Leghe a memoria di forma High performance shape memory effect

Leghe a memoria di forma High performance shape memory effect
Leghe a memoria di forma
High performance shape memory effect
(hp-sme): un innovativo percorso
termo-meccanico per lo sviluppo di attuatori
sma ad elevate prestazioni
R. Casati, C.A. Biffi, M. Vedani, A. Tuissi
Recentemente è stato proposto un percorso termo-meccanico innovativo per l’utilizzo di leghe a memoria di
forma basato sul ciclaggio termico della martensite indotta da sforzo. Questo fenomeno viene chiamato High
Performance Shape Memory Effect (HP-SME). Questa soluzione consente di utilizzare elementi austenitici con
un notevole incremento del carico necessario al funzionamento dell’attuatore a memoria di forma e di mantenere
una elevata capacità del materiale di recupero della deformazione. Attuatori basati su questo principio mostrano
proprietà funzionali migliorate rispetto agli attuatori convenzionali basati sull’effetto a memoria di forma (Shape
memory effect, SME). In questo lavoro vengono riportati i risultati dei test di recupero della deformazione a carico
costante di fili sottili austenitici e confrontati con quelli di fili martensitici dello stesso diametro.
Parole chiave: Trasform. di fase - Metallurgia fisica
INTRODUZIONE
I materiali a memoria di forma (Shape Memory Alloy - SMA)
sono materiali funzionali in grado di recuperare elevate
deformazioni sfruttando una trasformazione martensitica
che avviene allo stato solido senza diffusione. Essa avviene mediante il passaggio, reversibile, da una struttura ad
alta simmetria, detta austenite, ad una a simmetria inferiore, detta martensite. La trasformazione martensitica viene definita mediante quattro temperature caratteristiche,
che indicano la temperatura di inizio e fine trasformazione
diretta da austenite a martensite (Ms e Mf), e inversa da
martensite ad austenite (As e Af). Il cambiamento di fase
può essere provocato da una variazione di temperature
del materiale nell’intervallo di trasformazione, o dall’applicazione di un carico al di sopra di un valore critico. La
fase martensitica e quella austenitica possono coesisteR. Casati, M. Vedani
Politecnico di Milano, Dipartimento di Meccanica
Via La Masa, 1 - Milano, Italy
C.A. Biffi, A. Tuissi
CNR-IENI Istituto per l’Energetica e le Interfasi,
C.so Promessi Sposi 29 - 23900 Lecco
Corresponding author:
riccardo.casati@polimi.it
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re in due intervalli di temperatura: (i) Mf<T<Ms quando il
materiale è sottoposto ad un raffreddamento da una temperatura superiore a Af; oppure (ii) As<T<Af quando il materiale è sottoposto ad un riscaldamento a partire da una
temperatura inferiore a Mf [1,2] (Fig. 1). A seguito di un carico applicato ad un materiale a memoria di forma, la fase
martensitica viene stabilizzata e le relative temperature
di trasformazione si alzano, in accordo con la relazione di
Clausius-Clapeyron [3]. In funzione del tipo di fase stabile
a temperatura ambiente in assenza di carico applicato, i
materiali a memoria di forma vengono generalmente distinti in due categorie. Il primo gruppo è rappresentato da
quelle leghe che presentano la fase martensitica a temperatura ambiente (T<Mf); di conseguenza, queste leghe posso essere sfruttate per il cosiddetto “effetto a memoria di
forma” (Shape Memory Effect - SME) [4-10]. Un esempio
sono le leghe NiTi eccedentarie in titanio. Quando questi
materiali vengono caricati mediante un peso o una molla
fino a un valore di carico superiore ad un valore critico,
la deformazione procede per movimento dei twin che si
accomodano lungo alcune direzioni preferenziali. In questo caso, la martensite viene detta “detwinned”. Successivamente, a seguito di un riscaldamento al di sopra di Af,
la martensite si trasforma in austenite, con conseguente
recupero della forma originale. L’effetto di memoria di forma (SME) è rappresentato dallo schema di Fig. 2. Se il
materiale viene raffreddato fino ad una temperatura al di
sotto di Mf, la microstruttura che si viene a formare è la
martensite auto-accomodata. Al contrario, nel caso in cui
recupero della deformazione fino alla forma originale viene
effettuato sotto l’effetto di un carico, il materiale produce
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Memorie
Fig. 2 Schema dell’effetto di memoria di forma (SME).
Fig. 2 Schematic of the shape memory effect (SME).
Fig. 1 Schema delle temperature di trasformazione
caratteristiche delle SMA.
Fig. 1 Schematic of the transformation temperatures of
SMAs.
lavoro meccanico utile [1,2]. Questo effetto SME viene generalmente utilizzato nel campo degli attuatori e dei microattuatori. Il percorso termo-meccanico di un attuatore che
sfrutta l’effetto SME è rappresentato in Fig. 3 mediante
due linee tratteggiate che racchiudono un area del grafico
di colore azzurro.
Il secondo gruppo, invece, fa riferimento alla proprietà detta pseudo-elasticità oppure super-elasticità (Superelastic
Effect - SE), caratteristica delle leghe NiTi eccedentarie in
nichel [11-15]. L’austenite è la fase stabile a temperatura
ambiente. Se un materiale SMA viene sottoposto all’azione di un carico superiore ad un certo valore critico, la
trasformazione martensitica viene indotta. La martensite
così generata viene chiamata martensite indotta da sforzo
(Stress Induced Martensite - SIM). A seguito della fase di
rimozione del carico applicato, la martensite viene generata nuovamente (Fig. 4). Questi materiali superelastici sono
largamente impiegati nel settore biomedicale, per applicazioni come lo stent coronarico, e nel campo dello smorzamento delle vibrazioni meccaniche ed acustiche.
Entrambe le tipologie di materiali che mostrano lo SME oppure la SE sono state largamente studiate sia dal punto di
vista degli aspetti fondamentali sia dal punti di vista degli
aspetti più funzionali e ingegneristici. Recentemente è stato proposto un nuovo approccio per utilizzare le proprietà
dei materiali a memoria di forma, in cui è stato possibile ottenere delle proprietà funzionali superiori rispetto a
quanto ottenuto in passato mediante il classico impiego di
questa classe di materiali. In particolare, è stato mostrato
come una lega NiTi superelastica possa mostrare l’effetto
a memoria di forma, richiesto per il suo impiego come attuatore, imponendo cicli termici alla SIM. Quando un materiale austenitico viene caricato sopra uno stress critico,
la SIM viene indotta e la deformazione del materiale procede a stress quasi costante (plateau superelastico). Quando
la SIM viene riscaldata sopra Af sotto l’effetto di un carico
costante, essa si ritrasforma in austenite. Infatti, avviene
una trasformazione martensitica e la struttura austenitica
viene generata consentendo il recupero della deformazio48
Fig. 3 Schema di funzionamento dell’HPSME e dello
SME.
Fig. 3 Working diagram of the HPSME and SME.
ne macroscopica. Infine, quando il materiale viene raffreddato fino a temperatura ambiente, la SIM viene prodotta
nuovamente e la deformazione nuovamente indotta (Fig.
4). Per distinguere dall’effetto memoria di forma tradizionale, questo effetto è stato denominato High Performance
Shape Memory Effect (HP-SME) [16,17]. Il percorso termomeccanico di un attuatore che sfrutta l’effetto l’HP-SME è
rappresentato in Fig. 3 mediante due linee tratteggiate che
racchiudono un area del grafico di colore rosa.
L’obiettivo di questo lavoro consiste nel mostrare il funzionamento dell’High Performance Shape Memory Effect
mediante il ciclaggio termico di un filo superelastico a
temperatura ambiente sottoposto a carico costante. I risultati ottenuti con il filo superelastico sono stati confrontati con quelli relativi a un filo martensitico utilizzato in
modo convenzionale, cioè sfruttando l’effetto di memoria
di forma SME.
MATERIALI E METODI SPERIMENTALI
Due leghe, le cui composizioni sono (Ni49Ti51 at.% e
Ni50.8Ti49.2 at.%), sono state prodotte mediante un forno in vuoto ad induzione magnetica (Vacuum Induction
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Fig. 4 Schema dell’effetto superelastico e HP-SME.
Fig. 4 Schematic of the superelastic effect and of the HPSME.
Melting -VIM ; mod. Balzers VSG10) in atmosfera inerte
di Argon, a partire da elementi puri [18]. I due lingotti (di
dimensione pari a circa 70 x 70 x 160 mm3) sono stati
forgiati, laminati a caldo e successivamente trafilati a freddo, ottenendo fili da 80 μm di diametro. Prove di recupero della deformazione a stress costante (250 e 800 MPa)
sono state eseguite mediante DMA TA Q800 in un range di
temperatura compreso tra 20 e 170 °C.
DISCUSSIONE DEI RISULTATI E CONCLUSIONI
Sono state eseguite delle prove di recupero della deformazione sotto carico costante a 250 MPa per il filo in Ni49Ti51 martensitico a temperatura ambiente e a 800 MPa
per il filo in Ni50.8Ti49.2 austenitico a temperatura ambiente. I risultati sono mostrati in Fig. 5 nei due diagrammi Stress-Strain-Temperatura. La curva rossa di sinistra
mostra evidentemente il funzionamento dell’HPSME. Il filo
austenitico è stato caricato in direzione assiale fin sopra il
plateau relativo alla trasformazione diretta da austenite a
SIM (800 MPa). Quindi, il materiale è stato scaldato fino a
120 °C, mantenendo costante il carico applicato, in questo step la fase austenitica viene nuovamente prodotta e
la deformazione imposta recuperata. Raffreddando poi il
materiale fino a temperatura ambiente il materiale trasforma nuovamente la sua struttura in SIM e la deformazione
viene reimposta.
Per un confronto diretto, i risultati sperimentali relativi al
filo in Ni49Ti51 martensitico sono riportati sempre in Fig.
5 utilizzando le stesse scale della curva relativa al filo austenitico sopra descritta. La curva nera di destra mostra il
comportamento tipico di un attuatore a memoria di forma
basato sul riscaldamento/raffreddamento della martensite “detwinnata” sotto l’azione costante di una forza assiale. Il filo martensitico viene inizialmente caricato a temperatura ambiente fino a 250 MPa. Mantenendo applicato il
carico, un ciclo termico è stato effettuato tra la temperatura ambiente e 170 °C. I risultati dimostrano che un filo di
lega Ni50.8Ti49.2 austenitico può essere utilizzato come
attuatore a sollecitazioni di lavoro molto più elevate (800
MPa) rispetto a quelle utilizzate per gli attuatori convenzionali basati su leghe martensitiche di NiTi (250 MPa ). Le
trasformazioni dirette e inverse relative al filo austenitico
si verificano in maniera netta sia fase di riscaldamento che
di raffreddamento (As = 88 ° C, Af = 89 ° C, Ms = 38 ° C e
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Fig. 5 Test di recupero della deformazione effettuati
su un filo austenitico di Ni50.8Ti49.2 sfruttando
l’effetto HP-SME e su un filo martensitico di Ni49Ti51
sfruttando lo SME [16].
Fig. 5 Strain recovery tests performed on an austenitic
Ni50.8Ti49.2 wire by exploiting the HP-SME and on a
martensitic Ni49Ti51 wire by exploiting the SME [16].
Mf = 34 ° C). Viceversa, le temperature caratteristiche del
filo martensitico sotto l’effetto di un carico costante sono
molto più estese (Ms = 90 ° C, Mf = 54 ° C, As = 89 ° C
e Af = 130 ° C). Il filo austenitico si è inoltre dimostrato in
grado di recuperare deformazioni più ampie (6,2 %) rispetto al filo martensitico (5,8 %). Mediante l’HPSME, nuovi
attuatori a memoria di forma con prestazioni migliorate
possono essere progettati con diametro inferiore rispetto
ai convenzionali attuatori basati sullo SME a parità di carico applicato. Questo implica vantaggi ai fini pratici come
ad esempio, tempi ridotti di azionamento, un ripristino della forma più rapido, valori di corrente di attuazione inferiori con conseguente aumento dell’efficienza energetica
dell’attuatore e minori ingombri.
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High performance shape memory effect (hp-sme):
an innovative thermo-mechanical path for improved
sma actuators
Keywords: Phase transformation - Physical metallurgy
A novel thermo-mechanical path to achieve extraordinary high-stress recovery shape memory effect has been recently proposed. This phenomenon was called High Performance Shape Memory Effect (HP-SME) and relies on thermal
cycling of stress induced martensite. By HP-SME, a new class of shape memory actuators can be designed considering alloys that are commonly employed at room or body temperature as superelastic materials. In this work, the
HP-SME is extensively described and the results of thermo-mechanical tests carried out on thin austenitic Ni-rich NiTi
wires are reported and compared with those of martensitic Ti-rich NiTi wires.
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