Teoria ed applicazioni delle leghe a memoria di forma

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Fig. 1.8: meccanismo di detwinning Questa trasformazione avviene con livelli di carico abbastanza bassi, ma il processo deve essere condotto ad una temperatura minore della M F ; esaminando una curva sforzo deformazione per un materiale di questo tipo si può vedere come la deformazione per detwinning avviene in modo pressoché plastico. Il grado di deformazione che si ottiene varia inoltre non solo con il tipo di lega ma anche con la dimensione del grano iniziale; si è osservato infatti che grani sferoidali consentono un miglior effetto memoria di grani piatti. Fig. 1.9: Curva sforzo deformazione con visibile il meccanismo di detwinning 12
Un seguente riscaldamento sopra A F produce l’effetto memoria di forma in quanto si ha un ritorno alla forma iniziale che si aveva con la fase austenitica. Questo fenomeno prende il nome di memoria di forma ad una via (One Way Shape Memory Effect, OWSME) in quanto se si riporta successivamente il pezzo ad una temperatura minore di M F la configurazione macroscopica resta pressoché invariata e per avere nuovamente l’effetto memoria di forma bisogna agire nuovamente con una deformazione. La percentuale di forma che viene recuperata è legata al grado di deformazione precedentemente introdotta; i materiali a grana grossolana hanno un ritorno completo alla forma originale solo se la deformazione che è stata applicata è minore del 7,5 %; se la deformazione applicata è del 15% il ritorno alla forma originaria non supera il 92%. Nei materiali a grana fine in ritorno alla forma originaria arriva al massimo al 87% anche con deformazioni applicate che non superano il 3%. Questo e’spiegabile considerando che l’avere grana fina implica avere un ampia superficie di bordo grano che è una zona con un ordine reticolare molto basso e che quindi non ha trasformazione termoelastica. Il ritorno alla forma originaria è associato a cambiamenti strutturali che possono avvenire anche molto rapidamente, nell’ordine dei millisecondi, e che possono generare degli sforzi interni molto elevati: una lega TiNi50, ad esempio, può sviluppare uno sforzo di 700 MPa. Con alcune leghe è possibile ottenere l’effetto memoria di forma sia della fase austenitica, sia della fase martensitica. Questo effetto, che prende il nome di effetto di memoria di forma a due vie (Two Ways Shape Memory Effect, TWSME), non è comunque una proprietà intrinseca del materiale, ma è un comportamento che il materiale deve ‘apprendere’ attraverso appositi trattamenti termici. Si agisce introducendo concentrazioni di dislocazioni per stress nella martensite in direzioni preferenziali in modo che la trasformazione γ → α ′ porti ad una forma ben precisa; il trattamento termico che viene utilizzato prende il nome di ciclaggio termico forzato della martensite (Paragrafo 2.1). Il pezzo viene deformato sotto la M F ed immobilizzato il maniera che non modifichi mai il suo stato deformato durante i successivi trattamenti termici condotti a temperature maggiori di F A e successivamente inferiori ad M F . Si può ottenere così un materiale che cambia automaticamente forma in dipendenza con la temperatura. Il grosso limite dell’effetto di memoria di forma a due vie risiede nel fatto che esiste un numero finito di cicli che può compiere prima di tornare a comportarsi come una lega OWSME, che dipende dal trattamento di ciclaggio termico forzato. Inoltre la percentuale di forma che viene recuperata passando da austenite e martensite è inversamente proporzionale al numero massimo di cicli massimi richiesti al materiale. Numero Cicli Massima deformazione reversibile (%) NiTi CuAlNi CuZnAl 2 10 6 1,2 1 5 10 2 0,8 0,8 7 10 0,5 0,6 0,5 Tab. 1.B: relazione tra numero di cicli massimi e massima deformazione per SMAs Altro limite è rappresentato dall’esistenza di una temperatura critica oltre la quale la lega perde la sua caratteristica di effetto di memoria di forma a due vie, vanificando così il trattamento di ciclaggio termico forzato. Come già detto esiste una temperatura M D sotto la quale posso aver formazione di martensite per deformazione meccanica. Se una lega di memoria di forma presenta la temperatura di fine 13
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