Corso di dottorato: Metodi variazionali per la meccanica e i materiali

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1 Corso di dottorato: Metodi variazionali per la meccanica e i materiali Lezione 20: Il giro del mondo dell isteresi in 80 (o quasi) applicazioni seconda parte: materiali multifunzionali Michela Eleuteri Università degli Studi di Milano (ancora per poco...) Università degli Studi di Firenze February 26, 2014

2 Shape memory alloys: definizione e proprietà Le leghe con memoria di forma (Shape Memory Alloys - SMA): classe particolare di leghe metalliche con la proprietà di ricordare la loro forma originaria dopo essere state piegate o distorte (effetto memoria di forma). Come vedere questo effetto: applicare una deformazione ad un filo metallico di questa lega e poi andare a riscaldarlo per effetto Joule: il filo metallico riprende la sua forma originaria. Questa proprietà e quella correlata della pseudo-elasticità usate per molti scopi: medico, auronautico, civile e in particolare nel campo dei sensori. Le proprietà delle SMA sono possibili a causa di una trasformazione di fase allo stato solido (riarrangiamento molecolare che avviene nella lega): trasformazione di tipo dislocativo - caratterizzate da piccoli movimenti degli atomi rispetto alla loro posizione originaria. La natura chimica del materiale non viene alterata - reticolo cristallino si dispone in una configurazione più stabile. Migrazione degli atomi non richiesta: il processo dipende solo dalla temperatura e non dal tempo.

8 La trasformazione di fase allo stato solido: austenite-martensite Tutte le SMA propongono due fasi cristalline distinte, la cui presenza è funzione della temperatura e degli stress applicati. Queste fasi sono di tipo martensitica a bassa temperatura e austenitica ad alta temperatura. La martensite non deformata (twinned) ha la stessa forma e volume della fase austenite (cubica) su scala macroscopica, e non ci sono cambiamenti visibili finché non diventa martensite deformata (detwinned). La proprietà della lega dipenderà evidentemente dalla quantità relativa di fase presente.

12 La trasformazione di fase allo stato solido: austenite-martensite Figura: Vista macroscopica e microscopica delle due fasi delle SMA.

13 L effetto di memoria di forma Figura: L effetto di memoria di forma si ottiene raffreddando la lega finché diventa solo martensite e può essere deformata. La forma originaria può essere recuperata scaldando opportunamente la lega; il calore è il responsabile del riarrangiamento molecolare.

14 L effetto di memoria di forma Figura: Effetto di memoria di forma: al termine del processo di carico e scarico (ABC) a temperatura costante, il materiale presenta una deformazione residua che può essere recuperata tramite un ciclo termico (CDA).

15 La pseudo-elasticità Figura: Pseudo-elasticità (o super-elasticità): il materiale caricato a temperatura costante (ABC) mostra un comportamento non lineare. Durante lo scarico (CDA) si ha la trasformazione inversa, con deformazioni residue nulle. Si noti l isteresi.

16 La pseudo-elasticità Si ha pseudoelasticità quando la lega è completamente composta da austenite (quindi al di sopra di una certa soglia di temperatura). Diversamente dall effetto di memoria di forma, la pseudoelasticità avviene senza un cambiamento nella temperatura. Il processo di carico nella lega viene portato avanti finché l austenite non si è trasformata tutta in martensite. Non appena il processo di carico viene interrotto, la martensite viene ritrasformata di nuovo in austenite, perché la temperatura a cui avviene il processo è sempre sopra una opportuna soglia critica e la lega torna ad assumere la sua forma originaria.

20 Processo di carico-scarico su un filo di lega Ni-Ti: risultati sperimentali Evidenza sperimentale del processo di carico-scarico su un filo di lega Nichel-Titanium (lega con memoria di forma). In ascissa abbiamo la deformazione (strain), in ordinata il carico (stress) σ [MPa] st cycle th cycle 30 th cycle 50 th cycle ε [%]

21 Processo di carico-scarico su un filo di lega Ni-Ti: simulazioni Simulazione numerica del processo di carico-scarico su un filo di lega Nichel-Titanium (lega con memoria di forma). In ascissa abbiamo la deformazione (strain), in ordinata il carico (stress)

22 Applicazioni Le SMA vengono definiti materiali funzionali in quanto sono maggiormente importanti per quello che fanno (una azione) che per quello che sono (una proprietà). Tuttavia, benché una notevole ricerca sia stata portata avanti negli ultimi anni, non vengono ancora sfruttate appieno le potenzialità che questo materiale presenta. Uno dei principali motivi di questa situazione, è che questi materiali sono stati visti come sostitutivi rispetto ad alcune applicazioni e non come materiali diversi e innovativi in cui è necessario per sfruttarne appieno le possibilità progettare il componente tenendo conto delle peculiarità. Questa sostituzione ha comportato una bassa diffusione dell uso di queste leghe ed il loro alto prezzo.

26 Applicazioni Ingegneria Meccanica: attuatori e microvalvole di controllo, applicazioni in impianti nucleari, esplosione rocce, giunzione fibre ottiche, cuscinetti, microattuatori. Ingegneria Elettronica: circuiti di frenata, connettori, valvole per gas. Sicurezza: protezioni contro sovrattemperature, elementi sensitivi riutilizzabili, valvole per olio, sistemi di apertura valvole contro incendi. Sensori di temperatura e ventilazione: apertura e chiusura flap aria, ventilazione automatica, attuatori solari per controllare posizione veneziane, valvola bollitore, aperture automatiche per scaricare il vapore.

30 Applicazioni Ingegneria aerospaziale: telescopio Hubble, meccanismi di rilascio apparati meccanici, apertura antenna, parti per assorbimento vibrazioni. Industria automobilistica: sistemi per favorire la partenza a freddo, sistemi iniezione carburante, ventilazione e climatizzazione, riduzione rumori. Arte e gadgets: sculture, modellini, scatole a memorie di forma, motori. Applicazioni mediche: fili per ortodonzia, impianti dentali per il raddrizzamento, armature in filo per il fissaggio dell anca con correzione automatica nel tempo e altre applicazioni ortopediche (graffette per favorire la giunzione di arti rotti), correzione scogliosi, sistemi per montaggio, lenti intraoculari, filtri transvenerei.

34 Fluidi elettroreologici: definizione I fluidi elettroreologici sono speciali fluidi viscosi che sono caratterizzati dalla capacità di cambiare le loro proprietà meccaniche in maniera considerevole sotto l azione di un campo elettrico Fondamentalmente questi fluidi sono sospensioni estremamente fini di particelle non conduttrici (del diametro fino a 50 micrometri) in un fluido elettricamente isolante La viscosità apparente di questi fluidi cambia in modo sensibile fino all ordine di in risposta a un campo elettrico Per esempio, un tipico fluido ER può andare dalla consistenza di liquido a quella di gel e tornare nella condizione originaria con un tempo di risposta dell ordine di millisecondi Questo effetto è talvolta chiamato effetto Winslow, dopo la sua scoperta da parte dell inventore americano Willis Winslow, che ha ottenuto un brevetto americano nel 1947 e ha pubblicizzato i suoi risultati nel 1949

39 Fluidi ER: figure Figura: Due fotografie di un fluido ER: la prima rappresenta una situazione senza campo elettrico applicato e le particelle sono libere di muoversi nel liquido, nella seconda le particelle sono legate in catene e limitano la viscosità del fluido (Stefano Giordano: Caratterizzazione elettromagnetica di materiali lineari e non lineari, Ph.D. thesis).

40 Fluidi ER: video FLUDICON GmbH - RheOil R - Il fluido ER consiste in particelle PU polarizzate in un fluido inerte. Se sottoposto all azione di un campo elettrico, RheOil R cambia la sua consistenza entro qualche millisecondo

41 Fluidi ER: video FLUDICON GmbH - RheOil R - Il fluido ER consiste in particelle PU polarizzate in un fluido inerte. Se sottoposto all azione di un campo elettrico, RheOil R cambia la sua consistenza entro qualche millisecondo

42 Fluidi ER: applicazioni tecnologiche La normale applicazione dei fluidi ER sta nella veloce azione di elettrovalvole e frizioni, con la separazione tra i piatti dell ordine di 1 mm e il potenziale applicato dell ordine di 1 kv Più semplicemente, quando un campo elettrico è applicato, un elettrovalvola ER si chiude o i piatti della frizioni sono agganciati assieme; quando il campo elettrico viene rimosso, l elettrovalvola si apre o i piatti della frizione sono sganciati Altre applicazioni comuni stanno nei freni ER (si può pensare a un freno come a una frizione con un lato fissato) e negli ammortizzatori (che possono essere pensati come sistemi idraulici chiusi, in cui lo shock viene usato per pompare e svuotare il fluido attraverso la valvola)

45 Fluidi ER: Elettrovalvole Figura: Un elettrovalvola che controlla il flusso di un fluido elettroreologico sfruttando la possibilità di aumentare la viscosità con campo elettrico applicato (Stefano Giordano: Caratterizzazione elettromagnetica di materiali lineari e non lineari, Ph.D. thesis).

46 Fluidi ER: frizione Figura: Una frizione basata sulla viscosità dei fluidi reologici. Il campo elettrico applicato mediante spazzole e collettori agli alberi di ingresso e di uscita modula la fluidità del mezzo che si trova tra i due alberi stessi controllando l attrito fra essi: (Stefano Giordano: Caratterizzazione elettromagnetica di materiali lineari e non lineari, Ph.D. thesis).

47 Fluidi ER: applicazioni tecnologiche Altri usi potenziali stanno nell accurata pulizia abrasiva oppure nell interfaccia aptica e dei display tattili I fluidi ER sono anche stati proposti per avere potenziali applicazioni nell elettronica flessibile, con il fluido incorporato in quegli elementi, come per esempio nei cosiddetti rollable screens e nei tastierini numerici (keypads), in cui la rapidità del cambio della viscosità permette a questi elementi di essere rigidi al momento dell uso per diventare poi flessibili, per essere arrotolati o messi via, quando non sono utilizzati

48 Fluidi ER: applicazioni tecnologiche Altri usi potenziali stanno nell accurata pulizia abrasiva oppure nell interfaccia aptica e dei display tattili I fluidi ER sono anche stati proposti per avere potenziali applicazioni nell elettronica flessibile, con il fluido incorporato in quegli elementi, come per esempio nei cosiddetti rollable screens e nei tastierini numerici (keypads), in cui la rapidità del cambio della viscosità permette a questi elementi di essere rigidi al momento dell uso per diventare poi flessibili, per essere arrotolati o messi via, quando non sono utilizzati

49 Fluidi ER: vantaggi e svantaggi Principale vantaggio: velocità di risposta; ci sono pochi altri effetti capaci di controllare un numero così ampio di applicazioni tecnologiche e meccaniche in modo così rapido Altro vantaggio: un fluido ER può controllare una quantità molto più ampia di potenza meccanica rispetto alla potenza elettrica utilizzata per controllare l effetto, (di fatto agisce come amplificatore) Problema: i fluidi ER sono sostanzialmente delle sospensioni di particelle, quindi nel tempo esse tendono a depositarsi sul fondo. Quindi i fluidi ER avanzati cercano di superare questo problema, cercando di accoppiare in modo opportuno le densità delle componenti solide e liquide, oppure attraverso l uso delle nanoparticelle, che portano i fluidi ER sullo stesso livello dei fluidi magnetoreologici Cambiamento di viscosità che si sperimenta in molti dei fluidi ER è ancora piuttosto limitato (liquido-budino) Una più completa transizione liquido-solido può essere ottenuta con l azione di compressione (effetto utilizzato per ottenere dei buoni display Braille e alcuni tipi di frizioni veramente funzionali)