Leghe a memoria di forma (SMA)

Leghe a memoria di forma (SMA)
La trasformazione martensitica
Effetto superelastico
Effetto memoria di forma
Applicazioni SMA
Smorzatori di vibrazione
Produzione SMA & design

•
Interfaccia
martensite/
austenite
La trasformazione martensitica
Trasformazione displasiva, che involve solo delle rotazioni
e traslazioni atomiche e nessuna rottura di legame
Interfaccia
martensite/
austenite

•
Costrizioni dalla matrice
La trasformazione da austenite a martensite è ostacolata
dalla matrice intorno che costringe il grano a mantenere la
propria forma. Di conseguenza possiamo avere slip di
accomodamento o geminazione (twinning):
Accomodamento per deformazione
(slip)
Accomodamento per geminazione
(twinning)

•
Trasformazione martensitica e proprietà
Monitorando alcune proprietà si nota un’isteresi nella
trasformazione:

•
•
•
Caratteristiche della geminazione
La geminazione si ottiene per sforzi di taglio
Il bordo di geminato divide due zone simmetriche rispetto
al piano del geminato (mirror plane)
Avvengono solo rotazioni di legame

•
Degeminazione
Il meccanismo di degeminazione permette una notevola
deformazione senza slittamento di piani (mantiene la
caratteristica di deformazione plastica).

sforzo
Curva sforzo-deformazione per la martensite
deformazione elastica
martensite degeminata
inizio
degeminazione
inizio deformazione
plastica (slip)
martensite
completamente degeminata
deformazione

Degeminazione e curva sforzo-deformazione
Martensite

Sforzo-deformazione per l’austenite

•
Cosa cambia con la temperatura?
Il plateau di trasformazione/degeminazione (sia da
austenite che da martensite) avviene a sforzo più elevato

La memoria di forma
• Partiamo da austenite, raffreddiamo, deformiamo la martensite
(x degeminazione), riscaldiamo e si ritorna a austenite.
• La rotazione delle celle (legami) forza i grani a tornare alla
forma originale.

Memoria di forma in sintesi

Memoria di forma e superasticità

Memoria di forma, superelasticità e temperatura

•
•
Memoria a due vie
Memoria di forma a una via: si deforma la fase martensitica
e riscaldando sopra Af il pezzo recupera la sua forma
Memoria di forma a due vie: un pezzo sottoposto a training
opportuno assume stabilmente le due forme diverse

•
•
•
•
Training
La lega viene sottoposta a cicli termo-meccanici dove due
forme differenti sono imposte ada alta e bassa
temperatura
Il ciclaggio termo-meccanico viene portato avanti fino a
che il pezzo assume le due forme stabilmente
La memoria a due vie viene utilizzata per attuatori che
eseguono un determinato lavoro a seguito di aumento o
diminuzione della temperatura.
Il numero totale di cicli che il pezzo può effettuare è
limitato da: massima deformazione, tessitura,
microstruttura (loop di dislocazioni, dimensioni grani), tipo
di lega

Temperatura-sforzo vs. stabilità delle fasi

Tipi di leghe a memoria di forma

Proprietà leghe Ni-Ti

Altre SMA

Confronto NiTi-Acciai

Diagramma di fase NiTi

•
•
Applicazioni SMA: memoria a una via
L’attuatore più semplice: a bassa temperatura il peso
allunga la molla in fase martensitica (Emart < Eaust).
Ad alta temperatura ritorna austenite recuerando la forma
originale.

•
• Attuatori
• Materiali intelligenti
• Dispositivi biomedicali
• MEMS
• Sistemi di smorzamento
Applicazioni con SMA
Giunti, dispositivi di fissaggio, connettori

•
• Attuatori
• Materiali intelligenti
• Dispositivi biomedicali
• MEMS
• Sistemi di smorzamento
Applicazioni con SMA
Giunti, dispositivi di fissaggio, connettori

•
•
Giunzioni in SMA
Connettori elettrici
Giunzioni e connettori

•
• Inserimento
• Si restringono per
riscaldamento
•
Flange per tubi e connettori
Si allargano per pressione
ZIF (Zero Insertion Force)

• Giunzioni
•
Anelli di tenuta
Giunzioni ed anelli di tenuta

•
• Attuatori
• Materiali intelligenti
• Dispositivi biomedicali
• MEMS
• Sistemi di smorzamento
Applicazioni con SMA
Giunti, dispositivi di fissaggio, connettori

Valvola termostatica

Sistemi a molla SMA e contromolla

Treni ad alta velocità

Sistema Frangibolt

Specifiche Frangibolt

In serie
Per migliorare l’affidabilità
In parallelo

Sistemi di montaggio

• Airbag
•
Attuatori nel settore consumer
Valvole sicurezza
acqua calda

Attuatori nel campo aerospaziale
Motore rotante ad energia
solare (missione Marte)
Pinpuller, 10 gr, Carico 2.3 Kg,
usato nella missione su Marte
SOC (Solar Occultation
Channel), Strumento
Persi Alice per Plutone

•
•
•
Semplicità, pochi pezzi:
•
Attuatori in SMA: pregi
il sitema non richiede elementi aggiuntivi, spesso sostituisce sia
il sensore che l’attuatore (motore)
No usura, niente scintille, pulito e silenzioso
•
•
•
non sono richiesti ingranaggi ➙ non si genera polvere
assenza di vibrazioni e quindi rumore
adatti all’impiego con sostanze infiammabili
Elevato rapporto potenza/peso (potenza/volume)
•
ideali per piccoli attuatori

•
•
•
Attuatori in SMA: difetti
Bassa efficienza energetica
•
•
dipende fortemente dalla configurazione e tipo di
deformazione; il caso più favorevole sono fili in tensione
uniforme
una distribuzione dei carichi non uniforme causa un utilizzo
non ottimale del materiale e quindi una scarsa efficienza
Limitata banda bassante (frequenze basse)
•
questo è dovuto alla “lentezza” della SMA che richiede
smaltimento del calore generato durante l’isteresi
Numero limitato di cicli e deterioramento a fatica
•
per usare le SMA ad un numero elevato di cicli, la
deformazione massima deve essere ridotta.

•
• Attuatori
• Materiali intelligenti
• Dispositivi biomedicali
• MEMS
• Sistemi di smorzamento
Applicazioni con SMA
Giunti, dispositivi di fissaggio, connettori

•
•
•
Applicazioni come smart materials
Compositi attivi con fili in SMA:
•
la matrice viene caricata con fili/fibre in SMA; se a seguito di
vibrazioni il materiale entra in risonanza, il filo si riscalda e si
trasforma in austenite mettendo in compressione la matrice e
cambiandone la frequenza di risonanza
Materiali autoriparanti o più resistenti all’impatto e
rottura:
•
in caso di cricca o rottura della matrice il filo si deforma, ma
aumentando la temperatura, può ritornare alla forma originale
riparando la matrice
Ali attive:

•
• Attuatori
• Materiali intelligenti
• Dispositivi biomedicali
• MEMS
• Sistemi di smorzamento
Applicazioni con SMA
Giunti, dispositivi di fissaggio, connettori

Memoria a due vie: sonda chirurgica

Altre applicazioni biomedicali
Sonda microchirurgica Stents
(sostenimento vene-arterie)

Fili per ortodonzia

•
• Attuatori
• Materiali intelligenti
• Dispositivi biomedicali
• MEMS
• Sistemi di smorzamento
Applicazioni con SMA
Giunti, dispositivi di fissaggio, connettori

Arti robotizzati

•
• Attuatori
• Materiali intelligenti
• Dispositivi biomedicali
• MEMS
• Sistemi di smorzamento
Applicazioni con SMA
Giunti, dispositivi di fissaggio, connettori

Sistemi di smorzamento
Sistemi di smorzamento?

Superelasticità
Comportamento superelastico e damping
2660 M. Dolce, D. Cardone / International Journal of Mechanical Sciences 43 (2001) 2657–2677
Fig. 1. Schematic stress–strain curve of superelastic shape memory alloy, showing the phenomena associated with

Massima
•
Effetto della massima deformazione
Effetto della deformazione massima
Con la massima deformazione il damping cresce e quindi
l’energia dissipata per ciclo
deformazione
Smorzamento
2668 M. Dolce, D. Cardone / International Journal of Mechanical Sciences 43 (2001) 2657–2677
Energia dissipata
per ciclo
Fig. 6. Cyclic loading–unloading tensile tests on austenite superelastic wire: in uence of strain amplitude.

2670 2670
ardone / International
M. Dolce, M. Dolce, D.
2670 M. Journal
Cardone D. Cardone
Dolce, D. of
/
Cardone Mechanical
International / International
2670 M. Dolce, D. Cardone / International / International Sciences
Journal Journal
Journal 43
of
Journal (2001)
Mechanical of Mechanical
of Mechanical of2657–2677 Sciences Sciences 43 (2001) 43 (2001) 2657–2677 2657–2677
ne / International Journal of Mechanical Sciences 43 (2001) 2657–2677 Mechanical Sciences Sciences 43 (2001) 43 (2001) 2657–2677 2657–2677
Cardone / International Journal of Mechanical Sciences 43 (2001) 2657–2677
Effetto Effetto della configurazione
Effetto della
Effetto della configurazione
della configurazione
configurazione
•
•
Si Si possono avere differenti
Si possono possono avere avere differenti
configurazioni È possibile configurazioni configurazioni scegliere ed ed effetti ed effetti effetti la sul sul sul
damping damping totale totale
•
configurazione migliore per
damping totale
ottenere lo smorzamento
voluto

M. Dolce, D. Cardone / International Journal of Mechanical Sciences 43 (2001) 2657–2677 2671
Effetto Effetto della della temperatura sullo sul smorzamento
damping
M. Dolce, D. Cardone / International Journal of Mechanical Sciences 43 (2001) 2657–2677 2671
Fig. 9. Austenite wire in tension: (a) stress–strain curves at di erent temperatures; and (b) starting and completing
transformation stresses as a function of temperature.
Fig. 9. Austenite wire in tension: (a) stress–strain curves at di erent temperatures; and (b) starting and completing
transformation stresses as a function of temperature.

Effetto temperatura-
•
Effetto
frequenza
temperatura-
frequenza
Frequenze maggiori
Frequenze più alte
permettono un
recupero inferiore e
diminuisce la quantità
di energia dissipata
Minore recupero lega
Minore energia dissipata
M. Dolce, D. Cardone / International Journal of Mechanical Sciences 43 (2001) 2657–2677 2
Fig. 11. E ects of repeated cyclic deformation on stress–strain curves at various temperatures and two di e

Effetto
temperatura-frequenza
Effetto temperatura
frequenza/numero cicli
2674 M. Dolce, D. Cardone / International Journal of Mechanical Sciences 43 (2001) 2

•
Smorzatori Sistemi di di smorzamento vibrazione
Studio smorzatori di Baratta e Corbi. Hanno mostrato
Sistema di smorzamento di Baratta & Corbi. L’SMA mostra minori
come il sistema in SMA mostrava minori spostamenti in
spostamenti rispetto ad un sistema perfettamente elastico.
risposta a vibrazioni rispetto ad uno perfettamente
elastico

•
Sistemi smorzatori di De Roches
Sistemi di smorzamento di De Roches
De Roches ha studiato diversi sitemi per smorzare le
Sistema vibrazioni di smorzamento e rinforzare vibrazioni le strutture su ponti contro e rinforzo i sismi sismico

Sstema di rinforzo sismico di De Roches
Rinforzo sismico di De Roches

Smorzatore di Dolce e altri
Sistema di rinforzo di Dolce e altri

Rinforzo travi con SMA (De Roches)
Rinforzo travi con SMA (De Roches)
Connessione
•
trave-pilone con Connessione dopo
In figura una connessione smart di trave e pilone in SMA
tondini in SMA
l’applicazione di carichi ciclici
prima e dopo applicazione di carichi in frequenza elevati. Si
(prima della deformazione) elevati (simulazione terremoto)
veda la deformazione elevata dei tondini in SMA. Dopo
riscaldamenti i tondini recuperano la forma originale.

Sistema di rinforzo in SMA per la basilica di S.
Sistema rinforzo sismico per la basilica di S. Francesco in Assisi
Francesco in Assisi

S, S. Giorgio in Trignano

Altre applicazioni superelasticità

Altre applicazioni memoria di forma

Altre applicazioni memoria di forma

•
•
•
•
Produzione SMA
Si utilizzano i sistemi di produzione classici per leghe
titanio, dalla fusione alla colata in stampi o continuo
La composizione viene controllata accuratamente
Molte lavorazioni preliminari vengono eseguite in
temperatura: trafilature, laminazioni a caldo etc.
Il problema sorge con le lavorazioni a freddo e i tagli per
la formatura finale:
•
•
•
Non si possono utilizzare i sistemi classici di taglio lamiere
(punzoni etc.)
Per le lavorazioni finali vengono utilizzati tagli laser, ultrasuoni
etc.
Si evitano i sistemi di taglio per deformazione, rottura e usura

Progettare con le SMA
Progettare con le SMA
Progettare con le SMA
Il problema sorge
Il problema sorge
quando vogliamo avere
Il problema sorge quando
quando vogliamo avere
una lunghezza di lavoro
vogliamo avere una
una lunghezza lunghezza di lavoro di ampia lavoro
mantenendo un carico di
ampia mantenendo un
ampia mantenendo un
carico di lavoro
lavoro sufficiente
sufficiente
carico di lavoro
sufficiente

er estendere la
unghezza di lavoro del
•
Per estendere la
istema con SMA un
lunghezza di lavoro del
etodo è quello di
•
sistema con SMA un
tilizzare i momenti
metodo è quello di
i fa in modo che la
Utilizzare i momenti
utilizzare i momenti
orza per il braccio
Si fa in modo che la
imanga circa costante
forza per il braccio
ull’arco di utilizzo
rimanga circa costante
sull’arco di utilizzo
Utilizzare i momenti

•
•
Lamine bimetalliche ed SMA
Le SMA permettono Lamine bimetalliche ed SMA
range di lavoro
molto maggiori
•
Le SMA permettono
Le range SMA permettono
di lavoro
range molto di lavoro maggiori molto
rispetto alle lamine
maggiori rispetto alle
bimetalliche
lamine bimetalliche
rispetto alle lamine
bimetalliche

•
•
•• Dimensionare
Dimensionare
molle
molle
in SMA
in SMA
Dimensionare Dimensionare molle molle in in SMA SMA
Le seguenti relazioni
Le Le seguenti Le seguenti relazioni
sono seguenti utili relazioni per relazioni il calcolo:
sono sono utili utili utili per per per il calcolo: il il calcolo:

Fattore di di di
Fattore di correzione correzione
Fattore di correzione dello dello dello dello
Fattore di correzione sforzo dello sforzo sforzo sforzo
C = sforzo
D
" = # 16PR
e di correzione dello sforzo
C = D
" = #
d
16PR
$d 3 C = D
" = #
d
16PR
$d 3 " = # 16PR
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$d 3
" = # 16PR
$d 3
!
!
# 16PR
$d 3
! Wahl’s !
! formula:
!
Rover’s formula:
Wood’s formula:
Gohner’s formula:
$d 3
!
!
!
!
d
C = D
C =
d
D
C =
d
D C =
d
D
d

•
•
Procedura della della costante rigidezza apparente della molla
Il modulo di taglio della
Il modulo di taglio della
molla in NiTi varia con la
molla in NiTi varia con la
temperatura
temperatura
Varia anche in funzione
Varia anche in funzione
della massima deformazione
della massima deformazione
a causa dell’interazione tra
a causa dell’interazione tra
martensite, martensite, quantità quantità di di
martensite che che si si trasforma
e relazioni e relazioni di di parentela con
la la matrice
•
•
• Sopra Af • e sotto Ms G è
Sopra Af e sotto Ms G è
costante

•
•
Carico di 20 N
Esercizio
Lunghezza di lavoro della molla: 10 mm
• Assumiamo:
• G austenitico 25 GPa
• G martensitico 5 GPa
• ϒmax = 1.0% per assicurare una vita sufficiente alla molla
• C iniziale = 6
•
Determinare le dimensioni della molla (n, D, d)

•
Homework ?
Dimensionare l’anello di tenuta
in NiTi in modo che lo sforzo
(radiale) di compressione sul
tubo interno sia pari a 200 MPa
• Dati:
•
•
•
Tubo in acciaio
• E = 205 GPa, poisson = 0.27
• diametro esterno 5 cm
• spessore 1 cm
NiTi da tabelle
Homework ?
mensionare l’anello di tenuta in
Ti in modo che lo sforzo
diale) di compressione sul tubo
erno sia pari a 200 MPa
ti:
Tubo in acciaio
lunghezza anello SMA 10 cm
E = 205 GPa, poisson = 0.27
diametro esterno 5 cm