Appunti di Chimica dei Metalli - Mappa concettuale completa dell'intero corso, Schemi e mappe concettuali di Tecnologia Dei Materiali Metallici

Scarica Appunti di Chimica dei Metalli - Mappa concettuale completa dell'intero corso e più Schemi e mappe concettuali in PDF di Tecnologia Dei Materiali Metallici solo su Docsity! METALLI 1) INTRODUZIONE: In generale i materiali sono sostanze o miscele di sostanze, con determinate proprietà, che costituiscono un oggetto. L’utilità dell’oggetto dipende dalle proprietà dei materiali che lo compongono. I metalli hanno anche una importanza storica! I materiali principali sono:  Materiali ceramici: ceramica usata principalmente per stoviglie.  Materiali polimerici  Materiali metallici  Materiali compositi: costituiti da più parti appartenenti ai sottogruppi precedenti (mix) Proprietà dei materiali:  Densità: i materiali metallici hanno densità più alte in assoluto tra i materiali sopra elencati. Esistono anche leghe più leggere, ma principalmente sono materiali pesanti.  Conducibilità elettrica: ottimi conduttori di elettricità. Differenze tra polimeri e metalli:  Base chimica: i metalli sono composti da reticoli di ATOMI mentre i polimeri da macromolecole.  Legame: nei metalli si forma il legame METALLICO tra i vari atomi mentre per i polimeri i legami sono covalenti.  Atomi principali: per i metalli abbiamo gli atomi della parte centro-sinistra della tavola periodica mentre noi polimeri gli atomi principali sono quelli delle molecole organiche, atomi non-metalli.  Proprietà meccaniche: nei metalli sono dovute a interazioni tra gli atomi mentre nei polimeri alle interazioni tra molecole. Gli atomi più comuni e abbondanti nei materiali metallici sono: Fe (leghe e ghise), Al (leghe leggere), Cu (ottoni e bronzi), La produzione globale di acciaio è: La produzione di materiali metallico consuma tantissima energia, 8% consumo globale e inoltre produce molta CO2; ma un aspetto a favore è che sono sempre riciclabili! Perché sono importanti? Per le loro proprietà, che sono strettamente legate alla struttura, cioè quali atomi lo costituiscono e come si distribuiscono nello spazio, e alla microstruttura, che comprende come le diverse regioni del materiale sono organizzate fra loro. 2) STRUTTURA CRISTALLINA DEI METALLI: La maggior parte dei composti metallici sono cristallini. Gli atomi formano un reticolo tridimensionale con un ordine preciso nelle 3 dimensioni. La distribuzione spaziale, in altre parole, è molto regolare anche a lungo raggio. I reticoli cristallini sono tridimensionali e sono formati dalla ripetizione di unità semplici dette CELLE ELEMENTARI. Idealmente il reticolo è infinito ma nella realtà ci sono superfici finite che possono causare problematiche che vedremo più avanti. La forma delle celle elementari può essere di vario tipo, ci sono molte possibilità che determinano i 7 possibili reticoli cristallini/14 reticoli di Bravais. In una distribuzione regolare di molecole è possibile determinare più tipi di celle elementari, ma solo quelle primitive vengono prese in considerazione. Le primitive sono celle che contengono il massimo numero di atomi nel volume più piccolo possibile. Una cella elementare nelle 3 dimensioni è caratterizzata da 3 lunghezze e 3 angoli, queste grandezze si chiamano costanti reticolari o cristallografiche. Le celle possono essere studiate grazie alla diffrazione di raggi X. Indici di Miller: sono tre valori numerici che indicano dei piani di atomi all’interno dei reticoli cristallini. Per fare questo si considerano le celle cristalline in un piano x,y,z. I tre indici sono:  Sostituzione di un atomo: uno degli atomi del reticolo viene sostituito d un atomo diverso, il che modifica la regolarità del reticolo perché ha caratteristiche differenti.  Atomo interstiziale: si tratta di un atomo presente in una posizione irregolare, diverso dagli atomi del reticolo principale. Per quanto riguarda le vacanze è possibile calcolare la loro concentrazione, che aumenta con l’aumentare della temperatura. L’equazione che descrive questo andamento è: L’energia libera di Gibbs dell’equazione rappresenta l’energia necessaria per la formazione di una vacanza; la costante k se si parla di moli e non di atomi diventa R. Vicino alla temperatura di fusione del materiale la concentrazione delle vacanze è piuttosto alta. Se facciamo il rapporto Nv/Ntot otteniamo un numero pari a 10^(-4), il che significa che è presente una vacanza ogni 10.000 atomi. L’entalpia in questo caso è data dall’entalpia della formazione di una mole di vacanza moltiplicata per la frazione di vacanze Xv (nel caso di basse concentrazioni di vacanze). L’entropia invece è data dalla variazione di entropia per la formazione di una vacanza moltiplicata per la frazione di vacanze, il tutto meno la variazione di entropia configurazionele del sistema. Questo fattore aggiuntivo deriva dal fatto che con la creazione di vacanze aumenta il numero di configurazioni possibili del sistema, aspetto che fa aumentare l’entropia. Per trovare l’energia di Gibbs mettiamo insieme queste due equazioni: Graficamente il ∆H è lineare con pendenza positiva; il ∆G raggiunge il suo minimo per la frazione di vacanze all’equilibrio Xv e, ovvero la sua derivata in questo punto è nulla. Se differenziamo l’equazione supponendo che la Xv << 1, otteniamo l’equazione finale che esprime la frazione di vacanze del sistema:  DI LINEA O DISLOCAZIONI: è un tipo di difetto esteso lungo una certa linea. Anche in questo caso possono essere di due tipi: o Di linea: consistono in un extra piano di molecole che modifica la regolarità del reticolo. o A vite: è dovuta ad uno sforzo di taglio, una parte slitta rispetto all’altra. o Esistono anche le dislocazioni miste: sono più rare ma sono state individuate. Sono responsabili della deformazione meccanica del materiale metallico, che ha carattere plastico (deformazioni permanenti). Varia la configurazione degli atomi del reticolo con uno sforzo. Con lo sforzo si rompono molti legami metallici, formandone altri; questo processo avviene grazie ad uno scorrimento degli atomi, non si rompono tutti i legami subito ma uno alla volta. La dislocazione sulla superficie del cristallo sparisce generando uno scalino nel reticolo. Sistema di scorrimento: è caratterizzato dall’insieme dei piani + direzioni di scorrimento. Per esempio, per la cella FCC se prendo il piano (111), si ha una densità molto alta, quindi è più favorevole per le dislocazioni. Si raggiunge un totale di 12 sistemi di scorrimento, contando i piani (111) + ogni lato (110). Anche nelle celle BCC ci sono 12 sistemi di scorrimento ma sono meno propensi alla dislocazione perché hanno densità atomica minore. Per la cella HCP ci sono 3 sistemi di scorrimento. La dislocazione in questi sistemi è attivata con l’aumento della temperatura o con forze esterne agenti sul materiale. PROPRIETA’: più un materiale ha dislocazioni che scorrono facilmente e più sarà duttile!  BCC: duttili ad alte temperature ma fragili a basse temperature.  FCC: sempre duttili.  HCP: meno duttili degli altri due sistemi; ad alta temperatura sono poco duttili e a basse temperature fragili. Interazioni tra dislocazioni: se le due dislocazioni hanno stesso orientamento si respingono, se hanno orientamento opposto si sottraggono e possono annullarsi a vicenda. Se ho molte dislocazioni dello stesso segno tendono a impilarsi o allinearsi. Se ho dislocazioni di segno opposto alcune si annichilano, altre si allineano. Ad alta T si annichilano quasi tutte.  DI SUPERFICIE: sono difetti bidimensionali, cioè sulla superficie del cristallo. o Superficie del cristallo: le dislocazioni sono sulla superficie. o Brodi di grano: causate da un impilamento delle dislocazioni con la stessa orientazione. Dal punto di vista strutturale i bordi di grano sono le superfici dove si incontrano i vari grani cristallini del reticolo. L’angolo può essere o alto o basso. L’alto angolo crea una situazione di grande disordine. Sono presenti sia nei metalli puri che nelle leghe monofasiche. o Interfacce tra fasi diverse  DI VOLUME: detti anche difetti 3D, corrispondono a regioni di profonda alterazione del reticolo e possono avere dimensione variabile (spesso dell'ordine del micrometro). 4) LEGHE METALLICHE: Sono materiali ottenuti con la miscela di almeno un metallo + metalli o non metalli. Sono estremamente comuni. CONCENTRAZIONE: se suppongo di avere una lega costituita da due componenti A e B, posso calcolare la concentrazione sia in base alle masse che in base al numero di atomi.  In peso - %wt: viene usata nella metallurgia pratica e rappresenta il peso di un elemento rispetto al peso totale della lega.  In atomi - %at: utilizzata in ricerca e rappresenta il numero di moli di un elemento rispetto alle moli totali della lega. In generale una lega può essere o MONOFASICA, stessa fase cristalline delle componenti, oppure POLIFASICA, con più fasi cristalline dei componenti. Le fasi cristalline possono essere o soluzioni solide o componenti intermedi. SOLUZIONI SOLIDE: si formano quando aggiungo a un metallo solido un altro componente, che sarà il soluto. La soluzione avrà il reticolo cristallino del metallo principale, con naturalmente alcuni difetti causati dall’altro elemento. Esiste un certo limite di solubilità proprio a causa di questi difetti che possono generarsi, ma non in tutti i casi. Le soluzioni solide possono essere di due tipi:  Sostituzionali: sostituiscono gli atomi del reticolo del materiale principale ("solvente”), sia in modo ordinato che disordinato. Le dimensioni di solvente e soluto sono le stesse. Di solito gli atomi sono dei metalli che hanno dimensioni simili. Flusso – diffusione in stato non stazionario: in uno stato non stazionario il flusso varia nel tempo e la diffusione varia nello spazio. Il coefficiente di diffusione è indicativo dalla velocità con cui diffondono gli atomi. Anche in questo caso è da tenere presente la coppia materiale ospitante/specie che diffonde, detta coppia di diffusione. Seconda legge di Fick: la velocità con cui varia la composizione è uguale alla D moltiplicata per la derivata del gradiente di concentrazione. Questa equazione è più utile perché si applica nei casi pratici. Per esempio, nella diffusione di gas nelle leghe metalliche. Da cosa viene influenzata la D (coefficiente di diffusione)?  Dal meccanismo di diffusione: più spesso avvengono a causa degli interstizi che a causa delle vacanze perché gli interstizi sono più abbondanti. Questo fa si che la diffusione di atomi o molecole piccole sia più comune.  Temperatura: la diffusione aumenta con l’aumento della temperatura. Determinazione di D: si determina misurando profili di concentrazione, in funzione del tempo e a temperatura costante, applicando le leggi di Flick. La D0 è indipendente dalla temperatura. Q è l’energia di attivazione per le specie che diffondono; in altre parole è l’energia necessaria per produrre il movimento di una mole di atomi per fare in modo che avvenga la diffusione. Maggiore è l’energia Q e minore sarà il coefficiente di diffusione D perché più energia si spende meno il processo è spontaneo.  Tipo di struttura cristallina del metallo: le strutture meno compatte, come la BCC, hanno una maggiore propensione alla diffusione di quelle più compatte, come FCC.  Presenza di difetti: lunghi i bordi di grano si ha un aumento della diffusività a causa del maggiore spazio vuoto.  Consentrazione delle specie diffuse: direttamente proporzionale alla diffusività. 6) NUCLEAZIONE E CRESCITA: Le trasformazioni di fase consistono in un cambiamento della struttura fisica di un composto, con variazione della forsa intermolecolare, dipendente dalla temperatura. In un cambiamento di fase si ha il cambiamento di almeno una fase cristallina rispetto alla situazione iniziale. Dal punto di vista delle proprietà di un materiale, esse possono essere modificate con un cambiamento di fase, perché si generano microstrutture diverse. Se sono necessarie delle particolari proprietà per un’applicazione, si può agire sul materiale con delle trasformazioni di fase con trattamenti termici controllati. I trattamenti termici sono variazioni controllate di temperatura. Uno dei tanti meccanismi con cui è possibile fare questo trattamento è appunto per NUCLEAZIONE E CRESCITA (più comune). Due fasi: 1. Nucleazione: formazione ni nuclei cristallini della nuova fase. Si può a sua volta suddividere in due tipologie: a. Omogenea: i nuovi nuclei si formano in maniera omogenea nel composto iniziale. b. Eterogenea: i nuclei si formano preferenzialmente nella zona delle pareti del contenitore, dove quindi sono presenti bordi di grano o disomogeneità strutturali. 2. Crescita: accrescimento dei nuclei formati. Un esempio di un processo di rescita è la solidificazione. a) Teoria della nucleazione-crescita: (fase omogenea) prendiamo un sistema allo stato liquido, che è composto da atomi con continuo cambiamento delle configurazioni spaziale. Gli atomi, con l’avvio del processo della solidificazione, iniziano a formare i nuclei cristallini nella soluzione di forma sferica, semplificando. Il termine dell’area moltiplicata per l’energia interfacciale è positivo, e inizialmente prevale rendendo la curva di ∆G positiva perché il volume è piccolo ed è più rilevante il contributo dell’energia interfacciale tra nucleo e resto del composto. Successivamente prevale il termine cubico dato che il volume cresce e la curva di ∆G diventa negativa. Esiste una certs r*, detto raggio critico, che corrisponde al massimo della curva dell’energia, abbiamo il ∆G*.  Se r < r*: si ha il caso dell’embrione, che è instabile e si può ridisciogliere nella soluzione  Se r > r*: si ha il caso del nucleo cristallino, che è stabile La ∆G* rappresenta quindi l’energia libera di attivazione necessaria per dormare un nucleo stabile. Questa energia di attivazione inizialemnte è pittosto alta, più la temperatura si avvicina alla Tf e più l’energia diminuirà. A temperature basse quindi avviene più facilmente la formazione di nuclei cristallini. Frequenza di nucleazione: essendo la formazione dei nuclei un fenomeno statistico, si introduce la frequenza Iv. Questa variabile corrisponde al numero di nuclei di raggio critico prodotti in un’unità di volume per secondo. Iv è proporzionale sia al n*, cioè i nuclei di raggio critico in equilibrio con la matrice, sia a . L’nd è a sua volta proporzionale al coefficiente di diffusione. Graficamente è combinazione delle due curve di n* e nd. La frequenza di nucleazione diventa apprezzabile per temperature minori di Tf (Tm), cioè quando è allo stato di sottoraffreddamento. b) Teoria della nucleazione: (fase eterogenea) la formazione dei nuclea avviene in certi siti precisi. I piccoli nuclei di fase solida si formano per esempio a contatto con la superficie del contenitore o in buche di grani. L’energia di attivazione per questo processo è nettamente inferiore del processo in fase omogenea. Il motivo è che: quando si genera un nucleo prossimo al contatto con il contenitore succede che si genera un’interfaccia tra solido e contenitore AL POSTO dell’interfaccia contenitore-liquido; per fare questo è richiesta meno energia. Anche la frequenza di nucleazione è maggiore per la fase eterogenea. Crescita: una volta formato il nucleo cristallino di raggio critoco r*, viene avviato il processo di crescita, che consiste nell’aggiunta di atomi al nucleo. Questo processo porta alla formazione di grani cristallini, di dimensioni notevoli. La curva in blu rappresenta la velocità con cui avviene la trasformazione.  Regole delle fasi di Gibbs: descive il grado si libertà o la varianza di un sistema a n componenti, in funzione dle numero di fasi presenti e della temperatura. v = n - f + 1 Se si considera anche la pressione nell’espressione si inseriche +2; questo numero è riferito alla variabile temperatura. Con varianza si intende il numero di parametri che possono essere cambiati senza variare le condizioni del sistema.  Regola della leva: stabilisce qual è la quantità relativa di due fasi in equilibrio ad una determinata temperatura. In generale da un diagramma di stato si possono ricavare le seguenti informazioni: o Fasi presenti nel sistema: sapendo la temperatura e composizione. Le fasi sono separate dalle curve del grafico! o La composizione delle fasi presenti, diversa dalla composizione comlessiva della lega: che consiste nel sapere lo stato fisico del sistema per le varie coppie T-composiz. La composizione della lega complessiva invece è rappresentata da una linea che possiamo tratteggiare al centro del grafico (C1). o Quantità relativa delle fasi: si applica la regola della leva, che prevede di fare il rapporto tra la lunghezza del segmento hp o gp e dividerla per la lunghezza totale hg (vedere grafico sotto). Da h a p avremo la frazione per la componente A e da p a g la frazione per la componente B. Come detrmino le composizioni presenti ad una certa temperatura? Suppongo di considerare una temperatura e, tracciando una retta orizzontale a partire da questo punto incontrerò la curva solidus in un punto h (composizione C2) e la curva liquidus in g (composizione C3). Sull’asse centrale si ottiene un punto dalla retta tracciata da e; questo punto indica più fasi, a fase solida si legge da C2 e la fase liquida da C3. I diagrammi di fase danno anche informazioni sulle microstrutture di equilibrio nei vari punti del grafico. Esempi pratici in cui c’è completa miscibilità sia allo stato solido che allo stato liquido:  Lega rame-nichel Cu2Ni  Lega argento oro AgAu I casi più comuni sono però quelli con componenti non perfettamente miscibili nella fase solida. I diagrammi in questo caso presentano delle LACUNE nella fase di immiscibilità; sono diagrammi composti da molte più linee. Possono essere di 4 tipologie:  EUTETTICO: è il caso più comune, quindi è molto importante. La fase liquida è omogenea per entrambe le componenti. La fase solida invece è più complessa, comprende 5 regioni:  Zona α e zona β: due zone dove si ha una fase solida rispettivamente di una componente E1 o E2, nella quale c’è anche una piccola percentuale dell’altra specie. Questa zona si separa dalla fase liquida tramite le curve di SOLIDUS. Nel vertice della zone c’è la massima concentrazione dell’altra componente che è possibile disciogliere.  Zona α+β: è presente nella parte bassa del grafico e confina con la zona alfa e beta. In questa parte sono presenti entrambe le componenti allo stato solido. Tale zona è separata da zona alfa e zona beta dalle curve chiamate SOLVUS, che rappresentano il limite di solubilità delle componenti; si divisono quindi zona monofasica da zona bifasica.  Zona L+α: subito sotto la fase liquida, è presente una parte liquida e la componente alfa. E’ separata dalla fase α+β dalla curva TEMPERATURA EUTETTICA.  Zona L+β: subito sotto la fase liquida, è presente una parte liquida e la componente beta. E’ separata dalla fase α+β dalla curva EUTETTIC INVARIAT-REACTION LINE Il grafico si divide da un asse centrale dalla linea di COMPOSIZIONE EUTETTICA, che separa la parte alfa da quella beta. La temperatura corrispondente è detta temperatura eutettica. La reazione al punto eutettico è: Un esempio pratico è la lega Pb-Sn. Essendo che le due componenti passano allo stato solido contemporaneamente, il microstato corrispondente al punto eutettico è una composizione a lamelle. Se ci si trova prima o dopo questo punto oltre alle lamelle sono presenti anche delle strutture sferiche di una delle due componenti. La reazione eutettica ci indica come lo stato liquido viene convertito nei due stati solidi α e β. In particolari formazioni di raffreddamento si formano le DENDRITI, strutture ad albero.  PERITETTICO: nella fase liquida c’è completa solubilità; a bassa temperatura ci sono due fasi -> α e β. Il diagramma è diverso dal precedente. Ci sono 5 zone per la fase solida:  Zona L + α  Zona L + β  Zona α e zona β  Zona α + β Graficamente possiamo avere 3 situazioni: una retta che segna il punto peritettico con reazione , una retta che segna il punto ipoperitettico con reazione , una retta che segna il punto iperperitettico con reazione . Un esempio pratico è la lega argento e oro Ag-Au.  EUTETTOIDE: è analogo al caso eutettico, con la differenza che si parte da una fase solida unica dalla quale derivano altre due fasi solide distinte. Sono importanti perché descrivono le leghe ferro carbonio, componenti degli acciai e ghise. E’ composto da varie fasi e punti differenti:  Reazione peritettica in alto a sinistra  Fase gamma – austenite: una soluzione solida di ferro in cui è disciolto del carbonio. Struttura piùcompatta FCC.  Fase alfa – ferrite: ferro solido con una piccola frazione di carbonio disciolta. Struuta meno compatta BCC.  Fase delta: struttura BCC a più aòta temperatura.  Reazione eutettica nella parte destra: formo la fase gamma + cementite (Fe3C).  Punto eutettoide: in basso a sinistra: dalla fase gamma passo alla fase alfa + cementite (Fe3C) DEFORMAZIONE ELASTICA: dal punto di vista molecolare possiamo distinguere 3 fasi: inizio -> le molecolo sono disposte secondo il reticolo cristallino del materiale; sforzo - > av viene u allungamento dei legami tra atomi; finale -> lo sforzo cessa e si ritorna alla situazione cristallina iniziale. L’allungamento dei legami tra atomi è un processo reversibile. L’allungamento è funzione del carico applicato, più aumenta più si allungano. DEFORMAZIONE PLASTICA: corrisponde alla seconda e terza parte della curva. Consiste anche in questo caso in tre fasi: inizio -> le molecolo sono disposte secondo il reticolo cristallino del materiale; sforzo -> si applica una forza che allunga i legamei tra gli atomi e inoltre avviene uno spostamento dei piani atomici che genera una dislocazione; finale -> una volta rimosso lo sforzo il materiale non ritorna nella situazione originale proprio a causa dello slittamento dei piani, i legami fra atomi ritornano della lunghezza originale. Deformazione permanente! Le variabili ricavate dalle prove di trazione sono:  Modulo elastico di Young  Carico di snervamento: carico al di sopra del quale si passa da regime elastico a regime plastico. Nella maggior parte delle applicazioni serve il regime elastico. Viene misurato graficamente dalla curva sforzo/deformazione: si traccia una retta parallela al tratto elastico della curva a partire da ε=0,002, e si rivaca il valore dello sforzo per il punto dove questa retta interseca la curva corrispondente al comportamento plastico σs. Nelle leghe metalliche a basso contenuto di carbonio hanno un limite superiore e un limite inferiore dello snervamento.  Carico di rottura: massimo il valore possibile del carico applicato, corrisponde col massimo della curva del grafico sforzo/deformazione -> M. Dopo questo carico il materiale si inizia ad assottigliare e si rompe.  Allungamento o rottura: il massimo allungamento raggiungibile è quello prima della rottura  Tenacià: indica la capacità di assorbire energia fino alla rottura. A seconda del tipo di materiale l’aspetto della curva sforzo/deformazione può variare notevolmente dal grafico standard. Prove di frattura: la frattura consiste nella rottura di un provino del materiale, che può avvenire in due modi, in base al tipo di materiale: o Fargile: il comportamento fragile di un materiale è caratterizzato da una rottura immediata. Avviene per esempio negli acciai. Per desciverne alcune caratteristiche cìè la teoria di Griffith: con gamma si intende la deformazione e con a la semi-lunghezza media delle microcricche (raggio). Anche in questo caso ci sono 3 stadi:  Durante il regime plastico avviene una concentrazione delle dislocazioni  Formazione di microcricche dove sono posizionate le dislocazioni  Propagazione microcricche e frattura La frattura può essere intragranulare (avanza lungo i piani di grano) o intergranulare (avanza lungo i bordi di grano). o Duttile: un materiale duttile prima di fratturarsi subisce una deformazione plastica, formando le strutture a cono-coppa, in cui una parte avrà una forma a punta e la parte corrispondente avrà una cavità. Avviene per esempio nelle leghe dell’alluminio. Avviene in tre stadi:  Formazione di microcricche (vuoti)  Coalescenza delle microcricche, avviene a 90° rispetto alla direzione dello sforzo  Incrudimento del materiale con successiva rottura La superficie di un materiale che ha subito una frattura è piena di microcavità che corrispondono alle microcricche. Grafico tenacità: I materiali fragili hanno una bassa tenacità, quelli duttili invece hanno un’alta tenacità dovuta al fatto che prima subiscono una trasformazione plastica. Prove di durezza: possono essere fatte in 4 modi diversi, tutti consistono nel incidere nel materiale una determinata impronta. Più srà difficile incidere il materiale e più aumenta la sua durezza. METODI PER RAFFORZARE/INDURIRE I MATERIALI METALLICI:  Soluzione solida: vengono inseriti atomi di un certo soluto in un reticolo di un metallo. Gli atomi occupano posizioni interstiziali, generando dei campi di sforzi locali, rendendo difficile il moto delle dislocazioni. Questo metodo riduce l’allungamento e la frattura. Esempio: lega rame-nichel. Se si aumenta il contenuto di nichel nel rame diminuisce l’allungamento possibile del materiale ma migliornao proprietà come trazione e snervamento.  Affinamento del grano cristallino: la dislocazione genera uno scorrimento del piano in eccesso; se ho due grani posizionati tra loro con un certo angolo, lo scorrimento della dislocazione viene fermata al confine tra i due grani. L’equazione di Hall-Petch descrive questo comportamento: la resistenza del materiale aumenta con il diminuire della dimensione dei grani, perché più aumenta il numero di grani più ci sono bordi di grano che bloccano le dislocazioni.  Deformazione pastica/incrudimento: ha un effetto sul carico di snervamento. Inizio applicando uno sforzo al materiale in regime elastico poi plastico; rimuovo successivamente lo sforzo recuperando la parte elastica. Se applico al materiale nuovamente uno sforzo si ha nuovament prima un regime elastico e poi una deformazione plastica. Nel secondo caso aumenta il suo carico di snervamento e anche del carico massimo di rottura. Questo fenomeno si chiama anche incrudimento o lavorazione a freddo.  Precipitazione: si formano piccole formazioni di fase diversa nei reticoli ospiti -> precipitati. Questi precipitati agiscono come il solvente, blocca l’allungamento ma anche le dislocazioni, quindi aumenta la durezza. Tipico delle leghe dell’alluminio. FATICA: è la progressiva trasformazione plastica che subisce un materiale sottoposto a sollecitazioni ripetute nel tempo, fino al raggiungimento della frattura. La fatica è dovuta a:  Movimento delle dislocazioni 3. Punto ipoeutettoidico: la concentrazione di carbonio è inferiore rispetto alla condizione eutettoidica. Passaggi di fase: FASE GAMMA – FASE ALFA – FASE ALFA + CEMENTITE. La microstruttura finale avrà sia struttura analoga alla perlite che grani solo di ferrite alfa. 4. Punto ipereutettoidico: la concentrazione di carbonio è superiore del punto eutettoidico. In questo caso il passaggio di fase è: FASE GAMMA – GAMMA + CEMENTITE in grani - CEMENTITE + FERRITE/FASE ALFA. In questo caso la struttura finale sarà analoga alla perlite con la differenza che sarà più abbondante la parte di cementite (più carbonio!!!). Diagramma TTT di un acciaio etettoidico: in base alla velocità di raffreddamento si possono variare le proprietà del materiale. Con differenti temperature e velocità di raffreddamento si possono formare diverse tipologie di microstrutture a partire dall’eustenite gamma. Le principali sono (scitte nell’ordine dalla più alta alla più bassa temperatura):  Perlite grossolana: composta da lamelle molto lunghe e sottili.  Perlite fine: composta da lamelle più corte e spesse.  Bainite superiore: la struttura a differenza della perlite non è lamellare, si formano invece degli “aghetti”. Nel caso della superiore sono più spessi e lunghi. Si forma a temperature più alte.  Bainite inferiore: in questo caso gli aghetti sono più sottili e più piccoli. Si forma a temperature più basse.  Martensite: è un passaggio non diffuso che avviene alla velocità del suono; in altre parole è una fase metastabile che si forma per raffreddamenti molto rapidi. Viene fatto per aumentare la durezza del materiale. Avviene per distorsione tetragonale del BCC. La struttura cubica viene allungata in altezza e si forma una struttura tetragonale a corpo centrato. Ha un aspetto spigoloso. Se mettiamo a confronto la durezza della artensite con la perlite fine osserviamo che in entrambi i casi sono materiali che aumentano la durezza con l’aumento della composizione del carbonio. La martensite è molto più dura della perlite fine! Graficamente è rappresentata dalla linea gialla che non incrocia la linea di inizio trasformazione propriò a causa dell’alta velocità. Gli acciai possono essere suddivisi in due tipologie:  Basso legati: presenti principalmente ferro e carbonio con poche impurezze e manganese.  Basso carbonio: parte più a sinistra del diagramma, in corrispondenza del punto ipoeutettoide. Duttile e poco duro. Più ferrite e poca cementite. APPLICAZIONI: lattine, carrozzerie auto, lamiere per tubazioni.  Medio carbonio: parte centrale della zona intermedia tra punto ipoeutettoide e punto eutettoidico. Struttura principale -> perlite. Principalemnte trattate per ottenere martensite. APPLICAZIONI: binari e ruote ferroviarie, ingranaggi, componenti strutturali ad alta resistenza.  Alto carbonio: presente più a destra del diagramma, zona del punto ipereutettoidico. Fragile e molto duro. Più cementite e meno ferrite. Hanno un’alta resistenza nel tempo all’usura e all’attritto. APPLICAZIONI: lame, coltelli, stampi per formatura di altri materiali. Quando la quantità di carbonio è inferiore del punto eutettoidico il materiale tende ad essere più duttile a bassa durezza. Quando la quantità di carbonio è superiore il materiale è più fragile e duro.  Alto legati: principalmente acciai INOX, più imporanti, che contengono il cromo che aiuta a impedire l’osidazione e la corrosione. Gli utilizzi sono molteplici e importantissimi. Questi acciai possono essere suddivisi in 3 categorie, in base alla composizione presente maggiormente:  Austenitici: principalmente artensite, presente sia cromo che nichel (18-10)  Ferritici: principalmente ferrite, ++Cr.  Martensitici: principalmnte martensite, ++ Cr.  Utensili  Inossidabili APPLICAZIONI: edilizia, pentole, strumenti chirurgici, armi, automobili, gioielli, orologi, serbatoi e cisterne, posate, lavandini, contenitori alimentari, ecc.  Ghise: sono composti da leghe ferro-carbonio, con una maggiore quantità di carbonio rispetto ad acciai; contiene spesso altri elemneti in piccole quantità. Essendo ricche di carbonio sono più propense a dissociarsi e dare grafite; questo passaggio è favorito da elementi in lega grafitizzanti, come silicio, oppure da velocità di raffreddamento basse. A differenza dell’acciaio la temperatura di liquefazione è più bassa. La grafite è presente nelle ghise sottoforma di precipitati, che possono variare caratteristiche della ghisa. Il punto del diagramma di stato d’interesse per le ghise è il punto eutettico stabile! Possiamo distinguere due tipi di ghise (classificazione in base alla composizione):  Ghise bianche: composte solo da cementite. Ha basso contenuto di Si (< 1%). Si ottiene per raffreddamento rapido. Si forma solo cementite. È molto dura, fragile e resistente all’usura. Usata come intermedio per la formazione di ghise malleabili  Ghise grigie: composte da cementite + grafite. I materiali composti da ghisa vengono prodotti inserendo la parte liquida di ghisa in uno stampo che ha la forma dell’oggetto finale. Classificazione ghise in base alle proprietà: 1. Ghise lamellari: sono basse fondenti, ricche di silicio e con elevata fluidità che riempie bene gli stampi. La loro microstruttura dipende dal tipo di raffreddamento:  Con un raffreddamento lento ottengo lamelle a matrice ferritica  Con un raffreddamento moderato ottengo lamelle a matrice perlitica BRONZI: la velocità di diffusione dello zonco nel rame, e viceversa, è molto bassa. Questo comporta che si formino alte segregazioni durante solidificazione e che le trasformazioni di fase avvengano con grande lentezza al di sotto dei 400°C. In altre parole un bronzo che viene ottenuto per colata e raffreddamento, in normali condizioni industriali, non conterrà fasi di equilibrio.  Fase α: soluzione solida duttile e malleabile a freddo.  Fase δ: composto intermetallico duro e fragile. Applicazioni: o 4 – 7% Sn possibili elevati allungamenti; sono deformati a freddo previa omogeneizzazione della composizione con trattamenti a 700°C per alcune ore. Produzione di medaglie, fogli, barre, molle. o 9 – 18% Sn, contengono la fase δ e sono quindi ottenuti per colata in stampo. Hanno elevata durezza e tenacità. Ingranaggi (bronzi meccanici), cuscinetti a sfera o 20 – 30% Sn, sono fragili e basso-fondenti: bronzi d’arte LEGHE ALLUMINIO: le più importanti delle leghe leggere. Hanno elevata resistenza alla corrosione. Possono essere di tre tipologie.  Leghe per precipitazione: con il processo della preciptazione il materiale viene indurito, questo perché le parti di precipiato agiscono, come nel caso dei solventi, come blocchi delle dislocazioni. Vengono fatte tramite trattamenti termici. Per poter aplicare questo trattamento il materiale deve avere particolari requisiti :  La solubilità di un elemento della matrice principale deve diminuire di una certa percentuale col diminuire della temperatura! L’indurimento per precipitazione avvine tramite 3 stadi : 1. Omogenizzazione: la lega viene tenuta alla T0 per il tempo necessario affinché tutto il materiale sia costituito dalla sola fase . 2. Tempra: si porta la lega a T1 con un rapido raffreddamento in modo da ottenere a T ambiente un’unica fase , ovvero una soluzione solida sovra-satura di B in A. 3. Invecchiamento: si alza la temperatura a T2 (zona bifasica +β del diagramma di stato) e si lascia la lega un tempo sufficiente affinché precipitino dei precipitati coerenti o semicoerenti con la matrice. MICROSTRUTTURA: prima parte del grafico, in verde, abbiamo un raffreddamento lento che porta ad una microstruttura di equilibrio formata dalla matrice alfa e da piccole parti di precipitato. Al punto successivo, indicato in blu, abbiamo una microstruttura di equilibrio della sola fase alfa. Nel punto giallo viene abbassata la temperatura e si ottiene uno stato metastabile di fase alfa sovrasatura. Una volta raggiunta nuovamente la temperatura T1 inizia la dase segnata in arancione in cui si ha la precipitazione (fase 3). Si possono avere due fenomeni: se si riscalda troppo si ottiene troppo precipitato, se invece si scalda in maniera adeguata si ottiene la struttura desiderata. La soluzione solida sovrasatura è metastabile, ha quindi un’alta energia (minimo relativo dell’energia libera). Fornendo calore al sistema esso tendera a raggiungere il suo stato stabile, che consiste nella fase alfa + precipitato. Per la lega Al96Cu4 avviene in quattro stadi di equilibrio. Tra G0 e G1 si raggiunge un punto detto Zona di Guinier Preston, in cui si hanno pochi atomi di Cu addensati in parti perpendicolari ai piani della matrice. Essendo Cu più piccolo di Al si formano delle sistorsioni nel reticolo attorno alla zona di atomi di rame. Tra G1 e G2 si ha una zona di precipitato coerente detta teta primo, con struttura tetragonale. Tra G2 e G3 si forma una zona teta secondo, con forma a disco ed è coerente con la matrice. In corrispondenza della G4 i raggiunge una fase teta incoerente con la matrice, che rappresenta la fase più stabile della composizione della lega. A seconda della teperatura di raffreddamento posso ottenere differenti microstrutture. Possiamo visualizzarlo dal diagramma TTT dei possibili casi: Le diverse tipologie di microstrutture possono influire sulle proprietà meccaniche del materiale finale.  Soluzione solida sovra-satura: indurimento per soluzione solida  Zone GP: creazione di un campo di sforzi  θ’’: attraversamento di un precipitato coerente  θ’: attraversamento di un precipitato semicoerente  θ: attraversamento di un precipitato incoerente  Leghe per deformazione plastica: queste leghe vengono rinforzate con un trattamento di incrudimento ottenuto tramite una trasformazione plastica a freddo. Possono essere trattate anche termicamente sfruttando il processo di indurimento per precipitazione. Sono principalmente leghe alluminio-agnesio o alluminio-manganese.  Leghe da getto: svluppate in base alla loro colabilità, resistenza meccanica e alla corrosione e anche duttilità. Sono principalmente leghe Al-Cu-Si o Al-Si. LEGHE A BASE DI TITANIO: sono leghe leggere, biocompatibili ma con proprietà meccaniche simili all’acciaio. Hanno un modulo elastico simile alle ossa. Ha un’elevata resistenza alla corrosione e costi molto elevati. Applicazioni: protesi biocompatibili sostitutive di ossa. LEGHE A BASE DI MAGNESIO: sono leghe leggere formate con alluminio, zinco, argento o manganese. Ha proprietà meccaniche modeste, bassi moduli elastici e bassa resistenza alla corrosione. Ha anche alti costi di produzione. Applicazioni: cerchioni macchine. 11) CORROSIONE: Questo fenomeno è da considerare e prevedere il deterioramento dei materiali metallici utilizzati per varie applicazioni. Può essere di tre tipologie: Tubature: le tubature di ferro sono inseriti in vari tipi di ambienti; prima di utilizzarli bisogna considerare gli effetti che alcuni ambienti possano avere.  Immersione in acqua: in prossimità della superficie c’è una maggiore quantità di ossigeno, perciò il fenomeno che si osserva è una riduzione dell’ossigeno. Più in profondità dove l’ambiente è povero di ossigeno avviene la dissoluzione del ferro.  Immersione in acqua + sabbia: nell’acqua avviene la riduzione di ossigeno, mentre nella sabbia la dissoluzione di ferro.  Immersione in terreno con parti aventi diversa permeabilità dell’ossigeno: supponiamo di avere una parte di argilla e una di sabbia. Nell’argila c’è bassa permeabilità dell’ossigeno quindi avviene la dissoluzione del ferro. Nella sabbia c’è un’alta permeabilità di ossigeno, perciò avviene la riduzione di O2.  Galvanica: molto spesso nel materiale metallico a causa di vari fattori si generano pile locali, con effetti importanti sul fronte della corrosione. Questa corrosione avviene tramite i bordi di grano in maniera più rapida. o Contatto elettronico fra leghe diverse, per esempio avvicinando due oggetti di diversa composizione metallica. o Lega monofasica: la corrosione avviene tra i bordi di grano oppure dove c’è disomogeneità della concentrazione. o Lega bifasica: la corrosione avviene tramite formazione di pile locali tra due fasi della lega. o Presenza di impurezze che genera pile locali. La velocità della corrosione viene misurata in base alla velocità di penetrazione del materiale. Per poter utilizzare un materiale la VPC non deve superare 0,5 mm/anno. Polarizzazione: fenomeno di non equilibrio che avviene durante il processo di corrosione galvanica. Gli atomi di metallo si ossidano andando in soluzione e liberando degli elettroni che in altri punti del metallo possono ridurre altre specie presenti nella soluzione, formando per esempio OH- o H2. La polarizzazione può essere di due tipi:  Energia di attivazione di questi processi: è associata allo stadio lento della reazione. Gli ioni H+ vengono assorbiti sulla superficie, i quali migrano nell’elettrodo per ridursi e combinarsi per dare l’idrogeno. Le molecole di H2 si uniscono e formano una bolla, che andrà in superficie e si libereranno.  Differenza di concentrazione: l’origine è legata alla necessità degli ioni di diffondere per pter continuare il ciclo della reazione elettrochimica. Se la velocità delle reazioni è alta e abbiamo alte concentrazioni di ioni H+ allora non mancheranno mai per la continuazione del ciclo della reazione elettrochimica. Se invece al contrario la reazione è lenta e la concentrazione di H+ non è alta si arriva ad un impoverimento di ioni H+. Graficamente si rappresenta una curva di polarizzazione che è descritta dall’equazione di Tafel. Passivazione: formazione di uno strato di ossido protettivo che inibisce ulteriori corrosioni del materiale metallico. Altrimenti si possono usare metodi di protezione del materiale, come: 1. Con strati coprenti: possono essere metallici, non metallici oppure ottenuti per reazione chimica. Per esempio zinco ha protezione maggiore del rame perché ha una maggiore tendenza ad ossidarsi. 2. Con inibitori: composti passivanti. 3. Catodica 4. Condizionamento (per ambienti chiusi)