LEGHE A MEMORIA DI FORMA e principali applicazioni. Ludovica Rovatti

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1 LEGHE A MEMORIA DI FORMA e principali applicazioni Ludovica Rovatti

2 LEGHE A MEMORIA DI FORMA NEI METALLI Shape Memory Alloys o SMAs sono leghe metalliche che godono della proprietà di memorizzare una certa forma e di ritornare per riscaldamento alla forma originaria grazie alla transizione di fase tra due fasi cristallografiche: -una fase cristallina (detta fase martensitica) che è stabile al di sotto di una certa temperatura critica, e -una fase austenitica che è stabile al di sopra di tale temperatura critica. E Importante sottolineare che la trasformazione martensitica è di tipo non diffusivo. Ciò significa che il moto degli atomi avviene in modo cooperativo, ossia si assiste al movimento coordinato di un certo numero di atomi che dà luogo alla nuova fase. Tale trasformazione non ha una dipendenza dal tempo, come invece accade per le trasformazioni diffusive.

3 3 condizioni SMA: 1 - RETICOLI CRISTALLINI Il moto cooperativo di atomi che portano alla trasformazione causa una deformazione reticolare: 1. Durante la trasformazione esiste un piano che prende il nome di habit plane che rimane indistorto e non ruotato ed è proprio su questo piano dove nuclea la martensite. 2. Austenite e martensite sono caratterizzate da due reticoli cristallini ben distinti, con parametri di cella definiti La temperatura di trasformazione martensitica MS ha una dipendenza dalla tipologia della lega, le leghe SMAs studiate sono quelle in cui la trasformazione martensitica avvenga a temperature prossime alla temperatura ambiente sia per facilitarne la produzione, sia soprattutto per utilizzare l effetto memoria di forma in applicazioni pratiche..

4 2 - TEMPERATURA DI TRASFORMAZIONE MARTENSITICA: È necessario un minimo di sottoraffreddamento T per far avvenire la trasformazione e questa temperatura prende il nome di Martensite Start ( M s ). La trasformazione in martensite (o austenite) non avviene isotermicamente ma con un continuo raffreddamento ( o riscaldamento). Si può allora definire la temperatura Mf (martensite finish) e la temperatura Af (Austenite finish) per la quale la trasformazione martensitica ( o austenitica) termina. Come osservabile in figura esiste una T dove G =0; a temperature più basse la trasformazione è spinta verso la fase martensitica, mentre a temperature maggiori è stabile la fase gamma. - Fase γ : austenitica - Fase α :martensitica L effetto di una sollecitazione meccanica può favorire la trasformazione martensitica purché si rimanga sotto di una temperatura che prende il nome di Martensite Start per Deformazione ( M D ), analogamente esiste una temperatura austenite start per deformazione (A D ) minore di A S

5 3 - SFORZO DI DEFORMAZIONE E SFORZO DI TRASFORMAZIONE MARTENSITICA Esiste comunque una temperatura M D sopra la quale la trasformazione in martensite per deformazione non avviene; il perché è facilmente intuibile dalla figura dove è graficato l andamento con la temperatura dello sforzo di taglio per far avvenire la trasformazione martensitica per deformazione (T sit ) e l andamento dello sforzo di taglio per deformare il materiale (T NP ). Τsit: sforzo di taglio per realizzare trasformazione martensitica ΤNP: sforzo per deformare il materiale L andamento crescente della T sit è dovuta al fatto che maggiore è la temperatura minore sarà il G a disposizione del sistema per fare avvenire la trasformazione e quindi maggiore dovrà essere l energia introdotta con lo sforzo di taglio. Si definisce M D come la temperatura sopra la quale un carico applicato induce una deformazione plastica, mentre sotto di essa si puó avere trasformazione martensitica per deformazione.

6 MECCANISMO DI DETWINNING La prima condizione che una lega presenti memoria di forma è che questa trasformazione sia termoelastica in natura. deformazione di un reticolo con meccanismo tipo slip e tipo twinning (o geminazione)

7 Questo meccanismo produce un accomodamento di atomi, la deformazione per twinning è reversibile e in questo caso la trasformazione viene definita termoelastica. Applicando uno sforzo di taglio in presenza di martensite termoelastica è possibile mettere in moto il bordo dei geminati ottenendo una variazione di forma netta con un meccanismo chiamato detwinning. meccanismo di detwinning

8 TIPI DI LEGHE SMA: Memoria di forma ad una via o OWSME Nelle leghe cosiddette a effetto di memoria semplice, il materiale è in grado di ricordare soltanto la forma che aveva nella fase ad alta temperatura: dallo stato martensitico deformato è possibile far riacquistare alla SMA la struttura austenitica riscaldandola sopra la A f con il ritorno alla forma iniziale. EFFETTO DI MEMORIA IRREVERSIBILE: Raffreddando la SMA sotto la Mf la configurazione macroscopica resta invariata per avere nuovamente l effetto memoria di forma bisogna deformare nuovamente il materiale.

9 Va osservato che misurando una proprietà del materiale quale ad esempio il volume, da un intero ciclo di trasformazione si ha un isteresi che va da M F fino ad A F. 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.

10 2.Memoria di forma a due vie Le leghe ad effetto di memoria doppio passano da una forma (stabile) all altra quando vengono portate al di sopra o al disotto della temperatura di transizione. Effetto memoria di forma reversibile. Non è una proprietà intrinseca del materiale ma è un comportamento che il materiale deve apprendere con appositi trattamenti termomeccanici. METODO: Si può ottenere così un materiale che cambia automaticamente forma in funzione della temperatura.

11 Il trattamento termico che viene utilizzato prende il nome di ciclaggio termico forzato della martensite. 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. LIMITE 1 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. LIMITE 2 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.

12 SCHEMA RIASSUNTIVO DELLE SMAs

13 ESEMPI DI APPLICAZIONI DELLE SMAs Antenna in condizioni martensitiche deformate prima e indeformata a seguito riscaldamento al di sopra di As Lampada con effetto a memoria di forma

14 3.SUPERELASTICITà Si intende con superelasticità la capacità di un materiale a memoria di forma di immagazzinare e recuperare totalmente grandi deformazioni (fino a deformazioni dell ordine del 12-15%) ovvero la possibilità del materiale di subire deformazioni elastiche con elongazioni o compressioni molto superiori a quelle esibite dai normali metalli. Tale processo è dovuto al fatto che sotto l'azione di uno stato di sollecitazione, applicato a un materiale a memoria di forma nell'intervallo di temperature A F <T< M D si ha martensite indotta da sforzo. Togliendo lo stato di sollecitazione si ha la riconversione da martensite in fase genitrice: tale comportamento appare generalmente in un intervallo di temperatura di C al di sopra di A F.

15 VANTAGGI SUPERELASTICITà Tre sono gli aspetti salienti del comportamento superelastico di questi materiali, sfruttabili nelle applicazioni commerciali: si possono avere grandi deformazioni a sollecitazione praticamente costante durante il processo di martensite indotta da sforzo, recuperabili durante il processo di riconversione le deformazioni impresse sotto sforzo sono interamente recuperabili lo sforzo per indurre martensite e quello per riconvertirla in fase genitrice dipendono linearmente dalla temperatura secondo la legge di Clausius-Clapeyron : per unità di volume, dove H è il calore latente di fusione e ε 0 è la deformazione risultante nella direzione della sollecitazione. Il fenomeno della superelasticità non è altro che un effetto di memoria meccanica del materiale: esso, sotto l'azione di uno stato di sollecitazione, assume una configurazione deformata, ben oltre il limite elastico, che può essere ripristinata togliendo lo stato di sollecitazione.

16 TIPI DI LEGHE SMA

17 NITINOL: NiTi I due sistemi di leghe a memoria di forma che hanno raggiunto un certo valore commerciale sono quelli a base di NiTi e di Cu. Le proprietà di questi due sistemi sono abbastanza differenti. Le leghe al NiTi hanno un grado di deformazione, dovuto all effetto memoria di forma, molto elevato (più dell 8%, rispetto a quelle a base di Cu che non raggiungono il 4,5%), sono termicamente più stabili, hanno un eccellente resistenza alla corrosione.

18 APPLICAZIONI Le applicazioni delle leghe a memoria di forma sono ormai presenti nei campi più diversificati: dalle connessioni nei circuiti idraulici degli aerei, ai dispositivi di fissaggio dei circuiti stampati, agli interruttori elettrici in dispositivi di sicurezza, ai sensori e/o attuatori. Non ultime tutte le applicazioni in campo biomedicale, dagli impianti dentali e ortopedici alla strumentazione biomedicale.

19 1.SETTORE IDRAULICO ED ELETTRICO: ACCOPPIATORI Questi anelli, studiati per essere applicati nei campi più svariati, vengono applicati sui pezzi che devono essere uniti e poi riscaldati. Tipicamente si ha un inizio di trasformazione, e quindi di diminuzione del diametro, a circa 50 C. ATTUATORI L'uso di attuatori in leghe a memoria di forma è sempre stato ritenuto il mercato più potenzialmente interessante. Una molla a memoria di forma può essere attuata termicamente o elettricamente (riscaldamento per effetto Joule), consentendo l'azionamento di un dispositivo. Gli attuatori elettrici hanno un grande potenziale nelle applicazioni in robotica, come ad esempio nella mano artificiale.

20 2.Applicazioni Mediche Nel campo delle applicazioni mediche l uso delle SMA e conseguenza del fatto che esse presentano: -ottima biocompatibilità (il titanio non genera prodotti di corrosione negativi per il corpo umano) - superelasticità - shape memory effect Filtro in SMA per vene Gli emboli sono dei grumi di sangue o piccoli resti di un intervento chirurgico, i quali se raggiungono il cervello portano a gravi malattie o morte. Un modo per far sì che queste particelle non raggiungano il cervello e quello di usare degli appositi filtri detti filtri transvenerei. a. Primi filtri presentavano alcuni problemi: -la procedura per l inserimento richiedeva il taglio di una notevole porzione di vena. -l orientazione del filtro era difficile da controllare b. il filtro in NiTi viene spinto attraverso un catetere nella vena: la successiva espansione porta ad un ancoraggio alla parete.

21 Applicazioni Ortopediche Fin dagli anni 70 le SMA vengono utilizzate per favorire la giunzione degli arti rotti. Si realizzano delle apposite graffette come quelle in figura, le quali vengono deformate a 0 C e successivamente impiantate: la tem peratura corporea (un aiuto può essere fornito mediante un bagno salino) fa sì che la graffetta riacquisti la sua forma iniziale forzando i due monconi a unirsi: la presenza dello sforzo di compressione fa si che non si abbia una eccessiva crescita d osso e il tempo di saldatura e minore. Rottura ossea: il ritorno alla fase Austentica consente l unione delle due parti fratturate

22 Catetere polmonare: ex 1 applicazione di una lega SMA a due vie L occlusione di piccoli canali presenti nei polmoni, può essere un fatto molto negativo per la respirazione di una persona in particolar modo quando giovane. Nel 1994 è stato realizzato un nuovo tipo di catetere in SMA che serve per allargare le vie respiratorie. 1-Inserimento della spirale e espansione. 2-Estrazione della spirale con un sistema di raffreddamento. Un foglio di NiTinol dello spessore di 0.8 mm e largo 1.8 mm viene lavorato in modo da ottenere una spirale del diametro di 7.2 mm e lunga 3.3 mm a temperatura corporea (austenite), ma che si riduce in diametro a 2.2 mm quando viene portata a 4-6 ºC: in questo modo può inserire facilmente il catetere, riscaldarlo per farlo espandere, e successivamente toglierlo usando un sistema di raffreddamento.

23 Applicazioni dentali:ex 2 applicazione di una lega SMA a due vie L applicazione in ortodontia delle SMA e stato il primo uso che ha fatto conoscere meglio le potenzialità di queste leghe. Sicuramente il caso più fortunato e stato quello di sfruttare la superelasticità delle SMA per ottenere degli apparecchi dentali. L uso di una lega dotata di superelasticità e necessario in quanto deve poter disporre di un ampio campo di deformazione e la possibilità di avere uno sforzo costante applicato alla dentatura nel tempo. Infatti la dentatura non rimane ferma ma si adatta allo sforzo applicato: l uso di SMA e molto utile in quanto non si necessita di sistemi regolabili mediante viti. Una applicazione sviluppata nella fine degli anni 80 in Giappone fa uso di una SMA per sostituire i denti persi: vengono inseriti nella mandibola dei sistemi come in figura ove quando si porta il sistema a una T>42 C, si ha che gli angol i alla base possono diminuire ed aggrapparsi perfettamente all osso. Fig.:apparecchi dentali: afferraggi per mandibole

24 Un ultimo uso nel campo dell'ortodontia e quello che si ha quando solo una parte della dentatura e' persa. Normalmente si fa uso di opportuni espandenti o ponti a vite I quali pero presentano l inconveniente di durare poco e di essere visibili. Ecco quindi la necessita di realizzare questi componenti con una dimensione inferiore a quella dei denti. Per fare ciò si realizzano due parti: una prima in normale porcellana che rappresenterà la dentatura esterna mentre la seconda parte è realizzata in SMA e fissata alla mandibola dalla parte non visibile. Giocando sulla temperatura abbiamo inoltre la possibilità di poter rimuovere facilmente il ponte. a.componente da impiantare nella mandibola b.ponte realizzato senza l uso di viti o antiestetici archi

25 CAMPO AREOSPAZIALE b.manicotti di giunzione per tubi a.manicotto di NiTiFe montato su tubo di acciaio

26 Montature per occhiali: Per questa applicazione viene sfruttata la proprieta' di superelasticita' delle LMF; in questo modo e' possibile realizzare montature per occhiali con eccezionali caratteristiche di resistenza alla deformazione e che, nel contempo, risultano particolarmente confortevoli da indossare.

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32 FILI PER SUTURA BIODEGRADABILI - FORZA ESERCITATA DAL FILO TALE DA CHIUDERE IL TESSUTO QUANDO è RECUPERTA LA FORMA PERMANENTE (T> 41 C) SE NZA PORTARE A NECROSI TESSUTO -POLIMERO BIODEGRADABILE -POLIMERO COSTITUITO DA UN OLIGODIOLO (Є-CAPROLATTONE) E UN OLIGODIOLO CRISTALLIZZABILE (ρ-dioxanone)