Corso completo di Scienza e tecnologia dei materiali

REGOLA DELLE FASI O REGOLA DI GIBBS:

V = c + n -f SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI Pagina 32

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 un 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 SOLUBILITA’

•Caratteristiche chimiche simili (polarità)

•Omogeneità MACRO e MICROSCOPICA

Es. acqua+etanolo

NESSUNA SOLUBILITA’

•Caratteristiche chimiche differenti (polarità)

•Disomogeneità MACRO e MICROSCOPICA

Es. 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

Distorsione reticolo del ferro -> lo rafforza , non scorre, non si deforma

•Solubilità completa impossibile

Solubilità casi possibili:

Immaginiamo di voler tracciare il diagramma di stato di un sistema costituito da due componenti A e B perfettamente solubili sia allo stato

liquido sia allo stato solido

Costruzione di un diagramma di fase binario

E’ 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:

1. 0% di B (A puro)

2. 30% di B

3. 60% di B

4. 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.

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funzione del tempo.

Si riscalda una miscela di A e B (30% di B) fino a liquefarla, poi si sottrae calore a velocità costante e si diagramma l’andamento della

temperatura in funzione del tempo.

Tf e Ts coincidono

Si riscalda una miscela di A e B (60% di B) fino a liquefarla, poi si sottrae calore a velocità costante e si diagramma l’andamento della

temperatura in funzione del tempo.

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

funzione del tempo.

Si uniscono i "puntini"

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Campi di equilibrio bifasico:

è possibile ricavare la composizione delle due fasi di cui il sistema si compone tracciando una linea orizzontale che incontr i i campi confinanti.

I rapporti quantitativi tra le due fasi si ottengono applicando la regola della leva:

Solubilità casi possibili :

Principali trasformazioni invarianti

B in A

α=soluto A in solvente B

β=soluto

due fasi solide, immiscibilità

α+β

>T > solubilità

E= composizione dell'eutettico

T eutettica SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI Pagina 35

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

Etettico 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)

Perlite (ferro-carbonio) lamellare o miscela meccanica lamellare

Cambiano le composizioni e i rapporti quantitativi ->

Diffusione degli atomi

Per separarsi in due direzioni opposte

Il potenziale chimico(forza spingente) accomuna le due fasi

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Meno pendente, la T scende più lentamente

Liquido-solido c'è calore che viene rilasciato

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Solido più ricco di A -> liquido si impoverisce di A

Eutettica forma le lamelle

Fase proeutettica = fase solida prima dell'eutettica, favorisce un liquido di eutettico

Fasi lapillari (accumoli solo in alcune zone) in smicelazioni in fase solida, non si possono fare grandi spostamenti

Arrotondate liquido-solido

Solubilità casi possibili:

Sempre arresto termico in totale immiscibilità trasf.eutettica

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C combinazione di A e B , si comporta come un solido puro

Solido con fusione incongruente liquido che non ha la stessa composizione di partenza

Tratti orizzontali c'è invarianza

Si smiscela pure in fase di raffreddamento

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Cambia struttura ma la composizione è la stessa

C a fusione congruente composizione del liquido stessa del solido

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Diagrammi di fase ternari

3 parallele ai 3 lati del triangolo a partire dal punto

Punto d'intersezione scale e parallele danno la composizione

Parallele al lato opposto a B -> percentuale di B

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Eutettico ternario T più bassa per avere un liquido con 3 componenti

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 durabil ità dei

metalli di interesse tecnologico (potenziale di riduzione negativo nella scala elettrochimica). Incapacità a resistere dei so lidi 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 anfot ero 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 no n

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 ra ppresentate

dalla resistenza meccanica (che comprende la resistenza a trazione, a compressione, a flessione, a torsione, a taglio), oltre che dalla

durezza e dall'elasticità.

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Quando su un corpo agisce una forza esterna, oppure una forza generata al suo interno, si possono avere diverse conseguenze i n 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 pa rti.

FRATTURA SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI Pagina 44

Materiali fragili: frattura prima della deformazione plastica

Materiali te