Materiali a memoria di forma
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<strong>Materiali</strong><br />
a Memoria<br />
<strong>di</strong> Forma<br />
Shape Memory Alloys (SMA)
Effetto della <strong>memoria</strong> <strong>di</strong><br />
<strong>forma</strong>:<br />
se de<strong>forma</strong>ti plasticamente ad una bassa temperatura<br />
(stato martensitico), quando vengono riscaldati sopra<br />
una determinata temperatura caratteristica, hanno<br />
l’abilità <strong>di</strong> ritornare ad una <strong>forma</strong> iniziale (stato<br />
austenitico) che viene impartita tramite un opportuno<br />
training.<br />
Superelasti<br />
sticità:<br />
capacità <strong>di</strong> recuperare de<strong>forma</strong>zioni fino al 15%, che<br />
si manifesta in un determinato intervallo <strong>di</strong><br />
temperature.
Entrambi questi fenomeni sono da attribuirsi<br />
ad una transizione <strong>di</strong> fase martensitica<br />
termoelastica, , che può essere indotta sia<br />
dalla temperatura che da uno stato <strong>di</strong> sforzo<br />
agente sul materiale.<br />
A seconda della temperatura e dello sforzo<br />
loro impresso, tali materiali possono<br />
presentare due <strong>di</strong>verse fasi cristallografiche,<br />
dette fase austenitica e fase martensitica.
<strong>Materiali</strong> a <strong>memoria</strong> <strong>di</strong> <strong>forma</strong>:<br />
caratteristiche<br />
Si tratta <strong>di</strong> materiali sensibili ai cambiamenti <strong>di</strong><br />
temperatura e capaci <strong>di</strong> mo<strong>di</strong>ficare la loro <strong>forma</strong> in una<br />
struttura programmata tramite un effetto “<strong>memoria</strong>”.<br />
Carico costante<br />
Temperature<br />
Caratteristiche:<br />
As: Temperatura inizio fase austenitica<br />
Af: Temperatura fine fase austenitica<br />
Mf: Temperatura fine fase martensitica<br />
Ms: Temperatura inizio fase martensitica<br />
Mf Ms As Af<br />
Variabili con gli elementi <strong>di</strong><br />
lega, le rispettive % e i<br />
trattamenti termici
Curve sforzo de<strong>forma</strong>zione ottenute su una stessa lega a <strong>memoria</strong> <strong>di</strong> <strong>forma</strong> a tre<br />
<strong>di</strong>verse temperature. (a) il comportamento dell’austenite è un normale<br />
comportamento elasto plastico. (b) si manifesta la superelasticità. (c) la fase stabile<br />
è la martensite.
Memoria ad una via<br />
(one way shape memory effect):<br />
recupero della <strong>forma</strong> solo con<br />
l’aumento della temperatura.<br />
Fase martensitica<br />
(non è memorizzata<br />
alcuna <strong>forma</strong>)<br />
∆T>0<br />
Fase austenitica<br />
(<strong>forma</strong> memorizzata)
Memoria a due vie<br />
(two<br />
ways shape memory effect):<br />
Recupero della <strong>forma</strong> sia con un aumento che<br />
con una <strong>di</strong>minuzione della temperatura.<br />
Fase martensitica<br />
(<strong>forma</strong> memorizzata)<br />
∆T>0<br />
∆T
Brief History<br />
•1932, first observation of the shape memory effect (SME) by Chang<br />
and Read in AuCd<br />
•1938, SME in CuZn (brass)<br />
•1951, SME in a bent bar of AuCd<br />
•1962, Buehler, Gilfrich and Wiley <strong>di</strong>scovered SME in an alloy of<br />
Nickel-Titanium (NiTi); such alloys are called Nitinol (from Naval<br />
Or<strong>di</strong>nance Laboratory of US Navy)<br />
•Since then, study and applications of SMA have continued at an<br />
increasing pace<br />
•At the present, only NiTi alloys and copper-base alloys have a level<br />
of commercial exploitation; in particular, NiTinol is most widely used<br />
(90%), since has:<br />
excellent electrical and mechanical properties<br />
long fatigue life<br />
high corrosion resistance<br />
high ductility
Oggi gli SMA si trovano in settori che spaziano dall’ingegneria<br />
chimica a quella meccanica, dalla me<strong>di</strong>cina all’idraulica,<br />
dall’industria aerospaziale a quella automobilistica a quella<br />
biome<strong>di</strong>ca.<br />
A causa del costo relativamente contenuto, recentemente sono<br />
state sviluppate leghe a base <strong>di</strong> rame, come leghe ternarie Cu-Zn-<br />
Al e Cu-Al-Ni, anche se le leghe del sistema Ni-Ti sono ancora le<br />
più commercializzate e quelle maggiormente stu<strong>di</strong>ate, in virtù,<br />
delle migliori proprietà.<br />
Le leghe Ni-Ti presentano una maggiore de<strong>forma</strong>zione per effetto<br />
della <strong>memoria</strong> <strong>di</strong> <strong>forma</strong>, sono più stabili termicamente, hanno<br />
un’eccellente resistenza alla corrosione e alla stress corrosion.<br />
La maggiore resistenza meccanica viene sfruttata nei giunti<br />
meccanici e <strong>di</strong> tenuta, la resistenza alla corrosione e la<br />
biocompatibilità ne permettono l’impiego in filtri anti colagulo per<br />
la circolazione sanguigna e perni per fratture ossee.<br />
Le leghe <strong>di</strong> rame sono meno costose, possono venire fuse con più<br />
facilità e hanno un più ampio intervallo <strong>di</strong> temperature <strong>di</strong><br />
tras<strong>forma</strong>zione.
Lega<br />
Composizione<br />
(Peso %)<br />
Range <strong>di</strong><br />
Temperature <strong>di</strong><br />
Transizione (°C)(<br />
Isteresi <strong>di</strong><br />
Tras<strong>forma</strong>zione<br />
(°C)<br />
Au-Cd<br />
44/49 % Cd<br />
-190 / -50<br />
15<br />
Au-Cd<br />
46.5/50 %Cd<br />
30 / 100<br />
15<br />
Cu-Al<br />
Al-Ni<br />
14/14.5 %Al,<br />
3/4.5 %Ni<br />
-140 / 100<br />
35<br />
Cu-Zn<br />
38.5/41.5 % Zn<br />
-180 / -10<br />
10<br />
Cu-Zn<br />
Zn-X<br />
(X=Si,Sn,Al)<br />
Qualche % X<br />
-180 / 200<br />
10<br />
Ni-Ti<br />
18/23 % Ti<br />
60 / 100<br />
4<br />
Ni-Al<br />
36/38 % Al<br />
-180 / 100<br />
10<br />
Ni-Ti<br />
49/51 % Ni<br />
-50 / 110<br />
30<br />
Fe-Pt<br />
25 % Pt<br />
-130<br />
4<br />
Mn-Cu<br />
5/35 % Cu<br />
-250 / 180<br />
25<br />
Fe-Mn<br />
Mn-Si<br />
32 % Mn, , 6 % Si<br />
-200 / 150<br />
100
Tras<strong>forma</strong>zione martensitica<br />
Le due principali proprietà degli SMA sono<br />
da ricercarsi nella tras<strong>forma</strong>zione<br />
martensitica termoelastica.<br />
Può essere indotta sia dalla temperatura<br />
sia da uno stato <strong>di</strong> sforzo: martensite<br />
indotta termicamente e martensite indotta<br />
meccanicamente.
Le tras<strong>forma</strong>zioni che avvengono allo stato solido si<br />
<strong>di</strong>stinguono in due tipi:<br />
•Le <strong>di</strong>ffusive richiedono spostamenti <strong>di</strong> piani atomici su<br />
<strong>di</strong>stanze relativamente elevate, in quanto la tras<strong>forma</strong>zione<br />
stessa genera una nuova fase la cui composizione chimica è<br />
<strong>di</strong>versa da quella originaria e, pertanto, <strong>di</strong>pendendo da un<br />
moto migratorio degli atomi all’interno del materiale, si tratta<br />
<strong>di</strong> processi che sono funzione <strong>di</strong>a del tempo che della<br />
temperatura.<br />
•Le <strong>di</strong>splasive si realizzano attraverso un moto cooperativo<br />
degli atomi che producono un riarrangiamento all’interno del<br />
materiale <strong>forma</strong>ndo una nuova fase cristallina più stabile,<br />
conservando tuttavia invariata la composizione chimica.<br />
Infatti, lo spostamento massimo <strong>di</strong> ciascun atomo è inferiore<br />
alla <strong>di</strong>stanza interatomica e quin<strong>di</strong> non si ha rottura dei legami<br />
chimici. Dato che non intervengono fenomeni <strong>di</strong> natura<br />
<strong>di</strong>ffusiva, la tras<strong>forma</strong>zione progre<strong>di</strong>sce in<strong>di</strong>pendentemente<br />
dal tempo.
La tras<strong>forma</strong>zione martensitica si realizza tra due fasi ben<br />
<strong>di</strong>stinte che prendono il nome <strong>di</strong> fase austenitica, stabile alle<br />
alte temperature e martensitica, stabile alle basse temperature.<br />
Dal punto <strong>di</strong> vista cristallografico:<br />
la tras<strong>forma</strong>zione da austenite a martensite può essere<br />
considerata come somma <strong>di</strong> due contributi: la de<strong>forma</strong>zione <strong>di</strong><br />
BAIN e il conseguente accomodamento.<br />
Il progre<strong>di</strong>re della tras<strong>forma</strong>zione all’interno del materiale da<br />
austenite a martensite interessa un solo piano <strong>di</strong> atomi per<br />
volta e quin<strong>di</strong> ad ogni singolo atomo è richiesto uno<br />
spostamento assai limitato.<br />
La martensite così tras<strong>forma</strong>ta, però, presenta <strong>forma</strong> e volume<br />
<strong>di</strong>fferente da quelli della fase austenitica. Quin<strong>di</strong> è necessario<br />
che l’austenite circostante, così come la nuova fase<br />
martensitica, trovino un accomodamento della nuova struttura.
I meccanismi sono 2: uno slittamtno atomico (slip) e la<br />
geminazione (twinning).<br />
Lo slittamento atomico è un processo permanente,<br />
tipico degli acciai, poiché coinvolge una mo<strong>di</strong>fica<br />
irreversibile della microstruttura del materiale, con<br />
rottura e slittamento dei legami.<br />
La geminazione è un processo <strong>di</strong> natura reversibile<br />
anche se è in grado <strong>di</strong> accomodare unicamente<br />
variazioni <strong>di</strong> <strong>forma</strong> e non <strong>di</strong> volume.
Struttura Cristallina<br />
La fase<br />
austenitica è una<br />
fase ad alta<br />
simmetria,<br />
solitamente<br />
cubica. Nel caso<br />
delle leghe NI-TI<br />
è <strong>di</strong> tipo cubico a<br />
corpo centrato.<br />
La fase<br />
martensitica<br />
appare<br />
monoclina<br />
<strong>di</strong>storta.
Curva<br />
Carico – De<strong>forma</strong>zione -Temperatura<br />
Temperatura<br />
costante<br />
Carico<br />
costante
The basic mechanism is a phase transition in the crystal lattice<br />
structure: