Metalli - Struttura

La struttura dei metalli

Proprietà dei materiali

Nella scelta di un materiale per la costruzione di un pezzo si deve tener conto:
- della rigidezza del pezzo;
- della resistenza meccanica;
- della lavorabilità del pezzo al fine da ottenere la forma e le dimensioni previste nel progetto con le tolleranze prescritte.
Le caratteristiche sopra menzionate dipendono dalle proprietà chimiche, meccaniche, fisiche e tecnologiche del materiale.
Oltre a tali caratteristiche si deve tener conto:
- dell’affidabilità;
- del costo del materiale e della lavorazione;
- vita utile del pezzo;
- caratteristiche estetiche.

Tipi di materiali da costruzione

I materiali da costruzione vengono classificati in quattro gruppi:
- Metalli: hanno una struttura cristallina, buona resistenza meccanica, elevata densità e buona elasticità; sono deformabili buoni conduttori di calore e di elettricità, sono opachi.
- Ceramici (ossidi e silicati): hanno una struttura cristallini, sono duri e fragili e cattivi conduttori di calore e di elettricità.
- Polimerici : sono composti organici macromolecolari, sintetici o naturali, hanno scarsa stabilità dimensionale e densità; amorfi e facilmente modellabili, si deformano o bruciano con l’aumentare della temperatura.
- Compositi : materiali composti almeno dalla combinazione di due materiali tra loro chimicamente differenti: rinforzo e matrice.

Struttura dei metalli

Alla lente di ingrandimento, la superficie dei metalli appare composta da minutissimi granellini incastonati uno con l’altro.
I grani appaiono con facce più o meno piane e disuguali.
I grani, ai raggi X, mostrano di avere una struttura cristallina cioè ordinata con una distanza interatomica costante.
I grani metallici hanno una struttura cristallina, detta reticolo cristallino.

Legame metallico

Per legame metallico si intende il legame chimico che tiene uniti i vari atomi.
Il reticolo cristallino è formato da una massa di ioni metallici positivi, regolarmente disposti, immersi in una nube di elettroni che hanno lasciato gli atomi trasformandoli in ioni positivi. Tale teoria è chiamata teoria di Drude.
Il legame metallico si bassa sulla forza di attrazione tra ioni positivi e elettroni.
La presenza di tale legame di natura elettrostatica, non impedisce, lo scorrimento degli atomi esistenti in seguito a forti sollecitazioni meccaniche, la malleabilità e la duttilità dipendono proprio da questo scorrimento.
Gli ioni di ferro si formano, perché il ferro perde i due elettroni più esterni, formando proprio gli ioni metallici che vengono compattati dagli elettroni liberi caricati negativamente.
La compattezza e la resistenza dei materiali metallici derivano dalla forza di attrazione tra ioni ed elettroni e dalla disposizione geometrica degli ioni che a differenza dei solidi amorfi hanno una disposizione regolare.
La distanza minima tra gli ioni è detta distanza costante reticolare o costante reticolare.
La cella elementare è il singolo grano metallico che si ripete per tutta la struttura.

Solidificazione dei metalli

Gli atomi del metallico liquido hanno un elevato contenuto energetico funzione della temperatura.
Raffreddandosi il materiale giunge alla temperatura di solidificazione, in corrispondenza della quale si ha il passaggio dallo stato liquido allo stato solido, secondo due fasi ben distinte: la nucleazione e la crescita.
Nucleazione
Consiste nel formarsi i primi nuclei di reticoli cristallini dispersi nel liquido, quando si arriva alla temperatura di solidificazione.

Crescita

I nuclei solidificati attraggono gli atomi di liquido circostanti accrescendo il proprio volume; in tal modo a solidificazione avvenuta si genera il grano cristallino.
I tipi di grani cristallini che si possano formare dipendono dalla velocità di raffreddamento, se la velocità di raffreddamento è lenta si formano pochi germi di solidificazione che, sviluppandosi formano grossi grani cristallini, struttura a grana grossa; una rapida velocità di raffreddamento provoca la formazione di molti germi di solidificazione che sviluppandosi creano piccoli grani cristallini, struttura a grana fine.
Quando viene liberata una notevole quantità di energia termica si formano molti germi di solidificazione. La solidificazione avviene con cessione di calore (latente) quindi attorno al germe si ha un aumento di temperatura, il che impedisce l’ulteriore solidificazione attorno e il germe si sviluppa con una struttura ramificata.
Un lento raffreddamento porta alla formazione di dendriti di maggiori dimensioni, un rapido raffreddamento porta alla formazione di piccoli dendriti che rendono il materiale duttile.
I dendriti si formano quando i germi di solidificazione sono circondati da materiale liquido avente temperatura maggiore di quella di fusione, quindi gli atomi dei nuclei solidificati non potendo attrarre quelli del liquido circostante si sviluppano nello spazio secondo una struttura ramificata.
Nel caso in cui si ha un rapido raffreddamento, la massa centrale di liquido solidifica dopo che la massa esterna si è solidificata, in tal modo i cristalli interni risultano essere compressi e schiacciati da quelli che si sono formati negli strati superficiali, in quanto la solidificazione comporta un aumento di volume.
Dal punto di vista meccanico il materiale viene sottoposto ad una forte tensione interna, che gli conferisce durezza e fragilità elevata.

Contorno dei grani e caratteristiche meccaniche

Il metallo solidificato è un aggregato di grani avente forma irregolare e bordi frastagliati. Le impurità del materiale di fusione si raccolgono lungo i bordi dei grani sotto forma di materia amorfa, la cui resistenza meccanica a bassa temperatura è considerevole.
In generale un materiale a grana fine ha una maggiore resistenza di un materiale a grana grossa, perché in quello a grana fine ci sono più bordi e più materia amorfa che conferisce resistenza.

Reticolo cristallino, struttura cristallina e celle unitarie

Da un esame ai raggi X, risulta che gli atomi dei metalli sono allineati ed equidistanti, assumendo una struttura regolare.
Se proviamo ad unire tramite segmenti i vari atomi si ottiene una struttura reticolare, detta reticolo cristallino, il quale si può considerare essere generato da una struttura semplice più volte ripetuta, chiamata cella elementare o unitaria.
Le strutture più diffuse sono cubica a corpo centrato, cubica a facce centrate, esagonale compatta.

Celle cubiche a facce centrate

Gli atomi sono ubicati ai vertici e al centro di ognuna faccia.
L’elevato numero di allineamenti compatti di atomi e di piani a massima densità atomica fanno della cella cubica a facce centrate il sistema più compatto e facilmente deformabile meccanicamente.
I materiali che cristallizzano con celle cubiche a facce centrate presentano le presenti caratteristiche fisiche:
- Molto plastici meccanicamente;
- Malleabili;
- Duttili;
- Molto tenaci;
- Buoni conduttori termici ed elettrici.

Celle cubiche a corpo centrato

Tale cella è costituita da 9 atomi disposti ai vertici e al centro di un cubo.
La cella cubica a corpo centrato rappresenta un sistema compatto, molto stabile e difficilmente deformabile meccanicamente.
La deformabilità di un cristallo è data dalla possibilità di far scorrere i piani ad elevata densità atomica, cosa che nel nostro caso è limitata dato il basso numero di piani, quindi il materiale risulta essere poco plastico.
I metalli che caratterizzano con questo tipo di struttura (ferro, molibdeno, wolframio ecc..) presentano le seguenti caratteristiche fisiche:
- Elevato punto di fusione;
- Scarsa lavorabilità a freddo perche poco plastici;
- Poca malleabilità;
- Media duttilità.

Celle esagonali

Le celle esagonali formate da 17 atomi, disposti ai vertici, ai centri delle basi e all’interno.
La cella esagonale compatta rappresenta un sistema stabile, compatto e deformabile meccanicamente.

Allotropia

Le forme allotropiche o fasi di una determinata sostanza sono le possibili strutture cristalline che lo stesso materiale può assumere. Per esempio il Feδ ha un tipo di cella a corpo centrato, mentre il Fe γ e il Feα hanno un tipo di celle a facce centrate.

Leghe metalliche

Una lega è la composizione stabile di un metallo con altri elementi chimici, metallici e non.
Struttura leghe metalliche
La solidificazione di una lega avviene attraverso due fasi nucleazione e crescita.
Una lega binaria è formata da due componenti: solvente (l’elemento in percentuale maggiore) e soluto (l’elemento in percentuale inferiore) che si combinano tra loro secondo il grado di miscibilità (attitudine degli atomi del solvente e soluto a mescolarsi per formare dei composti omogenei).
1. La completa miscibilità si realizza quando gli atomi dei due componenti hanno dimensioni circa uguali, formandosi dei cristalli misti in cui atomi di diversa natura si possono sostituire l’uno all’altro, cioè gli atomi del soluto si inseriscono nella cella elementare del solvente .
A solidificazione avvenuta si ha una sola cella elementare.
Si possono avere due categorie di celle:
- la soluzione solida di sostituzione casuale o disordinata: gli atomi del soluto prendono il posto di alcuni atomi del solvente in modo del tutto casuale;
- la soluzione solida di sostituzione ordinata: gli atomi del soluto si dispongono all’interno del reticolo del solvente formando l’una nell’altra due celle reticolari ordinate;
- la soluzione solida di inserimento o interstiziale: gli atomi del soluto si inseriscono nei vuoti del reticolo del solvente senza variarne la natura cristallografica. Gli elementi che consentono la formazione di tali soluzioni si citano il carbonio, l’azoto, il boro, l’idrogeno e l’ossigeno.
Questi inserimenti deformano il reticolo atomico aumentando la durezza e la fragilità e ostacolando lo scorrimento dei piani atomici reticolari.
2. La miscibilità nulla allo stato solido si realizza quando raffreddando lentamente si separano solvente e soluto, generandosi due strutture cristalline diverse e separate: quella del solvente e quella del soluto.
3. Composto intermetallico si forma con quelle leghe i cui componenti creano delle strutture reticolari completamente diverse da quello posseduto allo stato puro, il reticolo che si forma ha uno sviluppo ordinato.
4. I cristalli eutettici hanno una struttura alternata globulare o lamellare fra elementi puri, fra soluzioni solide oppure fra composti intermetallici. Una lega eutettica fonde a una temperatura più bassa di ciascuna delle temperature dei suoi componenti.

Difetti del reticolo cristallino

Il reticolo cristallino può avere i seguenti difetti:
- Vacanza: si ha quando nel reticolo cristallino ci sono dei posti non occupati da uno o più atomi. Ciò comporta la mobilità degli atomi adiacenti, avendo un fenomeno detto diffusione atomica, che comporta la contrazione del reticolo e la creazione di tensioni interne.
- Impurità sostituzionale e interstiziale detto anche difetto di punto, si ha quando un atomo estraneo si inserisce nel reticolo atomico della matrice.
- Dislocazioni sono dovute all’interruzione di un piano di atomi.
I difetti reticolari condizionano il comportamento dei metalli, mentre in alcuni diminuiscono le proprietà meccaniche in altri determinano l’effetto opposto.
Un altro difetto è la distorsione del reticolo cristallino, cosa che ne aumenta la resistenza meccanica, fenomeno chiamato incrudimento a freddo, in questo caso la resistenza dei materiali aumenta perché per la distorsione si bloccano i piani di scorrimento ai bordi dei grani.
Le dislocazioni diminuiscono la resistenza dei metalli e facilitano la deformazione plastica.