Influence of the deep cryogenic treatment at the phase transformation temperatures and at the stabilization of the capacity of shape recovery in the smart material alloy CU-14AL-4NI

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018.As ligas com memória de forma possuem a característica de retornarem, após uma deformação pseudoplástica, a um formato previamente definido, quando submetidas a um ciclo termomecânico adequado. Como consequência, essas ligas podem ser aplicadas na concepção de atuadores compactos e estruturas adaptativas, podendo substituir sistemas atuadores convencionais, pneumáticos ou hidráulicos. No entanto, as ligas a base de cobre que exibem efeito memória de forma (EMF) tendem a perder esta capacidade precocemente, quando submetidas a vários ciclos termomecânicos, quando comparadas às ligas do sistema Ni-Ti. O objetivo desta pesquisa foi investigar como o tratamento criogênico profundo afeta as propriedades térmicas e a capacidade de recuperação de forma da liga Cu-14Al-4Ni martensítica (com efeito two way) em amostras (fios) tratadas criogenicamente em diferentes tempos de encharque e cicladas termomecanicamente. A metodologia empregada consistiu de uma análise experimental comparativa entre as temperaturas de transformação, microdureza e a capacidade de recuperação de forma de amostras obtidas por fundição tratadas e não tratadas por TCP com e sem a aplicação de ciclos termomecânicos. A composição química foi avaliada por EDS e a caracterização das fases por difração de raios-x (DRX). As propriedades térmicas (temperaturas de transformação de fase e calor latente de transformação) foram avaliadas por Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC). Medidas de microdureza Vickers também foram realizadas. A análise microestrutural foi realizada por meio de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Microscopia Confocal a laser. Comparando-se à deflexão final das amostras após as ciclagens (capacidade de recuperação de forma), e, assim, o seu efeito de memória de forma, verificou-se que a deflexão das amostras com maior número de ciclos e maior tempo de TCP foram semelhantes às amostras com menor número de ciclos e sem TCP, o que sugere que o tratamento criogênico profundo auxilia no prolongamento da capacidade de recuperação de forma produzida pelo efeito memória de forma do material, aumentando sua estabilidade e, por conseguinte, sua vida útil.Shape memory alloys have the characteristic of returning, after a pseudoplastic deformation, to a previously defined format, when subjected to a suitable thermomechanical cycle. Tthese alloys can be applied in the design of compact actuators and adaptive structures, and can replace conventional, pneumatic or hydraulic actuator systems. However, copper-based alloys that exhibit shape memory effect (SME) have the propensity to lose this ability early when subjected to several thermomechanical cycles, when compared to the Ni-Ti system alloys. The objective of this research was to investigate how the deep cryogenic treatment (DCT) affects the thermal properties and shape recovery capacity of the Cu-14Al-4Ni martensitic alloy (with two way effect) in samples (wires) cryogenically treated in different soaking times and cyclized thermomechanically. The deep cryogenic treatment (TCP) is widely used in industry today to improve the mechanical properties of steels, enhancing their properties. The methodology used consisted of a comparative experimental analysis between the transformation temperatures, microhardness and the shape recovery capacity of samples obtained by casting treated and not treated cryogenically with and without the application of thermomechanical cycles. The chemical composition was evaluated by EDS and X-ray diffraction (XRD) characterization of the phases. The thermal properties (phase transformation temperatures and latent heat of transformation) were evaluated by Differential Scanning Calorimetry (DSC). Vickers microhardness measurements were also performed. Microstructural analysis were performed using Scanning Electron Microscopy (SEM) and Laser Confocal Microscopy. Comparing the final deflection of the samples after the cycling (shape recovery capacity), and, thus, their shape memory effect, it was checked that the deflection of the samples with the highest number of cycles and the highest DCT time were similar to the samples with less number of cycles and without DCT, which suggests that the deep cryogenic treatment assists the extend of the shape recovery capacity produced by the shape memory effect of the material, increasing its stability and, therefore, the lifespan of the alloy