Riassunto esame Scienza e tecnologia dei materiali per l'ingegneria meccanica, Prof. Galvanetto Emanuele, libro consigliato Scienza e ingegneria dei materiali, Callister , Retwisch

Definizioni e riassunti per esame tecnologia dei materiali

Struttura Cristallina

Struttura cristallina = modalità e ordine secondo la quale gli atomi , gli ioni e le molecole si

dispongono nello spazio

Reticolo = griglia tridimensionale nella quale i punti di intersezione tra le diverse linee

coincidono con i centri delle posizioni occupate dagli atomi

Cella unitaria = unità strutturale di base per la costruzione del reticolo cristallino , possono

avere diverse forme geometriche (parallepipedi, prisma ...)

Strutture cristalline dei metalli = caratterizzata dalla presenza di un gran numero di atomi e

di elevato grado di densità di compattazione degli atomi adiacenti. Alcune delle strutture piu

comuni sono: Cubica a Facce Centrate (CFC), Cubica Corpo Centrato(CCC), Esagonale Compatta

(Es.C)

Numero di coordinazione = numero di atomi immediatamente adiacenti o a contatto

Fattore di Compattazione Atomica = Rapporto tra Somma dei volumi delle sfere (4/3 pigreco

r^3) degli atomi nella cella e volume dell'intera cella unitaria (parallelepipedo o prisma che sia )

Cubica a Facce Centrate(cfc) = atomi disposti al centro di ciascuna faccia e agli spigoli del

cubo (rame,alluminio,argento,oro) . Il numero di atomi presente in ogni cella cfc è di 4 atomi. il

suo numero di coordinazione è 12 , mentre il fattore di compattazione atomica max è 0.74.

Cubica a Corpo Centrato(ccc) = una tomo situato al centro e gli altri situati agli 8 vertici del

cubo (cromo,ferro,tungsteno). Il numero di atomi presente è 2 . Il numero di coordinazione è 8 .

Fattore di compattazione atomica max è 0.68.

Esagonale compatta(es.c) = facce superiore ed inferiore costituite da 6 atomi disposti a

formare un esagono che circondano un atomo posto al centro , tra le due facce esagonali vi è un

piano intermedio ove sono situati altri 2 atomi . Il numero complessivo di atomi nel (es.c) è di 6

atomi.

Il numero di coordinazione è 12 mentre il fattore di compattazione atomica è 0.74.

(cadmio,magnesio,titanio,zinco).

Polimorfismo e Allotropia = materiali che presentano più di una struttura cristallina, nei solidi

elementari è chiamata allotropia.

Sistema cristallino = si basa sulla geometria della cella unitaria , usa un sistema di coordinate

cartesiano per individuare le posizioni in coordinate di punti o di atomi dentro la cella stessa. La

geometria della cella è individuata tramite 6 parametri reticolari che individuano a loro volta il

sistema cristallino che puo' essere (cubico,tetragonale,esagonale,ortorombico,romboedrico,

monoclino, triclino).

Parametro reticolare = sono 6 parametri a,b,c (lunghezza spigoli) alpha beta e gamma (angoli

tra gli assi)

Monocristallino = solido cristallino in cui gli atomi sono perfettamente ordinati secondo una

ripetizione periodica che si estende all'intero campione senza interruzione

Policristallini = solidi cristallini costituiti da un insieme di piccoli cristalli detti grani . Essi si

formano durante la solidificazione , si formano piccoli cristalli o nuclei in posizioni diverse e

sparse . I nuclei crescono diventando piccoli grani e quando il processo di solidificazione si sta

bordi di grano

per completare ,le estremità dei grani adiacenti si urtano e si vengono a formare i

.

Anisotropia = si definisce un materiale anisotropo quando le sue proprietà (modulo elastico,

conduttività termica o elettrica,indice di rifrazione..) hanno valori differenti in base alle direzioni

cristallografica. Per i materiali le cui proprietà sono indipendenti dalla direzione cristallografica si

isotropi.

dice che sono

Diffrazione a raggi x = la diffrazione si verifica quando un'onda incontra una serie di ostacoli a

intervalli regolari che sono in grado di diffondere l'onda e sono separati da distanze di entità

comparabile alla lunghezza d'onda del raggio incidente. La diffrazione è quindi l'effetto di

variazioni di intensità nelle diverse direzioni dovute a effetti di interferenza. si dice che si ha un

di diffrazione con mutuo rafforzamento

fenomeno quando si diffondono sul materiale due onde e

escono dal materiale con stessa fase , ma ampiezza maggiore delle singole (si possono

sommare).

Puoò succedere il fenomeno oppsto ( fase diversa e ampiezza piu piccola) e si dice che le onde

interferiscono ditruttivamente. naturalmente si può avere situazioni intermedie e quindi

rafforzamenti parziali.

Legge di Bragg =Facendo incidere un'opportuna onda elettromagnetica su di un cristallo si

osservano fenomeni di interferenza, causati dalla riflessione di onde da parte di piani cristallini

diversi ma paralleli. Questo fenomeno fu interpretato per la prima volta da William Henry Bragg e

suo figlio William Lawrence nel 1913 e riassunto nella cosiddetta legge di Bragg.

Tecniche di diffrazione = il metodo principale è il metodo delle polveri, in questa tecnica

viene utilizzato un campione ridotto in polvere , ottenendo cosi un orientamento csuale di

molti cristalli , tale da garantire che alcune delle particelle siano orientate rispetto al fascio di

raggi x in modo tale da consentire le condizione di diffrazione previste dalla legge di Bragg. le

diffrattometri.

indagini vengono realizzate usando dei

Imperfezioni nei solidi

Imperfezioni = vari difetti del reticolo cristallino di varia natura, poiche molte proprietà dei

materiali sono sensibili alle deviazioni della perfezione cristallina. l'effetto delle imperfezioni non

è sempre negativo e si possono ottenere determinate caratteristiche del materiale

aggiungendone una quantita definita volutamente. le imperfezioni possono essere suddivise in :

difetti puntuali, difetti lineari, difetti interfacciali (bordi dei grani), impurezze nei

solidi.

Difetto cristallino = irregolarità del reticolo che abbia una o piu delle dimensioni dell'ordine di

un

diametro atomico.

Difetti puntuali :

Vacanze = sito vacante del reticolo cristallino, un posto normalmente occupato da un atomo . il

numero di vacanze al variare della temperatura aumenta e si ricava con una equazione in cui

appare la costante di bolzmann (costante dei gas). Infatti il numero di vacanze cresce

esponenzialmente con la temperatura.

Autointerstiziale = è un atomo del cristallo che si trova stipato in un sito interstiziale , ovvero

un piccolo spazio vuoto che normalmente non viene occupato. Nei metalli questo porta a una

distorzione notevole dato che l'atomo è piu grande del posto che va ad occupare. si trovano in

quantità molto minore rispetto alle vacanze.

Lega e Alligazione = le leghe sono materiali costituiti, oltre che dal metallo di base, anche da

atomi di impurezze aggiunte intenzionalmente. l'alligazione di solito viene eseguita per

migliorare la resistenza meccanica e la resistenza a corrosione . Al crearsi di una lega , si ottiene

solvente

una soluzione solida composta da più fasi , in cui è presente un solvente e un soluto . Il

Soluto

è la componente presente in maggiore quantita che ospiterà il soluto. Il è l'elemento o

composto presente in concentrazione minore .

Soluzione solida sostituzionale = soluzione in cui gli atomi di impurezze vanno a sostituire gli

fattore di dimensione

atomi ospitanti. Per far si che avvenga devono rispettare dei requisiti :

atomica(raggio atomico di dimensioni simili) , stessa struttra cristallina, elettronegatività,

valenza.

Soluzione solida interstiziale = gli atomi di impurezza riempiono i vuoti e gli interstizi presenti tra

gli atomi ospitanti. Nei metalli il raggio atomico delle impurezze deve essere molto piccolo poichè

i metalli hanno un elevato impacchettamento. Anche gli atomi di impurezza interstiziali creano

deformazioni poichè sono quasi sempre più grandi dello spazio occupato.

Dislocazioni e Difetti lineari :

Dislocazioni (a spigolo, a vite e mista) = una dislocazione è un difetto lineare o

monodimensionale intorno a cui gli atomi sono fuori posto (delocalizzati) rispetto alle posizioni

che dovrebbero avere nel reticolo . Esse si formano durante la solidificazione , durante una

deformazione plastica o in conseguenza di stress termici dovuti a un rapido raffreddamento.

Dislocazione a spigolo = Nella dislocazione a spigolo, una porzione del reticolo, delimitata da un

piano detto piano di scorrimento, scorre sulla porzione sottostante secondo una direzione

parallela al piano. Le distorzioni del reticolo si localizzano entro una determinata area, intorno all'

asse di dislocazione. gli atomi soprastanti all'asse si comprimono , mentre quelli sottostanti sono

sollecitati a trazione .Questo si traduce in una leggera flessione dei piani paralleli adiacenti .

La dislocazione a spigolo può anche essere formata da un semipiano aggiuntivo.

Dislocazione a vite = può essere immaginata come ottenuta da uno sforzo di taglio che

determina una distorzione in cui la regione superiore anteriore del metallo risulta slittata di una

distanza interatomica verso una direzione rispetto alla porzione inferiore.

il nome di tale dislocazione deriva dal percorso a spirale o elicoidale della rampa che si deve

seguire girando sui piani atomici intorno all'asse di dislocazione.

Dislocazione mista = dislocazione piu probabile formata da entrambe le dislocazioni a spigolo e a

vite , la cui distorzione del reticolo prende entrambe le caratteristiche.

Vettore di Burgers = esprime l'ampiezza e la direzione della distorzione del reticolo cristallino

associate a una dislocazione. in una dislocazione a spigolo , vettore di burgers e asse di

dislocazione sono tra loro perpendicolari, mentre con la dislocazione a vite sono paralleli.

Difetti interfacciali

i difetti interfacciali sono aree di confine (principalmente a 2 dimensioni) che separano regioni di

materiali che hanno differente struttura cristallina e/o differente orientazione cristallografica.

superfici esterne, bordi dei grani, superfici di separazione di fase, piani di

Esse possono essere :

geminazione , difetti di impilaggio.

=

Superfici esterne superficie in cui termina la struttura del cristallo e in cui si ha una strato

energetico piu alto poiche gli atomi non hanno completato i loro legami .

i materiali per ridurre questa energia superficiale tendono a ridurre ,se possibile, la loro

superficie totale , per esempio i liquidi assumono configurazioni caratterizzate da minima area ,

cosa non possibile per i solidi che sono rigidi.

Bordi dei grani = confine che separa due grani o piccoli cristalli che hanno una differente

orientazione cristallografica. Nella regione di confine , larga probabilmente qualche distanza

interatomica , vi sono disposti atomi in modo irregolare , che assumono orientazioni intermedie

tra i grani adiacenti. bordi di grano a piccolo angolo

quando questo disallineamento è limitato a pochi gradi si parla di

. Essi possono essere descritti in termini di insiemi di dislocazioni , infatti spesso vengono formati

bordo inclinato

quando dislocazioni a spigolo si allineano e prendono il nome di .

bordo ruotato

Il invece viene costituito da dislocazioni a vite .

I bordi di grano sono chimicamente piu reattivi come e per lo stesso motivo delle superfici

esterne, per questo gli atomi di impurezze spesso si insidiano spesso lungo questi bordi.

L'energia interfacciale è piu bassa nei bordi delle grane grandi piuttosto che in quelle piccole .

Malgrado questa disposizione disordinata , i materiali policristallini che hanno questi difetti ,

hanno comunque un'elevata resistenza grazie a forze coesive sia all'interno del grano che

all'esterno.

Confini tra fasi = esistono tra materiali multifasici, laddove esiste una separazione tra due fasi

differenti. Essi giocano un ruolo importante nella determinazione di alcune proprietà meccaniche

nelle leghe metalliche multifase.

Piano Geminato = un piano geminato è un particolare bordo di grano determinato da una

particolare simmetria speculare delnreticolo cristallino . Esso è causato da particolari sforzi

meccanici di taglio applicati per esempio durante la ricottura dei metalli in caso di deformazione

plastica.

Catalizzatori = un catalizzatore è una sostanza che aumenta la velocità di una reazione chimica ,

senza prenderne parte , e quindi senza essere consumata . In un catalizzatore solido molecole di

reagenti in fase gassosa o liquida , vengono adsorbiti sulla superficie del catalizzatore su cui

avvengono delle particolari interazioni che favoriscono un aumento della velocità di reazione . i

siti di adsorbimento sono di solito difetti di superficie dei piani atomici .

Diffusione

Diffusione = fenomeno di trasporto di materiale tramite movimento di atomi. Su scala atomica

la diffusione consiste nella graduale migrazioni di atomi da una posizione reticolare a un altra.

Per poter avvenire questa migrazione devono essere soddisfatte delle condizioni , ovvero vi deve

essere una posizione adiacente vuota e gli atomi devono avere sufficiente energia per spostarsi e

vincere i legami degli atomi vicini e creare delle distorsioni reticolari nello spostamento. In natura

questa energia è quella vibrazionale, infatti a una determinata temperatura piccole frazioni di

atomi sono in grado di avere movimenti diffusivi.

Questo fenomeno può essere dimostrato considerando una coppia di diffusione (rame -nichel) ,

unendo due barre di metallo differenti in modo che abbiano due facce a contatto. Scaldando

questa coppia fin sotto la temperatura di fusione per un certo tempo, e poi raffreddandola a

temperatura ambiente ,si ottiene un fenomeno , che analizzandolo chimicamente risulta che la

concentrazione dei due metalli varia con la posizione in relazione alla regione di contatto, ovvero

significa che gli atomi di rame si sono diffusi nel nichel e vicversa . Il fenomeno per cui due

interdiffusione o diffusione di impurezze.

metalli si diffondono l'un nell'altro si chiama anche autodiffusione.

La diffusione che avviene nei metalli puri si chiama

Meccanismi di diffusione :

Diffusione per vacanze = interscambio di un atomo da una posizione normale a una posizione

vacante adiacente del reticolo. Questo implica che siano presenti delle vacanze nel reticolo.

Naturalmente dove si ha atomi che occupano vacanze , dall'altra parte si ha creazione di

vacanze ove prima erano presenti atomi che si sono diffusi.

Diffusione interstiziale = atomi che migrano da una posizione interstiziale a un'altra adiacente

vuota. Questo meccanismo è tipico per interdiffusioni di impurezze come idrogeno, azoto,

carbonio e ossigeno che sono abbastanza piccoli per occupare spazi di interstizione.

Diffusione interstiziale è piu rapida dal fatto che gli atomi che si muovono nelle interstizioni

hanno piu mobilità essendo piu piccoli.

Diffusione stazionaria :

la diffusione è un processo che dipende dal tempo e questo ci porta a dover conoscere particolari

concetti :

Flusso di diffusione = Rapidità con cui una determinata quantità di materiale si trasferisce.

Esso è definito come la massa M che diffonde, nell'unità di tempo, attraverso una sezione di un

solido di area unitaria in modo perpendicolare alla superficie.

Diffusione Stazionaria = se il flusso di diffusione non varia nel tempo , si parla di condizione

stazionaria . Un esempio comune è la diffusione di atomi di un gas attraverso una lamina di

metallo, in cui le concentrazioni delle specie che si diffondano sono mantenute costanti su

entrambi le superfici.

Profilo di concentrazione = curva ottenuta riportando in un diagramma la concentrazione C in

x GRADIENTE DI

funzione della posizione all'interno del solido . La pendenza di tale curva è detta

CONCENTRAZIONE (derivata posizionale della concentrazione C , dC/dx )

Prima Legge Di Fick = Espressione analitica della diffusione stazionaria . Ci dice che il Flusso di

Diffusione è proporzionale ( o meglio inversamente proporzionale) al gradiente di

concentrazione:

dove D = coefficiente di Diffusione (m^2/s)

Diffusione non stazionaria :

è la situazione piu frequente e vuol dire che il flusso di diffusione e il gradiente di concentrazione

variano nel tempo , portando a un accumulo o un impoverimento delle specie che diffondono.

Per questo tipo di situazione si usa un'ulteriore equazione alle derivate parziali:

Seconda Legge di Fick = le soluzioni di questa equazione (concentrazione in funzione sia della

posizione che del tempo ) sono possibili solo se specificate le condizioni al contorno.

da un punto di vista pratico si ottiene una soluzione importante se si

considera un solido semi-infinito in cui la concentrazione alla superficie è mantenuta

costante.

inoltre devono essre fatte le seguenti assunzioni

1 Prima della diffusione gli atomi di soluto che diffonderanno , sono uniformemente

distribuiti nel solido e hanno concentrazione pari a C 0

x

2 Il valore di alla superficie è zero e cresce con la distanza procedendo verso l'interno del

solido

3 Il tempo è zero un istante prima che abbia inizio il processo di diffusione

Pertanto le condizioni al contorno saranno così stabilite:

x

per t=0 , C = C a 0 ≤ ≤∞

· 0

per t > 0, C= C (concentrazione superficiale costante) a x = 0

· s

per t > 0 , C= C a x = ∞

· 0

Tali condizioni portano alla seguente

soluzione:

dove C rappresenta la concentrazione alla profondità x e a tempo t .

x

l’espressione erf(x/2√Dt) è la funzione di errore Gaussiana. I cui valori sono riportati in una

tabella.

È pertanto possibile determinare C essendo una funzione del parametro adimensionale

x ,

(x/2√Dt), per ogni tempo e posizione una volta noti i parametri C , C , e D.

s

0

Fattori che influenzano al diffusione:

Specie che Diffondono = il valore del coefficiente D è indicativo della velocità con cui

diffondono gli atomi.

I coeff. Di diffusione dipendono sia dal materiale che si diffonde sia da quello che lo ospita.

Temperatura = essa ha una profonda influenza sulla velocità e sul coefficiente di diffusione .

La dipendenza della temperatura del coefficiente di

diffusione &egr