Kierunek INŻYNIERIA MATERIAŁOWA	Politechnika Śląska Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii
Sprawozdanie z przedmiotu MATERIAŁY INŻYNIERSKIE
Temat: STALE I STOPY O SPECJALNYCH WŁAŚCIWOŚCIACH
Uwagi prowadzącego:
Data przyjęcia: Podpis prowadzącego:	Tybuszewski Dawid
	Grupa: Zip 21

Spis treści

Wstęp teoretyczny 3

Charakterystyka materiału 3

Zastosowanie 3

Podstawowe pojęcia z zakresu pamięci kształtu materiału 3

Przebieg ćwiczenia 5

Tabela pomiarów 6

Obliczanie stopnia odzysku kształtu 7

Wykres η_k=f(T) 8

Przybliżone temperatury 8

Wstęp teoretyczny

Charakterystyka materiału

Stopy z pamięcią kształtu – materiały inteligentne, w których zachodzi odwracalna, termosprężysta przemiana martenzytyczna lub zmiana orientacji krystalicznej martenzytu pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego.

Wyróżnia się dwa główne typy efektów pamięci kształtu ze względu na zjawisko je indukujące:

• odwracalna przemiana martenzytyczna indukowana cieplnie

• zmiana orientacji krystalicznej martenzytu indukowana zewnętrznym polem magnetycznym (MFIS).

Najczęściej wykorzystywanymi materiałami z pierwszej grupy są stopy Ni-Ti, Cu-Al i Cu-Zn-Al. Określa się je wspólnym mianem termosprężystych stopów z pamięcią kształtu (TSMA). Z drugiej grupy najczęściej wykorzystywany jest stop Ni-Mn-Ga. Tego typu materiały nazywa się magnetycznymi stopami z pamięcią kształtu (MSMA) lub ferromagnetycznymi stopami z pamięcią kształtu (FSMA).

Zastosowanie

• trwałe połączenia mechaniczne i elektryczne

• silniki cieplne

• roboty

• czujniki temperatury

• układy regulacyjne

• układy pracujące w niskich temperaturach

• układy tłumiące drgania i hałas

• wykorzystujące efekt pseudosprężystości

• zastępujące bimetale.

Podstawowe pojęcia z zakresu pamięci kształtu materiału

Odwracalna przemiana martenzytyczna - W stopach z pamięcią kształtu na bazie żelaza zachodzi odwracalna przemiana martenzytyczna. Jest aktywowana naprężeniem zewnętrznym. Polega na przemianie austenitu w martenzyt ε. Płytki bliźniaków martenzytu wykazują charakterystyczną orientację krystalograficzną względem siebie. Z tego powodu austenit może przemienić się w cztery różne warianty martenzytu ε. Podstawowym stopem ulegającym takiej przemianie jest Fe-Mn. Domieszkuje się go krzemem, chromem, kobaltem, niklem i węglem. Uważa się, że poszczególne płytki martenzytu zarodkują niezależnie i dopiero w procesie wzrostu zderzają się ze sobą tworząc pasmową strukturę.

Jednokierunkowy efekt pamięci kształtu objawia się tym, iż materiał odkształcony w fazie martenzytycznym powraca po nagrzaniu do kształtu nadanego przy istnieniu fazy austenitu.

Jeżeli materiał wykazujący jednokierunkowy efekt pamięci kształtu (posiadający utrwalony kształt w fazie austenitu; A0f < T) zostanie schłodzony przy braku zewnętrznego naprężenia do temperatury poniżej M⁰_s to zajdzie przemiana fazowa, której produktem będzie samoakomodująca się faza martenzytyczna. Taki materiał łatwo ulega odkształceniom i jest bardzo dobrze formowalny. Po podgrzaniu go do temperatury A⁰_s powraca on do pierwotnie zapamiętanego kształtu w fazie austenitu. Trening materiału wykazującego jednokierunkowy efekt pamięci kształtu najczęściej polega na podgrzaniu elementu do temperatury 400÷500 °C powyżej temperatury A⁰_f i wytrzymanie przez czas 15÷60 minut. Dzięki takiemu zabiegowi zapamiętany zostaje kształt w fazie austenitu. Jest to jednorazowa procedura, którą należy powtarzać, jeżeli celem jest nadanie nowego kształtu w fazie wysokotemperaturowej.

Dwukierunkowy efekt pamięci kształtu objawia się tym, iż przejście od kształtu nadanego w stanie martenzytycznym do kształtu nadanego przy istnieniu fazy austenitu jest odwracalne oraz odbywa się bez udziału naprężeń.

Kształt w fazie martenzytycznej jest spontanicznie uzyskiwany poprzez ochłodzeniu materiału poniżej temperatury M⁰_f, a kształt w fazie austenitycznej jest uzyskiwany spontanicznie poprzez nagrzanie powyżej temperatury A⁰_f. Trening takiego materiału polega na odkształceniu elementu wykazującego taki efekt w fazie martenzytycznej dużo powyżej jego granicy plastyczności. Prowadzi to do zapamiętania kształtu wysoko- i niskotemperaturowego.

Pseudosprężystość to zjawisko odkształcenia materiału w wyniku przemiany martenzytycznej indukowanej naprężeniami.

Możliwe jest przeprowadzenie przemiany fazowej także dzięki przyłożonemu zewnętrznemu obciążeniu bez zmiany temperatury. Wynikiem takiej przemiany jest martenzyt (zdeformowany) zbliźniaczony zniekształcony. Po przekroczeniu krytycznego naprężenia σ^AM(T) następuje przemiana martenzytyczna. Przy zdejmowaniu zewnętrznego obciążenia w materiale zachodzi odwrotna przemiana martenzytyczna i zachowuje się on pseudosprężyście. Objawia się to powolnym powrotem do pierwotnie zapamiętanego kształtu w fazie niskotemperaturowej. Trening materiału wykazującego własności pseudosprężyste polega na obciążaniu mechanicznym lub termomechanicznym w fazie wysokotemperaturowej w temperaturze T ≥ A⁰_f.

W momencie obciążania materiału przemiana ulega odwróceniu i wraz z nią zanika odkształcenie ścinania towarzyszące przemianie. Aby wystąpił efekt pseudosprężystości płytki martenzytu nie mogą wzrastać dynamicznie, jak ma to miejsce w przypadku przemiany martenzytycznej w stalach. Nie dochodzi wtedy do silnego zdefektowania sieci krystalicznej. Odkształcenie ścinania towarzyszące indukowanej naprężeniami przemianie martenzytycznej narastać musi powoli, wraz ze wzrostem naprężenia. Odkształcenie wywołane powstaniem nowej płytki musi być przyjmowane przez sąsiednie. Takie zachowanie jest charakterystyczne dla materiałów, w których temperatura M_s i A_s są nieznacznie oddalone od temperatury równości energii swobodnej faz (austenitu i martenzytu) o identycznych składach chemicznych T₀.

Przebieg ćwiczenia

1. Przeprowadzić badania odzysku kształtu w funkcji temperatury dla pręta ze stopu NiTiCu

2. Na podstawie otrzymanych danych obliczyć stopień odzysku kształtu

3. Wykazać czy badany pręt wykazuje jedno czy dwukierunkowy efekt pamięci kształtu oraz jaki jest stopień odzysku kształtu dla badanej próbki

4. Narysować wykres η_k=f(T)

5. Określić przybliżone temperatury początku i końca przemiany fazowej materiału w czasie zastosowanego cyklu cieplnego

Tabela pomiarów

L.p pomiarów	Temperatura wody (próbki) [⁰C]	Kąt pochylenia próbki ϕ
	Nagrzewanie	Chłodzenie
1	25	90
2	30	85
3	35	80
4	40	75
5	45	70
6	50	65
7	55	60
8	60	55
9	65	50
10	70	45
11	75	40
12	80	35
13	85	30
14	90	25

Obliczanie stopnia odzysku kształtu

η_k = 90 − φ/90 • 100%

Temperatura	Stopień odzysku
	Nagrzewanie
90°	38,889%
85°	38,889%
80°	38,889%
75°	38,889%
70°	38,889%
65°	38,889%
60°	36,667%
55°	20%
50°	13,333%
45°	10%
40°	8,889%
35°	7,778%
30°	6,667%
25°	6,667%

Badany pręt wykazuje dwukierunkowy efekt pamięci kształtu, ponieważ w stanie martenzytycznym w temp. 25C stopień odzysku wynosił 88.93%, a po nagrzaniu do fazy macierzystej i schłodzeniu do temperatury poniżej Mf 88.94%. Oznacza to, że podczas odwracalnej przemiany w fazę macierzystą nie nastąpiło usunięcie zarodków martenzytu. Nastąpiły odwracalne zmiany kształtu przedmiotu, bez udziału zewnętrznego naprężenia.

Wykres η_k=f(T)

Przybliżone temperatury

Ms=55⁰C

As=45⁰C

Mf=30⁰C

Af=75⁰C