Biomateriali 1 - Prof. Chiesa

LEGHE A MEMORIA DI FORMA

Sono materiali metallici a base di NiTi oppure a base di rame. Hanno delle proprietà peculiari che sono

tendenzialmente due:

 Ricordano una forma predeterminata (memoria di forma) per cui possono essere deformati ma poi

tramite dei processi di riscaldamento senza applicare ulteriori sforzi tornano alla forma iniziale, cioè

alla forma geometrica impressa inizialmente.

 L’altra proprietà è quella della superelasticità o pseudoelasticità, cioè questi materiali sono in

grado di subire delle deformazioni in campo elastico anche del 10% quando un normale metallo si

deforma nel campo elastico nel range del 1-2%.

I materiali metallici hanno una struttura cristallina, che conferisce loro determinate proprietà.

Distinguiamo due diverse fasi che sono entrambe delle fasi solide e che chiamiamo fase austenitica e fase

martensitica. La presenza di queste due fasi al variare della T conferisce a queste leghe le proprietà

particolari di cui abbiamo parlato. Quando parliamo di transizione di fase parliamo di una transizione da

una fase austenite ad una martensite legata ad una diversa disposizione dei piani cristallografici nello spazio

a seconda dello stimolo che noi applichiamo (termico o meccanico). Solitamente con austenite si intende la

fase stabile ad alta T, mentre la fase martensite è una fase stabile a T inferiore. La fase martensite

macroscopicamente si distingue in due forme, cioè quella indeformata in cui abbiamo solo uno scorrimento

dei piani cristallografici e quella deformata in cui riusciamo ad osservare delle variazione di forma

importanti anche applicando degli sforzi bassi. Inizialmente per effetto della T abbiamo un riarrangiamento

dei vari atomi presenti all’interno del reticolo cristallino. Quello che succede è che io conferisco al materiale

dell’energia che serve a modificare la configurazione degli atomi, cioè rimango comunque all’interno della

stessa composizione non avendo energia tale da rompere i legami ma ho soltanto degli spostamenti relativi

che non superano la distanza interatomica. Questi spostamenti permettono di arrivare ad una situazione

comunque energeticamente stabile che ha delle proprietà meccaniche diverse, in particolare proprietà

meccaniche a livello di sforzi e deformazioni tendenzialmente minori. Quando parliamo di materiali a

memoria di forma dobbiamo sempre specificare in che range di T ci troviamo e questi range possono

sempre essere modificati in fase di progettazione.

Nel grafico in ascissa abbiamo la T. Passiamo da una fase a T elevate in cui è stabile l’austenite, abbiamo poi

un inizio di trasformazione da austenite a martensite all’aumentare della T. Raffreddando il mio materiale

al di sotto della T di inizio martensite osservo la trasformazione da austenite a martensite. Non sono

trasformazioni istantanee ma avremo un range di T più o meno ampio a seconda della purezza, della storia



e della composizione chimica della lega. La trasformazione austenite martensite e la trasformazione



martensite austenite determinano un’isteresi che è tendenzialmente di 10-20°C circa.

Per raffreddamento posso passare da una fase austenite ad una martensite, dopodiché posso effettuare un

riscaldamento successivo e tornare nella fase genitrice di austenite. In fase di progettazione e lavorazione è

possibile scegliere queste T di transizione in funzione delle applicazioni pensate. Queste T possono essere

modificate agendo sulla composizione chimica o effettuando dei trattamenti termici. Inizialmente abbiamo

la fase genitrice che è l’austenite e che viene definita con un ordine a lungo raggio, cioè se raffreddo ad un

T inferiore a quella di inizio martensite, ho inizialmente della trasformazioni che a livello macroscopico non

riesco a vedere. La martensite nella fase di raffreddamento è costituita da più varianti che dipendono da

come gli atomi si sono organizzati tra loro seguendo il principio di arrivare comunque a delle configurazioni

di minima energia. All’interfaccia di questa struttura abbiamo dei piani che scorrono tra di loro che hanno

una configurazione energetica a bassa energia. Solitamente tra le varie varianti ce ne è una che diventa

predominante e che ha una configurazione energetica più favorevole e più stabile quindi a basse T. Nel

momento in cui applico una deformazione riesco quindi ad arrivare anche ad una deformazione in campo

elastico del 10%. Questa deformazione viene recuperata interamente a seguito di un raffreddamento.

Tornado poi alle T per cui l’austenite è stabile recuperiamo la fase austenite, cioè la fase genitrice.

Tra l’austenite e la martensite abbiamo anche altre variazioni a livello macroscopico. Solitamente in fase

austenitica o martensitica abbiamo delle proprietà elettriche differenti. Avendo una struttura

cristallografica differente e quindi un moto di elettroni differenti avremo delle variazioni di resistività, ma

anche della variazioni di rugosità e di lucentezza.

Al di sotto della temperatura di transizione una lega a memoria di forma in fase martensite può essere

facilmente deformata anche applicando uno sforzo relativamente basso. Posso recuperare questa

deformazione (permanente) se scaldo il mio materiale ad una T superiore a quella dell’austenite arrivando

ad avere tutto il materiale in fase austenitica. Applicando ora una forza uguale a quella applicata

inizialmente non riuscirei più a deformare il materiale poiché nella fase austenite avrei la necessità di

applicare sforzi maggiori per ottenere una deformazione senza comunque raggiungere i livelli di

deformazione ottenuti a livello martensitico.

Questa è quella che prende il nome di memoria di forma ad una via, cioè queste leghe presentano

memoria di forma solo per effetto del riscaldamento. Nelle leghe a memoria di forma ad una via abbiamo

un recupero della forma originale solo dopo riscaldamento. Partiamo da una lega a memoria di forma

stabile a fase austenite e dopodiché raffreddo fino a portarla a fase stabile in martensite. A questo punto

posso usare un carico e deformare il materiale. Solo per effetto del riscaldamento posso recuperare la

martensite mentre se raffreddo la deformazione rimane la stessa.

Nella memoria di forma a due vie riesco ad avere delle variazioni macroscopiche di forma sia in fase di

riscaldamento che raffreddamento. Non ho la necessità di applicare un carico in fase martensite per poi far

recuperare la forma ma posso effettuare riscaldamenti e raffreddamenti successivi a cui sono associate

delle variazioni di forma. Nella memoria di forma a due vie ho il manifestarsi di questo fenomeno soltanto

al variare della T. Il passaggio sia a livello microscopico che macroscopico da una struttura all’altra avviene

solo per effetto della T. Questa memoria di forma a due vie non è un effetto intrinseco del materiale ma è

una proprietà che può essere conferita al materiale stesso attraverso trattamenti termici e meccanici.

Rispetto alla memoria di forma ad una via abbiamo della variazioni dimensionali che sono inferiori, cioè non

arriveremo mai a modificare il materiale tanto quando una memoria di forma ad una via.

Il secondo fenomeno è quello della pseudoelasticità. Nel grafico abbiamo anche una temperatura Md cioè

una T superiore a quella di fine martensite. In questo campo si parla di pseudoelasticità. Parliamo di

martensite stess indotta, cioè a quelle T è nuovamente stabile una fase di martensite che mi permette di

deformare tantissimo il mio materiale, cioè nel campo dei materiali metallici riesco a deformare il materiale

anche del 10%. Rimuovendo il carico della martensite stress indotta ritorno ad una fase stabile di austenite.

Questo range di T viene chiamato finestra di pseudoelasticità, cioè il mio materiale si comporta come se

fosse in campo martensitico riuscendo a deformarlo e a mantenere questa deformazione che è poi

completamente reversibile applicando degli sforzi relativamente bassi.

Riusciamo a deformare il materiale e la deformazione viene recuperata solo se applico delle variazioni di T.

Nella pseudoelasticità abbiamo un recupero reversibile della deformazione al cessare del carico. Nel grafico

la curva (a) è la curva sforzo –deformazione caratteristica di un metallo in fase austenitica. Ci sono dei

materiali naturali che hanno molto spesso un comportamento pseudoelastico cioè al cessare del carico

tendono a recuperare la loro deformazione.

Ricapitolando abbiamo una fase austenite (genitrice) stabile ad alte T e raffreddando possiamo ottenere

una fase martensitica che all’applicare del carico riesco a deformare abbastanza semplicemente. Il recupero

della forma avviene scaldando il materiale. la proprietà di pseudo elasticità è rappresentata nella slide dalla

frecce tratteggiate: a T elevate possiamo generare questa fase di martensite stress indotta e quindi

sfruttare questa capacità di andare incontro ad alte deformazioni mantenendo livelli di sforzo

relativamente bassi.

Consideriamo il grafico sforzo-deformazione-temperatura. Siamo in un campo di stabilità della martensite e

deformo plasticamente il mio materiale, poiché noi vediamo una deformazione di forma

macroscopicamente. Questa deformazione che è una deformazione plastica viene completamente

recuperata se scaldiamo il materiale ed in particolare viene recuperata riscaldando il materiale a T superiori

a quelle di stabilità dell’austenite e questo è il comportamento di memoria di forma. A T comprese tra

quelle di fine austenite e quelle di martensite stress indotta, siamo nel campo della pseudoelasticità per cui

posso deformare il mio materiale e in questo caso lo deformo elasticamente poiché al cessare del carico il

mio materiale torna alla sua forma iniziale senza variazioni di T. Nella finestra di pesudoelasticità riesco ad

imporre delle pseudo deformazioni che vengono completamente recuperate senza l’uso di T. L’ultimo

comportamento è quello tipico dei materiali metallici, cioè un comportamento elasto-plastico nella

struttura stabile dell’austenite. In questo caso siamo in un range di stabilità della fase austenite per cui una

deformazione elastica è reversibile mentre quella plastica è irreversibile.

Queste classi di materiali sono le leghe NiTi, chiamate Nitinol e tutta un’altra serie di leghe che sono a base

di Cu e Al. Le leghe NiTi presentano delle proprietà meccaniche caratteristiche con un range di

pseudoelasticità che permette di avere delle deformazioni anche del 7-8%. Sono leghe stabili dal punto di

vista termico e rispetto a quelle di Cu e Al presentano un’ottima resistenza alla corrosione ed è questo il

motivo per cui queste leghe trovano applicazione in ambito biomedicale.

I range di T di fase a