Leghe a memoria di forma e superelasticità

Esistono metalli che, deformati a freddo, tornano da soli alla forma originale appena vengono scaldati: gli stessi che permettono alle montature di occhiali di raddrizzarsi dopo essere state piegate e agli stent di aprirsi una volta dentro un’arteria. Sono le leghe a memoria di forma, e il loro segreto è una particolare trasformazione del reticolo cristallino.

Vediamo che cos’è questa trasformazione, come dà origine all’effetto memoria di forma e alla superelasticità, e dove queste leghe vengono usate.

Due strutture per lo stesso metallo

Una lega a memoria di forma può esistere in due strutture cristalline diverse: una stabile a temperatura più alta, detta austenite, ben ordinata e rigida; l’altra stabile a temperatura più bassa, detta martensite, più deformabile. Il passaggio da una all’altra non avviene per spostamento lento degli atomi, ma per un riassetto collettivo e quasi istantaneo del reticolo: gli atomi scivolano insieme in una nuova disposizione.

Una trasformazione senza diffusione

La trasformazione martensitica è senza diffusione: gli atomi non migrano su lunghe distanze ma si spostano tutti insieme di piccole quantità, come una fila di persone che cambia posa simultaneamente. Per questo è velocissima e reversibile. Avviene entro un intervallo di temperature ben preciso, e — fatto cruciale — la temperatura a cui avviene scaldando è più alta di quella a cui avviene raffreddando: c’è cioè un’isteresi.

L’effetto memoria di forma

Ecco come funziona la memoria. A bassa temperatura la lega è martensite, deformabile: si può piegare facilmente perché la sua struttura si riassetta seguendo la deformazione, senza danni permanenti. Quando la si scalda, la lega torna austenite e con essa torna obbligatoriamente alla forma che aveva in quella struttura: la deformazione si annulla e l’oggetto si “ricorda” la forma originale. È un recupero che può superare ampiamente quello di una normale molla elastica.

martensite (deformabile, a freddo)  ⇄  austenite (forma memorizzata, a caldo)

La superelasticità

C’è un secondo comportamento sorprendente. Se la lega è austenite e viene deformata a temperatura costante, la deformazione stessa può indurre la trasformazione in martensite; tolto il carico, la martensite torna austenite e la deformazione si annulla. Il risultato è un materiale che si può deformare moltissimo e tornare elastico come una molla eccezionale: è la superelasticità, sfruttata per esempio nelle montature di occhiali e negli stent che si auto-espandono.

Le leghe più usate

La lega a memoria di forma più diffusa è una lega di nichel e titanio in proporzioni quasi uguali, nota per l’ottimo recupero, la resistenza alla corrosione e una buona compatibilità con i tessuti del corpo. Esistono anche leghe a base di rame, più economiche ma meno performanti. La scelta dipende dalla temperatura a cui si vuole che avvenga il recupero, regolabile entro certi limiti modificando la composizione della lega.

Dove si usano

Le applicazioni sono numerose e in crescita. In medicina servono per stent vascolari, fili ortodontici che esercitano una forza costante e strumenti mininvasivi. In ingegneria fungono da attuatori azionati dal calore, da connettori che si serrano scaldandosi, da elementi antisismici. La combinazione di memoria di forma e superelasticità rende queste leghe uniche: nessun materiale tradizionale recupera deformazioni così grandi, ed è per questo che continuano a trovare impieghi nuovi man mano che se ne capiscono meglio le potenzialità.

Limiti e accorgimenti pratici

Per quanto sorprendenti, le leghe a memoria di forma hanno limiti che ne condizionano l’uso. Il recupero non è infinito: se si deforma la lega oltre una certa soglia, una parte della deformazione diventa permanente e l’effetto memoria si degrada. Anche ripetere molte volte il ciclo affatica il materiale, riducendo gradualmente la prestazione: per le applicazioni che richiedono milioni di cicli occorre restare ben dentro i limiti di deformazione. Le temperature di trasformazione, inoltre, dipendono in modo sensibile dalla composizione, e vanno regolate con precisione perché il recupero avvenga proprio alla temperatura voluta; piccole variazioni nella lega o trattamenti termici mirati spostano questi punti. C’è poi il fatto che la trasformazione assorbe e rilascia calore, e che la velocità di risposta è limitata da quanto in fretta si riesce a scaldare e raffreddare il pezzo, il che rende questi attuatori più lenti di altri sistemi. Conoscere questi vincoli è essenziale per progettare bene: usate entro i loro limiti, queste leghe sono affidabili e quasi magiche; spinte oltre, perdono proprio la qualità che le rende preziose.

Domande frequenti

Che cos’è una lega a memoria di forma?

È una lega metallica capace di tornare a una forma prestabilita quando viene scaldata. Il fenomeno nasce da una trasformazione reversibile fra due strutture cristalline, austenite e martensite. La più nota è una lega di nichel e titanio.

Come fa a “ricordare” la forma?

A freddo è martensite, deformabile; quando viene scaldata torna austenite e con essa alla forma che aveva in quella struttura. Poiché la trasformazione è reversibile e collettiva, la deformazione introdotta a freddo si annulla e l’oggetto recupera la forma originale.

Che cos’è la trasformazione martensitica?

È un cambiamento di struttura cristallina senza diffusione: gli atomi non migrano su lunghe distanze ma si spostano tutti insieme di piccole quantità. Per questo è velocissima e reversibile, e avviene entro un intervallo di temperature con una caratteristica isteresi.

Che cos’è la superelasticità?

È la capacità di subire deformazioni molto grandi e recuperarle togliendo il carico, senza bisogno di scaldare. Avviene quando la deformazione stessa, applicata all’austenite, induce la martensite, che torna austenite al rilascio. È sfruttata in montature di occhiali e stent.

Dove si usano queste leghe?

Soprattutto in medicina (stent, fili ortodontici, strumenti) e in ingegneria come attuatori azionati dal calore, connettori e dispositivi antisismici. La lega di nichel e titanio è la più diffusa per il buon recupero e la compatibilità con i tessuti del corpo. Si trovano anche in occhiali, giocattoli e dispositivi che si attivano con il calore della mano o dell’acqua calda, a riprova di quanto questo comportamento abbia trovato spazio nella vita di tutti i giorni.