SHAPEMEMORYALLOY L'acronimo inglese "SMA" sta per "Shape Memory Alloy" che significa "lega a memoria di forma". La memoria di forma si può esprimere secondo due diverse forme. La prima, detta "Shape Memory Effect", consiste nella capacità del materiale di ricordare una certa forma geometrica macroscopica, impressa per mezzo di particolari trattamenti termomeccanici. La seconda, nota come superelasticità, è la possibilità di subire deformazioni dell'ordine del 3% recuperandole completamente durante la fase di scarico, senza evidenziare fenomeni di plasticizzazione.
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CHI LE HA SCOPERTE? Questo particolare tipo di lega è stato scoperto per la prima volta nel 1932 da Chang e Read che notarono la reversibilità della lega AuCd (oro-cadmio) tramite osservazioni metallografiche e variazioni nella resistività. Solo 30 anni dopo la scoperta, nel 1962, iniziò la vera ricerca sulla metallurgia e le possibili applicazioni di questi particolari materiali. Tra le varie leghe che vennero studiate, le più interessanti e utili a livello di applicazioni risultarono quelle del gruppo NiTi (nichel-titanio) e le leghe del rame, che sono tutt'ora quelle più utilizzate.
PER COSA SI USANO? L'utilizzo delle leghe a memoria di forma si sta sempre più espandendo in vari campi e in diverse applicazioni. Basta pensare che sono utilizzati come attuatori nel campo dell'automobilistica, connessioni nei circuiti idraulici degli aerei, dispositivi di fissaggio nei circuiti stampati, interruttori elettrici in dispositivi di sicurezza e prevedono anche numerose applicazioni in ambito biomedicale (impianti dentali e ortopedici, strumentazione).
COME FUNZIONANO? Le sma funzionano grazie ad una transizione di fase da martensite (struttura cristallina stabile a temperatura ambiente) ad austenite (struttura cristallina stabile ad alte temperature) e viceversa. Tale transizione strutturale della lega può essere indotta termicamente oppure mediante uno sforzo meccanico. E' importante sottolineare che tale trasformazione implica solamente piccoli spostamenti (inferiori alla distanza interatomica) degli atomi del reticolo cristallino e non un cambiamento della struttura chimica. Senza voler scendere in particolari e nomenclature troppo complesse (per cui si rimanda a testi specifici e/o documenti disponibili sul web) possiamo riassumere il comportamento delle leghe a memoria di forma attraverso due esempi (uno per spiegare lo Shape Memory Effect, l'altro per spiegare la superelasticità). SUPERELASTICITà Si immagini di avere un filo di una qualunque lega a memoria di forma a temperatura ambiente (quindi con struttura martensitica). Ora scaldiamo il filo con un accendino: in breve tempo vedremo il filo accorciarsi. Ciò è avvenuto perché, con l'accendino, abbiamo "stimolato" il passaggio da fase martensitica a fase austenitica (stabile a temperature maggiori, come già detto). Si noti che l'accorciamento che avviene è di circa il 3% (su un filo di 10cm otterremo una variazione di lunghezza di circa 3mm). Non appena smettiamo di scaldare il filo con l'accendino, il filo tenderà, in maniera spontanea, a passare da struttura austenitica a martensitica, tornando quindi alla situazione iniziale. Siamo così tornati al punto di partenza, ossia un filo non deformato, con una struttura stabile a temperatura ambiente. SHAPE MEMORY EFFECT Mediante particolari trattamenti termomeccanici (per i quali si rimanda a testi più specifici) è possibile imprimere una forma particolare ad un filo di una lega a memoria di forma. Immaginiamo di imprimere al nostro filo la forma di una classica molla. Prendiamo ora la nostra molla e deformiamola meccanicamente, tirando i due estremi della stessa. Grazie ai trattamenti termici preliminari, riscaldando la molla deformata, la vedremo pian piano tornare alla sua configurazione iniziale. Il processo microscopico che consente questo fenomeno è molto simile a quello spiegato in precedenza. NOTA: è molto importante tener conto del fatto che i processi sopra descritti possono avvenire esclusivamente superando una certa "temperatura di attivazione". Questo fatto è molto importante ai fini dell'utilizzo delle leghe SMA come attuatori: se avessero un accorciamento lineare con il variare della temperatura non potrebbero essere utilizzati a tali scopi. Il loro comportamento "on-off" determinato da tale soglia di attivazione li rende, invece, adatti a queste applicazioni.