Risposte domande di autovalutazione del corso di Tecnologia dei materiali

S G;

derivare) l’entropia di mescolamento e suo ruolo nella formazione di soluzioni; soluzioni ideali, calcolo di e

legge di Raoult].

È difficile perché l’aumento di entropia dovuto al mescolamento delle due sostanze è elevatissima e dunque per due

sostanze (indipendentemente dalla fase), anche se sono molto poco solubili l’una nell’altra, è energeticamente

sconveniente per entrambe restare completamente pure.

46. Processi di fusione e di vaporizzazione. Descrizione termodinamica. Che relazione c’è tra variazioni di pressione,

temperatura e volume? [Suggerimenti: descrivere l’andamento di G nei processi di trasformazione (ad esempio, nella

V>0 V<0].

fusione); derivare l'equazione di Clausius-Clapeyron; esempi di applicazione, casi con e

La fusione e la vaporizzazione sono processi che avvengono quando le condizioni a cui è sottoposto il sistema rendono

più energeticamente il cambiamento di fase tramite tali processi. Un parametro importante, ad esempio, è la

temperatura: se (a una certa pressione) la temperatura del sistema è superiore alla temperatura di fusione, per il

sistema sarà energeticamente conveniente fondere e passare alla fase liquida. Tale trasformazione dunque ridurrà

l’energia libera del sistema.

Se la temperatura invece coincide con la temperatura di fusione, per piccole variazioni di energia (date da piccoli

cambiamenti nei parametri, temperatura e pressione) attorno a quel punto è possibile ricavare la cosiddetta

equazione di Clausius-Clapeyron:

= (, )

= → =

̅ ̅:

̅ ̅

= ( ) + ( ) = − ← : ;

̅ ̅ ∆̅

(̅ ̅ ∆̅

) ( )

= ⟹ − = − ⟹ =

22

̅

∆

∆̅ ̅ ̅

̅

= 0 = ∆ − ∆ → ∆ =

In condizioni di equilibrio:

̅ ̅

∆̅ ∆ ∆

1

⟹ = = = ∗ ← . −

∆̅ ∆̅ ∆̅

̅ ∆̅

∆

dove è il calore latente, è la variazione di volume del materiale prima e dopo la trasformazione di fase e è

la temperatura di fusione.

Questa formula può essere utilizzata ad esempio per determinare la pressione necessaria a far fondere un materiale

ad una data temperatura.

In particolare, il segno della variazione di temperatura dipende dal segno della pressione e dal segno della variazione

di volume e viceversa per la variazione di pressione, in quanto tutti gli altri termini sono positivi. Dunque, se il segno

di variazione del volume di una sostanza è negativo (es. acqua) la temperatura di trasformazione solido-liquido

diminuisce all’aumentare della pressione, viceversa se la variazione di volume è positiva, la temperatura di

trasformazione solido-liquido aumenta all’aumentare della pressione.

47. Come si valuta l'effetto di una variazione di pressione sulla temperatura di trasformazione di fase (polimorfa, fusione,

etc.)? [Suggerimenti: disegnare le curve di G in funzione di T per le due fasi in questione (due polimorfi, solido-liquido,

V>0 V<0].

ecc.); derivare l'equazione di Clausius-Clapeyron e formulare esempi di applicazione: casi con e

Vedi domanda 46.

48. Cosa si intende per microstruttura eutettica? Illustrare con esempi di diagrammi di fase. Come si può agire per variare

la finezza della microstruttura eutettica? Quale processo fisico è determinante in questo ambito? Spiegare.

[Suggerimenti: graficare un tipico diagramma con eutettico e disegnare le microstrutture, per diverse composizioni e

a diverse temperature; identificare la composizione e descrivere la reazione eutettica; discutere il ruolo della

diffusione nei fenomeni di smescolamento; esempi di diagrammi eutettici ed eutettoidi; effetto della velocità di

raffreddamento sulla finezza della microstruttura].

Esempio per sistema Pb-Sn:

La microstruttura del solido che risulta dalla trasformazione eutettica è formata da lamine alternate (o lamelle) delle

fasi e che si formano simultaneamente durante la trasformazione. Questa microstruttura viene chiamata struttura

eutettica.

La struttura eutettica si forma direttamente quando un sistema in fase liquida ha composizione eutettica e

raffreddandolo si raggiunge e si scende sotto la temperatura eutettica. Se invece la concentrazione non coincide con

+ )

quella eutettica raffreddando la fase liquida al di sotto della curva di liquidus si entra nella regione ( dove si

,

avrà la formazione e crescita di nuclei di fase solida detta primaria. Per ulteriori raffreddamenti al raggiungimento

della temperatura eutettica la fase liquida rimanente (che ha composizione eutettica, in quanto “l’eccesso” di Pb è

stato “consumato” dalla fase primaria) si trasforma nella struttura eutettica (come detto prima, struttura a lamelle

)

alternate di fase solida e “attorno” ai grani di fase primaria precedentemente formati. La fase e presenti

nella struttura eutettica, per differenziare dalla fase primaria, si dicono fase e eutettici. 23

Il processo fisico determinante per cui si viene a formare questa struttura è la diffusione, che dal punto di vista cinetico

avviene in modo molto più efficiente formando ampie interfacce tra una fase e l’altra ottimizzando il flusso degli atomi

di stagno e piombo.

Si può variare la finezza della microstruttura eutettica variando la velocità di raffreddamento.

49. Diagramma di fase Fe-Fe3C: descrivere i dettagli del diagramma (regione a bassa % di C) e spiegarne l'impiego in

relazione ai processi tecnologici riguardanti produzione, lavorazione e impiego degli acciai. [Suggerimenti: disegnare

 ,

il diagramma Fe-Fe3C con dettagli per le fasi e eutettoide, max solubilità del carbonio; possibilmente completare



con la regione di alta temperatura (fase e peritettico) e ad alto contenuto di carbonio (eutettico delle ghise);

microstrutture eutettoidi (ipo- ed iper-eutettoidici); in che modo è collegata la solubilità del carbonio alla struttura

cristallina del ferro?]. Vedi domanda 7 e 8.

Il diagramma di fase serve a capire come ottenere

determinate strutture all’interno, ad esempio, dell’acciaio a

seconda della temperatura (riscaldando e raffreddando il

sistema) e della concentrazione di carbonio. Ad esempio, per

produrre un acciaio eutettico si realizza a temperature

superiori alla trasformazione eutettoide (727°C) una

soluzione con 0,76 % in peso di carbonio. Eseguendo un lento

raffreddamento e scendendo al di sotto della temperatura di

eutettoide si otterrà una struttura formata da lamine

alternate di ferrite e cementite detta perlite.

50. Descrivere le trasformazioni eutettiche, eutettoidi, peritettiche e peritettoidi. [Suggerimenti: illustrare in dettaglio le

trasformazioni sopra indicate disegnando porzioni di diagrammi di fase contenti tali trasformazioni; collegamento alla

regola delle fasi di Gibbs].

A, B: componenti puri

β: composto (A B)

2

δ, γ: soluzioni solide

• ⇆ β + δ

Eutettico: 2

• + ⇆ β

Peritettico: 2

• + ⇆ γ

Peritettoide:

• ⇆ A +

Monotettico: 1 2 • ⇆ α + β

Eutettoide:

β: composto (Fe C)

3

α, γ: soluzioni solide

Dalla regola delle fasi di Gibbs si avrà che per un sistema binario a pressione costante nelle trasformazioni elencate i

= 3 − = 3 − 3 = 0,

gradi di libertà saranno: si dicono dunque “punti fissi” o “punti invarianti”.

51. Descrivere: polimorfi del ferro, cementite, perlite, bainite e martensite. Illustrare un diagramma TTT per acciai.

Definire le proprietà e la microstruttura degli acciai ipo- ed ipereutettoidici. [Suggerimenti: disegnare uno (o più)

diagrammi TTT con diverse curve di raffreddamento; evidenziare perlite (fine e grossolana) e bainite (inferiore e

superiore), martensite; descrivere brevemente, attraverso opportuni grafici, le proprietà dei corrispondenti tipi di

acciai, e la loro corrispondente lavorabilità. Sferoidizzazione e rinvenimento]. 24

Il ferro ha due diverse forme cristalline o fasi polimorfe, ovvero bcc e fcc, il ferro con struttura bcc a temperature

-Fe

inferiori ai 912°C si dice α-Fe o ferrite e scioglie fino a 0.022 %C a 727°C, il ferro con struttura fcc si dice o austenite

e lo si ha per temperature comprese fra i 912°C e 1394°C e scioglie fino a 2.14 %C a 1147°C, per temperature ancora

superiori e fino alla temperatura di fusione (1539°C) il ferro torna ad avere struttura bcc, in questo caso, per

differenziare dal α-Fe, si parla di δ-Fe.

La cementite è un composto a base di ferro e carbonio con formula chimica Fe C. È una fase metastabile (in opportune

3

condizioni non si forma e al suo posto si forma grafite) prodotta dalla trasformazione eutettoide che avviene a 727°C:

⇆ + . Ha struttura ortorombica ed è un composto duro e fragile. Negli acciai ha una elevata importanza in

3

quanto non permette il moto delle dislocazioni attraverso sé stessa e blocca o ostacola il moto delle dislocazioni

nell’acciaio secondo il meccanismo di rinforzo detto “precipitation hardening”.

A seconda del sottoraffreddamento, ovvero la riduzione della temperatura rispetto alla temperatura di

trasformazione eutettoide, si avranno diverse strutture risultanti dalla trasformazione eutettoide composte dai

microcostituenti ferrite e cementite. La causa di questo fenomeno è da attribuire alla dipendenza del processo di

diffusione dalla temperatura, che per temperature basse sarà limitato, mentre sarà maggiore per temperature più

alte. Si avranno, partendo da bassi sottoraffreddamenti fino ad elevati sottorafreddamenti, le seguenti

microstrutture:

- Perlite grossolana: si forma sottoraffreddando fra i 620°C e i 720°C circa (se la temperatura è troppo vicina a

quella della trasformazione eutettoide T=727°C il sistema per m