Secondo la saggezza convenzionale, i metalli sono i materiali più durevoli e resistenti. Tuttavia, ci sono leghe che possono recuperare la loro forma dopo la deformazione senza applicare un carico esterno. Sono inoltre caratterizzati da altre proprietà fisiche e meccaniche uniche che li distinguono dai materiali strutturali.
Essenza del fenomeno
L'effetto memoria di forma delle leghe è che un metallo predeformato si riprende spontaneamente a seguito del riscaldamento o semplicemente dopo lo scarico. Queste proprietà insolite sono state notate dagli scienziati già negli anni '50. 20 ° secolo Già allora questo fenomeno era associato a trasformazioni martensitiche nel reticolo cristallino, durante le quali si verifica un movimento ordinato di atomi.
I materiali a memoria di forma in martensite sono termoelastici. Questa struttura è costituita da cristalli sotto forma di lastre sottili, che sono tese negli strati esterni e compressi in quelli interni. I "portatori" della deformazione sono i confini interfase, gemelli e intercristallini. Dopo aver riscaldato il deformatolega, compaiono sollecitazioni interne, che cercano di riportare il metallo alla sua forma originale.
La natura del recupero spontaneo dipende dal meccanismo dell'esposizione precedente e dalle condizioni di temperatura in cui è avvenuta. Di maggiore interesse è la ciclicità multipla, che può ammontare a diversi milioni di deformazioni.
Metalli e leghe con effetto memoria di forma hanno un' altra proprietà unica: una dipendenza non lineare delle caratteristiche fisiche e meccaniche del materiale dalla temperatura.
Varietà
Il processo di cui sopra può assumere diverse forme:
- superplasticità (superelasticità), in cui la struttura cristallina del metallo può sopportare deformazioni che superano notevolmente il limite di snervamento allo stato normale;
- Memoria di forma singola e reversibile (in quest'ultimo caso l'effetto viene riprodotto ripetutamente durante il ciclo termico);
- duttilità di trasformazione in avanti e inversa (accumulo di deformazione durante il raffreddamento e il riscaldamento, rispettivamente, quando si passa attraverso una trasformazione martensitica);
- memoria reversibile: riscaldata, prima si ripristina una deformazione, poi, con un ulteriore aumento della temperatura, un' altra;
- trasformazione orientata (accumulo di deformazioni dopo la rimozione del carico);
- pseudoelasticità - recupero di deformazioni anelastiche da valori elastici compresi tra 1 e 30%.
Ritorna allo stato originale per i metalli con l'effettola memoria di forma può essere così intensa che non può essere soppressa da una forza vicina alla resistenza alla trazione.
Materiali
Tra le leghe con tali proprietà, le più comuni sono il titanio-nichel (49–57% Ni e 38–50% Ti). Hanno buone prestazioni:
- elevata resistenza e resistenza alla corrosione;
- fattore di recupero significativo;
- grande valore di stress interno al ritorno allo stato iniziale (fino a 800 MPa);
- buona compatibilità con le strutture biologiche;
- assorbimento efficace delle vibrazioni.
Oltre al nickelide di titanio (o nitinol), vengono utilizzate anche altre leghe:
- bicomponente - Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn, In-Ni, Ni-Al, Fe-Pt, Mn-Cu;
- tricomponente: Cu-Al-Ni, CuZn-Si, CuZn-Al, TiNi-Fe, TiNi-Cu, TiNi-Nb, TiNi-Au, TiNi-Pd, TiNi-Pt, Fe-Mn -Si e altri.
Gli additivi leganti possono modificare notevolmente la temperatura di trasformazione martensitica, influenzando le proprietà di riduzione.
Uso industriale
L'applicazione dell'effetto memoria di forma permette di risolvere molti problemi tecnici:
- creazione di assemblaggi di tubi stretti simili al metodo svasato (collegamenti flangiati, clip e giunti autoserranti);
- fabbricazione di strumenti di bloccaggio, pinze, spingitori;
- design"supermolle" e accumulatori di energia meccanica, motori passo-passo;
- creare giunti da materiali dissimili (metallo-non metallo) o in punti difficili da raggiungere quando la saldatura o la saldatura diventa impossibile;
- produzione di elementi di alimentazione riutilizzabili;
- sigillatura dell'involucro dei microcircuiti, prese per il loro collegamento;
- produzione di termoregolatori e sensori in vari dispositivi (allarmi antincendio, fusibili, valvole motore termico e altro).
La creazione di tali dispositivi per l'industria spaziale (antenne e pannelli solari autodispieganti, dispositivi telescopici, strumenti per lavori di installazione nello spazio, azionamenti per meccanismi rotanti - timoni, persiane, boccaporti, manipolatori) ha grandi prospettive. Il loro vantaggio è l'assenza di carichi impulsivi che disturbano la posizione spaziale nello spazio.
Applicazione di leghe a memoria di forma in medicina
Nella scienza dei materiali medici, i metalli con queste proprietà vengono utilizzati per realizzare dispositivi tecnologici come:
- motori passo-passo per allungare le ossa, raddrizzare la colonna vertebrale;
- filtri per sostituti del sangue;
- dispositivi per la riparazione delle fratture;
- apparecchi ortopedici;
- morsetti per vene e arterie;
- parti della pompa per cuore artificiale o rene;
- stent ed endoprotesi per impianto nei vasi sanguigni;
- fili ortodontici per la correzione della dentatura.
Svantaggi e prospettive
Nonostante il suo grande potenziale, le leghe a memoria di forma presentano degli svantaggi che ne limitano l'adozione diffusa:
- componenti chimici costosi;
- tecnologia di produzione complicata, la necessità di utilizzare apparecchiature per il vuoto (per evitare l'inclusione di impurità di azoto e ossigeno);
- instabilità di fase;
- bassa lavorabilità dei metalli;
- difficoltà nel modellare accuratamente il comportamento delle strutture e nella fabbricazione delle leghe con le caratteristiche desiderate;
- invecchiamento, fatica e degrado delle leghe.
Una direzione promettente nello sviluppo di quest'area della tecnologia è la creazione di rivestimenti da metalli con effetto memoria di forma, nonché la produzione di tali leghe a base di ferro. Le strutture composite consentiranno di combinare le proprietà di due o più materiali in un'unica soluzione tecnica.
