3.Nitinol

Il Nitinol fu inventato nel 1962 da William J.Buehler, metallurgista presso lo U.S. Naval Ordinance Laboratory. La fusione del 55% di Nichel con il 45% di Titanio creò una lega con straordinarie caratteristiche di memoria di forma.

Il nome Nitinol deriva da Nickel Titanium Naval Ordinance Laboratory.

Proprietà:

 

3.1 Metallurgia delle leghe Ni-Ti

La lega a memoria di forma Ni-Ti è caratterizzata dalla presenza dell’intermetallico con composizione equiatomica. Dal diagramma di fase (figura 3.1), il NiTi esiste come fase stabile a temperatura ambiente

Figura 3.1 Diagramma di fase Ni-Ti

Comunque possono essere presenti anche i composti intermetallici NiTi2 e Ni3Ti, perché il campo di esistenza di TiNi è molto ristretto a basse temperature. E’ necessario inoltre controllare la presenza di ossigeno: il titanio è molto reattivo e può ossidare facilmente, cosicché si dovrebbe considerare il diagramma ternario Ni-Ti-O.

Se la composizione della lega non è stechiometrica, la formazione di grossi precipitati può fortemente influenzare la lavorabilità a caldo, provocando fragilità e portando alla rottura.

E’ importante rilevare che il valore di MS dipende fortemente dalla composizione, quindi risulta fondamentale il controllo del processo di fusione della lega. Basti pensare che in un range di composizione in nichel di sei punti percentuali, la temperatura MS può variare anche di 300°C. Il grande grado di controllo sulla composizione, necessario per ottenere le caratteristiche ricercate, porta anche ad una bassissima dispersione dei valori di resistenza.

Per quanto riguarda il valore della temperatura AS, la composizione percentuale influenza meno una lega temprata in acqua da 850°C e poi invecchiata a 400°C, piuttosto che una lega solo temprata. Quest’ultima presenta vistose fluttuazioni di AS, per variazioni della composizione percentuale di nichel del 3-4%.

 

3.2 Proprietà Meccaniche

Come molte leghe a memoria di forma, anche il Nitinol mostra marcate differenze nelle comportamento meccanico tra fase austenitica e martensitica.

Si consideri la curva sforzo-deformazione in figura 3.2.

Figura 3.2

Curva Sforzo-Deformazione di una lega Ni-Ti in fase austenitica ed in fase martensitica

La curva della martensite può essere divisa in tre regioni. Un iniziale plateau in basso, dovuto alla formazione di SIM a spese dell’altra martensite, orientata in modo meno favorevole rispetto alla direzione di carico, la deformazione avviene per twinning. Per valori di sforzo maggiori, una seconda zona ad andamento lineare, anche se non puramente elastico. Il meccanismo di deformazione è misto tra elastico e twinning. La terza regione risulta essere la zona di deformazione plastica irreversibile. Quindi la deformazione recuperabile scaldando la martensite non si deve spingere oltre la fine della seconda regione.

La lunghezza del plateau martensitico dipende dalla composizione caratteristica della lega, dai trattamenti termo-meccanici subiti e anche dalla direzione di carico. Tipicamente si estende per circa il 5-6% della deformazione.

La curva dell’austenite deve tenere presente la temperatura. Operando il carico ad una temperatura compresa tra MS ed Md, si avrà un iniziale comportamento elastico. Ad un certo punto la deformazione sarà tale da portare alla formazione di SIM, la deformazione avverrà per twinning. Aumentando ancora il carico si giunge alla deformazione plastica permanente. Questa condizione è raggiunta subito dopo la zona di deformazione plastica se la temperatura è superiore a Md.

In genere la deformazione recuperabile è dell’8% circa, minore per dispositivi che devono mantenere l’integrità strutturale.

Per determinare le temperature di trasformazione si può operare in diversi modi. Un metodo è quello di sottoporre a cicli termici un provino sotto carico, valutandone la deformazione. Le temperature di trasformazione aumentano linearmente con il carico.

 

3.3 Effetti dei Processi Termo-Meccanici

Le leghe Ni-Ti devono essere lavorate a freddo per migliorarne le caratteristiche a snervamento. Tale processo da solo distruggerebbe il plateau martensitico, influenzando negativamente le proprietà di memoria di forma. La deformazione recuperabile sarebbe molto bassa. Si rende allora necessario il rinvenimento, che ristabilisce l’effetto di memoria, diminuendo nel contempo il carico a snervamento. Il processo complessivo deve essere quindi calibrato tenendo presente i due effetti.

Si pensa che l’incrudimento introduca un’alta densità di dislocazioni, che impediscono la mobilità dei bordi geminati. Il rinvenimento provoca un riassetto delle dislocazioni, creando delle aree libere dove la mobilità dei geminati non viene inibita.

I trattamenti termo-meccanici sono fondamentali per ottimizzare le caratteristiche di superelasticità. Aumentando la resistenza a snervamento dell’austenite si può allargare il range di temperatura per la formazione di SIM, senza incorrere in deformazioni permanenti.

3.4 Resistenza alla Corrosione

Le leghe Ni-Ti hanno ottime caratteristiche a corrosione, presentando comportamento simile all’acciaio inossidabile AISI 316. Questo grazie ad un sottile strato ossidato, ben aderente alla superficie, che la scherma dagli agenti esterni. In condizioni particolarmente aggressive si può anche ricorrere a rivestimenti protettivi.

Le leghe Ni-Ti presentano il miglior comportamento a corrosione tra le SMA. Risultano adeguate per condizioni ambientali severe, per realizzare sistemi di accoppiamento, connettori elettronici e dispositivi di aggancio.

 

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