Appunti lezioni 9 e 10 Tecnologia dei materiali

A.A. 2021/22 TECNOLOGIA DEI MATERIALI

Definizioni e concetti di base

Componente sono i metalli puri e/o i composti di cui una lega è formata (es. lega Cu-

Zn, i componenti sono Cu e Zn);

Soluto e solvente

Soluzione solida formata da atomi di almeno due tipi dove gli atomi di soluto

occupano nel reticolo cristallino del solvente posizioni interstiziali o sostituzionali e viene

mantenuta la struttura cristallina del solvente;

Limite di solubilità concentrazione massima di atomi di soluto che possono venire

disciolti nel solvente per formare una soluzione solida. Laggiunta di ulteriore soluto oltre

questo limite dà luogo alla formazione di un altra soluzione solida o composto con una

composizione molto differente. 4

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Esempio sistema acqua-zucchero 5

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Definizione e concetti di base/

Fase

Fase porzione omogenea del sistema che ha caratteristiche chimiche e fisiche uniformi. Es.

soluzione di sciroppo acqua-zucchero è una fase, lo zucchero solido è un altra fase. Inoltre hanno

anche diversa composizione chimica (zucchero puro e soluzione).

Se in un sistema è presente più di una fase, ciascuna avrà proprietà ben definite ed esisterà una

superficie di separazione tra le fasi attraverso cui si avrà un repentino cambiamento delle caratteristiche

chimiche e/o fisiche.

Quando in un sistema sono presenti due fasi non è necessario che vi sia differenza sia nelle proprietà

chimiche che fisiche ma è sufficiente che vi sia disparità solo per uno o per l altro gruppo di proprietà.

(es. acqua e ghiaccio o stesso materiale con due strutture cristalline ccc e cfc)

Sistema omogeneo monofasico, sistema eterogeneo o miscela più fasi 6

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Definizione e concetti di base/

Fase

Microstruttura nelle leghe è

caratterizzata dal numero delle fasi

presenti, dalla loro quantità relativa e dal

modo in cui sono distribuite e disposte.

La microstruttura dipende da diversi

elementi come, la presenza di elementi di

lega, la loro concentrazione e il trattamento

termico della lega (temperatura raggiunta,

durata del soggiorno a quella temperatura e

la velocità di raffreddamento fino alla temp.

ambiente) 7

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Definizione e concetti di base

Equilibrio - può essere descritto in termini di energia libera L energia libera è funzione

dell energia interna di un sistema e della casuale disposizione degli atomi e delle molecole

A determinate condizioni di temperatura, pressione e composizione, un sistema è in equilibrio

se la sua energia è al minimo, ovvero le caratteristiche del sistema si mantengono in un tempo

indefinito e il sistema è stabile.

Un cambiamento di temperatura, pressione o composizione porterà ad un aumento di energia

libera e quindi ad un possibile cambiamento per riportare il sistema in un altro stato in cui

l energia libera sia più bassa 8

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Definizione e concetti di base

Equilibrio di fase equilibrio applicato ai sistemi in cui può esistere più di

una fase costanza nel tempo delle caratteristiche delle fasi di un sistema.

Accade spesso nei sistemi solidi che uno stato di equilibrio stabile non sia mai

raggiunto perché la velocità di avvicinamento all equilibrio è estremamente

bassa sistema metastabile che comunque può mantenersi in un tempo

indefinito (variazioni impercettibili).

Non è importante conoscere solo gli stati di equilibrio ma occorre conoscere

anche la velocità con cui si stabiliscono e i fattori che influiscono sulla velocità.

Periodo di tempo necessario al conseguimento di un nuovo stato di equilibrio. 9

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Leghe / Introduzione

Molto spesso i materiali metallici impiegati sono costituiti da miscele o

leghe di due o più metalli o, in alcuni casi, di metalli ed elementi non

metallici. La solidificazione delle leghe risulta differente da quella dei

materiali metallici puri.

Tranne in pochi casi particolari, i componenti di una lega sono

perfettamente miscibili allo stato fuso.

A temperatura sufficientemente elevata, la lega è costituita da un liquido

omogeneo che contiene in ogni elemento di volume atomi dei due

metalli. 10

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Curva di raffreddamento: sostanza pura 11

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Analisi termica per diverse composizioni di lega

12

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Leghe binarie/ Diagrammi di fase di equilibrio

I diagrammi di fase ci aiutano a

prevedere trasformazioni di fase e

le microstrutture conseguenti che

possono essere di equilibrio o non liquido

di equilibrio. Temperatura Temperatura

I diagrammi di fase rappresentano

le relazioni tra: solido

temperatura

composizione 100% Composizione

100%

n mero delle fa i all eq ilibrio Ni Cu 14

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Leghe binarie/ Diagrammi di fase di equilibrio Cu-Ni

Dal diagramma si osservano tre regioni di fase:

Il liquido L è una soluzione liquida omogenea di

• Cu e Ni.

L La fase è una soluzione solida formata sia da

• Cu che Ni con struttura cristallina CFC.

L+ è una regione bifasica

•

Le due curve rappresentano:

α +L curva del liquidus (punti rappresentativi delle

• temperature di inizio solidificazione)

α curva del solidus (punti rappresentativi delle

• temperature di fine solidificazione)

Al di sotto di 1080° Cu e Ni sono mutuamente

solubili l no nell al ro per tutte le composizioni

sistema isomorfo 15

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Leghe binarie/ Diagrammi di fase di equilibrio Cu-Ni

La curva che separa la fase liquida L dal

campo bifasico L+ viene chiamata

curva di liquidus la fase liquida è

L presente a tutte le temperature e le

composizioni al di sopra di questa curva.

La curva di solidus è situata tra le

regioni e +L al di sotto della quale

α +L esiste solo la fase solida.

Le curve di solidus e liquidus si

α intercettano alle due estremità della

composizione. Queste corrispondono alle

temperature di fusione dei due

componenti puri (0%Ni->100%Cu o

100%Ni->0%Cu). 16

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Diagramma di stato dalle curve di

raffreddamento per leghe isomorfe 17

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Leghe binarie/ Diagrammi di fase di

equilibrio La trasformazione solido-liquido si

verifica alla temperatura di fusione.

L Per ogni composizione diversa da quella

dei componenti puri, questo fenomeno di

fusione si verifica nell intervallo di

temperatura compreso tra le curve di

solidus e di liquidus.

α +L α Per le leghe metalliche le soluzioni

solide vengono indicate con le lettere

greche minuscole. 18

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Interpretazione dei diagrammi di fase

Per un sistema binario di composizione

nota e temperatura all equilibrio, sono

disponibili tre tipi di informazioni:

1. Le fasi presenti

2. La loro composizione

3. La loro quantità in

percentuale o in frazione

Localizzare il punto

temperatura-composizione

sul diagramma 19

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Interpretazione diagrammi di fase/

Fasi presenti

Si localizza esattamente il punto

temperatura-composizione e si L

osserva la/le fasi corrispondenti alla

regione di fase individuata.

Es. lega composizione 60% Ni 40%

Cu a 1100°C viene localizzata in α +L

corrispondenza del punto A e

poiché si trova all interno della α

regione α è presente solo la fase α. 20

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Interpretazione diagrammi di fase/

Composizione delle fasi

Regione monofasica:

Se è presente solo una fase, la

composizione della fase è pari alla

composizione globale della lega a quella

temperatura

(es. lega 60% Ni e 40%Cu a 1100°C sola

fase α con composizione 60&Ni e 40%Cu)

Regione bifasica 21

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Interpretazione diagrammi di fase/

Composizione delle fasi- Regione bifasica

Localizzare il punto temperatura-composizione sul diagramma

Se ci troviamo in una regione bifasica,

viene tracciata una linea

corrispondente alla temperatura della

lega

1. Vengono annotate le intersezioni della linea

corrispondente ai bordi delle fasi su entrambi

i lati

2. Vengono tracciate le perpendicolari a queste

intersezioni sull asse delle ascisse su cui viene

letta la composizione relativa a ciascuna fase

presente.

Es. lega 35% Ni e 65% Cu a 1250°C (punto B)

all interno della regione α+L. il problema è

determinare la composizione % di Cu e Ni per

entrambe le fasi.

C(L) = 31.5% Ni e 68.5% di Cu

C(α) = 42.5% Ni e 57.5% Cu 22

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Interpretazione diagrammi di fase/

determinazione della quantità delle fasi

Localizzare il punto temperatura-

composizione sul diagramma

Regione monofasica:

Dal momento che è presente una sola fase, la

lega è formata interamente da quella fase in

una percentuale del 100%

Regione bifasica: regola della leva

1. Alla temperatura della lega si traccia la linea

corrispondente

2. La frazione di una fase viene calcolata

prendendo la lunghezza della linea tracciata

dal punto di composizione globale della lega

alla curva limite di fase dell altra fase e

dividendo per la lunghezza totale della linea

corrispondente

3. La frazione dell altra fase viene determinata

allo stesso modo 23

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Interpretazione diagrammi di fase/

Determinazione delle quantità -Regione bifasica- Regola della leva

Es. lega 35% Ni e 65%Cu a 1250°C

Calcolare le frazioni di ciascuna fase

presente.

La linea corrispondente è la stessa tracciata per

la determinazione delle composizioni delle fasi

Si individui lungo tale linea il punto della

composizione globale della lega c0 e indicando

le frazioni di massa con WL e Wa per le

rispettive fasi.

WL=S/R+S o, per sottrazione di composizioni:

WL=Ca-C0/Ca-CL

Per una lega binaria si deve specificare la

composizione con un solo costituente, es in

questo caso si può usare la % in peso del nichel:

WL= 42.5-35/42.5-31.5 =0.68

Wa=C0-CL/Ca-CL= 35-31.5/42.5-31.5=0.32 24

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Interpretazione diagrammi di fase/

Riassunto

Per un sistema binario di composizione nota e temperatura

all equ