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´Ligas com memória de forma – Como se fabrica uma liga com memória de forma? 1/11
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Ligas com memória de forma
Como se fabrica uma liga com memória de forma?
Projeto FEUP 2016/2017 - MIEMM/LCEEMG
Equipa 8:
Supervisor: Filomena Viana Monitor: Inês Frada
Estudantes & Autores:
Pedro Seixas Pedro Reis
Manuel Rocha Jackline Costa
Jorge Dias Nelson Fernandes
Tiago Guedes
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Resumo
Este trabalho culmina várias pesquisas em torno das ligas de memória de forma, em
especial as ligas TiNi, compostas por percentagens iguais de níquel e titânio. Foram
explorados diversos processos relacionados com estas ligas, tais como a sua extração, a sua
produção e a sua utilização nos dias de hoje. Neste trabalho também foi realizado uma
atividade prática, em que se “educou” uma liga TiNi para uma forma pretendida com o auxílio
de um molde.
Palavras-Chave
Ligas com memória de forma; Ligas TiNi; Titânio; Níquel; Extração do titânio; Aplicações de ligas
TiNi.
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Agradecimentos
Primeiramente queremos agradecer à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
pelas condições proporcionadas para a realização deste projeto. Estamos gratos perante a rapidez
e prontidão com que a monitora, Inês Frada, e a supervisora, Filomena Viana, disponibilizaram
para nos ajudar. Agradecemos também a ajuda prestada, no âmbito da atividade experimental,
pelo Sr. Ramiro.
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Índice
Lista de figuras ............................................................................................................... 4
Introdução....................................................................................................................... 4
Titânio na natureza ......................................................................................................... 5
Extração e processamento do Titânio ............................................................................. 5
Ligas TiNi ....................................................................................................................... 6
Exemplos de outras ligas com memória de forma: ...................................................... 6
Propriedades das ligas TiNi ......................................................................................... 6
Produção de uma liga TiNi .............................................................................................. 6
Aplicações das ligas com memória de forma .................................................................. 7
Na medicina: ............................................................................................................... 7
Nas utilizações mecânicas: ......................................................................................... 8
Procedimento da atividade experimental ........................................................................ 8
Conclusões ................................................................................................................... 10
Referências bibliográficas ............................................................................................. 11
Lista de figuras
Figura 1 - Um placa de titânio cristalino de alta pureza com cerca de 99.999%. ............. 5
Figura 2 - Mina de titânio ................................................................................................ 5
Figura 3 - Minério do titânio ............................................................................................ 5
Figura 4 - Transformação do titânio ................................................................................ 5
Figura 5 - Estrutura atómica das ligas TiNi durante a mudança de fase. ........................ 6
Figura 9 - Forno para produzir ligas TiNi ......................................................................... 7
Figura 10 - Rede de liga com memória de forma ............................................................ 7
Figura 11 - Conetores com memória de forma ................................................................ 8
Figura 12 - Molde e anilhas usadas ................................................................................ 9
Figura 13 - Molde com a liga TiNi ................................................................................... 9
Figura 14 - Colocação do molde com a liga no forno ...................................................... 9
Figura 15 - Forno com o termómetro .............................................................................. 9
Figura 16 - Arrefecimento logo após a retirada do forno ................................................. 9
Figura 17 - Aquecimento da liga para comprovar a forma ............................................... 9
Introdução
As ligas TiNi (nome comercial Nitinol), são ligas com memória de forma. Estas ligas são
materiais metálicos que tem a capacidade de recuperarem a forma após terem sido severamente
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deformados. Durante este trabalho vamos falar da extração e do processamento do titânio, da
produção das ligas TiNi e das suas aplicações.
Titânio na natureza
O titânio não aparece livre na Natureza. No entanto, combinado com outros elementos é
bastante abundante, aparecendo em pequenas quantidades na maioria das rochas eruptivas,
sedimentares e metamórficas.
Os seus minérios mais vulgares são a ilmenite, o rutilo (óxido de titânio), a brookite, a anatase
(dióxido de titânio), a perovskite (titanato de cálcio) e outros. Os dois primeiros têm importância
comercial, encontrando-se em depósitos espalhados por todo o globo. Os maiores depósitos de rutilo
conhecidos situam-se na Austrália.
Extração e processamento do Titânio
Através da peneiração de terrenos arenosos ricos em titânio extrai-se o minério. Purifica-se
através de um separador eletrostático que separa o ilmenite e o rutilo de outros metais tendo estes até
60% de pureza. Para maior percentagem de purificação usa-se o processo kroll. Este consiste em
aquecer o minério com cloro formando um gás que depois é arrefecido até se tornar um líquido. Em
seguida mistura-se este líquido com magnésio aquece-se para depois ser separado o cloro com
magnésio do titânio. Através de vácuo retira-se os restos de cloreto de magnésio existentes ficando
com titânio puro, porém cheio de buracos, ao qual se dá o nome de esponja de titânio. Por esta razão
este é moído e triturado de modo a ficar em pequenos grãos para poder ser compactado. Por sua vez
Figura 2 - Mina de titânio Figura 1 - Um placa de titânio cristalino de alta pureza com cerca de 99.999%.
Figura 4 - Transformação do titânio Figura 3 - Minério do titânio
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é derretido em vácuo e colocado num molde de modo a poder ser utilizado com os fins pretendidos na
indústria.
.
Ligas TiNi
As ligas TiNi têm como principal propriedade a possibilidade de serem educadas para
adquirirem memória de forma (SMA - Shape Memory Alloys). Os materiais que possuem na sua
constituição ligas com memória de forma regressam à sua forma original, após sofrerem uma
deformação, quando aquecidos a uma temperatura superior à sua temperatura de transformação.
Quando atinge a temperatura de transformação, a estrutura cristalina reversível muda da fase
martensite (fase de baixa temperatura) para austenite (fase de alta temperatura). As duas fases
apresentam diferentes propriedades, pela forma como os átomos são rearranjados.
Figura 5 - Estrutura atómica das ligas TiNi durante a mudança de fase.
Exemplos de outras ligas com memória de forma:
Cobre / Zinco / Alumínio
Cobre / Alumínio / Níquel
Propriedades das ligas TiNi
As ligas TiNi apresentam efeito de memória de forma, superelasticidade, grande capacidade
de amortecimento e resistência à corrosão. Estas propriedades podem ser modificadas se
houver alteração na sua composição ou tratamento de calor.
Produção de uma liga TiNi
As ligas com memória de forma são definidas como uma distinta classe de materiais inteligentes
que apresentam duas propriedades únicas: o efeito de memória de forma (EMF) e a superelasticidade.
Só é possível estabelecer estas propriedades únicas com a transformação de fase que as ligas de
memória de forma apresentam com a variação de temperatura ou aplicação de tensão. As temperaturas
em que ocorrem as transformações de fases são importantes, isto porque apresentam propriedades
diferentes em cada fase do processo.
Em seguida, o efeito de memória de forma e superelasticidade podem ser alterados por processos
da deformação a frio, tratamento térmico ou combinação de ambos.
Para produzir ligas TiNi é fundamental um forno de fusão, que apresenta características
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específicas, ou seja, em vez de aquecer todo o ambiente interno do forno, aquece apenas uma
determinada zona devido a um canhão de eletrões que consegue localizar um feixe de energia numa
determinada área concentrada. Outra característica essencial deste forno é a capacidade de criar
vácuo no interior do forno, para este não conter quaisquer gases que possam prejudicar ou alterar a
fusão da liga.
Em suma, a produção de ligas TiNi é um processo que envolve bastantes cuidados, porque a liga
altera o seu comportamento conforme as temperaturas aplicadas. Necessita também de um forno de
fusão, que apresenta características especificas.
Aplicações das ligas com memória de forma
As ligas com memória de forma têm diversas aplicações práticas para o dia-a-dia. Desta forma, se
um determinado objeto composto por ligas com memória de forma fosse educado para memorizar uma
forma, sempre que sofresse uma deformação, bastaria aquecê-lo, para obter a forma inicial. No
entanto, não é vantajoso para produzir objetos a grande escala, isto porque implica um investimento
muito grande e dispendioso.
Na medicina:
No que diz respeito à medicina, utiliza-se no
reforço de artérias e veias. Em primeiro lugar, uma rede
de liga é comprimida e inserida nas veias ou artérias
obstruídas. Em seguida, a rede de metal tem uma
temperatura de transformação de estrutura cristalina
muito próxima da temperatura do corpo humano, fazendo
com que o tubo se expande e abra as artérias obstruídas.
Figura 7 - Rede de liga com memória de
forma
Figura 6 - Forno para produzir ligas TiNi
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Nas utilizações mecânicas:
Estas ligas são também usadas para juntas em
tubagens. A junta (SMA), inicialmente com um diâmetro menor
ou igual ao dos tubos, é arrefecida e deformada
convenientemente. Em seguida, é colocada entre os tubos e
aquecida para que volte forma inicial, selando os tubos
automaticamente.
Procedimento da atividade experimental
Para este trabalho foi realizado uma atividade experimental que consistiu em educar uma liga TiNi
de modo a que esta “memorizasse” a forma que se pretendia.
Foi utilizado um molde com formato de “rosca” e prendeu-se a liga ao mesmo com o auxílio de
duas anilhas (figs. 9 e 10). Aqueceu-se o forno a 500ºC e colocou-se a liga no forno (fig. 11) durante
15 minutos. Colocou-se um termopar ligado a um multímetro para monitorizar a temperatura do forno
(fig. 12). Com o auxílio de umas luvas e uma tenaz, retirou-se o molde e a liga do forno e arrefeceu-se
rapidamente a liga num recipiente com água (fig. 13). Retirou-se a liga TiNi do molde, aplicou-se uma
deformação e aqueceu-se de modo a comprovar se a mesma retomava a forma inicial (fig. 14).
Figura 8 - Conetores com memória de forma
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Figura 9 - Molde e anilhas usadas
Figura 10 - Molde com a liga TiNi
Figura 11 - Colocação do molde com a liga no forno
Figura 12 - Forno com o termómetro
Figura 13 - Arrefecimento logo após a retirada do forno
Figura 14 - Aquecimento da liga para comprovar a forma
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Conclusões
A liga com memória de forma que foi estudada, a liga TiNi, apresenta diversas aplicações. Apesar
dos seus constituintes serem elementos relativamente abundantes, a extração dos mesmos e o fabrico
da liga TiNi são os processos que apresentam um custo económico bastante elevados, sendo assim a
liga um material dispendioso. Com este trabalho aprendemos o processo de educação da liga, com a
realização da atividade experimental.
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Referências bibliográficas
http://www.supraalloys.com/titanium-grades (acedido a 13/10/2016)
https://www.youtube.com/watch?v=41yjeguApo4 (acedido a 8/10/2016)
https://www.youtube.com/watch?v=lpQfI-H9YGo (acedido a 4/10/2016)
http://betaeq.blogspot.pt/2014/05/extracao-e-refinamento-de-titanio-e-seu.html (acedido a
12/10/2016)
https://www.youtube.com/watch?v=J6Ra53BGhxw (acedido a 10/10/2016)
http://www-personal.umich.edu/~btrease/share/SMA-Shape-Training-Tutorial.pdf (acedido a
16/10/2016)
http://www.nnin.org/sites/default/files/files/NNIN-1029_0.pdf (acedido a 16/10/2016)
