Corso di Meccanica dei Materiali A.A. 2010 - 2011
MATERIALI AVANZATI
Michele Buonsanti
*
Dipartimento Meccanica e Materiali
Facoltà di Ingegneria Università di Reggio Calabria
E-mail: [email protected]
SCALE IN MATERIALS TODAY
EVOLUZIONE DELLE PRESTAZIONI STRUTTURALI
PRESTAZIONI DEI MATERIALI E TEMPI DI ESECUZIONE
Roppongi Hills Mori Tower Tokyo, 2003
Altezza finale 238 mt.
CALCESTRUZZI ULTRALEGGERI E ALTA RESISTENZA
Ponte pedonale in Seoul
ENGINEERING MATERIALS MENU’
Resistance attack by aggressive
enviroments
MATERIALI INTELLIGENTI
Le Leghe a memoria di forma
Le leghe a memoria di forma sono leghe metalliche
che presentano una notevole proprietà : sono capaci
di recuperare una determinata forma se sottoposte ad
uno opportuno trattamento termico
Numerose sono le applicazioni nell’ambito di
dispositivi meccanici, termo-meccanici, medici
Storia
1932 Chang e Read notano il fenomeno della memoria di
forma su una lega AuCd
1938 l’effetto memoria di forma si osserva sul bronzo
1962 Buelher scopre l’effetto memoria di forma in una
lega equiatomica di Nickel Titanio (Nitinol)
Meccanismi su cui si basa l’effetto
memoria di forma:
Una lega a memoria di forma possiede 2 fasi cristalline:
austenite e martensite
Completa reversibilità della trasformazione
martensitica
Carattere termoelastico della martensite
Proprietà della trasformazione
martensitica
La trasformazione martensitica è una trasformazione
non diffusiva, che avviene attraverso un moto
cooperativo di atomi , è indipendente dal tempo , non
è isoterma, e durante la trasformazione si ha una
variazione di energia libera
Le temperature di trasformazione Ms ,Mf ,As
Af determinano un ciclo di isteresi
Proprietà della trasformazione martensitica
Proprietà della trasformazione martensitica
È possibile indurre la
trasformazione
martensitica anche
attraverso una
sollecitazione
meccanica a condizione
che la temperatura a cui
si applica lo sforzo sia
minore di Md
A livello microscopico
La trasf. avviene con un moto
cooperativo di atomi che
deforma il reticolo cristallino e
con la formazione di placchette
lenticolari all’interno del grano
austenitico attraverso il
meccanismo di twinning
(geminazione) che non determina
rottura di legami atomici o
dislocazioni,ma solo un “
accomodamento”
A livello microscopico
Ogni cristallo della fase austenitica,sottoposto ad
un raffreddamento oltre Mf si deformerà in una
variante martensitica attraverso precise relazioni
di orientazione tra la matrice austenitica e la
martensite, poiché gli spostamenti degli atomi
avvengono su piani e direzioni cristalline ben
definite
A livello microscopico
In particolare, poiché esistono 4 piani di scorrimento
per ciascuno faccia del cristallo D03 esisteranno 24
varianti martensitiche,cioè 24 configurazioni
possibili
A livello microscopico
La trasformazione avviene
con un piano del cristallo
austenitico indistorto e non
ruotato che prende il nome
di habit plane
Durante la traformazione si
crea una zona di
accomodamento plastico
della martensite
nell’austenite
A livello microscopico
Tuttavia complessivamente non vi è alcuna deformazione
macroscopica grazie all’autocompensazione delle varianti
martensitiche
A livello microscopico
Il meccanismo di twinning
genera la cosiddetta
martensite
multivariant;agendo su di
essa attraverso uno sforzo
di taglio,è possibile mettere
in moto il bordo dei
geminati ottenendo una
variazione di forma con un
processo chiamato
detwinning
A livello microscopico
Questa trasformazione che avviene con livelli di
carico abbastanza bassi e deve essere condotta ad
una temperatura minore di Mf genera la martensite
singlevariant
Un seguente riscaldamento sopra Af produce
l’effetto memoria di forma della fase austenitica
La percentuale di forma che viene recuperata è
legata al grado di deformazione precedentemente
introdotta
Effetto di memoria di forma a due
vie e ciclaggio termico
L’effetto memoria di forma a due vie ,che consiste
nell’abilità della lega di recuperare la forma sia
della fase austenite che di quella martensite, non è
una proprietà intrinseca del materiale,ma deve
essere appresa attraverso un opportuno ciclaggio
termico
I pezzi vengono austenizzati ad alte temp e poi
raffreddati bruscamente attraverso getti di aria
fredda oppure immersi in acqua vincolandoli in
modo tale che debbano mantenere la forma
impartitagli
Pseudo-elasticità
La pseudo-elasticità è l’abilità di recuperare senza
fenomeni elastoplastici ,la deformazione provocata
dall’applicazione di un carico dopo che questo viene
rimosso
Si ottiene solo quando si induce la trasformazione
martensitica ad una temperatura compresa tra
Af ed Md
A livello micro è assecondata da twinning e
nucleazione della fase martensitica e quando viene
rilasciato lo stress la trasformazione si inverte
riportando alla fase austenitica
Pseudo-elasticità
Pseudo-elasticità
I materiali super-elastici
(rubber like)
sopportano molto bene
cicli di deformazione
senza che ci siano
fenomeni plastici con
la possibilità di
arrivare ad
allungamenti dell’810%
Fase R
E’ una trasformazione che si manifesta nelle leghe NiTi
quasi equiatomiche dopo un trattamento di
invecchiamento a bassa temperatura: quando la lega
viene riscaldata presenta martensite e austenite,
quando viene raffreddata presenta anche la fase R. La
transizione di fase R è caratterizzata da un’isteresi su
un intervallo di temperature molto piccolo.
Fase R
La transizione di fase R può presentare l’effetto
memoria di forma poiché vi è durante la
trasformazione una lieve distorsione dell’angolo del
reticolo cristallino.
La deformazione residua diminuisce all’aumentare
della temperatura.
Dopo 500000 cicli termici la variazione dell’isteresi è
molto piccola.
Effetto dell’invecchiamento sulla
fase R
Leggi costitutive
Sono stati proposti numerosi modelli costitutivi per
caratterizzare le leghe a memoria di forma.
La “teoria della fenomenologica costitutiva” di
Lagoudas e Bhattacharyya si propone di descrivere
il comportamento di una lega policristallina di
SMA.
ε = ET σ + α T
Th
T
ET ≡ ET (ξ , σ , T )
Applicazioni
Applicazioni
Applicazioni
MATERIALI AUTOASSEMBLANTI
Il liposoma è uno dei progenitori per la produzione di
materiali capaci di autoassemblarsi. Micro-capsule
sperimentate per il trasporto di farmaci
Chip di silicio rivestito d’oro come elemento
di studio per i monostrati autoassemblanti.
Monostrati a superficie idrofoba o idrofila
rappresentano che la bagnabilità della
superficie è funzione della natura della
parte più esterna del monostrato.
Analogamente si possono controllare proprietà
di adesione, attrito, corrodiblirà
PROCESSO DI ASSEMBLAGGIO
Crescita di molecole attraverso
atomi unilateri fortemente reagenti
Le molecole si organizzano per superfici
con proprietà anche diverse
ZEOLITI E CATALISI
Struttura della zeolite mordenite
Rappresentazione del meccanismi di
sintesi per un materiale mesoporoso
SUPERCONDUTTIVITA’
Magnete in sospensione sopra un superconduttore
raffredato con azoto liquido che respinge i campi
magnetici esterni
Perdita di resistenza a 134 k°
SUPERCONDUTTIVITA’
Sezione di un cavo superconduttore ceramico
con rilevamento di filamenti a struttura esagonale
di spessore 4 micron. Aumento di duttilità e resistenza
NANO MATERIALI
Atomistic to continuum scale in
mechanic of materials
…AFFINCHE’ SI EVITI LA ROTTURA!!
Sbarco accellerato per i
passeggeri del volo Aloha
Airlines 243
Rottura e nascita di legami
in un processo di rottura
……..don’t forget never
Good materials often
stands idle for want of an
artist
( Seneca)
Referenze bibliografiche
Materials Research Society, MRS BULLETTIN, 29, 5, 2004
Le Scienze quaderni, I NUOVI MATERIALI n° 115, 2000
M. Fremond, S. Miyazaki, SHAPE MEMORY ALLOYS, Springer 1996
S. Vilasi, TEORIA DELLE LEGHE A MEMORIA DI FORMA, tesi di esame al
corso di Meccanica dei Materiali Fac. Ingegneria Reggio Calabria a.a. 20022003, formato .ppt
H. Wada, BIOMECHANICS AT MICRO AND NANOSCALE LEVELS, World
Scientific, 2005
B. Bayly, CHEMICAL CHANGE IN DEFORMING MATERIALS, Oxford Pb.,1992
E.M. Gutman, MECHANOCHEMISTRY OF SOLID SURFACES, World Sc.,1994
G. Cao, NANOSTRUCTURES & NANOMATERIALS, Imperial Col.Press., 2004
