Rame Memoria Di Forma

8/17/2019 Rame Memoria Di Forma

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Leghe di rame a memoria di forma

Le leghe a memoria di forma (Shape

Memory Alloys, SMA’s), sono leghe

metalliche scoperte abbastanza

recentemente , che hanno la capacità di

ritornare ad una ben determinata

forma, quando vengono riscaldate oraffreddate. Questo cambio nella

struttura cristallina, inoltre sviluppa una

forza notevole. Quando una SMA viene

portata a bassa temperatura, assume

una configurazione di tipo martensitico

che possiede basso limite di

snervamento ed è facilmente

deformabile. In seguito a riscaldamento,

la lega si riarrangia in un'altra strutturacristallina di tipo austenitico, con

proprietà meccaniche superiori alla fase precedente, e riassume quindi configurazione e forma iniziali. La

temperatura alla quale la lega "ricorda" la sua forma primitiva, può essere modificata mediante variazioni

della composizione o con appropriati trattamenti termici. Nei materiali convenzionali, le deformazioni

plastiche sono generalmente determinate da carichi in eccesso rispetto al limite elastico, nelle SMA le

deformazioni plastiche sono indotte da trasformazioni di fase.

Applicazioni dello sforzo

Le velocità di applicazione degli sforzi e di

deformazione, possono influire assai

significativamente sul ciclo d’isteresi delle leghe a

memoria di forma. Basse velocità di deformazione

determinano trasformazioni di fase austenitica-

martensitica quasi istantanee, il che comporta una

isteresi quasi simmetrica. Risulta invece evidente la

forte asimmetria dell’isteresi ad alte velocità di

deformazione. Tale fenomeno, è attribuito al modo

in cui i cambiamenti di fase sono indotti, alle

differenti velocità di deformazione ed alla loroinfluenza sulla nucleazione, durante i processi di

carico e scarico.

Trasformazione martensitica


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Per capire il modo con cui avviene l’effetto della

memoria di forma, è necessario capire la strutturacristallina delle SMAs e come avviene latrasformazione austenite-martensite. Queste duefasi ben distinte, caratterizzano ogni lega amemoria di forma. L’esistenza di una fase o diun’altra dipende dalla temperatura e dallo sforzo a

cui il pezzo è sottoposto. La fase più stabile a bassatemperatura è la martensite, mentre quellapresente ad alta temperature è l’austenite, quindile proprietà dipendono dalla quantità con cui unafase è presente. Dal punto di vista metallografico, lamartensite si presenta sotto forma di placchetteseparate che costituiscono una struttura a spina dipesce. Questo tipo di trasformazione presentasempre un carattere termoelastico, per cui ogni

nuova placchetta martensitica che si forma, instaura un campo di tensioni, che favorisce la nascita di una

nuova placchetta. La prima cosa che va osservata è che la trasformazione martensitica è di tipo nondiffusivo. Questo significa che il moto degli atomi avviene in modo cooperativo, mediante uno scorrimentodi piani cristallografici, che causano una distorsione del reticolo cristallino. Può essere paragonata allageminazione, nella quale un certo numero di piani cristallografici subisce una variazione dell’orientazione aseguito di uno sforzo applicato. Non si tratta dello scorrimento plastico (slip) di un piano cristallino, ma diun’intera micro porzione del materiale che cambia la sua orientazione spaziale, senza per altro cambiare lastruttura cristallina. Questa differenza è molto importante, perché ha come conseguenza che latrasformazione non avviene in maniera isoterma, ossia non si ha una dipendenza dal tempo, come inveceaccade per le trasformazioni diffusive. Il passaggio dalla fase austenitica alla fase martensitica(trasformazione diretta), si può verificare sia a seguito di una diminuzione di temperatura, sia a seguitodell’applicazione di una sollecitazione, entrambe favoriscono la nascita e l’accrescimento delle placchette

martensitiche. Essendo la trasformazione termoelastica, ad un aumento della temperatura o alladiminuzione della sollecitazione applicata, si ha una riduzione della grandezza delle placchette. Il passaggiodalla fase martensitica alla fase austenitica (trasformazione inversa), avviene ripercorrendo in sensocontrario lo stesso cammino cristallografico. In altre parole, durante la trasformazione diretta, i cristalli dimartensite enucleano all’interno dei grani della fase genitrice austenitica, tuttavia non è vero il contrario,cioè, durante la trasformazione inversa, la fase genitrice austenitica non si riforma enucleando dalla fasemartensitica, ma dall’ inversione della crescita delle placchette martensitiche, che è ottenuta seguendol’unico cammino cristallografico a disposizione. Dal punto di vista cristallografico la trasformazione da

austenite a martensite può essere suddivisa in due parti: la deformazione di Bain che riguarda ladeformazione del reticolo, essa comprende tutti i movimenti atomici necessari per produrre la nuovastruttura, si assiste perciò ad una serie di movimenti degli atomi che determinano la nuova configurazionecristallina. La seconda, la Lattice-Invariant Shear, serve come accomodamento della struttura cristallinadeformata. La martensite ha una struttura cristallina monoclina distorta, ed è caratterizzata da grandeflessibilità e dalla capacità di essere facilmente deformata, senza che tuttavia tale deformazione siapermanente. Inoltre, è possibile ottenere due tipologie di martensite: quella “twinned”, ovvero specularerispetto al piano del bordo del geminato ,in cui gli atomi si dispongono formando la caratteristica struttura a“spina di pesce” e quella “detwinned”, ottenuta dalla martensite twinned, mettendo in moto i bordi deigeminati ,sollecitando con uno sforzo di taglio la struttura a twins ottenuta, poiché questa è facilmentedeformabile e si produce la coalescenza della forma detwinned. Questa può aprirsi e chiudersi come ilmantice di una fisarmonica, infatti, quando il materiale viene sollecitato da una forza esterna, invece di

rompere i legami cristallografici, dispiega in maniera progressiva i suoi piani reticolari, accomodando ladeformazione complessiva senza dar luogo ad uno spostamento significativo di atomi. Ciò è reso possibiledal fatto che durante il processo di formazione della forma twinned non si creano difetti di slittamento dei


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piani reticolari. Per effetto della sollecitazione la microstruttura del materiale, si dispone secondo unavariante preferenziale, quella la cui orientazione è più favorevole nei confronti dello sforzo applicato.La forza motrice della trasformazione è guidata da una variazione di energia libera.

DG= variazione di energia libera di trasformazione

DGSTRAIN= variazione dell’energia libera di deformazione

DGVOL= variazione dell’energia libera di volume

Una trasformazione diffusiva, inizia dopo aver raggiunto una temperatura T0 di equilibrio. Se DT = (T0 – T) di

sottoraffreddamento è piccolo, si resta sulla curva dell’austenite. Per una trasformazione martensiticainvece serve un certo sottoraffreddamento, ben definito dalla temperatura Ms (martensite start), che

finisce a Mf (martensite finish). La fase austenitica, che circonda l’elemento di volume che subisce la

trasformazione martensitica si deforma, generando un DGSTRAIN. Per compensarlo con il DGVOLUME serve un

sottoraffreddamento fino a Ms. Tale trasformazione, può essere favorita dall’applicazione di uno sforzo al

materiale. Si osserva, che se il pezzo viene sottoposto ad uno stress la temperatura di inizio trasformazione

martensitica risulta esser più alta, precisamente MD> MS. Infatti si può generare martensite solo con uno

sforzo di taglio appropriato. Questo perché la presenza di uno stress indotto nel materiale produce una

diminuzione di DGSTRAIN e quindi si arriva prima alla temperatura in cui si ha l’uguaglianza

tra DGSTRAIN e DGVOL.Definita con tSIT, la tensione indotta che dà luogo allatrasformazione martensitica a una temperatura MD > MS e la tNP (tdi Nabarro Peyers), che rappresenta la deformazione reticolare. Siosserva che per temperature T > MD abbiamo tSIT > tNP e prevale loscorrimento, poiché se si supera tNP romperei il materiale.Altrimenti quando la temperatura T < MD, si ha tSIT < tNP e prevalela trasformazione martensitica, poiché se si supera tSIT si deforma ilmateriale, ma non si ha alcuna trasformazione. Da qui si evince cheMD è determinata proprio dal punto di incontro delle due curve

di tSIT e tNP. Inoltre questa trasformazione indotta da stress dipendefortemente dalla temperatura, dall’orientamento del cristallo, oltre che dalle condizioni di carico ciclico e

dallo stato di tensione.

Superelasticità Si intende con superelasticità la capacità di un materiale a memoria di forma di immagazzinare e recuperaretotalmente grandi deformazioni, in gran parte a sforzo costante, si arriva fino al 10%. A basse temperature,il materiale esiste come martensite e può essere deformato da forze applicate relativamente piccole. Allealte temperature, il materiale esiste come austenite, la quale non è facilmente deformabile. Tale processo èdovuto al fatto che sotto l'azione di uno stato di sollecitazione, applicato all'austenite, a temperature

inferiori a quella di transizione, si ha martensite indotta da sforzo. Togliendo lo stato di sollecitazione si hala riconversione da martensite in austenite indeformata. Questo fenomeno conferisce al materialeun'ottima elasticità, poiché con bassi sforzi, si sono generate elevate deformazioni. Per temperature piùelevate, lo sforzo critico per indurre deformazione plastica è in competizione con lo sforzo per indurremartensite e il recupero della deformazione "superelastica" diventa parziale. La possibilità offerta daimetalli a memoria di forma di immagazzinare grandi deformazioni che possono essere integralmenterecuperate sono impensabili nei materiali convenzionali. Quando il recupero della deformazione ha unandamento lineare nel diagramma sforzo-deformazione, si parla di pseudoelasticità, se no disuperelasticità.


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Meccanismi di recupero della forma

a una via( OWMSE)

Quando la martensite viene deformata, tale deformazione, è mantenuta finchè al riscaldamento viene

recuperata la forma iniziale. Tuttavia se raffreddato ulteriormente, il materiale non cambia di nuovo forma

spontaneamente. 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, il ritorno alla forma originaria,

arriva al massimo al 87%, anche con deformazioni applicate che non superano il 3%. Questo è spiegabileconsiderando che l’avere grana fina implica avere un’ampia superficie di bordo grano, che è una zona con

un ordine reticolare molto basso, che quindi non ha trasformazione termoelastica. Il ritorno alla forma

originaria è associato a cambiamenti strutturali, che possono avvenire anche molto rapidamente,

nell’ordine dei millisecondi, e che possono generare degli sforzi interni molto elevati


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a due vie TWMSE

Il cambiamento di forma avviene sia al riscaldamento, che al raffreddamento, nell'intervallo ditrasformazione. Ovvero il materiale riesce ad assumere una forma nuova, se raffreddato una secondavolta. Operando in questo modo, la lega sarà in grado di assumere sia la forma caratteristica assunta adalta temperatura in fase austenitica, sia la forma imposta a bassa temperatura in fase martensitica.Sono stati proposti numerosi metodi di trattamenti termici o meccanici per creare in una lega l'effetto adue vie, detti training. Tutti si basano sull'introduzione, nella microstruttura, di una concentrazione di

sforzi, che fanno in modo che le lamelle di martensite deformate dopo il raffreddamento, si orientino inmaniera preferenziale, a seguito di ulteriori riscaldamenti e raffreddamenti, che determinano variazioni diforma programmabili. Ne risulta una induzione della forma secondo la direzione imposta. Pertanto, perquesto tipo di leghe è possibile memorizzare una forma sia ad alte che a basse temperature, anche se lepossibilità di recupero sono minori di quelle che si ottengono per l’altra trasformazione, circa 3%. Il trainingè una serie di cicli termo-meccanici dove due forme differenti, sono imposte ad alta e bassa temperatura esi hanno: realizzando deformazioni molte severe in stato martensitico, mettendo al materiale dei vincoliquando si trova nello stato martensitico e riscaldandolo mantenendolo sempre vincolato, ad unatemperatura T> Af ,oppure creando inizialmente dei precipitati all’interno del materiale, e in seguito,deformandolo nello stato martensitico .Il ciclaggio viene portato avanti fino a che il pezzo assume le due

forme stabilmente . Il numero totale di cicli che il pezzo può effettuare è limitato da: massimadeformazione, tessitura, microstruttura (loop di dislocazioni, dimensioni grani), tipo di lega. Qualunque siail metodo utilizzato, i ciclaggi termici ai quali viene sottoposto il materiale generano deformazioni cicliche,per cui nascono nuove dislocazioni, che interagiscono con quelle che controllano l’effetto di memoria diforma a due vie, causando in questo modo la degenerazione dello stesso. Questo effetto memoria, sispiega tenendo conto del fatto che l'eccessiva deformazione nello stato martensitico introduce delledislocazioni disposte in un modo tale da stabilizzare la martensite. Riscaldando ad una temperatura T> Af , lamartensite scompare ma le dislocazioni rimangono e con esse rimangono i campi di tensioni che leaccompagnano; raffreddando ad una temperatura T


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Quest’effetto, è ormai noto da oltre sessanta anni, è stato riscontrato in diverse leghe (Au-Cd, Au-Cu-Zn,Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni e In-Tl) ed inoltre presenta una stretta correlazione cinetica con la stabilizzazione, nelleleghe Cu-Zn-Al. Tuttavia l'origine dell’effetto gomma non è ancora stato chiarito.È noto che esso è causato dal movimento reversibile dei bordi di geminati. Ciò che non è ancora chiaro, è

quale sia la ragione per cui tale movimento diventa reversibile per effetto dell'invecchiamento. E’ ancora

oggetto di studio, infatti, il motivo della presenza di una forza di richiamo, dato che la deformazione della

martensite coinvolge solo i geminati, ma non vi è una trasformazione di fase come, ad esempio, avviene

nel caso della pseudoelasticità, dove la trasformazione martensitica viene indotta.

Leghe a base Cu

Le leghe a base rame offrono prestazioni compatibili con molti campi applicativi, pur essendo inferiori percaratteristiche meccaniche alle leghe Ni-Ti. In effetti, mentre queste ultime riescono a recuperaredeformazioni mediante riscaldamento fino all’8%, le base rame arrivano ad una deformazione massimarecuperabile del 4-5%. Un chiaro vantaggio tecnico è però dato dalle temperature di trasformazione che sipossono ottenere, che sono sostanzialmente più elevate rispetto alle leghe Ni-Ti, Ms>200°C nelle leghe Cu-Al-Ni, mentre 90°C sembra essere il limite pratico nelle Ni-Ti.Sono disponibili come leghe ternarie CuZnAl e CuAlNi, o nelle loro varianti quaternarie con l'aggiunta di

manganese. Elementi come boro, cerio, cobalto, ferro, titanio, vanadio e zirconio sono generalmenteaggiunti per affinare la grana. Sono inoltre usate procedure di rapida solidificazione per produrre leghe a

grana fine, evitando così l'utilizzo di affinatori. Queste leghe possono essere lavorate a caldo, in aria, senza

problemi. Le leghe CuZnAl contenenti un basso tenore di alluminio (meno del 6% in peso), possono

sottostare alle lavorazioni finali a freddo, intervallate da procedimenti di ricottura. Passando invece a

tenori d'alluminio più elevati, non si riesce a lavorarle a freddo facilmente. Le leghe CuAlNi, sono invece

fragili a basse temperature e possono essere lavorate solo a caldo, anche nelle ultime fasi. L'aggiunta di

manganese diminuisce le temperature di trasformazione sia per CuZnAl che per CuAlNi, e spesso viene

sostituito all'alluminio per migliorare la duttilità. Siccome le SMAs a base rame sono metastabili a

temperatura ambiente a causa della presenza regione della fase b (la fase stabile ad alta temperatura), sirende necessario un trattamento termico di solubilizzazione ad alta temperatura, e un conseguente

raffreddamento controllato, al fine di riuscire ad avere fase b necessaria per gli effetti di memoria di forma.

Tuttavia è deleterio prolungare troppo questi trattamenti ad alte temperature perché possono causare la

precipitazione a bordo grano dello zinco ed anche l'ingrossamento della grana. La tempra in acqua è

generalmente usata per contenuti elevati di alluminio, mentre può essere sufficiente, un semplice

raffreddamento in aria sia per CuZnAl che per CuAlNi. E' necessario inoltre un trattamento di

invecchiamento dopo tempra, al fine di rendere stabili i valori delle temperature di trasformazione, le quali

dopo la tempra risultano di solito instabili. Le leghe CuZnAl, se temprate in maniera rapida e diretta nella

fase martensitica, causano l'effetto di stabilizzazione della martensite. Questo effetto causa principalmente

lo spostamento delle temperature di trasformazione verso valori più bassi, e quindi pospone o persino

inibisce il recupero di forma. Per leghe con temperature Ms superiori a quella ambiente deve essere

adottato un raffreddamento lento o a step con un invecchiamento intermedio nella fase b. La stabilità

termica delle leghe a base rame è infine limitata dalla cinetica di decomposizione. Per questa ragione

devono essere evitate esposizioni prolungate di CuZnAl e CuAINi a temperature rispettivamente superiori

ai 150°C e 200°C. Persino procedure di invecchiamento a temperature inferiori, possono causare variazioni

ai valori delle temperature di trasformazione. Comunque la lega CuAINi ha una stabilità maggiore della

CuZnAl se esposta ad alte temperature. Indispensabile quindi, tenere presenti questi effetti, in fase di

progettazione e di scelta della lega, specialmente se è richiesta una notevole precisione e stabilità alle

temperature di transizione.


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LEGHE Cu-Zn-Al

Contengono tipicamente il 15¸30 wt% Zn ed il 3¸7 wt% Al. La temperatura di transizione utile per queste

leghe varia da -100°C a +100°C. La temperatura di trasformazione è una funzione sia della composizione

della lega, che del trattamento termomeccanico applicato durante la produzione. Il maggior vantaggio

delle leghe Cu-Zn-Al è che esse sono costituite da metalli relativamente economici e prodotti attraverso

processi metallurgici convenzionali. Sono per questo, le leghe commerciali a memoria di forma più

economiche. Per contro, le loro proprietà di memoria sono modeste, con un recupero massimo della

deformazione di circa il 5%. Le leghe ternarie hanno grani di dimensioni molto grandi che le rendono fragili,

ma aggiungendo una modesta quantità (

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