plik

Instytut Nauki o Materiałach

Uniwersytet Śląski w Katowicach

ul. 75 Pułku Piechoty 1A, 41-500 Chorzów, tel. 32 349-75-15, e-mail: inom@us.edu.pl

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 bodźce zewnętrze przez istotną zmianę swoich
właściwości dla pożądanej i skutecznej odpowiedzi na te bodźce. Ich szczególne własności, jakimi
są efekty pamięci kształtu, nadsprężystość, są ściśle związane z odwracalną, termosprężystą
przemianą

martenzytyczną,

która

polega

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. Pr

zykładem 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
przekszta

łceniu 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

”

str. 2

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

przej

awia się 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

przemiany

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.

Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach

Biomateriały, ćwiczenie nr 6 „Badanie zjawiska nadsprężystości w

stopie NiTi z pamięci kształtu

”

str. 3

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 (g

) i sprężystą (g

) 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  p

rzedstawiono również charakterystyczne temperatury przemiany

martenzytycznej. M

i M

oznaczają temperatury początku i końca przemiany martenzytycznej na

krzywej chłodzenia, a A

i A

temperatury początku i końca tworzenia fazy macierzystej – jako

przemian

y odwrotnej na krzywej nagrzewania. Niska wartość odkształcenia plastycznego

akomodacji

odkształceń,

towarzyszących

przemianie

jest

warunkiem

koniecznym

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

tempera

tur 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
rejestrow

ane bezpośrednio ilości wydzielonego lub pobranego ciepła podczas przemiany – co

odpowiada entalpii przemiany. Na Rys. 4 przedstawione są krzywe chłodzenia i grzania stopu NiTi,
otrzymane metodą DSC.

Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach

Biomateriały, ćwiczenie nr 6 „Badanie zjawiska nadsprężystości w

stopie NiTi z pamięci kształtu

”

str. 4

Rys. 4. Krzywe DSC przemiany martenzytycznej NiTi

ZJAWISKA PAMIĘCI KSZTAŁTU

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  M

, a pełny odzysk kształtu wymaga nagrzania do

temperatury końca odwrotnej przemiany A

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 M

przemienia się w nieodkształcony martenzyt.

Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach

Biomateriały, ćwiczenie nr 6 „Badanie zjawiska nadsprężystości w

stopie NiTi z pamięci kształtu

”

str. 5

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 A

i trwa aż do osiągnięcia temperatury

(punkt G). Powrót odkształcenia nigdy nie jest idealny, ze względu na pewne odkształcenie

plastyczne, które nie zniknie po nagrzaniu do A

. Całkowite odkształcenie składa się więc z:

zanikającego odkształcenia sprężystego martenzytu (DE), odwracalnego odkształcenia,
towarzys

zącego 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

Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach

Biomateriały, ćwiczenie nr 6 „Badanie zjawiska nadsprężystości w

stopie NiTi z pamięci kształtu

”

str. 6

Wartość odzyskiwanego odkształcenia ε

uzależniona jest od wartości zadawanego odkształcenia

(Rys. 8). Wynika stąd, że istnieje graniczna wartość odkształcenia ε

której przekroczenie

powoduje znaczny spa

dek odzyskiwanego kształtu.

Rys. 8. Wielkości odzyskiwanego odkształcenia w zależności od stopnia deformacji dla stopu NiTi

Ta wartość graniczna odkształcenia, w zależności od stopu, waha się ε

=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 A

÷A

w umocowanej próbce, a więc niemającej

możliwości odzysku pierwotnego kształtu, będzie się indukowało naprężenie wewnętrzne σ

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,  związany  jest  z  cyklicznym  przebiegiem  przemian  w  zakresie  temperatur
M

÷A

, które wywołują odwracalne zmiany kształtu próbki bez udziału zewnętrznego 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

Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach

Biomateriały, ćwiczenie nr 6 „Badanie zjawiska nadsprężystości w

stopie NiTi z pamięci kształtu

”

str. 7

uprzywilejowanej  orientacji  zarodków  martenzytu  prowadzi  do  ograniczenia  wariantów  orientacji
płytek,  co  z  kolei  powoduje  anizotropowe,  makroskopowe  zmiany  kształtu.  Jeżeli  zarodki  te  nie
zostaną  zniszczone,  podczas  odwracalnej  przemiany  w  fazę  macierzystą  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  M

jak i powyżej A

. 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

wielokrotny

m powtórzeniu cyklu przedstawionej obróbki cieplno–mechanicznej.

Dwukierunkowy efekt pamięci kształtu nie jest efektem samoistnym, związanym

z  odwracalną  przemianą  martenzytyczną  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 Ni

. Dotychczasowe badania wykazały, że zaindukowanie dwukierunkowego efektu

pamięci kształtu jest uwarunkowane dwoma mechanizmami:



zachowaniem w temperaturze powyżej A

zorientowanych płytek 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,



wytworzeniem pól naprężeń wewnętrznych wokół dyslokacji, które ułatwiają 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 > A

jest związane

z nadsprężystym odkształceniem o wielkości od kilku do kilkunastu procent, które całkowicie
zanika podczas odciążenia. Schemat zjawiska nadsprężystości, w procesach powstawania

Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach

Biomateriały, ćwiczenie nr 6 „Badanie zjawiska nadsprężystości w

stopie NiTi z pamięci kształtu

”

str. 8

i zanikania martenzytu przedstawiono na Rys. 11. Odcinek AB ws

kazuje sprężyste odkształcanie w

stanie fazy macierzystej. W punkcie B, który odpowiada poziomowi naprężenia σ

P-M

, tworzy się

pierwsza  płytka  martenzytu.  Przemiana  martenzytyczna  jest  całkowicie  zakończona
w  punkcie  C.  Nachylenie  odcinka  BC  jest  miarą  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 osiągnięta zostaje granica plastyczności σ

martenzytu, dalej odkształca się 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 osiągnięciu naprężenia σ

M-P

punkcie F zaczyna się 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

P-M

jest liniową funkcją, rosnącą wraz z temperaturą,

natomiast granica plastyczności fazy macierzystej maleje ze wzrostem temperatury (Rys. 12).

Punkt, w jakim obie krzywe przecinają się odpowiada temperaturze M

, co oznacza, że powyżej

tej temperatury nie nastąpi tworzenie się martenzytu, lecz odkształcenie plastyczne fazy
macierzystej. Przecięcie krzywej σ

P-M

z osią temperatury wyznacza temperaturę M

Rys. 12. Temperaturowe zmiany naprężenia indukującego martenzyt w fazie macierzystej σ

P-M

oraz granicy plastyczności fazy macierzystej σ

Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach

Biomateriały, ćwiczenie nr 6 „Badanie zjawiska nadsprężystości w

stopie NiTi z pamięci kształtu

”

str. 9

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest analiza zjawiska nadsprężystości występującego w stopach NiTi do

zastosowań medycznych.

Spis wyposażenia (opis stanowiska pomiarowego):



komputerowy układ pomiarowy,



próbki do badania nadsprężystości,



papier ścierny

Rys. A przedstawia widok komputerowego stanowiska do badania zjawiska
nadsprężystości. Na Rys. B widoczny jest układ pomiarowy wraz z podporami, śrubą
mikrometryczną i czujką pozycji.

Rys. A. Widok stanowiska do badania zjawiska nadsprężystości

Rys. B. Widok układu pomiarowego

Przebieg ćwiczenia:

Włączyć listwę zasilającą.

Włączyć zasilacz – czerwony przycisk „Sieć” z lewej strony panelu przedniego zasilacza
(Rys.A).

Włączyć rejestrator sygnałów MC201 (Rys. A) (włącznik na tylnym panelu nad białym kablem
zasilającym).

Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach

Biomateriały, ćwiczenie nr 6 „Badanie zjawiska nadsprężystości w

stopie NiTi z pamięci kształtu

”

str. 10

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

Włączyć stację roboczą komputera sterującego,
A.

uruchomić program rejestratora pomiarowego

przejść do trybu Ms-Dos: naciśnij Start



Zamknij



Uruchom ponownie w trybie Ms-

Dos,

!!! Włączyć NUMLOCK !!!

wpisać polecenie: cd \mc201 a następnie mc201.exe

po wyświetleniu powyższego okna naciśnij Enter

Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach

Biomateriały, ćwiczenie nr 6 „Badanie zjawiska nadsprężystości w

stopie NiTi z pamięci kształtu

”

str. 11

d. poprawny start programu

sterująco-pomiarowego powoduje wyświetlenie poniższego

okna:

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 bądź za wyskoki
należy dostosować jego poziom za pomocą czarnego pokrętła regulacji napięcia na zasila-
czu (Rys. A).

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) !!!

Gdy poziom sygnałów jest prawidłowy rozpocząć właściwy pomiar.

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.

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.

dla próbki odkształconej plastycznie zerowa siła zostanie osiągnięta przed osiągnięciem
pozycji p0.

jeżeli w trakcie jednego pomiaru rejestrujemy kilka cykli obciążenie-odciążenie należy
między nimi zrobić kilkusekundową przerwę (Rys. D).

Instytut Nauki o Materiałach - Uniwersytet Śląski w Katowicach

Biomateriały, ćwiczenie nr 6 „Badanie zjawiska nadsprężystości w

stopie NiTi z pamięci kształtu

”

str. 12

Rys. D. Widok okien pomiarowych z przebiegiem cyk

licznej 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 się napis WYBIERZ NASTAWĘ Naciśnij 2x klawisz Enter !!!

15. w

yjść z programu rejestrującego wyniki pomiarów „ESC”

16.

przejść do Windows: wpisać Exit.

Opracowanie wyników i sprawozdanie:

Przygotować zwięzły opis zagadnień teoretycznych.

Opisać przebieg przeprowadzonego ćwiczenia.

Umieścić wykres



l=f(t) oraz

zinterpretować go.

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

Zjawisko nadsprężystości

Literatura

uzupełniająca:

H. Morawiec, Z. Lekston, Implanty medyczne z pamięcią kształtu, WPŚ, Gliwice 2010

2. J. Marciniak,

Biomateriały, Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002

S. Błażewicz, L. Stoch, Biomateriały t.4 w: M. Nałęcz (red.), Biocybernetyka i Inżynieria
Biomedyczna, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2000