Teoria ed applicazioni delle leghe a memoria di forma

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Dopo una prima fusione dei lingotti, per una prima fase di lavorazione, possono essere usati i tipici metodi di lavorazione a caldo come la forgiatura, la laminazione o l'estrusione. Le leghe reagiscono lentamente con l'aria, cosicché le lavorazioni a caldo si possono fare con successo in atmosfera normale. Queste leghe possono essere sottoposte anche alla maggior parte delle lavorazioni a freddo, tuttavia incrudiscono molto rapidamente e sono quindi necessarie frequenti ricotture. La filatura è probabilmente la tecnica più usata, e si riescono ad ottenere comunemente diametri fino ai 0.05 mm con eccellenti proprietà superficiali. La fabbricazione di articoli in NiTi si può fare prestando però una certa attenzione, infatti alcuni processi comuni diventano particolarmente difficoltosi. Le lavorazioni alla macchina utensile, come la fresatura o la tornitura, risultano molto difficili se non con attrezzi speciali e molta esperienza. Anche i vari metodi di saldatura risultano particolarmente difficoltosi. Tuttavia il materiale risponde bene alla rimozione per abrasione, come la molatura, ed inoltre si riesce a tagliare con la cesoia a patto di mantenere sezioni piccole. Il trattamento termico per impartire la memoria della forma desiderata è spesso eseguito tra i 500 e gli 800 ° C per pochi minuti (anche a 300-350 ° C ma in tempi più lunghi). Il campione, per tutto il corso del trattamento, deve essere costretto a mantenere la forma di cui si desidera memorizzare. Temperatura di fusione, deg. C 1300 Densità, g/cm3 Resistività, micro-ohms*cm 6.45 Austenite approx. 100 Martensite Conducibilità Termica, W*cm*deg.C approx. 70 Austenite 18 Martensite 8.5 Calore Latente di Fusione, KJ/Kg*atoms Modulo di Young, GPa 167 Austenite approx. 83 Martensite Yield Strength, MPa approx. 28 Austenite 195 to 690 Martensite 70 to 140 Ultimate Tensile Strength, MPa 895 Resistenza alla Corrosione Simile agli acciai inossidabili della serie 300 o alle leghe di titanio Temperature di Trasformazione, deg.C -200 to 110 Shape Memory Strain 8.5% maximum Tab. 4.A: Principali proprietà delle SMAs NiTi 26
4.2 Leghe a base Cu Sono disponibili come leghe ternarie CuZnAl e CuAlNi, o nelle loro varianti quaternarie con l'aggiunta di manganese. Elementi come boro, cerio, cobalto, ferro, titanio, vanadio e zirconio sono generalmente aggiunti per affinare la grana. Le proprietà principali sono elencate nella tabella 4.B. La fusione delle SMAs a base Cu viene fatta per induzione. Sono necessari un flusso protettivo di azoto o gas inerti sul fuso, specialmente durante la colata, per prevenire l'evaporazione dello zinco e l'ossidazione dell'alluminio. Sono inoltre usate procedure di rapida solidificazione per produrre leghe a grana fine, evitando così l'utilizzo di affinatori. Queste leghe possono essere lavorate a caldo, in aria, senza problemi. Le leghe CuZnAl contenenti un basso tenore di alluminio (meno del 6% in peso) possono sottostare alle lavorazioni finali a freddo intervallate da procedimenti di ricottura; passando invece a tenori d'alluminio più elevati non si riesce a lavorarle a freddo facilmente. Le leghe CuAlNi sono invece fragili a basse temperature e possono essere lavorate solo a caldo, anche nelle ultime fasi. L'aggiunta di manganese diminuisce le temperature di trasformazione sia per CuZnAl che per CuAlNi, e spesso viene sostituito all'alluminio per migliorare la duttilità. Siccome le SMAs a base rame sono metastabili a temperatura ambiente a causa della presenza regione della fase β (la fase stabile ad alta temperatura), si rende necessario un trattamento termico di solubilizzazione ad alta temperatura e un conseguente raffreddamento controllato al fine di riuscire ad avere fase β ritenuta per gli effetti di memoria di forma. Tuttavia è deleterio prolungare troppo questi trattamenti ad alte temperature perché possono causare la precipitazione a bordo grano dello zinco ed anche l'ingrossamento della grana. La tempra in acqua è generalmente usata per contenuti elevati di alluminio mentre può essere sufficiente un semplice raffreddamento in aria sia per CuZnAl che per CuAlNi. E' necessario inoltre un trattamento di invecchiamento, dopo tempra, a temperature superiori ai normali valori di A F , al fine di rendere stabili i valori delle temperature di trasformazione, le quali dopo la tempra risultano di solito instabili. Le leghe CuZnAl, se temprate in maniera rapida e diretta nella fase martensitica, causano l'effetto di stabilizzazione della martensite. Questo effetto causa principalmente lo shift delle temperature di trasformazione verso valori più bassi e quindi pospone o persino inibisce il recupero di forma. Per leghe con temperature di M S superiori a quella ambiente deve essere adottato un raffreddamento lento o a step con un invecchiamento intermedio nella fase β . La stabilità termica delle leghe a base rame è infine limitata dalla cinetica di decomposizione. Per questa ragione devono essere evitate esposizioni prolungate di CuZnAl e CuAINi a temperature rispettivamente superiori ai 150° C e 200° C . Persino procedure di invecchiamento a temperature inferiori possono causare variazioni ai valori delle temperature di trasformazione. Comunque la lega CuAINi ha una stabilità maggiore della CuZnAl se esposta ad alte temperature. Indispensabile quindi tenere presenti questi effetti, in fase di progettazione e di scelta della lega, specialmente se è richiesta una notevole precisione e stabilità alle temperature di transizione. 27
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