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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:

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