagrzewania. Niska wartość odkształcenia plastycznego
w akomodacji odkształceń, towarzyszących przemianie jest warunkiem koniecznym
i wystarczającym do wystąpienia przemiany termosprężystej. Czynnikami, które ułatwiają
spełnienie tego warunku są: duży opór odkształcenia plastycznego, mała wartość stałych
sprężystości, niewielka siła napędowa dla zarodkowania i odwracalny mechanizm uwalniania
naprężeń.
Rys. 3. Odwracalna przemiana martenzytyczna przedstawiona schematycznie, jako ścinanie sieci
krystalicznej fazy macierzystej
Przemianie martenzytycznej towarzyszy efekt egzotermiczny, a przemianie odwrotnej
endotermiczny, które ujawniają się odpowiednio na krzywych chłodzenia i grzania  umożliwiając
wyznaczenie temperatur charakterystycznych przemiany. Metoda różnicowej analizy
kalorymetrycznej różni się od poprzedniej tym, że mierzone są różnice ciepła między próbką
badaną a wzorcową  towarzyszące przemianie. W rezultacie, na krzywych chłodzenia i grzania są
rejestrowane bezpośrednio ilości wydzielonego lub pobranego ciepła podczas przemiany  co
odpowiada entalpii przemiany. Na Rys. 4 przedstawione są krzywe chłodzenia i grzania stopu NiTi,
otrzymane metodÄ… DSC.
str. 3
Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach
Biomateriały, ćwiczenie nr 6  Badanie zjawiska nadsprężystości w
stopie NiTi z pamięci kształtu
Rys. 4. Krzywe DSC przemiany martenzytycznej NiTi
ZJAWISKA PAMI
CI KSZTAA
TU
Analiza mechanizmów i procesów składających się na zjawiska pamięci kształtu doprowadziła
do rozróżnienia: jednokierunkowego efektu pamięci kształtu, dwukierunkowego efektu pamięci
kształtu oraz zjawiska nadsprężystości.
Jednokierunkowy efekt pamięci kształtu
Implant o pożądanym kształcie finalnym, o strukturze martenzytycznej, utworzonej w wyniku
hartowania zostaje odkształcony, celem zaimplantowania i w wyniku nagrzania wraca do
pierwotnego kształtu, co przedstawia Rys. 5. Odkształcenie musi zachodzić w temperaturze
poniżej końca przemiany martenzytycznej Mf, a pełny odzysk kształtu wymaga nagrzania do
temperatury końca odwrotnej przemiany Af.
Rys. 5. Schemat jednokierunkowego efektu pamięci kształtu
Odkształcenie martenzytu powoduje zmianę jego struktury, co schematycznie przedstawiono na
Rys. 6. W wyniku nagrzewania odkształcony martenzyt ulega przemianie w nieodkształconą fazę
macierzystą, a implant wraca do zaprogramowanego kształtu. Z kolei faza macierzysta podczas
chłodzenia, poniżej Ms przemienia się w nieodkształcony martenzyt.
str. 4
Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach
Biomateriały, ćwiczenie nr 6  Badanie zjawiska nadsprężystości w
stopie NiTi z pamięci kształtu
Rys. 6. Zmiana struktury stopu w procesie jednokierunkowego efektu pamięci kształtu
Ten efekt pamięci kształtu związany z reorientacją fazy martenzytycznej można schematycznie
zapisać:
Jednokierunkowy efekt pamięci kształtu opisany schematem naprężenie odkształcenie
temperatura przedstawia Rys. 7. Rosnąca część krzywej (Rys. 7a) jest wynikiem sprężystego
odkształcenia fazy martenzytycznej (odcinek AB) i reorientacji płytek martenzytu (odcinek
BCD). Zdjęcie naprężeń powoduje zanik sprężystego odkształcenia martenzytu. Natomiast zanik
pozostałego odkształcenia AE następuje podczas nagrzewania, w wyniku odwracalnej przemiany
martenzytu. Zanik odkształceń zaczyna się w temperaturze As i trwa aż do osiągnięcia temperatury
Af (punkt G). Powrót odkształcenia nigdy nie jest idealny, ze względu na pewne odkształcenie
plastyczne, które nie zniknie po nagrzaniu do Af. Całkowite odkształcenie składa się więc z:
zanikającego odkształcenia sprężystego martenzytu (DE), odwracalnego odkształcenia,
towarzyszącego odwrotnej przemianie martenzytu (FG) i nieodwracalnego odkształcenia
plastycznego (GH) (Rys. 7).
Rys. 7. Schemat przebiegu jednokierunkowego efektu pamięci kształtu
a) izotermiczny wzrost i spadek przyłożonych naprężeń, b) nagrzanie, wzrost
temperatury, odzysk kształtu
str. 5
Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach
Biomateriały, ćwiczenie nr 6  Badanie zjawiska nadsprężystości w
stopie NiTi z pamięci kształtu
Wartość odzyskiwanego odksztaÅ‚cenia µp uzależniona jest od wartoÅ›ci zadawanego odksztaÅ‚cenia
µL (Rys. 8). Wynika stÄ…d, że istnieje graniczna wartość odksztaÅ‚cenia µL, której przekroczenie
powoduje znaczny spadek odzyskiwanego kształtu.
Rys. 8. Wielkości odzyskiwanego odkształcenia w zależności od stopnia deformacji dla stopu NiTi
Ta wartość graniczna odksztaÅ‚cenia, w zależnoÅ›ci od stopu, waha siÄ™ µL=5÷10%.
Istnienie granicznej wielkości odkształceń wynika z faktu, że odkształcenie martenzytu nie może
przekroczyć jego granicy sprężystości. Trwałe odkształcenie próbki martenzytycznej ma charakter
odkształceń sprężystych, a nie plastycznych.
W niektórych przypadkach praktycznego wykorzystania efektu pamięci kształtu istnieje potrzeba
odzysku naprężenia, a nie odkształcenia. Na Rys. 9 przedstawiono krzywą odkształcenia próbki
martenzytycznej.
Rys. 9. Indukowanie naprężeń wewnętrznych w stopie wykazującym jednokierunkowy efekt
pamięci kształtu
Podczas nagrzewania w zakresie temperatur As÷Af w umocowanej próbce, a wiÄ™c niemajÄ…cej
możliwoÅ›ci odzysku pierwotnego ksztaÅ‚tu, bÄ™dzie siÄ™ indukowaÅ‚o naprężenie wewnÄ™trzne Ãr.
Wielkość tego naprężenia zależy od wielkości pierwotnego odkształcenia próbki.
Dwukierunkowy efekt pamięci kształtu
W jednokierunkowym efekcie pamięci kształtu odzysk pierwotnej geometrii implantu następuje
podczas nagrzewania, a w czasie chłodzenia nie występuje zmiana kształtu. Metal  pamięta
zatem jedynie kształt  wysokotemperaturowej fazy macierzystej. W dwukierunkowym efekcie
pamięci kształtu implant zachowuje się tak, jakby zapamiętał zarówno kształt
wysokotemperaturowej fazy macierzystej, jak i niskotemperaturowej fazy martenzytycznej
Dwukierunkowy efekt pamięci kształtu, uzyskiwany w wyniku odpowiedniego  treningu
termomechanicznego, zwiÄ…zany jest z cyklicznym przebiegiem przemian w zakresie temperatur
Mf÷Af, które wywoÅ‚ujÄ… odwracalne zmiany ksztaÅ‚tu próbki bez udziaÅ‚u zewnÄ™trznego naprężenia.
Na Rys. 10, dla porównania pokazano jedno- i dwukierunkowy efekt pamięci kształtu. Ten drugi
przedstawić można w postaci krzywej histerezy i może być osiągnięty wielokrotnym powtórzeniem
jednokierunkowego efektu.
Przemiana martenzytyczna podczas oziębiania zachodzi zazwyczaj przez tworzenie
zdezorientowanych płytek martenzytu. W rezultacie, w dostatecznie dużej próbce nie występuje
żadna makroskopowa zmiana kształtu, poza zmianą objętości. Natomiast występowanie w próbce
str. 6
Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach
Biomateriały, ćwiczenie nr 6  Badanie zjawiska nadsprężystości w
stopie NiTi z pamięci kształtu
uprzywilejowanej orientacji zarodków martenzytu prowadzi do ograniczenia wariantów orientacji
płytek, co z kolei powoduje anizotropowe, makroskopowe zmiany kształtu. Jeżeli zarodki te nie
zostanÄ… zniszczone, podczas odwracalnej przemiany w fazÄ™ macierzystÄ… lub przez
wysokotemperaturowe wyżarzanie, przemiany powodujące zmiany kształtu mogą być powtarzane
cyklicznie przez chłodzenie i nagrzewanie.
Rys. 10. Schematyczne przedstawienie jedno- i dwukierunkowego efektu pamięci kształtu
Szczególnym przykładem dwukierunkowego efektu pamięci kształtu jest przemieszczanie się
pojedynczej granicy międzyfazowej w wyniku obecności jednego tylko zarodka. Obecność
trwałego zarodka martenzytu można wymusić przez odkształcenie plastyczne fazy macierzystej
lub martenzytu albo przez wzbudzenie pierwszej przemiany pod działaniem jednoosiowego
naprężenia. Wasilewski badał dwukierunkowy efekt pamięci kształtu w stopie Ni-Ti, indukując go 5%
odkształceniem rozciągającym, zarówno w temperaturze poniżej Ms, jak i powyżej Af. Badania te
podsumował stwierdzeniem, że podstawowym warunkiem zarówno jedno-, jak i dwukierunkowego
efektu pamięci kształtu jest oddziaływanie naprężeń na przemianę martenzytyczną.
Indukowanie dwukierunkowego efektu pamięci kształtu można uzyskać przez odkształcenie
fazy macierzystej, inicjujące w niej powstanie zarodków martenzytu, z następnym chłodzeniem,
wywołującym przemianę martenzytyczną, utrzymując zewnętrzne naprężenie.
Dzięki takiej obróbce otrzymuje się martenzyt o strukturze odpowiadającej martenzytowi,
tworzącemu się podczas deformacji. Istnieje optymalna wielkość naprężeń dla uzyskania
największego efektu pamięci kształtu.
Dla zaindukowania dwukierunkowego efektu pamięci kształtu stosuje się trening, polegający na
wielokrotnym powtórzeniu cyklu przedstawionej obróbki cieplno mechanicznej.
Dwukierunkowy efekt pamięci kształtu nie jest efektem samoistnym, związanym
z odwracalnÄ… przemianÄ… martenzytycznÄ… i wymaga zaindukowania tzw. treningiem termo
mechanicznym. Faza międzymetaliczna NiTi o sieci B2 występuje w szerszym zakresie stężeń
(roztwór stały wtórny) o zmiennej rozpuszczalności z temperaturą. Stwarza to możliwość
kształtowania mikrostruktury tych stopów w procesie starzenia poprzez wydzielanie koherentnych
cząstek fazy Ni4Ti3. Dotychczasowe badania wykazały, że zaindukowanie dwukierunkowego efektu
pamięci kształtu jest uwarunkowane dwoma mechanizmami:
·ð zachowaniem w temperaturze powyżej Af zorientowanych pÅ‚ytek stabilnego martenzytu
szczątkowego, stanowiących zarodki rozrostu płytek martenzytu podczas chłodzenia fazy
macierzystej, przy kierunkowo działającym naprężeniu. Pozwala to na rozrost tych warian-
tów orientacji płytek martenzytu, które są korzystnie zorientowane w stosunku do kierunku
działającego naprężenia, w sensie zdolności do dużego odkształcenia w tym kierunku,
·ð wytworzeniem pól naprężeÅ„ wewnÄ™trznych wokół dyslokacji, które uÅ‚atwiajÄ… zarodkowanie i
wzrost wybranym płytkom martenzytu. Obserwacje mikroskopowe wykazały generowanie
układów równoległych dyslokacji wraz ze wzrostem (do określonej granicy) liczby cykli tre-
ningu.
Efekt nadsprężystości
Zjawisko nadsprężystości jest związane z odwracalną przemianą martenzytyczną, wywołaną
zewnętrznym naprężeniem. Powstanie martenzytu w zakresie temperatur T > Af jest związane
z nadsprężystym odkształceniem o wielkości od kilku do kilkunastu procent, które całkowicie
zanika podczas odciążenia. Schemat zjawiska nadsprężystości, w procesach powstawania
str. 7
Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach
Biomateriały, ćwiczenie nr 6  Badanie zjawiska nadsprężystości w
stopie NiTi z pamięci kształtu
i zanikania martenzytu przedstawiono na Rys. 11. Odcinek AB wskazuje sprężyste odkształcanie w
stanie fazy macierzystej. W punkcie B, który odpowiada poziomowi naprężenia ÃP-M, tworzy siÄ™
pierwsza płytka martenzytu. Przemiana martenzytyczna jest całkowicie zakończona
w punkcie C. Nachylenie odcinka BC jest miarÄ… oporu przebiegu przemiany. Dalszy wzrost
naprężenia w próbce, o strukturze już martenzytycznej, powoduje sprężyste odkształcenie
martenzytu  co odpowiada odcinkowi CC .
Rys. 11. Schematyczne przedstawienie zjawiska nadsprężystości dla monokryształu (a)
oraz krzywe obciążenia i odciążenia z zakreskowanym obszarem zmagazynowanej
energii (b)
W punkcie D osiÄ…gniÄ™ta zostaje granica plastycznoÅ›ci ÃMy martenzytu, dalej odksztaÅ‚ca siÄ™ on
plastycznie drogą przemieszczania się dyslokacji, aż do wystąpienia złomu. Jeżeli naprężenie
zostaje usunięte, np. w punkcie C , a więc przed osiągnięciem granicy plastyczności, to
odkształcenie zanika w kilku stadiach. Odcinek C F odpowiada sprężystemu odciążeniu
martenzytu.
Po osiÄ…gniÄ™ciu naprężenia ÃM-P w punkcie F zaczyna siÄ™ przemiana odwrotna i ilość martenzytu
maleje, aż do całkowitej przemiany w fazę macierzystą (punkt G). Przy dalszym odciążaniu, już
w stanie fazy macierzystej, odkształcenie zanika całkowicie (punkt H). Naprężenie konieczne do
zainicjowania przemiany martenzytycznej ÃP-M jest liniowÄ… funkcjÄ…, rosnÄ…cÄ… wraz z temperaturÄ…,
natomiast granica plastyczności fazy macierzystej maleje ze wzrostem temperatury (Rys. 12).
Punkt, w jakim obie krzywe przecinają się odpowiada temperaturze Md, co oznacza, że powyżej
tej temperatury nie nastąpi tworzenie się martenzytu, lecz odkształcenie plastyczne fazy
macierzystej. PrzeciÄ™cie krzywej ÃP-M z osiÄ… temperatury wyznacza temperaturÄ™ Ms.
Rys. 12. Temperaturowe zmiany naprężenia indukujÄ…cego martenzyt w fazie macierzystej ÃP-M
oraz granicy plastycznoÅ›ci fazy macierzystej ÃPy
str. 8
Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach
Biomateriały, ćwiczenie nr 6  Badanie zjawiska nadsprężystości w
stopie NiTi z pamięci kształtu
Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia jest analiza zjawiska nadsprężystości występującego w stopach NiTi do
zastosowań medycznych.
Spis wyposażenia (opis stanowiska pomiarowego):
·ð komputerowy ukÅ‚ad pomiarowy,
·ð próbki do badania nadsprężystoÅ›ci,
·ð papier Å›cierny
Rys. A przedstawia widok komputerowego stanowiska do badania zjawiska
nadsprężystości. Na Rys. B widoczny jest układ pomiarowy wraz z podporami, śrubą
mikrometrycznÄ… i czujkÄ… pozycji.
Rys. A. Widok stanowiska do badania zjawiska nadsprężystości
Rys. B. Widok układu pomiarowego
Przebieg ćwiczenia:
1. Włączyć listwę zasilającą.
2. Włączyć zasilacz  czerwony przycisk  Sieć z lewej strony panelu przedniego zasilacza
(Rys.A).
3. Włączyć rejestrator sygnałów MC201 (Rys. A) (włącznik na tylnym panelu nad białym kablem
zasilajÄ…cym).
str. 9
Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach
Biomateriały, ćwiczenie nr 6  Badanie zjawiska nadsprężystości w
stopie NiTi z pamięci kształtu
4. Zamocować próbkę między podporami. Prawidłowy sposób zamocowania próbki pokazano
na Rys. C. Próbkę zamontować tak, aby naprężenia na nią działające były jak najmniejsze.
W razie potrzeby zmniejszyć naprężenie za pomocą śruby mikrometrycznej.
Rys. C. Prawidłowe mocowanie próbki w podporach
5. Włączyć stację roboczą komputera sterującego,
A. uruchomić program rejestratora pomiarowego
a. przejść do trybu Ms-Dos: naciÅ›nij Start Þð Zamknij Þð Uruchom ponownie w trybie Ms-
Dos,
!!! Włączyć NUMLOCK !!!
b. wpisać polecenie: cd \mc201 a następnie mc201.exe
c. po wyświetleniu powyższego okna naciśnij Enter
str. 10
Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach
Biomateriały, ćwiczenie nr 6  Badanie zjawiska nadsprężystości w
stopie NiTi z pamięci kształtu
d. poprawny start programu sterująco-pomiarowego powoduje wyświetlenie poniższego
okna:
6. Sprawdzić poprawność poziomu sygnałów przemieszczenia (sygnał 1 - okno 1) i siły (sygnał
2 - okno 2). Przy założonej próbce bez obciążenia sygnał 1 powinien znajdować się w skraj-
nym górnym położeniu (ok. 3 mm pod górną krawędzią okna). Sygnał 2 w pozycji ok. 10 mm
nad dolną krawędzią okna. W przypadku gdy poziom sygnału 2 jest za niski bądz
za wyskoki
należy dostosować jego poziom za pomocą czarnego pokrętła regulacji napięcia na zasila-
czu (Rys. A).
7. Ustawić sygnał 1 tak, aby próbka nie była obciążona i nie wypadała z podpory, obserwować
poziom sygnału.
!!! UWAGA. Gdy w trakcie ustawiania poziomu sygnały bufor ekranu zapełni się - zatrzymaj pomiar
- (ENTER) i wystartuj ponownie (P - start pomiaru) !!!
8. Gdy poziom sygnałów jest prawidłowy rozpocząć właściwy pomiar.
9. Zapisać wartość początkową przemieszczenia z suwmiarki (przy nieobciążonej próbce) - p0
[mm].
UWAGA !!! Bardzo ważne jest aby zmiana wartości przemieszczenia w czasie była jak
najbardziej liniowa, a kręcąc śrubą mikrometryczną należy zwrócić uwagę aby robić to jak
najbardziej płynnie ze stałą prędkością obrotową. Odkształcając próbkę obracać pokrętłem
właściwym (większa średnica), a nie sprzęgiełkiem umieszczonym na końcu suwmiarki
(mniejsza średnica) !
10. Zachować liniowości przesunięcia w czasie w trakcie pomiaru  wymaga obserwowania
ekranu (Okno 1).
A. w celu odkształcenia o zadaną wartość należy obserwować w czasie pomiaru noniusz
suwmiarki.
B. po osiągnięciu zadanej wartości odkształcenia przerwać pomiar.
Należy zwrócić uwagę, aby nie wyjść poza zakres pomiarowy. Aby próbka przy
odciążaniu nie wypadła z uchwytu przy dojściu do pozycji p0 należy obserwować
noniusz suwmiarki oraz okno 2.
C. dla próbki odkształconej plastycznie zerowa siła zostanie osiągnięta przed osiągnięciem
pozycji p0.
D. jeżeli w trakcie jednego pomiaru rejestrujemy kilka cykli obciążenie-odciążenie należy
między nimi zrobić kilkusekundową przerwę (Rys. D).
str. 11
Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach
Biomateriały, ćwiczenie nr 6  Badanie zjawiska nadsprężystości w
stopie NiTi z pamięci kształtu
Rys. D. Widok okien pomiarowych z przebiegiem cyklicznej zależności obciążenie-
odciążenie z przerwami pomiędzy cyklami
11. Rozpocząć pomiar właściwy: P - start pomiaru
12. Po zakończeniu pomiaru nacisnąć ENTER
!!! UWAGA ! W czasie pomiaru nie wolno dotykać stolika na którym ustawiony jest
zestaw pomiarowy. Każde niepotrzebne uderzenie w stolik może spowodować
wprowadzenie błędów odczytu pozycji czujnika !!!
13. Zapisać wyniki pomiarów na dysku: nacisnąć S  Schowaj dane, wprowadzić nazwę zbioru
danych (nazwa może zawierać jedynie 8 znaków + rozszerzenie  .dan ), Nacisnąć Enter.
Dane pomiarowe powinny znajdować się w folderze c:\mc201\
14. Jeżeli konieczne jest zarejestrowanie kolejnych krzywych powtórz procedurę rejestracji (pkt.
3-11).
!!!! UWAGA gdy pojawi siÄ™ napis WYBIERZ NASTAW
Naciśnij 2x klawisz Enter !!!
15. wyjść z programu rejestrującego wyniki pomiarów  ESC
16. przejść do Windows: wpisać Exit.
Opracowanie wyników i sprawozdanie:
1. Przygotować zwięzły opis zagadnień teoretycznych.
2. Opisać przebieg przeprowadzonego ćwiczenia.
3. UmieÅ›cić wykres Dðl=f(t) oraz zinterpretować go.
4. Przeprowadzić dyskusję otrzymanych wyników i podać wnioski z przeprowadzonego ćwi-
czenia.
Spis zagadnień do przygotowania:
1. Przemiana martenzytyczna
2. Pojęcia sprężystość, plastyczność, prawo Hook'a
3. Zjawisko nadsprężystości
Literatura uzupełniająca:
1. H. Morawiec, Z. Lekston, Implanty medyczne z pamięcią kształtu, WPŚ, Gliwice 2010
2. J. Marciniak, Biomateriały, Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002
3. S. Błażewicz, L. Stoch, Biomateriały t.4 w: M. Nałęcz (red.), Biocybernetyka i Inżynieria
Biomedyczna, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2000
str. 12
Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach
Biomateriały, ćwiczenie nr 6  Badanie zjawiska nadsprężystości w
stopie NiTi z pamięci kształtu
str. 13