Materiali a Memoria di Forma. Shape Memory Alloys (SMA)

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Pasquale Franceschi
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1 Materiali a Memoria di Forma Shape Memory Alloys (SMA)

2 Effetto della memoria di forma: se deformati plasticamente ad una bassa temperatura (stato martensitico), quando vengono riscaldati sopra una determinata temperatura caratteristica, hanno l abilità di ritornare ad una forma iniziale (stato austenitico) che viene impartita tramite un opportuno training. Superelasti sticità: capacità di recuperare deformazioni fino al 15%, che si manifesta in un determinato intervallo di temperature.

una forma iniziale (stato austenitico) che viene impartita tramite un opportuno training.

3 Entrambi questi fenomeni sono da attribuirsi ad una transizione di fase martensitica termoelastica,, che può essere indotta sia dalla temperatura che da uno stato di sforzo agente sul materiale. A seconda della temperatura e dello sforzo loro impresso, tali materiali possono presentare due diverse fasi cristallografiche, dette fase austenitica e fase martensitica.

4 Materiali a memoria di forma: caratteristiche Si tratta di materiali sensibili ai cambiamenti di temperatura e capaci di modificare la loro forma in una struttura programmata tramite un effetto memoria. Carico costante Temperature Caratteristiche: As: Temperatura inizio fase austenitica Af: Temperatura fine fase austenitica Mf: Temperatura fine fase martensitica Ms: Temperatura inizio fase martensitica Mf Ms As Af Variabili con gli elementi di lega, le rispettive % e i trattamenti termici

Carico costante Temperature Caratteristiche: As: Temperatura inizio fase austenitica Af: Temperatura fine fase austenitica

5 Curve sforzo deformazione ottenute su una stessa lega a memoria di forma a tre diverse temperature. (a) il comportamento dell austenite è un normale comportamento elasto plastico. (b) si manifesta la superelasticità. (c) la fase stabile è la martensite.

(a) il comportamento dell austenite è un normale comportamento

6 Memoria ad una via (one way shape memory effect): recupero della forma solo con l aumento della temperatura. Fase martensitica (non è memorizzata alcuna forma) T>0 Fase austenitica (forma memorizzata)

7 Memoria a due vie (two ways shape memory effect): Recupero della forma sia con un aumento che con una diminuzione della temperatura. Fase martensitica (forma memorizzata) T>0 T<0 Fase austenitica (forma memorizzata)

8 Brief History 1932, first observation of the shape memory effect (SME) by Chang and Read in AuCd 1938, SME in CuZn (brass) 1951, SME in a bent bar of AuCd 1962, Buehler, Gilfrich and Wiley discovered SME in an alloy of Nickel-Titanium (NiTi); such alloys are called Nitinol (from Naval Ordinance Laboratory of US Navy) Since then, study and applications of SMA have continued at an increasing pace At the present, only NiTi alloys and copper-base alloys have a level of commercial exploitation; in particular, NiTinol is most widely used (90%), since has: excellent electrical and mechanical properties long fatigue life high corrosion resistance high ductility

then, study and applications of SMA have continued at an increasing pace At the present, only NiTi alloys and copper-base alloys have a level of commercial

9 Oggi gli SMA si trovano in settori che spaziano dall ingegneria chimica a quella meccanica, dalla medicina all idraulica, dall industria aerospaziale a quella automobilistica a quella biomedica. A causa del costo relativamente contenuto, recentemente sono state sviluppate leghe a base di rame, come leghe ternarie Cu-Zn- Al e Cu-Al-Ni, anche se le leghe del sistema Ni-Ti sono ancora le più commercializzate e quelle maggiormente studiate, in virtù, delle migliori proprietà. Le leghe Ni-Ti presentano una maggiore deformazione per effetto della memoria di forma, sono più stabili termicamente, hanno un eccellente resistenza alla corrosione e alla stress corrosion. La maggiore resistenza meccanica viene sfruttata nei giunti meccanici e di tenuta, la resistenza alla corrosione e la biocompatibilità ne permettono l impiego in filtri anti colagulo per la circolazione sanguigna e perni per fratture ossee. Le leghe di rame sono meno costose, possono venire fuse con più facilità e hanno un più ampio intervallo di temperature di trasformazione.

commercializzate e quelle maggiormente studiate, in virtù, delle migliori proprietà.

11 Lega Composizione (Peso %) Range di Temperature di Transizione ( C)( Isteresi di Trasformazione ( C) Au-Cd 44/49 % Cd -190 / Au-Cd 46.5/50 %Cd 30 / Cu-Al Al-Ni 14/14.5 %Al, 3/4.5 %Ni -140 / Cu-Zn 38.5/41.5 % Zn -180 / Cu-Zn Zn-X (X=Si,Sn,Al) Qualche % X -180 / Ni-Ti 18/23 % Ti 60 / Ni-Al 36/38 % Al -180 / Ni-Ti 49/51 % Ni -50 / Fe-Pt 25 % Pt Mn-Cu 5/35 % Cu -250 / Fe-Mn Mn-Si 32 % Mn,, 6 % Si -200 /

5 % Zn -180 / -10 10 Cu-Zn Zn-X (X=Si,Sn,Al) Qualche % X -180 / 200 10 Ni-Ti 18/23 % Ti 60 / 100 4 Ni-Al 36/38 % Al

12 Trasformazione martensitica Le due principali proprietà degli SMA sono da ricercarsi nella trasformazione martensitica termoelastica. Può essere indotta sia dalla temperatura sia da uno stato di sforzo: martensite indotta termicamente e martensite indotta meccanicamente.

Può essere indotta sia dalla temperatura sia da uno stato di

13 Le trasformazioni che avvengono allo stato solido si distinguono in due tipi: Le diffusive richiedono spostamenti di piani atomici su distanze relativamente elevate, in quanto la trasformazione stessa genera una nuova fase la cui composizione chimica è diversa da quella originaria e, pertanto, dipendendo da un moto migratorio degli atomi all interno del materiale, si tratta di processi che sono funzione dia del tempo che della temperatura. Le displasive si realizzano attraverso un moto cooperativo degli atomi che producono un riarrangiamento all interno del materiale formando una nuova fase cristallina più stabile, conservando tuttavia invariata la composizione chimica. Infatti, lo spostamento massimo di ciascun atomo è inferiore alla distanza interatomica e quindi non si ha rottura dei legami chimici. Dato che non intervengono fenomeni di natura diffusiva, la trasformazione progredisce indipendentemente dal tempo.

sono funzione dia del tempo che della temperatura.

14 La trasformazione martensitica si realizza tra due fasi ben distinte che prendono il nome di fase austenitica, stabile alle alte temperature e martensitica, stabile alle basse temperature. Dal punto di vista cristallografico: la trasformazione da austenite a martensite può essere considerata come somma di due contributi: la deformazione di BAIN e il conseguente accomodamento. Il progredire della trasformazione all interno del materiale da austenite a martensite interessa un solo piano di atomi per volta e quindi ad ogni singolo atomo è richiesto uno spostamento assai limitato. La martensite così trasformata, però, presenta forma e volume differente da quelli della fase austenitica. Quindi è necessario che l austenite circostante, così come la nuova fase martensitica, trovino un accomodamento della nuova struttura.

Il progredire della trasformazione all interno del materiale da austenite a martensite interessa un solo piano di atomi per volta e quindi ad ogni singolo atomo è richiesto uno spostamento assai

16 I meccanismi sono 2: uno slittamtno atomico (slip) e la geminazione (twinning). Lo slittamento atomico è un processo permanente, tipico degli acciai, poiché coinvolge una modifica irreversibile della microstruttura del materiale, con rottura e slittamento dei legami. La geminazione è un processo di natura reversibile anche se è in grado di accomodare unicamente variazioni di forma e non di volume.

irreversibile della microstruttura del materiale, con rottura e slittamento dei legami.

17 Struttura Cristallina La fase austenitica è una fase ad alta simmetria, solitamente cubica. Nel caso delle leghe NI-TI è di tipo cubico a corpo centrato. La fase martensitica appare monoclina distorta.

18 Curva Carico Deformazione -Temperatura Temperatura costante Carico costante

19 The basic mechanism is a phase transition in the crystal lattice structure:

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