CorsoCorso didi MeccanicaMeccanica deidei MaterialiMateriali A.A. 2010 A.A. 2010 -- 20112011

MATERIALI AVANZATIMATERIALI AVANZATI

Michele Michele BuonsantiBuonsanti **

DipartimentoDipartimento MeccanicaMeccanica e e MaterialiMaterialiFacoltFacoltàà didi IngegneriaIngegneria UniversitUniversitàà didi Reggio CalabriaReggio Calabria

EE--mail: mail: michele.buonsanti@unirc.itmichele.buonsanti@unirc.it

SCALE IN MATERIALS TODAYSCALE IN MATERIALS TODAY

EVOLUZIONE DELLE PRESTAZIONI STRUTTURALI

PRESTAZIONI DEI MATERIALI E TEMPI DI ESECUZIONE

Roppongi Hills Mori Tower Tokyo, 2003Altezza finale 238 mt.

CALCESTRUZZI ULTRALEGGERI E ALTA RESISTENZA

Ponte pedonale in Seoul

ENGINEERING MATERIALS MENUENGINEERING MATERIALS MENU’’

ResistanceResistance attackattack byby aggressive aggressive enviromentsenviroments

MATERIALI INTELLIGENTI

Le Leghe a memoria di forma Le Leghe a memoria di forma

Le leghe a memoria di forma sono leghe metalliche Le leghe a memoria di forma sono leghe metalliche che presentano una notevole proprietche presentano una notevole proprietàà : sono capaci : sono capaci di recuperare una determinata forma se sottoposte ad di recuperare una determinata forma se sottoposte ad uno opportuno trattamento termicouno opportuno trattamento termico

Numerose sono le applicazioni nellNumerose sono le applicazioni nell’’ambito di ambito di dispositivi meccanici, dispositivi meccanici, termotermo--meccanicimeccanici, medici , medici

StoriaStoria

1932 1932 ChangChang e e ReadRead notano il fenomeno della memoria di notano il fenomeno della memoria di forma su una lega forma su una lega AuCdAuCd

1938 l1938 l’’effetto memoria di forma si osserva sul bronzoeffetto memoria di forma si osserva sul bronzo

1962 1962 BuelherBuelher scopre lscopre l’’effetto memoria di forma in una effetto memoria di forma in una lega lega equiatomicaequiatomica di Nickel Titanio (di Nickel Titanio (NitinolNitinol))

Meccanismi su cui si basa lMeccanismi su cui si basa l’’effetto effetto memoria di forma:memoria di forma:

Una lega a memoria di forma possiede 2 fasi cristalline: Una lega a memoria di forma possiede 2 fasi cristalline: austeniteaustenite e e martensitemartensite

Completa reversibilitCompleta reversibilitàà della trasformazione della trasformazione martensiticamartensitica

Carattere Carattere termoelasticotermoelastico della della martensitemartensite

ProprietProprietàà della trasformazione della trasformazione martensiticamartensitica

La trasformazione La trasformazione martensiticamartensitica èè una trasformazione una trasformazione non diffusiva, che avviene attraverso un moto non diffusiva, che avviene attraverso un moto cooperativo di atomi , cooperativo di atomi , èè indipendente dal tempo , non indipendente dal tempo , non èè isoterma, e durante la trasformazione si ha una isoterma, e durante la trasformazione si ha una variazione di energia liberavariazione di energia libera

Le temperature di trasformazione Le temperature di trasformazione MsMs ,,MfMf ,,AsAsAfAf determinano un ciclo di isteresideterminano un ciclo di isteresi

ProprietProprietàà della trasformazione della trasformazione martensiticamartensitica

ProprietProprietàà della trasformazione della trasformazione martensiticamartensitica

ÈÈ possibile indurre la possibile indurre la trasformazione trasformazione martensiticamartensitica anche anche attraverso una attraverso una sollecitazione sollecitazione meccanica a condizione meccanica a condizione che la temperatura a cui che la temperatura a cui si applica lo sforzo sia si applica lo sforzo sia minore di minore di MdMd

A livello microscopicoA livello microscopico

La La trasftrasf. avviene con un moto . avviene con un moto cooperativo di atomi che cooperativo di atomi che deforma il reticolo cristallino e deforma il reticolo cristallino e con la formazione di con la formazione di placchetteplacchettelenticolari alllenticolari all’’interno del grano interno del grano austeniticoaustenitico attraverso il attraverso il meccanismo di meccanismo di twinningtwinning(geminazione) che non determina (geminazione) che non determina rottura di legami atomici o rottura di legami atomici o dislocazioni,ma solo un dislocazioni,ma solo un ““accomodamentoaccomodamento””

Ogni cristallo della fase Ogni cristallo della fase austeniticaaustenitica,sottoposto ad ,sottoposto ad un raffreddamento oltre un raffreddamento oltre MfMf si deformersi deformeràà in una in una variante variante martensiticamartensitica attraverso precise relazioni attraverso precise relazioni di orientazione tra la matrice di orientazione tra la matrice austeniticaaustenitica e la e la martensitemartensite, poich, poichéé gli spostamenti degli atomi gli spostamenti degli atomi avvengono su piani e direzioni cristalline ben avvengono su piani e direzioni cristalline ben definitedefinite

A livello microscopicoA livello microscopico

A livello microscopicoA livello microscopico

In particolare, poichIn particolare, poichéé esistono 4 piani di scorrimento esistono 4 piani di scorrimento per ciascuno faccia del cristallo D03 esisteranno 24 per ciascuno faccia del cristallo D03 esisteranno 24 varianti varianti martensitichemartensitiche,cio,cioèè 24 configurazioni 24 configurazioni possibilipossibili

A livello microscopicoA livello microscopico

La trasformazione avviene La trasformazione avviene con un piano del cristallo con un piano del cristallo austeniticoaustenitico indistortoindistorto e non e non ruotato che prende il nome ruotato che prende il nome di di habithabit planeplane

Durante la Durante la traformazionetraformazione si si crea una zona di crea una zona di accomodamento plastico accomodamento plastico della della martensitemartensitenellnell’’austeniteaustenite

A livello microscopicoA livello microscopico

Tuttavia complessivamente non vi Tuttavia complessivamente non vi èè alcuna deformazione alcuna deformazione macroscopica grazie allmacroscopica grazie all’’autocompensazioneautocompensazione delle varianti delle varianti martensitichemartensitiche

A livello microscopicoA livello microscopico

Il meccanismo di Il meccanismo di twinningtwinninggenera la cosiddetta genera la cosiddetta martensitemartensitemultivariantmultivariant;agendo su di ;agendo su di essa attraverso uno sforzo essa attraverso uno sforzo di taglio,di taglio,èè possibile mettere possibile mettere in moto il bordo dei in moto il bordo dei geminati ottenendo una geminati ottenendo una variazione di forma con un variazione di forma con un processo chiamato processo chiamato detwinningdetwinning

Questa trasformazione che avviene con livelli di Questa trasformazione che avviene con livelli di carico abbastanza bassi e deve essere condotta ad carico abbastanza bassi e deve essere condotta ad una temperatura minore di una temperatura minore di MfMf genera la genera la martensitemartensitesinglevariantsinglevariant

Un seguente riscaldamento sopra Un seguente riscaldamento sopra AfAf produce produce ll’’effetto memoria di forma della fase effetto memoria di forma della fase austeniticaaustenitica

La percentuale di forma che viene recuperata La percentuale di forma che viene recuperata èèlegata al grado di deformazione precedentemente legata al grado di deformazione precedentemente introdottaintrodotta

A livello microscopicoA livello microscopico

LL’’effetto memoria di forma a due vie ,che consiste effetto memoria di forma a due vie ,che consiste nellnell’’abilitabilitàà della lega di recuperare la forma sia della lega di recuperare la forma sia della fase della fase austeniteaustenite che di quella che di quella martensitemartensite, non , non èèuna proprietuna proprietàà intrinseca del materiale,ma deve intrinseca del materiale,ma deve essere appresa attraverso un opportuno essere appresa attraverso un opportuno ciclaggiociclaggiotermicotermico

I pezzi vengono I pezzi vengono austenizzatiaustenizzati ad alte ad alte temptemp e poi e poi raffreddati bruscamente attraverso getti di aria raffreddati bruscamente attraverso getti di aria fredda oppure immersi in acqua vincolandoli in fredda oppure immersi in acqua vincolandoli in modo tale che debbano mantenere la forma modo tale che debbano mantenere la forma impartitagliimpartitagli

Effetto di memoria di forma a due Effetto di memoria di forma a due vie e vie e ciclaggiociclaggio termicotermico

La La pseudopseudo--elasticitelasticitàà èè ll’’abilitabilitàà di recuperare senza di recuperare senza fenomeni fenomeni elastoplasticielastoplastici ,la deformazione provocata ,la deformazione provocata dalldall’’applicazione di un carico dopo che questo viene applicazione di un carico dopo che questo viene rimossorimosso

Si ottiene solo quando si induce la trasformazione Si ottiene solo quando si induce la trasformazione martensiticamartensitica ad una temperatura compresa traad una temperatura compresa traAf ed MdAf ed Md

A livello micro A livello micro èè assecondata da twinning e assecondata da twinning e nucleazione della fase nucleazione della fase martensiticamartensitica e quando viene e quando viene rilasciato lo stress la trasformazione si inverte rilasciato lo stress la trasformazione si inverte riportando alla fase riportando alla fase austeniticaaustenitica

PseudoPseudo--elasticitelasticitàà

PseudoPseudo--elasticitelasticitàà

PseudoPseudo--elasticitelasticitàà

I materiali superI materiali super--elastici elastici ((rubberrubber likelike) ) sopportano molto bene sopportano molto bene cicli di deformazione cicli di deformazione senza che ci siano senza che ci siano fenomeni plastici con fenomeni plastici con la possibilitla possibilitàà di di arrivare ad arrivare ad allungamenti dellallungamenti dell’’88--10%10%

Fase RFase R

EE’’ una trasformazione che si manifesta nelle leghe una trasformazione che si manifesta nelle leghe NiTiNiTiquasi quasi equiatomicheequiatomiche dopo un trattamento di dopo un trattamento di invecchiamento a bassa temperatura: quando la lega invecchiamento a bassa temperatura: quando la lega viene riscaldata presenta viene riscaldata presenta martensitemartensite e e austeniteaustenite, , quando viene raffreddata presenta anche la fase R. La quando viene raffreddata presenta anche la fase R. La transizione di fase R transizione di fase R èè caratterizzata da uncaratterizzata da un’’isteresi su isteresi su un intervallo di temperature molto piccolo.un intervallo di temperature molto piccolo.

La transizione di fase R può presentare lLa transizione di fase R può presentare l’’effetto effetto memoria di forma poichmemoria di forma poichéé vi vi èè durante la durante la trasformazione una lieve distorsione delltrasformazione una lieve distorsione dell’’angolo del angolo del reticolo cristallino.reticolo cristallino.

La deformazione residua diminuisce allLa deformazione residua diminuisce all’’aumentare aumentare della temperatura.della temperatura.

Dopo 500000 cicli termici la variazione dellDopo 500000 cicli termici la variazione dell’’isteresi isteresi èèmolto piccola.molto piccola.

Fase RFase R

Effetto dellEffetto dell’’invecchiamento sulla invecchiamento sulla fase Rfase R

Leggi costitutiveLeggi costitutive

Sono stati proposti numerosi modelli costitutivi per Sono stati proposti numerosi modelli costitutivi per caratterizzare le leghe a memoria di forma.caratterizzare le leghe a memoria di forma.

La La ““teoria della teoria della fenomenologicafenomenologica costitutivacostitutiva”” di di LagoudasLagoudas e e BhattacharyyaBhattacharyya si propone di descrivere si propone di descrivere il comportamento di una lega il comportamento di una lega policristallinapolicristallina di di SMA.SMA.

( ), ,

ThT T

T T

E TE E Tε σ α

ξ σ= +

≡

ApplicazioniApplicazioni

ApplicazioniApplicazioni

ApplicazioniApplicazioni

MATERIALI AUTOASSEMBLANTI

Il liposoma è uno dei progenitori per la produzione di materiali capaci di autoassemblarsi. Micro-capsulesperimentate per il trasporto di farmaci

Chip di silicio rivestito d’oro come elementodi studio per i monostrati autoassemblanti.Monostrati a superficie idrofoba o idrofilarappresentano che la bagnabilità dellasuperficie è funzione della natura dellaparte più esterna del monostrato.Analogamente si possono controllare proprietàdi adesione, attrito, corrodiblirà

PROCESSO DI ASSEMBLAGGIO

Crescita di molecole attraversoatomi unilateri fortemente reagentiLe molecole si organizzano per superficicon proprietà anche diverse

ZEOLITI E CATALISI

Struttura della zeolite mordenite

Rappresentazione del meccanismi disintesi per un materiale mesoporoso

SUPERCONDUTTIVITA’

Magnete in sospensione sopra un superconduttoreraffredato con azoto liquido che respinge i campimagnetici esterni

Perdita di resistenza a 134 k°

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Sezione di un cavo superconduttore ceramicocon rilevamento di filamenti a struttura esagonale di spessore 4 micron. Aumento di duttilità e resistenza

NANO MATERIALI

AtomisticAtomistic toto continuum scale in continuum scale in mechanicmechanic of of materialsmaterials

…AFFINCHE’ SI EVITI LA ROTTURA!!

Sbarco accellerato per ipasseggeri del volo AlohaAirlines 243

Rottura e nascita di legamiin un processo di rottura

…………...don.don’’t t forgetforget nevernever

GoodGood materialsmaterials oftenoftenstandsstands idleidle forfor wantwant of of ananartistartist

( ( SenecaSeneca))

Referenze bibliograficheReferenze bibliografiche

MaterialsMaterials ResearchResearch Society, MRS BULLETTIN, 29, 5, 2004Society, MRS BULLETTIN, 29, 5, 2004Le Scienze quaderni, I NUOVI MATERIALI nLe Scienze quaderni, I NUOVI MATERIALI n°° 115, 2000115, 2000M. Fremond, S. Miyazaki, SHAPE MEMORY ALLOYS, M. Fremond, S. Miyazaki, SHAPE MEMORY ALLOYS, SpringerSpringer 19961996S. S. VilasiVilasi, TEORIA DELLE LEGHE A MEMORIA DI FORMA, tesi di esame al , TEORIA DELLE LEGHE A MEMORIA DI FORMA, tesi di esame al corso di Meccanica dei Materiali corso di Meccanica dei Materiali FacFac. Ingegneria Reggio Calabria . Ingegneria Reggio Calabria a.a.a.a. 20022002--2003, formato 2003, formato .ppt.pptH.H. WadaWada, BIOMECHANICS AT MICRO AND NANOSCALE LEVELS, World , BIOMECHANICS AT MICRO AND NANOSCALE LEVELS, World ScientificScientific, 2005, 2005B. B. BaylyBayly, CHEMICAL CHANGE IN DEFORMING MATERIALS, Oxford , CHEMICAL CHANGE IN DEFORMING MATERIALS, Oxford PbPb.,1992.,1992E.M.E.M. GutmanGutman, MECHANOCHEMISTRY OF SOLID SURFACES, World , MECHANOCHEMISTRY OF SOLID SURFACES, World ScSc.,1994.,1994G. G. CaoCao, NANOSTRUCTURES & NANOMATERIALS, , NANOSTRUCTURES & NANOMATERIALS, ImperialImperial Col.PressCol.Press., 2004., 2004