Corso completo di Scienza e tecnologia dei materiali

Regola delle fasi o regola di Gibbs

V = c + n - f

Scienza e tecnologia dei materiali

V = c + n - f
c = componenti chimici indipendenti
n = fattori fisici attivi
f = fasi presenti

Varianza = 2 all'interno delle aree, possono variare sia T che P. Sulle linee (coesistenza due fasi) varianza = 1, fissata la T, la P la sceglie il sistema o viceversa. Varianza 0 nel punto triplo.

Utilizzi di un diagramma di fase

Un diagramma di fase è una “mappa di equilibrio”: può essere infatti utilizzato per:

• Conoscere lo stato di un sistema dati i valori dei parametri (P, T, ecc…)
• Determinare le fasi presenti
• Calcolare le quantità relative delle fasi presenti
• Conoscere i cambiamenti che il sistema subisce se alteriamo i parametri
• Trasformazioni delle varie fasi
• Intervalli di fusione

Per descrivere un sistema binario c’è bisogno di una nuova grandezza: la composizione. In generale, quindi, i parametri sono temperatura, pressione, composizione (diagramma 3D). Nell’ambito di questo corso studieremo, però, esclusivamente equilibri liquido-solido che avvengono a pressione atmosferica: in prima (e ottima) approssimazione l’effetto della pressione può essere trascurato. Il diagramma rappresenterà quindi lo stato del sistema al variare della composizione e temperatura.

Solubilità

In un sistema composto da due sostanze è possibile che si crei una soluzione. Soluzione: è una singola fase composta da due o più sostanze.

• Componente più abbondante: solvente
• Componente meno abbondante: soluto

Il limite di solubilità definisce il massimo ammontare di soluto che può essere aggiunto al solvente. La solubilità non è sempre perfetta.

Solubilità nei liquidi

• Perfetta solubilità
  • Caratteristiche chimiche simili (polarità)
  • Omogeneità macro e microscopica
  Esempio: acqua + etanolo
• Nessuna solubilità
  • Caratteristiche chimiche differenti (polarità)
  • Disomogeneità macro e microscopica
  Esempio: acqua + olio

Solubilità nei solidi

• Soluzione solida sostituzionale
  • Similitudine in: raggi atomici, valenza, elettronegatività, struttura cristallina
• Soluzione solida interstiziale
  • Raggi atomici “compatibili”, raggio atomico del soluto capace di entrare negli interstizi
  • Possibili distorsioni reticolari (es. distorsione reticolo del ferro - lo rafforza, non scorre, non si deforma)
  • Solubilità completa impossibile

Costruzione di un diagramma di fase binario

È necessario campionare tutto l’intervallo di composizioni (100% A – 100% B). Si sceglie un certo numero di composizioni e si conducono prove di raffreddamento da fuso. Scegliamo, ad esempio, le seguenti miscele:

• 0% di B (A puro)
• 30% di B
• 60% di B
• 100% di B (B puro)

Si riscalda un campione di A puro fino a liquefarlo, poi si sottrae calore a velocità costante e si diagramma l’andamento della temperatura in funzione del tempo.

Campi di equilibrio bifasico

È possibile ricavare la composizione delle due fasi di cui il sistema si compone tracciando una linea orizzontale che incontri i campi confinanti. I rapporti quantitativi tra le due fasi si ottengono applicando la regola della leva.

Principali trasformazioni invarianti

• B in A (α = soluto)
• A in B (β = soluto)
• Due fasi solide, immiscibilità (α + β > T > solubilità) E = composizione dell'eutettico

Eutettica

T eutettica
T fusione insieme < T singoli
Eutettica: trasformazione invariante che consiste nella contemporanea separazione di due fasi solide da una fase liquida: L → S1 + S2. Nel caso specifico: L → α + β.

T eutettica arresto termico. Eutettico si comporta come un solido puro in cambiamento di fase. Invarianza 3 fasi in equilibrio arresto termico. Varianza 1, 2 fasi non c'è arresto termico. Solubilità aumenta con T - raggiunge un max - scende (curva a campana).

Proprietà dei materiali

Proprietà dei solidi

Le proprietà dei solidi, e dunque quelle dei materiali che li costituiscono, dipendono dalla loro natura chimica e dalla loro struttura (degli atomi). Quelle dei materiali dipendono anche dalla microstruttura (forma e dimensione dei grani, porosità, geometria del manufatto, più fasi del materiale etc.). Microstrutture diverse - proprietà diverse.

Proprietà chimiche

Le proprietà chimiche attengono principalmente alla loro durabilità, ed in particolare alla loro durata in esercizio in ambienti chimicamente aggressivi (acidi, basici, ossidanti,…).

• Ambienti acidi
  • Buona durabilità dei solidi ionici basati sui silicati, per il carattere sostanzialmente acido della silice.
  • Scarsa durabilità dei metalli di interesse tecnologico (potenziale di riduzione negativo nella scala elettrochimica).
  • Incapacità a resistere dei solidi ionici costituiti da ossidi basici (ad es., MgO).
• Ambienti basici
  • Buona capacità dei solidi ionici costituiti da ossidi basici (ad es., MgO).
  • Scarsa durabilità dei metalli a carattere anfotero e dei solidi ionici basati sui silicati, per il carattere sostanzialmente acido della silice.
• Ambienti ossidanti
  • Buona capacità dei solidi ionici, che non sono in genere ossidabili o richiedono comunque ambienti fortemente ossidanti.
  • Scarsa capacità dei metalli di interesse tecnologico a resistere soprattutto in ambienti umidi.

Proprietà fisiche

Le proprietà fisiche si distinguono in termiche, ottiche, elettriche etc.

Proprietà termiche

• Possibilità di transizioni di fase. Es., Sn che al di sotto di 13°C perde il suo carattere metallico e si trasforma in solido covalente.
• Calore specifico. Capacità di immagazzinare calore senza far crescere troppo la temperatura. Basso nei metalli, alto nei solidi inorganici non metallici.
• Coefficiente di dilatazione. Dipende dal tipo di legame e dalla sua intensità e dalla struttura. Alto nei metalli. Medio nei solidi inorganici non metallici.
• Conduttività termica. Come sopra. Alta nei metalli. Scarsa nei sali e ossidi, che sono isolanti.
• Resistenza agli sbalzi termici. È funzione di coefficiente di dilatazione e conduttività termica. Buona nei metalli, scadente nei silicati e negli ossidi in genere per la loro scarsa conduttività.
• Refrattarietà. Capacità di resistere ad alta temperatura, conservando le resistenze meccaniche. Buona nei solidi inorganici non metallici. È collegata alla temperatura di fusione. Non tutti i metallici sono refrattari.

Proprietà meccaniche

Le proprietà meccaniche descrivono il comportamento dei materiali quando vengono sottoposti a sollecitazioni esterne: sono rappresentate dalla resistenza meccanica (che comprende la resistenza a trazione, a compressione, a flessione, a torsione, a taglio), oltre che dalla durezza e dall'elasticità.

Quando su un corpo agisce una forza esterna, oppure una forza generata al suo interno, si possono avere diverse conseguenze in funzione di:

• Entità della forza
• Tipo di materiale: metallico, ceramico, polimerico, composito
• Geometria del corpo

Se la forza è sufficientemente piccola il corpo si deforma ma la deformazione è completamente recuperata quando viene rimossa la forza (comportamento elastico).

Problemi di fatica - anche se il materiale aveva un comportamento elastico si rompe. Aumentando la forza il corpo subisce una deformazione maggiore la quale non viene completamente recuperata al rimuovere della forza (comportamento plastico). Applicando una forza sufficientemente elevata il corpo si giunge alla frattura, cioè alla divisione del corpo in due o più parti.