Applicazioni di attuatori in leghe a memoria di forma

Negli ultimi decenni, grazie alle loro particolari caratteristiche, i materiali intelligenti (o smart) stanno attirando un’attenzione sempre crescente in campo scientifico e industriale. Tra questi, i materiali a memoria di forma si stanno ritagliando uno spazio importante in diversi ambiti: aerospaziale, biomedicale, civile, automobilistico e aeronautico. Vediamo le principali caratteristiche dei materiali a memoria di forma e alcune delle applicazioni in cui sono proposti come sistemi di attuazione.

Perchè “a memoria di forma”?

I materiali a memoria di forma (SMA, Shape Memory Alloys) sono caratterizzati da due proprietà caratteristiche che prendono il nome di effetto a memoria di forma (SME, Shape Memory Effect) ed effetto superelastico (SE, Super-Elasticity). L’effetto a memoria di forma è la capacità di “memorizzare” una determinata forma geometrica iniziale che, a seguito di deformazioni, può poi essere ripristinata tramite riscaldamento (Figura 1a). La superelasticità è la possibilità di subire grandi deformazioni (dell’ordine del 5-10%) e poterle recuperare completamente durante la fase di scarico senza evidenziare fenomeni plastici (Figura 1b). Entrambe queste proprietà sono dovute al fatto che, dopo essere stati opportunamente realizzati, questi materiali sono in grado di subire una particolare trasformazione cristallografica reversibile detta transizione di fase martensitica termoelastica. Questa viene solitamente indotta da una variazione di temperatura (effetto a memoria di forma) o da una variazione dello stato di tensione agente nel materiale (superelasticità). Infatti, in base alla temperatura o allo stato di sforzo impresso, il materiale può mostrare una fase cristallografica martensitica o una fase austenitica, alle quali sono associate diverse proprietà meccaniche. La fase martensitica è detta anche fase fredda in quanto si manifesta a temperature più basse, al contrario la fase austenitica è detta fase calda dato che si forma e si stabilizza a temperature più alte. In generale, si parla di basse e alte temperature perché le temperature di formazione e stabilizzazione di queste due fasi dipendono dalla composizione della lega utilizzata. Le temperature a cui inizia e finisce la trasformazione da martensite ad austenite e da austenite a martensite vengono solitamente indicate con Ms, Mf, As e Af. Dove Ms e As si riferiscono all’inizio della trasformazione, mentre Mf e Af alla fine delle stesse. È importante chiarire che, nelle applicazioni industriali, in base a quello che è l’obiettivo, viene utilizzato solo uno tra gli effetti di superelasticità e memoria di forma. Al fine di chiarire questo aspetto è utile considerare i grafici riportati nelle Figure 1a e 1b. La Figura 1a riporta una curva tensione-deformazione relativa ad un materiale che sfrutta l’effetto a memoria di forma. Il componente si trova inizialmente in fase martensitica (T<Ms) e viene sottoposto ad un ciclo di carico e scarico a temperatura costante. Terminato il ciclo di carico il materiale presenterà delle deformazioni residue. A questo punto, se il materiale non è stato deformato eccessivamente εRes < 5-10 %), basterà scaldarlo fino ad una temperatura superiore ad Af per attivare l’effetto a memoria di forma e ripristinare la configurazione di partenza.

Diversamente, quando si vuole sfruttare l’effetto di superelasticità, si fa in modo che il materiale lavori ad una temperatura compresa tra As ed Md (Md è la temperatura al di sopra della quale non è più possibile la formazione di martensite) facendo si che la martensite si formi direttamente dall’austenite a causa dei carichi applicati che vanno a modificare la struttura cristallina del materiale. Infatti, in questo campo di temperature, la martensite generata applicando uno sforzo, essendo instabile, si trasforma nuovamente in austenite appena il carico esterno viene rimosso. Quando si sfrutta l’effetto di superplasticità il materiale presenta delle curve tensione-deformazione come quella mostrata in Figura 1b, dove il plateau superiore corrisponde alla formazione di martensite sotto sforzo, mentre quello inferiore rappresenta la reversione dovuta alla rimozione del carico. L’ampiezza del ciclo di isteresi dipende dalla composizione del materiale (può essere allargata o ridotta introducendo una terza fase) e dalla velocità di applicazione degli sforzi (la curva tende a essere meno simmetrica all’aumentare della velocità di applicazione del carico). Questi effetti dissipativi vengono solitamente sfruttati per la progettazione di sistemi smorzanti.

 

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