Studio Sperimentale della trasformazione martensitica diretta e inversa della lega a memoria di forma Cu83 Al13 Ni4

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                                      Capitolo 1 
 
 
1. Le leghe a memoria di forma 
 
 
 
 
1.1 LA TRASFORMAZIONE MARTENSITICA 
 
La trasformazione martensitica è una trasformazione strutturale 
del primo ordine
*
 senza diffusione, determinata da scorrimenti 
tangenziali di piani atomici consecutivi. Si inizia ad una 
temperatura M
s
 (fig. 1.1), si propaga nella fase genitrice e non si 
conclude finchØ non si raggiunge una temperatura M
f
 < M
s
, 
poichØ la deformazione del reticolo, causata dalla trasformazione 
stessa, induce inevitabilmente una forte tensione nella matrice, 
che ostacola o arresta la nucleazione o l’ulteriore propagazione 
della fase martensitica. 
 
                                                           
*
 In corrispondenza della temperatura di equilibrio delle due fasi, le 
grandezze fisiche che dipendono dalla derivata prima dell’entalpia rispetto 
alla temperatura (volume specifico, calori specifici, resistenza elettrica), 
presentano una discontinuità.
10 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ciò significa che alla temperatura T
0
 di equilibrio, la 
trasformazione non può iniziare, perchØ è necessaria una forza 
motrice aggiuntiva per superare la resistenza della matrice e deve 
essere dato un incremento di energia di Gibbs (e quindi un 
sottoraffreddamento) perchØ la trasformazione prosegua. Quindi 
dovrà essere M
f
 < M
s
 < T
0
. Allo stesso modo, nella 
trasformazione  inversa   martensite  ⇒  austenite
**
, è richiesto un  
incremento  di  energia  (e quindi  di  temperatura: A
s
 > T
0
)  circa 
 
                                                           
**
 In accordo con la terminologia adottata in letteratura e per analogia con 
gli acciai, si definisce fase austenitica la fase stabile ad alta temperatura. 
 
Fig. 1.1 – Rappresentazione schematica 
delle curve energia libera G
a
 e G
m
  vs le 
temperature di trasformazione.
11 
uguale al precedente per iniziare la trasformazione, che si 
concluderà poi ad una temperatura A
f
 > A
s
. In genere si può 
considerare T
0
 @ (M
s
+A
s
)/2. 
Riassumendo otteniamo M
f
 < M
s
 < T
0
 < A
s
 < A
f
. 
La fig. 1.2 mostra le temperature Ms per la formazione spontanea 
di martensite al raffreddamento e le temperature As alle quali si 
riforma l’austenite al riscaldamento: l’isteresi mostra l’elevato 
valore dell’energia di deformazione necessaria sia nella 
trasformazione diretta che in quella inversa. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.2 - Temperature di inizio della 
trasformazione martensitica (M
s
) e della 
trasformazione inversa (A
s
) nel diagramma 
di fase Fe-Ni (curve tratteggiate).
12 
Alcune leghe come AuCd, Fe3Pt, NiAl mostrano un’isteresi molto 
piccola (martensite termoelastica) (fig. 1.3).  
Queste leghe sono caratterizzate da un ordine a lungo raggio e da 
un elevato valore della sollecitazione tangenziale critica risolta. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
La combinazione del comportamento termoelastico, ordine a 
lungo raggio e geminazione interna sembra essere responsabile 
del cosiddetto effetto di memoria di forma (SME), [1]. 
 
 
 
Fig. 1.3 - Comparazione tra le temperature 
della trasformazione martensitica nei sistemi di 
leghe Fe-Ni e Au-Cd.
13 
1.2 CARATTERIZZAZIONE DELLA TRASFORMAZIONE 
MARTENSITICA 
 
La trasformazione martensitica può essere così caratterizzata: 
 
1) la trasformazione è sempre accompagnata da una variazione di 
volume e di forma. Ciò porta a un rilievo superficiale (che può 
essere ben evidenziato su una superficie lucidata per 
l’osservazione metallografica prima della trasformazione), alla 
deformazione della matrice e giustifica la forma lenticolare 
che assume la martensite per rendere minimo l’accumulo delle 
tensioni dovuto alla deformazione della matrice (fig. 1.4). 
2) La trasformazione avviene in assenza di diffusione: la 
trasformazione comporta piccolissimi spostamenti (minori di 
un passo reticolare) degli atomi e dopo la trasformazione 
ciascun atomo conserva gli immediati vicini che aveva prima 
delle trasformazione. 
3) L’ago della placchetta martensitica possiede una struttura 
interna che è il risultato di scorrimenti tangenziali: tali 
scorrimenti, necessari per compensare la distorsione della 
matrice associata alla deformazione reticolare, sono parte 
integrante della trasformazione.
14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4) Esistono precise relazioni di orientazione reciproca tra la fase 
martensitica e la matrice: in generale un piano e una direzione 
di massima compattezza della matrice sono paralleli 
rispettivamente a un piano e a una direzione di massima 
compattezza della martensite. 
5) Esiste sempre un piano non ruotato e non distorto detto piano 
di habitus. La deformazione totale associata alla 
 
Fig. 1.4 - Le linee sulla superficie (a) sono 
deviate dalla trasformazione martensitica (b) 
dando luogo ad un rilievo superficiale.
15 
trasformazione martensitica corrisponde praticamente a uno 
scorrimento tangenziale parallelo a un piano indistorto che è 
appunto il piano di habitus.  
6) La temperatura di trasformazione presenta un’isteresi piø o 
meno marcata. 
 
 
1.3 L’EFFETTO DI MEMORIA DI FORMA E IL 
COMPORTAMENTO TERMOELASTICO NELLE SMA 
 
Il meccanismo su cui si basa l’effetto di memoria di forma è la 
completa reversibilità della deformazione martensitica. Per 
completa reversibilità si intende che il materiale, sottoposto a 
trattamenti termici che inducano prima la trasformazione 
austenite ⇒ martensite (a raffreddamento) e poi la trasformazione 
inversa che lo riporti allo stato austenitico (a riscaldamento), sia 
in grado di riassumere l’esatta orientazione cristallina che aveva 
prima della trasformazione diretta, qualunque sia il trattamento 
meccanico che possa avere subito nello stato martensitico. 
Macroscopicamente è facile capire come l’effetto di memoria di 
forma abbia luogo. Per semplicità di spiegazione, iniziamo con un 
singolo cristallo della fase genitrice; quando il campione è
16 
raffreddato al di sotto di M
s
, si forma la martensite con piø 
varianti, il numero delle quali dipende dalla simmetria del 
reticolo dell’austenite (fig. 1.5a).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Se, in linea di principio, la reversibilità della trasformazione 
martensitica è sempre possibile, la completa reversibilità, anche 
dal punto di vista cristallografico, è assicurata in quelle leghe in 
cui la trasformazione martensitica ha carattere termoelastico. 
Nella trasformazione martensitica termoelastica le placchette 
martensitiche, che si nucleano su determinati piani cristallografici 
dell’austenite e si accrescono su quei piani lungo determinate 
direzioni cristallografiche in modo da stabilire con la matrice 
precise relazioni di orientazione reciproca, hanno la capacità di 
 
Fig. 1.5 - Ruolo della trasformazione martensitica 
nell’effetto di memoria di forma.
17 
autoaccomodarsi in modo da assumere una configurazione tale da 
non produrre un macroscopico cambiamento di forma. 
Dalla trasformazione di un monocristallo austenitico si otterrà un 
insieme di placchette martensitiche diversamente orientate 
(costituiscono, infatti, un insieme di varianti il cui numero 
dipende dalla simmetria del reticolo dell’austenite) che, man 
mano che si formano nell’intervallo di temperatura M
s
-M
f
, 
assumono una configurazione di equilibrio caratteristica di 
ciascuna temperatura. Tale configurazione viene raggiunta per la 
capacità che hanno le placchette martensitiche termoelastiche di 
autoaccomodarsi con piccoli scorrimenti tangenziali ai bordi tra 
placchette e/o per geminazione delle placchette stesse: mediante 
cioè un insieme di scorrimenti tangenziali ciascuno inferiore a un 
passo reticolare (fig. 1.5b). 
Tale meccanismo di trasformazione assicura sia la piccola isteresi 
della temperatura sia la completa reversibilità.  
PoichØ ciascuna configurazione di equilibrio delle placchette 
martensitiche è tipica di una determinata temperatura 
nell’intervallo M
s
-M
f
, ripercorrendo tale intervallo a 
riscaldamento, la forza motrice D G che favorisce la 
trasformazione inversa risulterà aumentata dal contributo 
configurazionale delle placchette martensitiche (la configurazione
18 
che è di equilibrio a temperatura M
f
 non lo è piø a temperatura M
f
 
+ D T). Ciò giustifica la piccola isteresi di temperatura nella 
trasformazione martensitica termoelastica (fig. 1.6).  
Da notare come poichØ le temperature caratteristiche (M
s
, M
f
, A
s
, 
A
f
) sono temperature di transizione da una struttura cristallina ad 
un’altra, possono essere individuate dalla misura di qualunque 
proprietà fisica o chimico-fisica dipendente dalla struttura, come 
ad esempio la resistività elettrica, il calore specifico, la 
riflettività ottica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.6 - Curva di trasformazione in funzione 
della temperatura
19 
Per quanto riguarda la nucleazione dell’austenite sulle diverse 
placchette martensitiche a riscaldamento, questa deve avvenire 
secondo le precise relazioni cristallografiche austenite/martensite 
e poichØ ciascuna placchetta è una variante ottenuta da un unico 
cristallo, il completamento della trasformazione inversa porterà al 
primitivo monocristallo austenitico. 
L’SME diventa naturalmente piø evidente quando il campione, 
nello stato martensitico, è deformato a temperatura T<M
f
. Il 
materiale  originariamente  monocristallino, a  temperatura  T£ M
f
   
è costituito da un insieme di placchette martensitiche 
diversamente orientate che, sotto l’azione di una sollecitazione 
applicata, si deformano in modo non uniforme perchØ la 
deformazione dipende dall’orientazione delle singole placchette 
rispetto al carico applicato.  
La deformazione del campione nello stato martensitico 
termoelastico provoca geminazione delle placchette e scorrimenti 
delle interfacce.  
La variante meglio orientata rispetto al carico applicato prevale 
sulle altre che riesce ad inglobare e come risultato finale si 
ottiene un monocristallo martensitico orientato rispetto alla 
sollecitazione applicata in modo da raggiungere la piø ampia
20 
variazione   di   forma   nella   direzione  della  sollecitazione 
(fig. 1.5c).  
Nella trasformazione inversa, poichØ tale monocristallo 
martensitico è costituito da una delle varianti che si sono nucleate 
e accresciute secondo precise relazioni cristallografiche del 
monocristallo di austenite originario e l’austenite si deve nucleare 
e accrescere secondo le stesse relazioni, quando la trasformazione 
inversa si sarà completata, si otterrà il primitivo monocristallo 
austenitico non deformato (fig. 1.5d e fig. 1.7). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.7 - Trasformazione martensitica 
diretta e inversa.
21 
Nella maggior parte dei casi l’effetto di memoria di forma è ad 
una sola via, cioè il recupero della forma avviene solamente a 
riscaldamento, mentre a raffreddamento quando la struttura è 
sottoposta alla trasformazione di fase austenite ⇒ martensite, la 
lega non subisce alcuna variazione di forma. In altre parole non è 
possibile ripetere il processo ciclicamente: il campione deve 
essere nuovamente deformato a bassa temperatura se si desidera 
ancora il recupero di forma. 
In alcune leghe a memoria di forma (SMA) è possibile tuttavia 
indurre una memoria di forma a due vie, cioè la variazione di 
forma avviene sia a riscaldamento che a raffreddamento. 
L’entità di questo recupero di forma però, è sempre molto 
inferiore a quello ottenuto con la memoria ad una via; inoltre la 
forza che il materiale può esercitare durante il passaggio austenite 
⇒ martensite è molto ridotta rispetto a quella che si può ottenere 
nel passaggio martensite ⇒ austenite.  
 
 
1.4 COMPORTAMENTO TERMOMECCANICO 
 
Le proprietà meccaniche delle leghe a memoria di forma 
dipendono dalla temperatura in rapporto con la temperatura della