Leghe a memoria di forma

Le leghe a memoria di forma (SMA) sono una famiglia di materiali ad alta tecnologia che possono subire grandi deformazioni pseudoelastiche, pur avendo la capacità di recuperare la loro forma originale una volta sottoposti a uno stimolo di memoria, come una temperatura, uno stress o una deformazione specifici.

Le leghe a memoria di forma furono scoperte per la prima volta da Arne Ölander nel 1932 ma la loro importanza non è stata riconosciuta fino a quando William Buehler e Frederick Wang scoprirono l’effetto memoria di forma nel 1962 in una lega di nichel-titanio che è nota come nitinol dalla composizione del materiale e dal luogo di scoperta, ovvero una combinazione di NiTi e Naval Ordnance Laboratory.

Da allora, la domanda di leghe a memoria di forma per applicazioni ingegneristiche e tecniche è aumentata in numerosi campi commerciali; come nei prodotti di consumo e nelle applicazioni industriali, strutture e compositi, automotive, aerospaziale, mini attuatori e sistemi microelettromeccanici (MEMS), robotica, biomedica e persino nel campo della moda

Nelle leghe a memoria di forma il movimento è dovuto allo spostamento della struttura cristallina tra due stati, noti come stato martensitico che può avere una struttura tetragonale, ortorombica o monoclina e stato austenitico caratterizzato da una microstruttura cubica. La fase a bassa temperatura è chiamata martensite e la fase ad alta temperatura è chiamata austenite.

Effetto a memoria di forma

L’ effetto memoria di forma può essere definito come la capacità di un materiale di mantenere la sua forma e dimensione originali dopo la deformazione, in seguito all’applicazione di uno stimolo esterno ed è il risultato di una transizione di fase che avviene durante un processo di riscaldamento a una certa temperatura.

A causa dal lavoro meccanico, che segue la transizione di fase, le leghe a memoria di forma o i polimeri a memoria di forma tornano a una forma precedentemente mantenuta. Durante questa transizione di fase, le leghe metalliche subiscono un cambiamento nella loro struttura cristallina e la precedente struttura cristallina martensitica meno stabile si trasforma in una struttura cristallina austenitica molto stabile.

D’altra parte i polimeri a memoria di forma cambiano alle loro temperature di transizione vetrosa da uno stato vetroso a uno stato gommoso. Oltre alla sua attivazione termica, l’effetto memoria di forma dei polimeri a memoria di forma può anche essere innescato dalla luce o da una reazione chimica

Funzionamento delle leghe a memoria di forma

La temperatura e gli stress interni che giocano un ruolo nella pseudoelasticità determinano la fase in cui si troverà la lega SMA. Quando una SMA è in forma di martensite a temperature più basse, il metallo può essere facilmente deformato in qualsiasi forma.

Quando la lega viene riscaldata, subisce una trasformazione da martensite ad austenite. Nella fase austenitica, il metallo a memoria di forma “ricorda” la forma che aveva prima di essere deformato. Gli intervalli di temperatura a cui austenite e martensite sono stabili dipendono principalmente dalla composizione chimica e dalla storia termomeccanica della lega.

La transizione martensitica termoelastica austenite-martensite (TMT) è identificata dalle temperature M_s e M_f, che denotano l’intervallo di temperatura in cui avviene la nucleazione della martensite  e cresce dall’austenite mentre, la TMT inversa martensite-austenite è identificata da A_s e A_f , che sono le temperature a cui inizia e finisce rispettivamente la transizione della fase martensite nella fase austenite.

La transizione può essere indotta da una variazione di temperatura o da una variazione di carico. Nel primo caso, una condizione senza carico non genera una variazione macroscopica di forma durante la trasformazione da austenite a martensite. Invece, in condizioni di carico adatte, la variazione di temperatura promuove una variazione macroscopica di forma dalla martensite deformata all’austenite generatrice. In questo caso si parla del cosiddetto effetto memoria di forma (SME)

Il secondo recupero di forma macroscopico è correlato alla pseudoelasticità (PE). Quando il materiale a memoria di forma è a una temperatura superiore ad A_f , la forza motrice della transizione è il carico. In questo caso, una piccola forza induce una deformazione considerevole, ma quando la forza viene rimossa, il materiale recupera automaticamente la sua forma originale senza bisogno di riscaldamento.

Ciò significa che la pseudoelasticità è un fenomeno elastico reversibile e non lineare. Tuttavia, l’intervallo pseudoelastico è limitato. Ha limiti inferiori definiti sia da A_f che dallo stress critico per indurre la martensite, e un limite superiore dato dallo stress critico per indurre lo slittamento che provoca fenomeni irreversibili.

Pseudoelasticità

Una importante caratteristica comportamentale delle leghe a memoria di forma è la pseudoelasticità detta anche superelasticità o pseudoplasticità che è la capacità di un materiale di immagazzinare e recuperare totalmente grandi deformazioni.

D’altro canto, la superelasticità è considerata come la capacità delle leghe a memoria di forma di subire una deformazione reversibile sotto carichi meccanici attraverso una transizione di fase reversibile detta trasformazione di fase indotta da stress.

A livello sottostrutturale, il materiale si trasforma da austenite a martensite comprendente varianti gemellate durante il carico, spesso accompagnato da altre fasi intermedie. Durante lo scarico, avviene spontaneamente la trasformazione inversa poiché la martensite è stabile a tali temperature solo sotto stress.

Pertanto, la rimozione dello stress innesca la transizione martensite-austenite. Di conseguenza, la deformazione imposta durante il carico viene completamente recuperata allo scarico. Una curva sforzo-deformazione ideale che dimostra la superelasticità è mostrata in figura in cui si può notare una relazione lineare tra stress e deformazione e il suo modulo elastico è definito dalla pendenza E_P.

A seguito di un’ulteriore attivazione, appare la deformazione superelastica sotto uno stress costante (σ_MS). Poiché la deformazione superelastica è associata a una trasformazione martensitica che comporta un cambiamento strutturale cristallino dalla fase austenitica alla fase martensitica.

Nell’immagine sono riportate le varie fasi: l’intero arco sarà nella fase martensitica nella fase finale della deformazione superelastica. Pertanto, la deformazione elastica della fase martensitica appare nella fase iniziale di disattivazione, il suo modulo elastico è definito dalla pendenza E _M.

A seguito di un’ulteriore disattivazione, il recupero della forma superelastica avviene sotto uno stress costante (σ_RS), in modo che il suo modulo elastico o pendenza (E_e) sia zero. Poiché il recupero della forma superelastica è associato alla trasformazione inversa dalla fase madre austenite alla fase figlia martensitica, l’arco corrisponde alla fase madre nella fase finale del recupero della forma superelastica.

Nella fase finale di disattivazione, il recupero della forma avviene elasticamente nella fase madre, con pendenza E_p poiché la deformazione superelastica è associata alla trasformazione martensitica anziché alla deformazione elastica o plastica convenzionale e questo comportamento di deformazione è fortemente dipendente dalla temperatura di deformazione.

Effetto memoria di forma bidirezionale

I recenti progressi nella scienza dei materiali hanno contribuito a esaltare le proprietà uniche delle leghe a memoria di forma. Oggi, queste leghe sono applicate commercialmente in vari campi tecnici, tra cui l’industria automobilistica, aerospaziale e medica, dove funzionano efficacemente come attuatori o connettori nei dispositivi elettronici.

Con specifici trattamenti termomeccanici le leghe a memoria di forma possono sviluppare un intrinseco effetto memoria di forma bidirezionale (TWSME) associato alle trasformazioni reversibili della martensite che è un fenomeno in cui il cambiamento di forma reversibile e spontaneo durante il riscaldamento e il raffreddamento avviene senza alcuno stress esterno consentendo cambiamenti di forma tra due forme esclusivamente attraverso variazioni di temperatura, senza la necessità di sollecitazioni esterne.

L’origine dell’effetto memoria di forma bidirezionale (TWSME) può essere spiegata da una grande deformazione su ripetuti carichi meccanici della fase martensitica che induce la creazione di difetti e dislocazioni che stabilizzano le corrispondenti configurazioni di martensite.

Durante il riscaldamento del campione le dislocazioni e i difetti sono ancora presenti. Pertanto, durante il successivo raffreddamento, vengono create le stesse strutture di martensite per accogliere le sollecitazioni interne. L’aspetto preferenziale di alcune varianti di martensite induce un cambiamento di forma macroscopico del campione e il TWSME esiste ancora mentre le dislocazioni non scompaiono.

Applicazioni

L’interesse principale delle leghe a memoria di forma risiede nella loro capacità di produrre movimenti di trasformazione ripetibili, controllabili ed efficienti dal punto di vista energetico. Alcune di esse possono ottenere deformazioni a più gradi di libertà utilizzando semplici meccanismi di attivazione rispetto agli attuatori convenzionali.

Inoltre, caratteristiche come elevati rapporti potenza/peso, costruzione a stato solido e funzionamento silenzioso rendono le leghe a memoria di forma adatte per applicazioni aerospaziali e biomediche. Le applicazioni nel campo biomedico hanno avuto successo grazie alle loro qualità funzionali e biocompatibilità, migliorando sia la possibilità che l’esecuzione di interventi chirurgici meno invasivi.

Diverse applicazioni sfruttano l’effetto memoria di forma sia unidirezionale che bidirezionale e la superelasticità, in modo che possano essere impiegate in applicazioni ortopediche, ortodontiche, cardiovascolari e neurochirurgiche nonché nella fabbricazione di nuovi strumenti chirurgici.

Nel campo dell’ingegneria strutturale le leghe a memoria di forma hanno un ruolo chiave nello sviluppo e nell’implementazione di smart materials, che possono essere integrati nelle strutture per fornire funzioni quali rilevamento, dissipazione di energia, attuazione, monitoraggio, autoadattamento e riparazione delle strutture.

Le proprietà eccellenti delle leghe a memoria di forma possono essere sfruttate in applicazioni di ingegneria civile, come buona resistenza alla fatica e alla corrosione, grande capacità di smorzamento e buona versatilità in termini di numerose forme e configurazioni possibili.

In campo automobilistico le leghe a memoria di forma sono utilizzate principalmente nel circuito di raffreddamento o per controllare le valvole di miscelazione ma si ritiene che possano svolgere in futuro un ruolo decisivo nell’automazione delle auto.

Tra i vari smart materials attualmente applicati nella tecnologia automobilistica, le leghe a memoria di forma sono utilizzate negli attuatori che utilizzano leghe a memoria di forma che sono alternative compatte e leggere agli attuatori meccanici, che offrono un funzionamento silenzioso, maggiore affidabilità, durata e resistenza all’umidità, agli urti e alle vibrazioni. Sono utilizzati in una varietà di sistemi automobilistici come specchietti regolabili, tergicristalli, serrature delle portiere, cofani intelligenti, flap di ribaltamento, valvole del regolatore, fendinebbia e prese d’aria del portellone.

In campo aerospaziale le leghe a memoria di forma possono essere utilizzate nei generatori di vortici che attualmente sono dispositivi fissi sempre presenti nel flusso d’aria per migliorare le prestazioni durante il decollo, l’atterraggio e le condizioni irregolari. Le leghe a memoria di forma consentiranno la creazione di generatori di vortici intelligenti, che si muovono quando rilevano un cambiamento nell’ambiente che renderà gli aeroplani del futuro capaci di adattarsi in risposta ai cambiamenti di temperatura, altitudine e velocità dell’aria, rendendoli più adattabili e più simili agli uccelli.

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