La prima scoperta del
fenomeno "shape memory" risale al 1932 grazie agli studi di Chang e Read:
essi notarono la reversibilità della trasformazione nella lega AuCd
tramite osservazioni metallografiche e variazioni nella resistività.
Nel 1938 la trasformazione fu studiata nell'ottone (CuZn). Tuttavia, solo
nel 1962 l'effetto fu scoperto nella lega NiTi ad opera di Buehler, e fu
da allora che iniziò la ricerca vera e propria sulla metallurgia
e le applicazioni pratiche di questa classe di materiali. Con l'approfondirsi
delle ricerche, furono analizzate molte altre leghe che presentassero le
proprietà "shape memory" ma tra tutte, le più intessanti
ed utili dal punto di vista applicativo si sono rivelate quelle del gruppo
NiTi e le leghe del Cu.
INTRODUZIONE
I materiali a memoria
di forma rappresentano una classe di materiali metallici dalle inusuali
proprietà meccaniche. In particolare la loro caratteristica principale
è quella di essere in grado di recuperare una forma macroscopica
preimpostata per effetto del semplice cambiamento della temperatura o dello
stato di sollecitazione applicato. In questi materiali è presente
una trasformazione di fase a stato solido (cioè in cui sia la fase
di partenza e quella di arrivo sono strutture solide anche se con arrangiamenti
cristallografici differenti) che prende il nome di trasformazione
martensitica termoelastica. Tra le numerose
proprietà di questa trasformazione una appare particolarmente utile
ed è quella legata alla particolare struttura cristallina della
fase ultima (detta appunto martensite). Essa consiste in una fitta disposizione
di piani cristallini specularmene disposti l’uno rispetto all’altro e dotati
di un’elevatissima mobilità relativa. Per una migliore comprensione
si pensi alla struttura del mantice di una fisarmonica. Il ruolo di questi
piani è il seguente: quando il materiale viene deformato da una
forze esterna, invece di rompere legami cristallografici e danneggiare
la propria struttura più intima, esso dispiega progressivamente
i piani reticolari accomodando la deformazione complessiva senza realizzare
spostamenti atomici significativi. Di nuovo si pensi all’atto di allungare
una fisarmonica, 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 esse, per effetto di un riscaldamento
imposto, devono muoversi per ripristinare la struttura cristallina di partenza
possono recuperare molto facilmente la loro posizione iniziale prima della
deformazione e promuovere quindi il recupero della forma macroscopica di
partenza.
Un ulteriore interessante proprietà 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 di sollecitazione in condizioni
adeguate di temperatura. In pratica è possibile far si che la struttura
"a fisarmonica" si formi nel materiale all’atto stesso dell’applicazione
di una forza esterna. Nel corso della deformazione imposta 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.
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 detta austenite) nel momento
in cui la forza 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.
Quello che succede fenomenologicamente è
che il materiale recupera immediatamente la forma iniziale dando l’impressione
di una notevole elasticità. A tale proprietà si dà
il nome di superelasticità in
quanto l’effetto complessivo è quello di un materiale che accetta
notevoli deformazioni ed immediatamente recupera la sua forma iniziale.
Questa 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.
LEGHE
Ni-Ti (NITINOL)
Le più importanti
e diffuse tra le leghe a memoria di forma sono senz'altro quelle che contengono
il composto binario intermetallico NiTi, a cui è possibile addizionare
molti elementi in lega al fine di modificare le proprietà comportamentali
del sistema, a seconda degli scopi previsti. Altri elementi usati comunemente
sono: ferro e cromo per abbassare la T di trasformazione. É inoltre
necessario limitare il contenuto di agenti contaminanti come ossigeno e
carbonio, che modificano l'intervallo di trasformazione e peggiorano le
proprietà meccaniche. La classica stechiometria delle leghe NiTi
appartenenti alla famiglia SMA (shape memory alloys), prevede circa uguale
quantità di Ni e Ti: tale lega è nota come "NITINOL" (sigla
di Nickel Titanium Naval Ordinance Laboratory) e possiede ottime proprietà
sia di memoria di forma che di superelasticità. Presenta inoltre
buone proprietà elettriche e meccaniche, resistenza a fatica e a
corrosione notevole. Tale composto possiede inoltre le caratteristiche
tali da poter essere attivato elettricamente per effetto Joule: ovvero
quando una corrente elettrica lo attraversa, si genera sufficiente calore
da indurre la trasformazione di fase.
I materiali NiTi vengono
sottoposti a lavorazioni a caldo (forgiatura, laminazione a caldo, ecc.)
seguite da una serie di trattamenti a freddo e, successivamente, ancora
a caldo (ciclo termico) variabili a seconda degli scopi che si vogliono
perseguire: miglioramento della deformabilità della fase martensitica,
maggior resistenza della fase austenitica, grado di superelasticità,
conferimento e recupero di una forma (parziale o totale), meccanismo di
memoria di forma a due vie, proprietà delle superfici.
Molto spesso è necessario conferire
una forma particolare ai pezzi in NiTi. In pratica si forza il pezzo in
uno stampo della forma desiderata e si procede con il trattamento termico.
In generale sono sufficienti temperature di circa 400°C e pochi minuti
per impostare una forma; si procede con un raffreddamento rapido tramite
tempra in acqua o in aria.
PROGETTO
La nostra applicazione
si propone di realizzare dei frangisole a movimento termico, cioè
capaci di cambiare orientamento a seconda della temperatura assorbita.
Lo schema tecnologico è molto intuitivoe ed estremamente efficace:
si compone di un telaio metallico su cui sono fissate due molle in lega
di Ni-Ti, la molla A e
la molla B (vedere
figura). La molla superiore (A) subirà una trasformazine martensitica
termoelastica mentre la molla inferiore (B) si trova nell'intervallo di
temperatura in cui acquista la proprietà di superelasticità.
Alle due molle è fissato un frangisole che è libero di muoversi
per mezzo di una cerniera (vedi figura).
PRIMA
FASE
Ci troviamo ad una temperatura
inferiore ai 40 gradi. La molla A si
trova al di sotto della sua temperatura di recupero di forma e viene deformata
dalla molla B che,
trovandosi nella condizione di superelasticità, mantiene la forma
stabilita dallo stampo di fabbricazione. La situazione (vedi figura) è
che il frangisole assume una posizione orizzontale, la molla che garantisce
questa configurazione è la B.
SECONDA
FASE
Arriviamo ora a 40 gradi.
La molla A
subisce la trasformazione martensitica e comincia il recupero della forma
stabilita nella fase di fabbricazione. Facendo ciò incomincia ad
esercitare una forza sulla molla B
che, essendo di sezione minore, comincia lentamente a deformarsi trovandosi
nella fase austenitica. La situazione (vedi figura) è che il frangisole
assume una posizione inclinata con un angolo che decideremo in funzione
della posizione geografica dell'allestimento. Tutto verrà realizzato
semplicemente modificando lo stampo della molla
A.
RITORNO
Con il riabbassarsi della
temperatura la molla A perde
di nuovo la sua forma sotto l'influsso della spinta della molla B.
Il frangisole ritorna nella posizione orizzontale.
