Riassunto esame Metallurgia, Prof. Castrodeza Enrique Mariano, libro consigliato Metallurgia e materiali non metallici, Silvia barella e Andrea gruttaduria

Lezione 1 - 20/02

Ogni aspetto della nostra vita è condizionato dalla tecnologia dei materiali. Lo sviluppo umano è correlato alla capacità di sviluppare nuovi materiali. Forte rapporto tra (micro)struttura e proprietà dei materiali.

Struttura dei materiali

• Livello subatomico (elettroni e nucleo atomico)
• Livello atomico
• Livello microscopico (disposizioni atomiche, reticolo cristallino)
• Livello macroscopico visibile a occhio nudo

Proprietà dei materiali

(azione-reazione) Sforzo deformazione → Aumento/abbassamento temperatura cambio fase → dilatazione, Campo elettrico corrente elettrica → Ogni materiale ha proprietà caratteristiche a determinati stimoli. Le proprietà dei materiali sono solitamente indipendenti dalla forma o dalle dimensioni del pezzo. Le proprietà sono suddivise in sei categorie, le più importanti sono quelle meccaniche (+elettriche, termiche, magnetiche, ottiche, chimiche).

Sono importanti anche la lavorazione e le prestazioni secondo questa forte interdipendenza: Lavorazioni struttura prestazioni → → proprietà →

Classificazione dei materiali

• Metalli: Spesso combinati in leghe e raramente allo stato puro, grande numero di elettroni non localizzati (= non legati ad atomi), buoni conduttori di elettricità e calore, non trasparenti, a volte lucidi, molto resistenti, deformabili, adatti alla saldatura. Ampia applicazione nelle strutture industriali.
• Ceramici: Composti da elementi metallici e non metallici (ossidi, nitrati e carbonati), molto vari (argille, cementi e vetri), isolanti e termici, più resistenti alla temperatura e alle abrasioni rispetto ai metalli, alta durezza ma fragili con bassa resistenza alle cricche (=crepe).
• Polimeri: Plastiche e gomme, composti inorganici basati su carbonio, idrogeno e elementi non metallici, grandi strutture molecolari, bassa densità, bassa resistenza meccanica ma alta flessibilità, in certi ambienti hanno stabilità chimica.

I composti (= materiali coniugati) sono fatti da due o più materiali diversi, hanno proprietà inesistenti in ogni singola fase, possono essere a matrice metallica, polimerica o ceramica rinforzati da fibre o particelle, le sue proprietà possono essere orientate in base all’applicazione (es. orientamento dal rinforzo). È importante conoscere bene la risposta dei materiali disponibili in ogni applicazione.

Lezione 2 - 21/02

Alcune proprietà importanti dipendono dalla disposizione geometrica degli atomi e dalle loro interazioni (sia a livello atomico che molecolare).

Modelli atomici

• 1807: modello di sfere perfette di Dalton;
• 1897: Thomson scopre la prima particella subatomica (elettrone) e crea modello a panettone;
• 1908: Rutherford dimostra l’esistenza del nucleo atomico;
• Atomo di Bohr: elettroni orbitano attorno al nucleo in orbitali ben definiti e le loro energie sono quantizzate.

Purtroppo, questo modello è incapace di descrivere i fenomeni che coinvolgono gli elettroni. Modello meccanico ondulatorio: elettrone con caratteristiche di onda e particella (duale natura) e la sua posizione non si può determinare con certezza ma possiamo solo calcolare la probabilità rispetto a dove si trova (nuvola elettronica).

• Numeri quantici, stati elettronici, configurazioni elettroniche
• Elettroni di valenza = elettroni che occupano lo strato riempito più esterno, partecipano al legame per formare aggregati atomici e molecole, determinano anche molte proprietà fisiche e chimiche.

Gli elementi che hanno una configurazione elettronica stabile, ovvero i gas nobili/inerti, non sono reattivi perché hanno lo strato esterno completamente riempito.

Elettronegatività

La maggior parte degli elementi sono metalli e sono elettropositivi, cedono elettroni facilmente e diventano ioni positivi; al contrario, gli altri accettano gli elettroni per formare ioni negativi. Il fluoro è il più elettronegativo.

Forze interatomiche divise in:

• Forze di attrazione
• Forze di repulsione

L’intensità di queste forze dipende dalla distanza interatomica (equilibrio se Fr = - Fa) che si ripete per tutta la struttura atomica. La forza di attrazione esiste a lunghe distanze. La forza di repulsione compare quando le nubi elettroniche iniziano a interagire grazie alla forza di attrazione. Forza netta = F + Fa r. Questa permette l’instaurarsi del legame. L’energia (lavoro compiuto dallo spostamento delle particelle) è l’integrale della forza netta, oppure con l’uso di costanti di proporzionalità; dipende dal materiale. Se voglio rompere un legame, devo fornire energia pari a E che è l’energia del legame atomico. Più energia c’è, più alta sarà la temperatura di fusione (Tungsteno con quella più alta).

Se la gola del grafico è stretta e profonda:

• Basso coefficiente di dilatazione termica;
• Temperatura di fusione elevata;
• Modulo di Young (modulo elastico: tangente alla curva dell’energia netta) elevato = elevata rigidezza meccanica.

Se la gola del grafico è larga e poco profonda:

• Alto coefficiente di dilatazione termica;
• Temperatura di fusione bassa;
• Modulo di Young basso.

Legami chimici (primari)

• Ionico: Tra metallo e non metallo, il metallo cede elettrone a nonmetallo (+ elettronegativo) e assumono configurazioni elettroniche stabili, si formano catione e anione attratti dalla forza di Coulomb. Ogni anione è circondato da cationi nelle 3 direzioni, hanno quindi una struttura cristallina ordinata e simmetrica, per questo hanno alte energie di legame e temperature di fusione. Non ci sono elettroni liberi per cui c’è una bassa conducibilità sia termica che elettrica, il legame è adirezionale. Forma i materiali ceramici e ne stabilisce le proprietà (fragilità, durezza e resistenza).
• Covalente: Tra atomi con simile elettronegatività, vengono condivisi gli elettroni (che alla fine appartengono a entrambi gli atomi) per raggiungere la stabilità, per questo, anche i solidi covalenti hanno bassa conducibilità sia termica che elettrica. Il legame è direzionale lungo la congiungente dei due nuclei, può essere forte o debole e sbilancia molto la carica dell’intero legame. Forma i materiali polimerici e ne stabilisce le proprietà. Si possono avere entrambi questi legami in contemporanea, raramente ci sono allo stato puro, questo dipende dalla loro posizione nella tavola periodica e con la loro elettronegatività si calcola una percentuale del legame ionico.
• Metallico: Gli elettroni di valenza dei metalli vanno a creare una nube elettronica, si muovono liberamente quindi hanno alta conducibilità, schermano il nucleo ionizzato e bilanciano le forze di repulsione; grazie alla presenza degli ioni sono deformabili, struttura compatta (cristallina), legame adirezionale e di intensità variabile. Il solido metallico si forma quindi da forze di natura elettrostatica.

Legami fisici (secondari)

Forze ed energie secondarie o fisiche le troviamo anche nei materiali solidi; più deboli di quelli primari ma influenzano comunque le proprietà dei materiali (acqua con legami a idrogeno). “Forze di Van Der Walls”. Inavvertibili se sono presenti legami primari, crea dipoli elettrici (infatti si formano tra due molecole polari) ed è causa di elevate dilatazioni termiche, è importante nei polimeri.

Lezione 3 - 24/02

Un materiale può solidificare in due modi, formando:

• Una struttura amorfa: con ordine cristallino a corto raggio e disordine (random), tipiche del vetro e di alcuni polimeri.
• Una struttura cristallina: con ordine cristallino a lungo raggio, tipiche dei metalli e dei materiali ceramici.

La cristallizzazione determina alcune proprietà del materiale. La disposizione più stabile è dove c’è il valore minimo di energia, infatti, la maggior vicinanza degli atomi consente di minimizzare l’energia di legame diminuendo l’energia interna del composto. Per studiare le strutture cristalline, gli atomi sono pensati come sfere solide con diametri definiti: modello atomico delle sfere rigide.

Reticolo: serie tridimensionale di punti che corrispondono alle posizioni di ogni atomo (centro di ogni sfera).

Struttura/reticolo cristallino: reticolo (griglia) con atomi posizionati, ripetizione della più piccola e ripetitiva unità ordinata = cella elementare o unitaria.

Reticolo di Bravais: Geometria della cella completamente definita in termini di 6 parametri: 3 lunghezze e 3 angolazioni interassiali. Gli atomi occupano i nodi, ovvero i punti di intersezione tra le linee che definiscono il reticolo. Possono avere varie forme: cubica, esagonale, tetragonale, tetragonale romboedrico, ortorombico, monoclinico, triclinico (14 in totale). Nei metalli puri troviamo principalmente 3 tipi di celle elementari: a facce centrate, a corpo centrato o esagonale compatta.

Reticolo cubico a corpo centrato (CCC)

Ferro alfa e delta, titanio beta, cromo, tungsteno, vanadio, molibdeno, litio, calcio, potassio. Atomi per cella = 1 centrale + 8 x 1/8 (vertici) = 2. Numero di coordinazione = 8 (ogni atomo è a contatto con altri 8). Relazione tra lato della cella a e raggio dell’atomo R: = 4√3.

Reticolo cubico a facce centrate (CFC)

Ferro gamma, rame, argento, oro (materiale più duttile che esista), alluminio nichel, piombo, platino. Atomi per cella = 8 x 1/8 (vertici) + 6 x ½ (facce) = 4. Numero di coordinazione = 12. Relazione tra lato della cella a e raggio dell’atomo R: = 4√2.

Reticolo esagonale compatto (EC)

Similitudine con CFC perché entrambi derivano dall’impilamento di piani compatti uno sopra l’altro (piani di massima densità atomica), si differenziano per la sequenza di impilamento. Magnesio, zolfo, zinco, titanio alfa, cobalto, berillio (elevata duttilità perché simili a CFC). Atomi per cella = 3 interni +2 x ½ (facce superiore e inferiore) + 12 x 1/6 (vertici) = 6. Numero di coordinazione = 12 CCC CFC EC.

Fattore di compattazione atomica = volume occupato dagli atomi / volume della cella unitaria. Fca (CFC e EC) = 0,74 (occupazione massima del 74% rispetto al volume totale che è l’impacchettamento più denso possibile). Fca (CCC) = 0,68 (68% di spazio occupato).

Differenza di ampliamento tra cella unitaria CFC e EC: Piano basale totalmente denso, forma più compatta (un atomo ne tocca 6). Se voglio mettere una fila sopra devo infilarla negli spazi (tipo a scacchiera). Impilamento di EC ha solo “2 piani” quello di CFC “3 piani”.

Lezione 4 - 27/02

Siti interstiziali: spazi vuoti tra gli atomi in cui possono posizionarsi atomi più piccoli nelle strutture cristalline, possono essere ottaedrici e tetraedrici.

• Ottaedrici = disposizione dei 6 ioni che ne costituiscono i primi vicini, definendo i vertici di un ottaedro (nei CCC sono 6 e nei CFC sono 4).
• Tetraedrici = hanno 4 primi vicini e sono i vertici di un tetraedro (nei CCC sono 12 e nei CFC sono 8).

Materiali caratterizzati da una o più struttura cristallina: allotropici (per gli elementi puri) o polimorfici (per i composti), ad esempio ferro e titanio che hanno più di una struttura cristallina. Trasformazioni alla base dei trattamenti termici degli acciai e altri materiali. La trasformazione dipende da temperatura e pressione. Sono trasformazioni fisiche ma senza passaggi di stato (in questo caso restano allo stato solido), portano spesso variazioni di densità e di proprietà.

Esempio - Ferro:

• T < 912°C = ferro α (CCC- ferrite alfa)
• Fra 912 e 1392°C = Ferro γ (CFC – austenite)
• Fra 1392 e 1536°C = Ferro δ (CCC – ferrite delta)

Posso descrivere i punti in una cella con coordinate realizzate in un sistema destrorso. Direzione cristallografica = vettore. Composta dai 3 indici di Miller (abc):

• Un vettore attraverso l’origine del sistema di coordinate.
• Determinate proiezioni vettoriali su ciascun asse (misurate in termini delle dimensioni della cella unitaria a, b, c).
• Moltiplico i 3 numeri o li divido per un fattore comune per ridurli ai valori interi più piccoli.
• Scrivo i numeri tra parentesi quadre [uvw] SENZA VIRGOLE.
• Gli interi u, v e w corrispondono alle proiezioni ridotte lungo gli assi x, y, z.

Per alcune strutture cristalline, diverse direzioni non parallele con indici diversi sono in realtà equivalenti. Nei cristalli cubici tutte le direzioni rappresentate dagli indici 001 sparsi sono equivalenti. Le direzioni equivalenti sono raggruppate in una famiglia di direzioni (tra parentesi angolari <100>.).

Tutte le direzioni in cristalli cubici con gli stessi indici sono equivalenti, a prescindere dal segno, non vale per gli altri sistemi cristallini. Gli indici con la barra sopra sono indici negativi. Gli orientamenti dei piani atomi nei reticoli cubici sono rappresentati in modo simile alle direzioni cristallografiche: la cella unitaria è la base e ha il sistema a tre assi. In tutti i reticoli cubici, i piani cristallografici sono indicati da tre indici di Miller (hkl). Due piani paralleli sono equivalenti e hanno gli indici identici.

Determinazione di h, k e l:

• Se il piano passa per l’origine, un altro piano parallelo deve essere scelto all’interno della cella unitaria, oppure stabilisco una nuova origine nell’angolo di un’altra cella unitaria.
• Misuro l’intersezione del piano con gli assi in termini di parametri dal reticolo a, b, e c.
• Prendo i reciproci, se un piano è parallelo ad un asse tende all’infinito quindi il reciproco è zero.
• Moltiplico o divido per un fattore comune se necessario.
• Scrivo gli indici tra parentesi (hkl).

L'inversione del segno di tutti gli indici specifica un altro piano parallelo all'origine sul lato opposto ed equidistante dall’origine. Una famiglia di piani cristallograficamente equivalenti è indicata da indici racchiusi tra parentesi graffe {100}.

Piani e direzioni di massima compattazione

• CFC - Piani {111} Direzioni <110>
• CCC- Piani {110} Direzioni <111>

Sistemi di scorrimento: intersezione di piani Spostamento minimo di un atomo ad un’altra posizione d’equilibrio: tot possibilità quanto è il numero di coordinazione (C’è anche una distanza minima).

Lezione 5 - 28/02

Non esistono cristalli perfetti, i difetti in metallurgia non sono sempre negativi perché a volte hanno conseguenze positive, ad esempio, le proprietà meccaniche sono correlate ai difetti del reticolo di un metallo. Il controllo accurato di questi difetti permette di modificare le proprietà meccaniche (metallurgia fisica). Viene interrotto l’ordine dello schema cristallino regolare, possono essere classificati come:

Difetti di punto

Riguarda le posizioni atomiche, sono suddivisi a loro volta in:

• Vacanze e auto interstiziali (intrinsechi): esiste una concentrazione di equilibrio che dipende dalla temperatura e dall’energia di formazione. Auto interstiziale = un atomo del materiale si posiziona in un sito interstiziale ma poco probabile per elevata energia associata.
• Atomi sostituzionali e interstiziali (soluzione solida, estrinsechi):
  • Sostituzionali = atomi di soluto che rimpiazzano quelli del solvente.
  • Interstiziali = il soluto si posiziona negli interstizi del solvente.

E = 2 a 4E interstiziali vacanze. Vacanze > interstizi.

Soluzione solida sostituzionale (caratteristiche):

• Il diametro degli atomi di soluto e solvente non deve differire di più del 15%.
• Le strutture cristalline dei due elementi devono essere compatibili.
• Non dovrebbero esserci differenze apprezzabili nell’elettronegatività altrimenti ci sarebbe tendenza a formare composti intermetallici.

Soluzione solida interstiziale (caratteristiche):

• Dimensioni atomo di soluto << dimensione atomi solvente.
• La concentrazione massima di soluto è bassa e dipende dalla quantità e volume dei siti interstiziali disponibili.
• Nel ferro il carbonio e l’azoto sono i principali elementi interstiziali.

Difetti lineari (dislocazioni)

Sono difetti monodimensionali (caratterizzati da una linea). Le deformazioni plastiche sono basate sul movimento delle dislocazioni:

• Dislocazione a spigolo: si presentano quando uno strato supplementare di particelle (semipiano) si inserisce tra due strati adiacenti del reticolo, genera una distorsione del reticolo attorno all’asse della dislocazione. Il semipiano aggiunto viene indicato con una T dritta o capovolta a seconda della sua posizione, la distorsione diminuisce man mano che ci si allontana dall’apice della dislocazione.
• Dislocazione a vite: uno sforzo di taglio che produce una torsione, per cui i piani reticolari si avvolgono a spirale lungo un'asse (linea di dislocazione), formando una rampa elicoidale con gradini. Inoltre, si formano due gradini, che individuano lo spostamento degli atomi.
• Dislocazioni miste: (presenti nella realtà, componenti a spigolo e a vite).

Il movimento delle dislocazioni è il meccanismo microscopico responsabile della deformazione plastica. Circuito e vettore di Burgers = creo un circuito per controllare se c’è una dislocazione seguendo delle coordinate parallele e ortogonali tra loro, lo ricopio su un circuito perfetto, se non si chiude lo faccio con un vettore, se il vettore è nullo il materiale è privo di dislocazioni.