MATERIALI AVANZATI. Michele Buonsanti * Dipartimento Meccanica e Materiali.

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Raffaella Cenci
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1 Corso di Meccanica dei Materiali A.A MATERIALI AVANZATI Michele Buonsanti * Dipartimento Meccanica e Materiali Facoltà di Ingegneria Università di Reggio Calabria michele.buonsanti@unirc.it

2 SCALE IN MATERIALS TODAY

4 EVOLUZIONE DELLE PRESTAZIONI STRUTTURALI

5 PRESTAZIONI DEI MATERIALI E TEMPI DI ESECUZIONE Roppongi Hills Mori Tower Tokyo, 2003 Altezza finale 238 mt.

6 CALCESTRUZZI ULTRALEGGERI E ALTA RESISTENZA Ponte pedonale in Seoul

7 ENGINEERING MATERIALS MENU

11 Resistance attack by aggressive enviroments

12 MATERIALI INTELLIGENTI

13 Le Leghe a memoria di forma Le leghe a memoria di forma sono leghe metalliche che presentano una notevole proprietà : sono capaci di recuperare una determinata forma se sottoposte ad uno opportuno trattamento termico Numerose sono le applicazioni nell ambito di dispositivi meccanici, termo-meccanici meccanici,, medici

14 Storia 1932 Chang e Read notano il fenomeno della memoria di forma su una lega AuCd 1938 l effetto l memoria di forma si osserva sul bronzo 1962 Buelher scopre l effetto l memoria di forma in una lega equiatomica di Nickel Titanio (Nitinol( Nitinol)

15 Meccanismi su cui si basa l effetto l memoria di forma: Una lega a memoria di forma possiede 2 fasi cristalline: austenite e martensite Completa reversibilità della trasformazione martensitica Carattere termoelastico della martensite

16 Proprietà della trasformazione martensitica La trasformazione martensitica è una trasformazione non diffusiva, che avviene attraverso un moto cooperativo di atomi, è indipendente dal tempo, non è isoterma, e durante la trasformazione si ha una variazione di energia libera Le temperature di trasformazione Ms,Mf,As Af determinano un ciclo di isteresi

17 Proprietà della trasformazione martensitica

18 Proprietà della trasformazione martensitica È possibile indurre la trasformazione martensitica anche attraverso una sollecitazione meccanica a condizione che la temperatura a cui si applica lo sforzo sia minore di Md

19 A livello microscopico La trasf.. avviene con un moto cooperativo di atomi che deforma il reticolo cristallino e con la formazione di placchette lenticolari all interno del grano austenitico attraverso il meccanismo di twinning (geminazione) che non determina rottura di legami atomici o dislocazioni,ma solo un accomodamento

20 A livello microscopico Ogni cristallo della fase austenitica,sottoposto ad un raffreddamento oltre Mf si deformerà in una variante martensitica attraverso precise relazioni di orientazione tra la matrice austenitica e la martensite,, poiché gli spostamenti degli atomi avvengono su piani e direzioni cristalline ben definite

21 A livello microscopico In particolare, poiché esistono 4 piani di scorrimento per ciascuno faccia del cristallo D03 esisteranno 24 varianti martensitiche,cio,cioè 24 configurazioni possibili

22 A livello microscopico La trasformazione avviene con un piano del cristallo austenitico indistorto e non ruotato che prende il nome di habit plane Durante la traformazione si crea una zona di accomodamento plastico della martensite nell austenite

23 A livello microscopico Tuttavia complessivamente non vi è alcuna deformazione macroscopica grazie all autocompensazione autocompensazione delle varianti martensitiche

24 A livello microscopico Il meccanismo di twinning genera la cosiddetta martensite multivariant;agendo su di essa attraverso uno sforzo di taglio,è possibile mettere in moto il bordo dei geminati ottenendo una variazione di forma con un processo chiamato detwinning

25 A livello microscopico Questa trasformazione che avviene con livelli di carico abbastanza bassi e deve essere condotta ad una temperatura minore di Mf genera la martensite singlevariant Un seguente riscaldamento sopra Af produce l effetto memoria di forma della fase austenitica La percentuale di forma che viene recuperata è legata al grado di deformazione precedentemente introdotta

26 Effetto di memoria di forma a due vie e ciclaggio termico L effetto memoria di forma a due vie,che consiste nell abilit abilità della lega di recuperare la forma sia della fase austenite che di quella martensite,, non è una proprietà intrinseca del materiale,ma deve essere appresa attraverso un opportuno ciclaggio termico I pezzi vengono austenizzati ad alte temp e poi raffreddati bruscamente attraverso getti di aria fredda oppure immersi in acqua vincolandoli in modo tale che debbano mantenere la forma impartitagli

27 Pseudo-elasticit elasticità La pseudo-elasticit elasticità è l abilità di recuperare senza fenomeni elastoplastici,la deformazione provocata dall applicazione applicazione di un carico dopo che questo viene rimosso Si ottiene solo quando si induce la trasformazione martensitica ad una temperatura compresa tra Af ed Md A livello micro è assecondata da twinning e nucleazione della fase martensitica e quando viene rilasciato lo stress la trasformazione si inverte riportando alla fase austenitica

28 Pseudo-elasticit elasticità

29 Pseudo-elasticit elasticità I materiali super-elastici elastici (rubber like) sopportano molto bene cicli di deformazione senza che ci siano fenomeni plastici con la possibilità di arrivare ad allungamenti dell 8-10%

30 Fase R E una trasformazione che si manifesta nelle leghe NiTi quasi equiatomiche dopo un trattamento di invecchiamento a bassa temperatura: quando la lega viene riscaldata presenta martensite e austenite, quando viene raffreddata presenta anche la fase R. La transizione di fase R è caratterizzata da un isteresi su un intervallo di temperature molto piccolo.

31 Fase R La transizione di fase R può presentare l effetto l memoria di forma poiché vi è durante la trasformazione una lieve distorsione dell angolo del reticolo cristallino. La deformazione residua diminuisce all aumentare aumentare della temperatura. Dopo cicli termici la variazione dell isteresi è molto piccola.

32 Effetto dell invecchiamento sulla fase R

33 Leggi costitutive Sono stati proposti numerosi modelli costitutivi per caratterizzare le leghe a memoria di forma. La teoria della fenomenologica costitutiva di Lagoudas e Bhattacharyya si propone di descrivere il comportamento di una lega policristallina di SMA. ε = E σ + α T T T Th T T ( ξσ,, ) E E T

34 Applicazioni

35 Applicazioni

36 Applicazioni

38 MATERIALI AUTOASSEMBLANTI Il liposoma è uno dei progenitori per la produzione di materiali capaci di autoassemblarsi. Micro-capsule sperimentate per il trasporto di farmaci Chip di silicio rivestito d oro come elemento di studio per i monostrati autoassemblanti. Monostrati a superficie idrofoba o idrofila rappresentano che la bagnabilità della superficie è funzione della natura della parte più esterna del monostrato. Analogamente si possono controllare proprietà di adesione, attrito, corrodiblirà

39 PROCESSO DI ASSEMBLAGGIO Crescita di molecole attraverso atomi unilateri fortemente reagenti Le molecole si organizzano per superfici con proprietà anche diverse

40 ZEOLITI E CATALISI Struttura della zeolite mordenite Rappresentazione del meccanismi di sintesi per un materiale mesoporoso

41 SUPERCONDUTTIVITA Magnete in sospensione sopra un superconduttore raffredato con azoto liquido che respinge i campi magnetici esterni Perdita di resistenza a 134 k

42 SUPERCONDUTTIVITA Sezione di un cavo superconduttore ceramico con rilevamento di filamenti a struttura esagonale di spessore 4 micron. Aumento di duttilità e resistenza

43 NANO MATERIALI

45 Atomistic to continuum scale in mechanic of materials

48 AFFINCHE SI EVITI LA ROTTURA!! Sbarco accellerato per i passeggeri del volo Aloha Airlines 243 Rottura e nascita di legami in un processo di rottura

49 ..don.don t forget never Good materials often stands idle for want of an artist ( Seneca)

50 Referenze bibliografiche Materials Research Society, MRS BULLETTIN, 29, 5, 2004 Le Scienze quaderni, I NUOVI MATERIALI n n 115, 2000 M. Fremond, S. Miyazaki, SHAPE MEMORY ALLOYS, Springer 1996 S. Vilasi,, TEORIA DELLE LEGHE A MEMORIA DI FORMA, tesi di esame al corso di Meccanica dei Materiali Fac.. Ingegneria Reggio Calabria a.a , formato.ppt H. Wada,, BIOMECHANICS AT MICRO AND NANOSCALE LEVELS, World Scientific,, 2005 B. Bayly,, CHEMICAL CHANGE IN DEFORMING MATERIALS, Oxford Pb.,1992 E.M. Gutman,, MECHANOCHEMISTRY OF SOLID SURFACES, World Sc.,1994 G. Cao,, NANOSTRUCTURES & NANOMATERIALS, Imperial Col.Press.,., 2004

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