Tecnologia dei materiali e chimica applicata

MOBILITA’ ATOMICA

1.​ Cosa si intende per diffusione?

●​ DIFFUSIONE → fenomeno attraverso il quale si ha un trasporto di materia (atomi-ioni-molecole)

E’ un fenomeno irreversibile che comporta un aumento di entropia nel sistema

Può avvenire per: vacanza, interstiziale, scambio ciclico o diretto

2.​ La diffusione tende a uniformare la concentrazione delle specie presenti in un sistema o, piuttosto tende ad

incrementare i gradienti di concentrazione?

La diffusione tende ad aumentare i gradienti di concentrazione in un sistema

3.​ La velocità di diffusione aumenta o diminuisce all'aumentare della temperatura?

La diffusione aumenta all’aumentare della temperatura in quanto è un processo termicamente attivato.

DOMANDE ESTESE

1.​ Descrivere i meccanismi della diffusione allo stato solido.

Nei solidi lo spazio è riempito in modo efficiente e la diffusione avviene attraverso il passaggio da una

posizione reticolare ad un’altra. L’abbandono della propria posizione originaria porta al superamento

dell’energia di attivazione.

●​ ENERGIA DI ATTIVAZIONE → energia necessaria per rompere il legame con gli atomi vicini e per

raggiungere una nuova posizione

I meccanismi per la diffusione allo stato solido sono:

a.​ Diffusione per vacanza (un atomo lascia la sua posizione per occupare una vacanza vicina, meccanismo più probabile)

b.​ Diffusione interstiziale (un atomo può muoversi negli interstizi del reticolo, perchè avvenga è necessario fornire energia

al sistema per consentire all’atomo di muoversi fra gli interstizi)

c.​ Scambio ciclico (più atomi si spostano simultaneamente)

d.​ Scambio diretto (un atomo scambia la sua posizione con un altro atomo del reticolo)

e.​ Autodiffusione (ogni atomo si muove fra i suoi simili, è un processo molto lento e non è osservabile in quanto non viene

cambiata la distruzione degli atomi)

2.​ Discutere le leggi che governano la diffusione e la sua dipendenza dalla temperatura.

Diffusione → descritta dalle leggi di Fick

1.​ I legge di Fick

-​ Mette in relazione il flusso di materia lungo l’asse x e il gradiente di concentrazione

-​ Se gradiente di concentrazione non varia nel tempo → flusso di materia costante

-​ J = - D * ( C / x)

∂ ∂

x

J = flusso di materia

x

- D = coefficiente di diffusione, il - indica la direzione del movimento

x) = gradiente di concentrazione (derivata di una quantità rispetto allo spazio)

( C /

∂ ∂

2.​ II legge di Fick

-​ Consente di determinare la concentrazione della specie diffondente in funzione di posizione-tempo

2

2 x )

-​ C / t = D * ( C /

∂ ∂ ∂ ∂

Il flusso diffusivo è proporzionale al gradiente di concentrazione

Il coefficiente di diffusione (D) dipende da:

-​ Temperatura

-​ Meccanismo di diffusione (vacanze, interstiziale, scambio ciclico-diretto, autodiffusione)

La diffusione è un processo termicamente attivato → aumenta all’aumentare della temperatura

↓

con l'aumentare della temperatura un numero sempre maggiore di atomi del reticolo riuscirà a superare

l’energia di attivazione

Nei gas - liquidi la diffusione non dipende dalla temperatura perché l'energia di attivazione è nulla

La dipendenza dalla temperatura si riflette sul coefficiente D della II legge di Fick:

-Ed / RT

D = D *e → ln D = ln D * (-E / RT) *(1/T)

0 0 d

D = fattore pre-esponenziale indipendente dalla temperatura

0

E = energia di attivazione della diffusione

d

R =costante dei gas

T = temperatura assoluta

Dall’equazione si può ricavare che in un grafico ln D - 1/T la pendenza della retta che si ottiene fornisce

l'energia di attivazione

TRASFORMAZIONI DI FASE

1.​ Qual è il meccanismo principale con cui, al raffreddamento, un liquido si trasforma in un solido o, più

generalmente, una fase si trasforma in una fase più stabile?

Una trasformazione di fase avviene attraverso il processo di nucleazione ed accrescimento:

1.​ Fase di nucleazione (si formano piccoli cristalli)

2.​ Fase di accrescimento (i cristalli accrescono)

2.​ Cosa si intende per nucleazione omogenea - eterogenea?

Tipi di nucleazione:

a.​ Nucleazione omogenea

b.​ Nucleazione eterogenea

-​ L’energia di attivazione è minore perché sono presenti difetti, impurezze, superficie del contenitore

↓

Nucleazione facilitata

3.​ Perchè i grani cristallini tendono generalmente a crescere al riscaldamento?

Grani cristallini crescono al riscaldamento → alcuni grani accrescono a spese di altri che scompaiono

(all'aumentare delle dimensioni medie dei grani, la superficie libera dei bordi diminuisce)

4.​ Cosa si intende per sinterizzazione?

●​ SINTERIZZAZIONE → processo che trasforma un aggregato di particelle distinte in un solido

resistente e denso, comporta la riduzione - eliminazione delle porosità

E’ il processo principale che viene usato nella cottura dei materiali ceramici e nella metallurgia delle

polveri.

Viene diviso in 3 stadi:

1.​ Stadio iniziale → due particelle in contatto si uniscono formando

il collo di giunzione per diffusione di atomi attraverso la superficie di contatto

2.​ Stadio intermedio → il collo di giunzione cresce formando una

struttura interconnessa i cui pori sono tra loro interconnessi

3.​ Stadio finale → finisce l'interconnessione e i pori rimangono isolati

Forza motrice del processo di sinterizzazione → diminuzione di energia libera associata alla superficie

Avviene per:

a.​ Diminuzione della sup totale

b.​ Sostituzione dell’interfaccia solido-gas con l’interfaccia meno energetica solido-solido

DOMANDE ESTESE

1.​ Descrivere approfonditamente il fenomeno della nucleazione omogenea.

NUCLEAZIONE OMOGENEA

-​ La trasformazione liquido-solido è spontanea e comporta → diminuzione dell'energia libera (ΔG)

Curve di energia libera per le fase liquida e solida:

a.​ Liquido → stabile dopo Tf

b.​ Solido → stabile prima Tf

-​ Avviene in un liquido quando è esso stesso che favorisce la formazione di nuclei → nucleazione

La formazione di un nucleo comporta:

a.​ Diminuzione di energia libera per unità di volume (ΔG <0)

v

b.​ Incremento di energia libera per unità di superficie (ɣ>0)

-​ Nucleazione causa → variazione di energia libera nel sistema, che è data dalla formula:

2 3

ΔG = 4r *ɣ + 4/3r *ΔG

r v

-​ Il primo termine per domina sul secondi per valori piccoli di r

-​ Crescendo, il secondo termine tende a prevalere sul primo

andando a generare un massimo nella curva dell’energia libera

↓

In corrispondenza del massimo troviamo

●​ RAGGIO CRITICO → barriera energetica alla nucleazione, per valori:

a.​ Maggio di r* → nucleo favorito a crescere

b.​ Minori di r* → nucleo tende a ri-sciogliersi nel fuso

-​ Affinché un nucleo sia stabile e possa accrescere per formare cristalli deve → raggiungere la

dimensione “critica”

-​ Fattori che influenzano la velocità di nucleazione:

1.​ Variazione di energia libera del sistema in seguito alla formazione della fase più stabile

2.​ Necessità del trasporto di materia dal liquido al nucleo che si sta formando

La nucleazione richiede un elevato grado di sottoraffreddamento al di sotto della temperatura di

solidificazione del liquido ↓

Aumento del sottoraffreddamento

1.​ Aumenta energia libera del sistema

2.​ Diminuisce il trasporto di materia

Questa dipendenza alla temperatura si traduce nella curva che rappresenta la velocità di nucleazione

in funzione della temperatura

2.​ Descrivere come sia possibile, sfruttando le curve di velocità di nucleazione e velocità di accrescimento,

controllare la microstruttura di un materiale ottenuto per raffreddamento di un fuso.

Dopo la formazione, i nuclei stabili cominciano a crescere (formano piccoli monocristalli)

↓

●​ VELOCITÀ DI ACCRESCIMENTO → incremento lineare del cristallo in una direzione nell'unità di

tempo

-​ Aumenta con il sottoraffreddamento

-​ E’ condizionata dalla velocità con la quale: materiale raggiungere la superficie e riesce ad

organizzarsi nella struttura cristallina Velocità di nucleazione-accrescimento in funzione di T

1.​ Solidificazione a T poco inferiore a Tf:

-​ Velocità di nucleazione elevata

-​ Velocità di accrescimento bassa

↓

Pochi nuclei → microstruttura a grana grossa

2.​ Solidificazione a T molto inferiore a Tf:

-​ Velocità di nucleazione elevata

↓

Tanti nuclei → microstruttura a grana fine

Durante la crescita i cristalli arrivano a toccarsi ma rimangono distanziati dai giunti di grano formando così

una struttura policristallina

●​ CRISTALLIZZAZIONE → processo esotermico → avviene per cessione di calore che deve essere

eliminato dal sistema

PROPRIETA’ MECCANICHE

1.​ Scrivere la legge di Hooke definendo i simboli utilizzati.

●​ LEGGE DI HOOKE → stabilisce una relazione proporzionale tra sforzo e deformazione

= E *

= sforzo

E = modulo elastico di Young

= deformazione

La forma generalizzata della legge di Hooke prevede 36 costanti di proporzionalità:

a.​ Per un corpo anisotropo si riducono a 21

b.​ Per un corpo isotropo si riducono 2

(= caratteristiche in tutte le direzioni)

2.​ Cos’è il modulo di Young?

E → modulo di Young - modulo elastico longitudinale

E = /

3.​ Affermare che un materiale ha un elevato modulo di Young significa dire che è molto o poco rigido? Perchè?

Un materiale con elevato modulo di Young è molto rigido perché essendo il rapporto tra sforzo e

deformazione se applico un uguale sforzo a due diversi materiali:

a.​ Materiale con il modulo minore → maggiore deformazione

b.​ Materiale con il modulo maggiore → minore deformazione

4.​ Ha un più elevato valore del modulo di Young un metallo o un polimero?

Il modulo di Young di un polimero è più elevato rispetto a quello di un metallo

Modulo di young → ceramici > metalli > polimeri

5.​ Cos’è il rapporto di Poisson?

a

v → rapporto di Poisson (4 costante elastica)

v = - ( / )

t

v = rapporto di Poisson

= contrazione trasversale

t = contrazione longitudinale

6.​ Cosa si intende per sforzo di snervamento?

●​ SFORZO DI SNERVAMENTO → sforzo necessario per pa