Appunti Metallurgia

Esistono diversi tipi di materiali, tra cui:

• Metalli: Ci concentriamo sui metalli, formati da un legame metallico e caratterizzati da

una microstruttura a grani cristallini. I vantaggi principali dei metalli includono la loro

resistenza meccanica, duttilità (la capacità di deformarsi mantenendo la nuova forma) e

conducibilità termica ed elettrica. Tuttavia, i metalli presentano anche svantaggi, come

la corrosione, la possibilità di frattura del materiale e la fatica, specialmente quando una

sollecitazione non è costante, come nel caso di un ponte.

• Polimeri: I polimeri, che hanno una densità minore rispetto ai metalli, sono caratterizzati

da legami covalenti e una microstruttura composta da catene molecolari (gli elementi

principali di queste catene sono carbonio, ossigeno e idrogeno). I vantaggi Rispetto ai

metalli, i polimeri sono più leggeri, economici e resistenti alla corrosione, e fungono

anche da isolanti. Gli svantaggi includono una bassa resistenza e rigidezza, e sono

inoltre soggetti a creep (quando un carico applicato a temperature elevate provoca una

deformazione, fenomeno noto come "Creep").

• Ceramiche/Vetri: Le ceramiche sono formate da legami ionici, mentre i vetri da legami

covalenti. La loro microstruttura può essere formata da grani cristallini o essere amorfa

(struttura tipica dei vetri, con una composizione non ordinata). Presentano diversi

vantaggi, come la durezza, rigidità e proprietà refrattarie (resistenza a temperature

elevate e corrosive). Il loro principale svantaggio è la fragilità, in quanto non si

deformano plasticamente e raggiungono rapidamente il punto di rottura.

Ognuno di questi materiali si differenzia per alcune proprietà di base:

Duttilità

o Fragilità

o Rigidità.

o

È importante sottolineare che la struttura e le proprietà di un materiale dipendono

fortemente dalla natura dei legami atomici.

I principali Legami Atomici sono:

• Legame Ionico: Presente nei composti formati dall’unione di un metallo e di un non

metallo. •

• Legame Covalente: Si stabilisce attraverso la condivisione di alcuni elettroni da parte

di atomi adiacenti e si trova solitamente nei polimeri, nel diamante e nel silicio.

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• Legame Metallico: Prevede una condivisione di elettroni da parte di più atomi.

Proprio per la struttura con elettroni liberi, i metalli sono buoni conduttori termici ed

elettrici e presentano una buona duttilità perché il legame metallico è non direzionale,

al contrario di quello covalente.

Reticolo Cristallino: I solidi possono essere classificati, in base alla regolarità e allo spazio in:

• Solidi Cristallini (possiedono un reticolo cristallino)

• Solidi Amorfi (mancano di un ordine a lungo raggio)

• Solidi a Struttura Mista

Possiamo anche classificare i vari tipi di reticoli in:

• Monocristallini: Dove molte cellule cristalline si orientano nello stesso modo per

formare monocristalli.

• Policristallini: Dove molte celle cristalline crescono e si orientano in modo casuale.

In generale, i materiali cristallini sono policristallini. I metalli, in particolare, formano

strutture cristalline e nella loro descrizione, gli atomi sono considerati sfere rigide con un

diametro definito. Abbiamo visto due tipi di modelli:

• Modello delle sfere rigide, che considera gli atomi come sfere in contatto le une con le

altre.

• Modello delle sfere ridotte, che considera gli atomi come punti coincidenti con la loro

posizione centrale.

Le strutture più comuni per i metalli sono tre:

• Reticolo cubico a facce centrate

• Reticolo cubico a corpo centrato

• Reticolo esagonale compatto 1

Nella maggior parte dei casi, le strutture cristalline dei metalli sono molto dense. Per

deformare i reticoli cristallini, gli atomi scorrono lungo alcuni piani e direzioni

preferenziali, che sono quelle a maggiore densità atomica. È importante sottolineare che, a

parità di volume, più atomi sono presenti, più il materiale è duttile.

Difetti Reticolari: Nei reticoli cristallini sono talvolta presenti difetti reticolari, che sono un

fattore di disturbo della periodicità tridimensionale dell’atomo e influenzano le proprietà

dei metalli. Abbiamo visto tre principali difetti reticolari:

Difetti di Punto: Questo difetto è di due tipi:

• vacanza reticolare (mancanza di un atomo nel reticolo)

• atomo auto-interstiziale (un atomo che si trova in uno spazio del reticolo

• cristallino che normalmente dovrebbe essere vuoto).

Difetti di Linea: Il difetto di linea più importante è la dislocazione, ovvero l’esistenza

• nel reticolo di un piano di dislocazione che deforma il reticolo. Il movimento delle

dislocazioni, causato dall’azione di sforzi, provoca lo spostamento di piani e produce

una deformazione plastica. Il trattamento termico serve per ostacolare il movimento

dei piani e rendere il materiale più resistente.

Difetti di Superficie: I più importanti sono i bordi di grano, che rappresentano il

• contorno dei vari grani formatisi durante la solidificazione del metallo e rappresentano

la separazione tra due o più grani. 2

In questi punti, gli atomi hanno legami meno regolari e queste sono zone

chimicamente reattive, ovvero reagiscono più velocemente, ad esempio, alla

corrosione, i bordi di grano influenzano le proprietà del metallo in vari modi:

La diffusione degli atomi a bordo grano è più veloce che all’interno.

• Il punto di fusione del bordo è minore di quello del grano.

• Le impurezze sono concentrate sul bordo grano.

• A temperature non elevate, il bordo grano ha maggiore resistenza rispetto al grano.

• A temperature elevate, il bordo grano ha minore resistenza rispetto al grano.

•

Nelle soluzioni metalliche troviamo spesso soluzioni allo stato solido. In questo caso, da un

punto di vista macroscopico, la miscela è omogenea, mentre dal punto di vista chimico è

eterogenea.

Abbiamo esaminato due tipi di Soluzioni solide:

1. Sostituzionali: La struttura cristallina rimane inalterata, mentre le dimensioni di ogni

singola cella unitaria aumentano con l'aumentare del soluto.

2. Interstiziali: Gli atomi del soluto sono abbastanza piccoli da poter occupare i vuoti tra

gli atomi del reticolo cristallino del solvente. Non sempre l’aggiunta di atomi porta

vantaggi al metallo; ad esempio, l’idrogeno è un atomo molto piccolo che può spostarsi

nel reticolo dei metalli, indebolendoli.

--Lezione 2--

Solidificazione: In molti casi, i metalli e le leghe sono prodotti attraverso processi che

avvengono al di sopra della temperatura di fusione, ovvero quando il metallo è allo stato

liquido. Quando la temperatura del metallo scende al di sotto della temperatura di

fusione, esso solidifica. Per creare oggetti in metallo, questo deve essere colato in uno stampo,

e i pezzi ottenuti si chiamano oggetti. La solidificazione è la prima trasformazione che

determina la microstruttura e le proprietà di un metallo, è un fenomeno esotermico ed è

fortemente condizionato da fenomeni di trasporto di massa ed energia.

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