Introduzione
- 2 -
Fin dal 1980, molti ricercatori hanno investigato l’uso di sistemi di attuazione e
strutture a controllo di forma in materiali adattivi (in genere ci si riferisce a tali
soluzioni con il nome di tecnologie SMART) per migliorare le prestazioni e l’efficienza
di volo, al fine di poter modificare la forma dell’ala in funzione delle specifiche
condizioni di volo.
Una struttura SMART coinvolge la presenza di attuatori e sensori distribuiti, e uno o
più microprocessori che analizzano l’output dei sensori e utilizzano la teoria dei
controlli per comandare gli attuatori, il tutto al fine di applicare deformazioni e/o
spostamenti localizzati, per alterare il comportamento della struttura stessa. Rientrano
quindi in questo filone numerose applicazioni, nell’ambito del controllo attivo delle
vibrazioni e del rumore, del controllo delle caratteristiche di smorzamento, della
risoluzione di problematiche di stabilità aeroelastica, del controllo di forma e della
distribuzione delle tensioni; i settori interessati sono molteplici, da quello aerospaziale,
al civile, al meccanico e anche il settore biomedicale.
Questa attività di ricerca è nata dalla collaborazione del Dipartimento di
Progettazione Aeronautica (D.P.A.) dell’università di Napoli “Federico II”, nella
persona del suo direttore Prof. Ing. Leonardo Lecce, con il laboratorio Smart Structures
(SMAS) del Centro Italiano Ricerche Aerospaziali (C.I.R.A.), nella persona del suo
responsabile Dr. Antonio Concilio.
Scopo dell’attività di tesi è quello di investigare, numericamente e sperimentalmente,
la fattibilità di un bump transonico attuato mediante elementi in materiale a memoria di
forma (S.M.A.).
Figura 2: Esempio di variazione di forma di un profilo alare che genera una variazione delle forze e
dei momenti aerodinamici
Introduzione
- 3 -
La realizzazione di un bump, cioè di una variazione di curvatura locale del dorso alare,
si inquadra nella filosofia più generale dell’ala adattiva, soffermandosi sulla possibilità
di incrementare le prestazioni degli aeromobili in regime transonico, per mezzo
dell’indebolimento delle onde d’urto generantisi in tali condizioni di volo.
Per l’attuazione, si è deciso di implementare nella struttura elementi auto-deformanti in
materiale S.M.A.. Questa scelta nasce dall’esigenza di abbandonare i metodi
convenzionali di attuazione, basati su motori passo-passo, leveraggi o sistemi idraulici,
e verificare la capacità di attuazione di elementi “intelligenti” integrati direttamente
nella struttura. Tra i differenti materiali SMART disponibili, oltre agli S.M.A., vi sono i
piezoelettrici, i materiali magnetoreologici ed elettroreologici: tuttavia la scelta è
ricaduta sulle leghe a memoria di forma per la loro capacità di sviluppare non solo
grandi forze, ma anche grandi deformazioni, necessarie per la generazione degli
spostamenti richiesti.
Le motivazioni di un simile studio si possono riassumere:
¾ nella possibilità di incrementare l’efficienza aerodinamica del profilo (così come
riportato in molteplici studi in letteratura), mediante una sua variazione di forma in
volo, esplorando completamente il potenziale aerodinamico della corrente;
¾ nella diminuzione in resistenza derivante dalla maggiore efficienza aerodinamica,
con conseguente diminuzione dei consumi dell’aeromobile e dei costi di esercizio;
¾ nell’abbassamento dei costi di manutenzione e nell’alleggerimento strutturale,
derivanti dall’utilizzo di materiali auto-deformanti in luogo di tradizionali sistemi
di attuazione.
Pertanto, il presente manoscritto è strutturato in modo da presentare innanzitutto una
panoramica sui materiali intelligenti attualmente disponibili, con particolare attenzione
alle leghe a memoria di forma, compresa la modellistica sviluppata per descriverne il
comportamento e alcuni dati sperimentali finora raccolti, nonché le applicazioni già
disponibili commercialmente.
Quindi, nel capitolo 2 si farà il punto sullo stato dell’arte del morphing alare.
Nel capitolo 3 si entrerà nel merito di codesta trattazione, illustrando la fenomenologia
transonica ed il sistema di attuazione oggetto di codesto studio.
Infine, nei capitoli successivi, saranno riportati i risultati ottenuti con la simulazione
numerica e le prove sperimentali, con la correlazione dei dati e susseguenti conclusioni.
- 4 -
Capitolo 1
S.M.A. (Shape Memory Alloy)
1.1 STORIA
Le leghe a memoria di forma (S.M.A.) possiedono una interessante proprietà per la
quale il metallo “ricorda” la sua forma o dimensione originale, e ritorna ad essa a
determinate temperature caratteristiche: questa proprietà è nota con il nome di effetto di
memoria di forma (S.M.E.).
La prima osservazione documentata delle trasformazioni a memoria di forma fu di
Chang & Read nel 1932: essi notarono la reversibilità della trasformazione della lega
Cadmio-Oro (Cd-Au) sulla base di osservazioni metallurgiche e di cambiamenti di
resistività; nel 1951 notarono altresì l’effetto di memoria di forma. Nel 1938 simili
trasformazioni furono osservate nell’ottone (Cu-Zn).
Solo nel 1962, però, si ebbe un forte impulso nella ricerca applicata alle leghe a
memoria di forma, dopo che William J. Buehler & al. [2] scoprirono che le leghe
Nickel-Titanio (Ni-Ti) equi-atomiche esibivano la memoria di forma. Come molte
importanti scoperte, anche questa fu dovuta al caso e alle capacità deduttive dei
ricercatori, così come riportato da Kauffman & Mayo [3] [4].
Buehler infatti eseguiva delle attività di ricerca presso il Naval Ordnance Laboratory
(NOL) di White Oak (Maryland) della US Navy su composti intermetallici: lo scopo era
quello di trovare un metallo con una elevata temperatura di fusione e proprietà di
elevata resistenza all’impatto per l’ogiva del missile SUBROC. Tra sessanta composti,
Buehler ne scelse dodici da testare: tra questi, la lega Nickel-Titanio esibiva le proprietà
ricercate; fu così che decise di chiamarla NiTiNOL, includendo l’acronimo del
laboratorio in cui lavorava.
Capitolo 1 – S.M.A. (Shape Memory Alloy)
- 5 -
In tabella 1.1 sono riportate alcune caratteristiche di tale lega.
Proprietà del NiTiNOL
Density 6.45 gm/cm
3
(0.23 lb/in
3
)
Thermal Conductivity 10 W/mK (5.78 Btu/hr ft
o
F)
Specific Heat 322 j/kgK (0.08 Btu/lb
o
F)
Latent Heat 24,200 J/kg (10.4 Btu/lb)
Ultimate Tensile Strength 750-960 MPa (110-140 ksi)
Elongation to Failure 15.5% (15.5 %)
Yield Strength (Austenite) 560 MPa (80 ksi)
Young’s Modulus
(Austenite)
75 GPa (11 mpsi)
Yield Strength (Martensite) 100 MPa (15 ksi)
Young’s Modulus
(Martensite)
28 GPa (4 Mpsi)
Tabella 1.1: Proprietà del NiTiNOL [5]
Un giorno nel 1959, mentre proseguiva i suoi studi sulla lega NiTi al variare delle
percentuali dei due componenti per verificarne le proprietà, Buehler fece
un’osservazione che fu alla base della scoperta di una interessante proprietà: le barrette
di lega NiTi utilizzate per le prove sperimentali, se lasciate cadere, producevano suoni
differenti a seconda della loro temperatura, il che era indicativo di differenti proprietà di
smorzamento e, a livello microscopico, di differenti arrangiamenti atomici; inoltre, era
possibile variare tale comportamento semplicemente riscaldando o raffreddando le
barrette.
Ma fu solo nel 1960, quando Buehler fu affiancato da Raymond Wiley per eseguire le
prove di resistenza a fatica, che venne scoperto l’effetto di memoria di forma: infatti
durante un meeting di Wiley con il management, al fine di mostrare i risultati ottenuti
circa la resistenza a fatica, uno dei direttori tecnici, David Muzzey, decise di valutare il
comportamento di uno dei fili di NiTiNOL portati come provino a successive flessioni e
quindi a riscaldamento; con grande stupore dei presenti, quando Muzzey riscaldò il filo
deformato con la sua pipa, esso ritornò al suo stato indeformato.
Immediatamente si compresero le potenzialità di simili leghe ed il loro studio è
proseguito con passo spedito, richiamando sempre più ricercatori e produttori tra le fila
di coloro che si sono dedicati alla sperimentazione, alla modellazione del
comportamento di tali materiali e all’investigazione di altre leghe.
In tabella 1.2 è riportato un elenco di queste leghe con alcuni dettagli.
Capitolo 1 – S.M.A. (Shape Memory Alloy)
- 6 -
Lega Composizione
Range di
trasformazione (°C)
Isteresi di
trasformazione (°C)
Ag-Cd 44-49% Cd -190 a -50 15
Au-Cd 46.5-50% Cd 30 a 100 15
Cu-Al-Ni 14-41.5% Al; 3-4.5% Ni -140 a 100 35
Cu-Sn 15 at.% Sn -120 a 30 /
Cu-Zn 38.5-41.5% Zn -180 a -10 10
Cu-Zn-X
(X=Si,Sn,Al)
5-10% X -180 a 200 10
In-Ti 18-23% Ti 60 a 100 4
Ni-Al 36-38% Al -180 a 100 10
Ni-Ti 49-51% Ni -50 a 110 30
Fe-Pt 25% Pt -130 4
Mn-Cu 5-35% Cu -250 a 180 25
Fe-Mn-Si 32% Mn; 6% Si -200 a 150 100
Tabella 1.2: Leghe aventi un effetto di memoria di forma [6]
Le più interessanti ed utili dal punto di vista applicativo si sono rivelate quelle del
gruppo Nickel-Titanio e qualche lega a base di Rame (Cu). Oggi le leghe a memoria di
forma più studiate sono quelle di Rame-Alluminio-Nickel, Rame-Zinco-Alluminio e
Ferro-Manganese-Silicio.
In tabella 1.3 sono riportate le caratteristiche di tali leghe.
Proprietà Ni-Ti Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni
Massima temperatura di
recupero di forma
100 °C 120 °C 200 °C
Massima deformazione
recuperabile
8 % 6% 5%
Isteresi 12-50 °C 10-25 °C 15-20 °C
Tensione di snervamento in
fase austenitica
415 Mpa
(41.5 Kg/mm
2
)
350 Mpa
(35 Kg/mm
2
)
400 Mpa
(40 Kg/mm
2
)
Tensione di snervamento in
fase martensitica
70 Mpa
(7 Kg/mm
2
)
80 Mpa
(8 Kg/mm
2
)
130 Mpa
(13 Kg/mm
2
)
Tensione a rottura
700 Mpa
(70 Kg/mm
2
)
600 Mpa
(60 Kg/mm
2
)
500-800 Mpa
(50-80 Kg/mm
2
)
Densità (g/cm
3
) 6.5 7.6-8.0 7.2
Resistività (micro-ohm-cm) 80-90 8.5-9.7 11-13
Capacità termica (J/Kg °K) 837 400 373-574
Conducibilità termica
(J/m*sec*°K)
18 120 30-43
Tabella 1.3: Caratteristiche di alcune leghe a memoria di forma [7]
Capitolo 1 – S.M.A. (Shape Memory Alloy)
- 7 -
La notevole complessità del sistema metallurgico delle leghe S.M.A. ha costituito un
freno alla loro diffusione nel settore industriale per molti anni. A partire dalla metà degli
anni ’80 ed in particolare dal 1991 si è cominciata ad osservare una progressiva
penetrazione di questi materiali in settori ad elevato valore aggiunto (aerospaziale,
biomedicale) tradizionalmente più pronti ad accettare materiali innovativi, potendone
assorbire più facilmente i costi relativamente alti.
Soprattutto negli ultimi anni la disponibilità di materiali con caratteristiche di qualità
in costante miglioramento e costi di produzione sempre più ridotti ha reso possibile lo
sviluppo di numerosi prodotti, determinando così le condizioni preliminari per la
diffusione del materiale in settori tecnologici differenti; l’esistenza di sempre nuovi e
numerosi sbocchi commerciali ha, a sua volta, stimolato la ricerca, innescando un
processo sinergico che rende il settore in forte evoluzione.
Capitolo 1 – S.M.A. (Shape Memory Alloy)
- 8 -
1.2 CARATTERISTICHE GENERALI DEI MATERIALI S.M.A.
Le leghe a memoria di forma le si può oggi ritrovare in un sempre crescente numero
di applicazioni nei settori aerospaziale, civile, meccanico, medico ed altri.
Esse rappresentano una classe di materiali metallici dalle inusuali proprietà meccaniche:
in particolare la loro caratteristica principale è quella di essere in grado di recuperare (da
cui la speciale caratteristica di “memorizzare”) una forma macroscopica preimpostata
(stirata o piegata) per effetto del semplice cambiamento della temperatura o dello stato
di sollecitazione applicato.
Un esempio di effetto memoria di forma è illustrato nella successione di immagini di
Figura 1.1 [7]. Ad un filo di Ni-Ti è stata impressa, mediante un adeguato trattamento
termico, la forma di un alberello di natale con la scritta CNR. Una volta raffreddato, il
piccolo gadget è stato deformato in modo che la forma di partenza non sia più
riconoscibile.
Malgrado ciò, però, non si è avuto il danneggiamento delle disposizioni atomiche di
partenza e, semplicemente riscaldando il filo (in questo caso con un comunissimo
asciugacapelli ad aria calda), si ha il progressivo recupero della forma iniziale “pre-
impostata”.
Come già detto, Buehler & al. [8] scoprirono nel 1962 una lega in Nickel-Titanio,
chiamata NiTiNOL, che mostrava una maggiore capacità, rispetto ad altre leghe
precedentemente individuate, di memorizzare la forma.
Figura 1.1: Esempio di effetto memoria di forma. In un filo di NiTi è stata memorizzata la forma di
un piccolo gadget natalizio. Una volta deformato a temperatura ambiente, esso recupera la forma
memorizzata per semplice riscaldamento a circa 60°C [7]
Capitolo 1 – S.M.A. (Shape Memory Alloy)
- 9 -
Questa lega infatti dimostra una capacità di recupero dello stiramento del 100%, purchè
la deformazione imposta non ecceda l’8% della pre-deformazione estensionale: ciò la
rende attraente per l’uso come attuatore a bassa frequenza (meno di 1 Hz). Questa
capacità di recupero della forma è associata alla possibilità della lega di esistere in due
fasi differenti (ad alta e a bassa temperatura): la temperatura a cui la lega “ricorda” la
forma quando riscaldata può essere modificata per mezzo di piccoli cambiamenti nella
composizione del materiale e attraverso trattamenti termici; per la lega equi-atomica Ni-
Ti, la temperatura di transizione di fase è di circa 100°C, ma l’aggiunta di una quantità
extra di Nickel permette di far avvenire la transizione di fase a circa 0°C. E’ possibile,
quindi, modificare il comportamento della lega in funzione delle applicazioni richieste.
Un’altra interessante caratteristica è l’aumento del modulo di Young ( E ) da 2 a 4 volte
quando la lega subisce il cambiamento di fase, a cui è anche associata una grande
variazione di resistività e liberazione (o assorbimento) di calore latente.
Ciò che rende estremamente interessanti le leghe a memoria di forma come attuatori è
anche la capacità, in fase di recupero della pre-deformazione, di espletare una grande
tensione di recupero (molte volte maggiore della tensione iniziale richiesta per il pre-
stiramento o il pre-tensionamento a bassa temperatura).
La forma che una lega S.M.A. memorizza può essere assegnata o ri-assegnata attraverso
una ricottura, a temperature (ad esempio, per la lega Ni-Ti) maggiori di 500°C.
Ci sono molteplici modi per produrre una lega a memoria di forma: in genere questi
coinvolgono tecniche di fusione (mediante arco elettrico, fascio di elettroni, etc.) in
condizioni di vuoto [9] [10]. La lega fusa (a temperature comprese tra 700°C e 900°C) è
forgiata per rotazione e/o presso-fusione a barrette, e quindi a fili. Esiste anche un
processo di produzione di tali leghe a freddo: in tal caso il procedimento è simile a
quello di produzione dei fili di titanio. Il processo di produzione a freddo, però, conduce
a proprietà fisiche e meccaniche differenti per la lega che nel caso di produzione a
caldo. Jackson & al. [11] hanno trattato in grande dettaglio queste tematiche.
Capitolo 1 – S.M.A. (Shape Memory Alloy)
- 10 -
1.3 COMPORTAMENTO MECCANICO DEI MATERIALI S.M.A.
Le leghe a memoria di forma si caratterizzano per una trasformazione di fase a stato
solido, cioè in cui sia la fase di partenza (o fase genitrice, detta austenite, dal nome dello
scienziato inglese William C. Austen) sia quella di arrivo (o fase prodotto, detta
martensite, dal nome dello scienziato tedesco Adolf Martens che per primo la osservò)
sono strutture solide, anche se con arrangiamenti cristallografici differenti [3] (a tal
proposito si veda Figura 1.2): tale trasformazione prende il nome di trasformazione
martensitica termoplastica.
La diversa struttura cristallina fa si che l’austenite si comporti come molti metalli,
mentre la martensite si comporti più come un elastomero, in cui c’è un “plateau” stress:
la Figura 1.3 aiuta la comprensione di questo diverso comportamento per mezzo delle
curve di tensione-deformazione nei due casi.
Il comportamento termo-meccanico dei materiali S.M.A. è dovuto proprio a tale
trasformazione tra le due distinte fasi solide: esso dipende dalla temperatura, dai carichi
e dalla storia del materiale.
Figura 1.3: Diagramma Tensione-Deformazione per le due fasi distinte
Figura 1.2: Trasformazione martensitica termoplastica
Capitolo 1 – S.M.A. (Shape Memory Alloy)
- 11 -
La struttura cristallina della martensite è ottenuta a partire dall’austenite in seguito
all’applicazione di un carico meccanico o una diminuzione di temperatura; con il
riscaldamento o la riduzione del carico applicato, la fase austenite è recuperata [4] [13].
In assenza di carichi applicati, le temperature di inizio e fine trasformazione del
materiale da una fase all’altra sono indicate come M
s
, M
f
, A
s
, A
f
(M=martensite,
A=austenite, s =inizio, f=fine) e, per molti materiali, del tipo M
f
< M
s
< A
s
< A
f
.
Figura 1.4 mostra la variazione della composizione del materiale con la temperatura.
Al variare quindi della temperatura, in assenza di carichi applicati, cambierà lo stato del
materiale S.M.A., la cui composizione è in genere definita in funzione della frazione
volumetrica ( ξ ) di martensite presente: in particolare, si avrà il passaggio da una fase
100% austenite (temperatura pari o superiore a A
f
e ξ =0) ad una fase in cui saranno
compresenti sia martensite che austenite in percentuali differenti, ed infine, una fase
100% martensite (temperatura pari o inferiore a M
f
e ξ =1); il tutto sarà valido anche
all’inverso se anziché raffreddare, si riscalda la lega.
Queste temperature di transizione, dette anche temperature critiche, sono variabili con il
carico applicato, in particolare aumentano con il carico (in quanto è necessaria maggiore
energia per deformare la struttura cristallina): si veda a tal proposito il paragrafo 1.5.
Come risultato di questa trasformazione, si può separare il comportamento meccanico
osservabile macroscopicamente dei materiali S.M.A. in 2 categorie (si veda Figura 1.5):
Figura 1.4: Trasformazione di fase nei materiali S.M.A.
Figura 1.5: Comportamento Tensione-Deformazione di materiali S.M.A. [12]
Capitolo 1 – S.M.A. (Shape Memory Alloy)
- 12 -
1) effetto di memoria di forma (S.M.E.) (Figura 1.5a), in cui un provino di S.M.A.
esibisce una deformazione residua grande (apparentemente plastica) dopo essere stato
sottoposto ad un carico e quindi scaricato, deformazione che può essere completamente
recuperata innalzando la temperatura del materiale;
2) effetto pseudo-elastico (Figura 1.5b), in cui un provino di S.M.A. esibisce una
deformazione molto grande (apparentemente plastica) dopo essere stato sottoposto ad
un carico, che può quindi essere completamente recuperata, per mezzo di un ciclo di
isteresi, dopo essere stato scaricato.
Descriviamo più nel dettaglio i due effetti [7].
La prima proprietà (S.M.E.) è particolarmente utile, ed è legata alla specifica struttura
cristallina della fase di martensite, a cui generalmente si trova la lega S.M.A. a
temperatura ambiente (o comunque a bassa temperatura). Essa consiste in una fitta
disposizione di piani cristallini specularmene disposti l’uno rispetto all’altro e dotati di
un’elevatissima mobilità relativa (da cui deriva il basso modulo di Young ed il basso
smorzamento in tale fase). Il ruolo di questi piani è il seguente: quando il materiale
viene deformato (in fase martensite) da una tensione esterna (ad esempio estensiva)
superiore a quella di snervamento, invece di rompere legami cristallografici e
danneggiare la propria struttura più intima, esso dispiega progressivamente i piani
reticolari (tale fenomeno prende il nome di detwinning), accomodando la deformazione
complessiva senza realizzare spostamenti atomici significativi. La Figura 1.6 riassume
quanto finora detto soffermandosi sul piano microscopico [12].
Figura 1.6: Spiegazione microscopica dello Shape Memory Effect
Capitolo 1 – S.M.A. (Shape Memory Alloy)
- 13 -
Per una migliore comprensione, si immagini il mantice di una fisarmonica: si pensi
all’atto di allungare una fisarmonica, dove malgrado la singola piega del mantice si
muova di poco, l’intera struttura si dispiega per una lunghezza molto maggiore.
Poiché nel corso di questo meccanismo i singoli atomi si sono spostati solo di poco
dalle loro posizioni originali, quando essi, per effetto di un riscaldamento imposto,
devono muoversi per ripristinare la struttura cristallina di partenza (austenite, fase
presente ad elevata temperatura) possono recuperare molto facilmente la loro
configurazione iniziale, e promuovere quindi il recupero della forma macroscopica di
partenza (ciò comporta anche il recupero della deformazione), che per sua natura invece
è caratterizzata da una struttura cristallografica poco mobile (da cui si spiega il più alto
modulo di Young del materiale e smorzamento).
La Figura 1.7 si sofferma sugli effetti macroscopici, considerando delle barrette di
materiale S.M.A. [14].
Se la lega S.M.A. all’atto dell’attivazione per riscaldamento non può ritornare alla
forma originale (ad esempio perché limitata nella deformazione dalla presenza di
vincoli), allora in essa insorge una grande tensione di recupero; viceversa, se la lega non
è in alcun modo limitata, non insorge alcuna tensione di recupero, e si parla di recupero
libero.
La seconda proprietà (pseudoelasticità) delle trasformazioni martensitiche
termoelastiche è legata alla possibilità di far avvenire la trasformazione non solo
variando la temperatura, ma anche mediante l’applicazione di un opportuno stato
tensionale in condizioni adeguate di temperatura (T > A
f
, cioè si parte dalla fase
Figura 1.7: Spiegazione macroscopica dello Shape Memory Effect
Austenite Martensite Martensite Martensite Austenite
(twinned) (detwinned) (detwinned)
Load UnloadCOOL HEAT
σ > σ
crit
σ = 0σ = 0
T > A
f
T < M
f
σ = 0 σ = 0
T > A
f
Capitolo 1 – S.M.A. (Shape Memory Alloy)
- 14 -
austenite). In pratica è possibile far si che la struttura "a fisarmonica" si formi nel
materiale all’atto stesso dell’applicazione di una forza esterna, passando direttamente
dalla fase austenite a quella di martensite deformata. Nel corso della deformazione
imposta per applicazione di una forza esterna, il materiale forma progressivamente la
struttura martensitica e questa istantaneamente si deforma permettendo di nuovo di
accomodare grandi deformazioni senza danneggiare in maniera permanente la struttura
cristallografica del materiale: rispetto al caso precedente, non c’è la fase di martensite
appaiata (twinned).
Così come già fatto nel caso precedente, Figura 1.8 riassume l’effetto pseudoelastico
sul piano microscopico e Figura 1.9 sul piano macroscopico.
Poiché però tale procedura viene condotta in un intervallo di temperature in cui la
martensite formatasi non potrebbe esistere (in quanto a quella temperatura la fase stabile
dovrebbe essere quella ad alta temperatura, cioè austenite) nel momento in cui la forza
Figura 1.9: Spiegazione macroscopica dell’effetto Pseudo-elastico
Austenite Martensite Austenite
(detwinned)
Load Unload
σ > σ
crit
σ = 0
T > A
f
σ = 0
T > A
f
Figura 1.8: Spiegazione microscopica dell’effetto Pseudo-elastico
Capitolo 1 – S.M.A. (Shape Memory Alloy)
- 15 -
esterna viene rimossa essa si trova in una condizione di instabilità termodinamica e
tende a ritrasformarsi istantaneamente, promuovendo un immediato recupero di forma
(prescindendo quindi dalla fase di riscaldamento): ciò che accade fenomenologicamente
è che il materiale recupera immediatamente la forma iniziale, dando l’impressione di
una notevole elasticità, di un materiale che accetta notevoli deformazioni ed
immediatamente recupera la sua forma iniziale.
Questa seconda proprietà dei materiali a memoria di forma ha trovato diverse
applicazioni anche grazie alla maggiore semplicità di impiego che prescinde dalla
necessità di riscaldare e/o raffreddare il materiale. Un esempio è quello presentato in
Figura 1.10: un occhiale con le parti metalliche in materiale pseudoelastico (aste e
ponte nasale) può venire chiuso all’interno della mano salvo poi ritornare
immediatamente alla sua forma originale semplicemente aprendo la mano.
Entrambi gli effetti visti (S.M.E. e Pseudoelasticità) possono essere sintetizzati in un
unico diagramma tensione-deformazione (Figura 1.11) , così da comprenderne meglio
il comportamento.
Nel diagramma è rappresentato con una linea continua il comportamento di un materiale
S.M.A. testato ad una temperatura T > A
f
: cioè la linea continua rappresenta l’effetto
pseudoelastico. La lega viene sottoposta ad un carico tensionale a partire dalla
condizione iniziale di assenza di tensione. L’andamento è lineare nella parte iniziale in
quanto associato al comportamento elastico dell’S.M.A. con 100% fase austenite
(modulo di Young E
A
), fino al raggiungimento dello sforzo di inizio martensite ( σ
Ms
),
superato il quale inizia la transizione di fase da austenite a martensite: l’andamento è
ancora lineare fino al raggiungimento dello sforzo di fine martensite ( σ
Mf
).
Successivamente, continuando ad incrementare il carico, l’andamento è nuovamente
lineare, associato questa volta la comportamento elastico dell’S.M.A. con 100% fase
martensite (modulo di Young E
M
), fino allo snervamento ( σ
y
). Oltre σ
y
, la fase 100%
martensite subisce deformazione plastica.
Figura 1.10: Esempio di pseudoelasticità della lega NiTi. Un occhiale realizzato in SMA viene
severamente deformato e recupera la forma iniziale all’atto della rimozione della sollecitazione [7]
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