Thermo-mechanical cycling of Ni-rich NiTi shape memory thin wires for high performance actuators

This thesis work is on a new approach for using NiTi shape memory alloys (SMAs). The SMAs are functional materials that, thanks to a solid state martensitic transformation, show extraordinary thermo-mechanical properties such as: the Shape Memory Effect (SME) and the Superelasticity (SE). The goal of this work consists in studying commercial Ni-rich NiTi superelastic wires subjected to a new thermo-mechanical cycling path, named High Performance Shape Memory Effect (HP-SME) to be used as actuator with improved performances. The NiTi wires were cycled under constant stress by ad-hoc test rigs and wide- range material characterization was done by Differential Scanning Calorimeter (DSC), (DMTA) stress/strain tests and the most convenient surface fractures were analyzed by SEM. Moreover, the evolution of the microstructure was also investigated by in situ synchrotron X-ray under applied stress. The functional fatigue life of HP-SME wires were measured and the results are comparable with the ones reported in literature for the fatigue of wire under SE conditions. It can be finally affirmed that the investigated Ni-rich NiTi wires under HP-SME can be used in industrial applications in the actuation field with success, where high value of force for small strokes is favorable; and it can be considered a real competitor for traditional shape memory actuators.

In questo lavoro di tesi si è studiato il comportamento di fili commerciali, di NiTi superelastici sottoposti ad un innovativo ciclo termomeccanico denominato HP-SME (High Performance Shape Memory Effect). Questo nuovo approccio prevede il riscaldamento/raffreddamento della martensite indotta da sforzo per promuovere, in modo reversibile e ciclico, il recupero di una deformazione (SME) ottenendo un movimento alternato di un carico predefinito. I fili di NiTi, sono stati sottoposti a cicli- termomeccanici attraverso attrezzature per test funzionali realizzate ad “ad-hoc” ed il materiale è stato caratterizzato mediante misure di calorimetria differenziale a scansione (DSC), stress/strain e DMTA. Le superfici di frattura sono state analizzate mediante osservazioni SEM. Inoltre, l’evoluzione microstrutturale è stata analizzata attraverso misure X-ray ad alta energia con luce di sincrotrone. I risultati dimostrano che il materiale, sottoposto a ciclaggi HP-SME, presenta un’evoluzione del comportamento a fatica funzionale confrontabile con il materiale superelastico tradizionale. E’ stato sperimentalmente verificato, che i fili di NiTi commerciali, in condizioni HP-SME, sono in grado di supportare elevati carichi (800 MPa) per un numero di cicli # > 106 con deformazioni recuperate dell’ordine dell’ 1%. E’ stato dimostrato che questo nuovo approccio termo-meccanico può essere impiegato per lo sviluppo di una nuova classe di attuatori a memoria di forma con prestazioni superiori, sia in termini di forza esercitabile, che di temperature d’esercizio più elevate.