Applicazioni dei materiali nel design - materiali metallici

Materiali metallici

Il legame metallico avviene tra atomi di elementi metallici a formare aggregati cristallini. I metalli hanno tendenza a cedere i loro elettroni di valenza si formano cationi (ioni positivi) che occupano posizioni fisse e ordinate nello spazio (reticoli cristallini). Gli elettroni ceduti vengono messi in comune e costituiscono una nuvola elettronica molto mobile e responsabile delle proprietà macroscopiche.

Struttura e proprietà

Molte delle proprietà dei metalli trovano giustificazione nel tipo di legame che li caratterizza e nella loro struttura. Gli elettroni più esterni non sono legati ad un singolo atomo e quindi sono liberi di muoversi attraverso il reticolo cristallino; con gli elettroni delocalizzati è più facile che si riformino i legami tra piani di atomi. La presenza di elettroni delocalizzati comporta anche la buona conducibilità sia elettrica che termica dei metalli.

Struttura cristallina nei metalli

In una struttura cristallina gli atomi o gruppi di atomi sono disposti in modo ordinato e ripetitivo. I legami che caratterizzano queste strutture sono forti, e determinano una elevata risposta alle sollecitazioni. Il legame metallico è direzionale quindi l’unico fattore che determina la formazione di un certo tipo di reticolo è l’efficienza di riempimento dello spazio.

I metalli hanno una struttura cristallina compatta.

I reticoli di Bravais

Un reticolo di Bravais è un insieme infinito di punti con una disposizione geometrica che è sempre la stessa in tutto lo spazio. I punti del reticolo sono atomi, molecole o ioni, ed il reticolo permette di descrivere la struttura atomica dei cristalli. Bravais ha dimostrato che esistono 14 modi diversi per disporre gli atomi nello spazio, ma i materiali metallici possono assumere solo 3 reticoli più compatti:

• La struttura cubica a corpo centrato (BCC) contiene un atomo all'interno della struttura cubica. Le sferette sono a contatto solo lungo le diagonali della cella cubica. Il fattore di impaccamento è 0,68.
• La struttura cubica a facce centrate (FCC) è costituita da celle elementari che contengono su ogni faccia della struttura cubica un atomo. Il fattore di impaccamento è 0,74.
• La struttura esagonale ha la faccia superiore e inferiore della cella esagonale con un atomo al centro; su un piano intermedio tra queste due facce sono situati tre atomi disposti a triangolo. Le tre sferette del piano intermedio sono a contatto con quelle delle facce superiore e inferiore. Il fattore di impaccamento è 0,74.

Reticoli cristallini: reticolo cristallino metallico

Le proprietà dei metalli dipendono dalla natura del legame metallico e dalla struttura cristallina. In un metallo (o lega metallica) la struttura non è costituita da un unico cristallo. Inoltre la struttura può presentare difetti puntiformi, lineari (dislocazioni), di superficie (bordi di grano).

Struttura dei materiali metallici

La struttura in cui cristallizza il metallo è la configurazione di minima energia (configurazione più stabile). In funzione della temperatura (f(T)) la struttura cristallina può cambiare (polimorfismo) e i metalli esistono in più forme cristalline, chiamate forme allotropiche.

Esempio: ferro

Solidificazione dei metalli

La maggior parte dei metalli sono prodotti da metallo fuso. La solidificazione avviene come semilavorati o prodotti finiti. La solidificazione di un metallo avviene per raffreddamento del fuso attraverso due stadi.

I difetti nei metalli

La struttura dei materiali metallici presenta dei difetti; sono questi che permettono al metallo/lega di possedere determinate proprietà: i difetti influenzano le proprietà meccaniche, le proprietà chimiche e quelle elettriche. Questi difetti sono classificati in tre gruppi:

• Difetti di superficie
• Difetti puntiformi (o di punto) possono essere costituiti da:
  • Vacanze: posizioni reticolari non occupate da nessun atomo; facilita i processi di diffusione che consente la formazione di leghe metalliche.
  • Atomi interstiziali: atomi del metallo stesso o diversi che non occupano una normale posizione reticolare.
  • Atomi sostituzionali: atomi diversi dal metallo che occupano posizioni reticolari.
• Difetti lineari: le dislocazioni, che sono difetti formati da successioni di atomi in punti che non coincidono con le posizioni reticolari. Si possono avere 3 tipi di dislocazioni:
  • Dislocazioni a spigolo
  • Dislocazioni a vite: costituite da atomi spostati dalle loro posizione reticolare secondo una successione che segue il percorso di una vite.
  • Dislocazioni e deformazione

Struttura e proprietà

Molte delle proprietà dei metalli trovano giustificazione nel tipo di legame che li caratterizza e nella loro struttura. La duttilità, in particolare, deriva dal fatto che i piani atomici dei reticoli metallici possono scorrere; lo scorrimento è possibile grazie al tipo di legame e alla presenza delle “dislocazioni”. Ad esempio un materiale ceramico ha una rottura fragile mentre un materiale metallico è duttile.

Comportamento elasto-plastico

La curva sforzo-deformazione può essere suddivisa in due tratti: nel primo tratto il materiale presenta comportamento elastico, nel secondo tratto comportamento plastico. Nel tratto a comportamento elastico, il materiale presenta il comportamento precedentemente descritto (si ha sostanziale proporzionalità tra sforzo e deformazione e, annullando lo sforzo, il provino ritorna alle dimensioni iniziali). Resistenza = sforzo di snervamento o limite elastico in MPa, in inglese Tensile Yield Strength (TYS).

Dislocazioni e deformazione

Le dislocazioni (e il loro movimento) facilitano la deformazione plastica. L’effetto delle dislocazioni sulle proprietà dei materiali metallici è fortemente condizionato da due fenomeni che hanno effetti contrapposti:

• Incrudimento: quando si supera lo sforzo di snervamento in un materiale le dislocazioni scorrono all’interno del reticolo cristallino. Lo scorrimento delle dislocazioni risulta, macroscopicamente, in una deformazione plastica. La forza applicata e lo scorrimento delle dislocazioni determinano:
  • Incremento del numero di dislocazioni
  • Interazione tra le dislocazioni e i difetti del materiale
  • Aumento della interazione tra le dislocazioni
  • Diminuzione della dimensione dei cristalli
  L’aumento delle dislocazioni e loro interazione tendono a rendere meno mobili le dislocazioni, con un fenomeno detto di incrudimento aumento della resistenza del materiale e diminuzione della duttilità.
• Ricristallizzazione: è un trattamento termico che avviene quando si mantiene il materiale a temperatura sufficientemente elevata; è possibile annullare gli effetti di un precedente trattamento (es. incrudimento) e recuperare la duttilità. Il materiale è facilmente deformabile. La struttura evolve verso la condizione di minor energia (cristallo perfetto) le zone del materiale con minore densità di dislocazioni si espandono a spese di quelle circostanti, creando nuovi grani. Allo stesso tempo si verifica il progressivo ingrossamento dei nuovi grani. Si ha un riassestamento della struttura e una diminuzione delle dislocazioni prodotte.

Difetti di superficie – Bordi di grano

Le proprietà possono variare anche con la dimensione dei grani. Le strutture metalliche sono a:

• Grano fine (ca 0.4 um)
• Grano intermedio (ca 4 um)
• Grano grosso (ca 40 um)

Resistenza e grani:

• Frattura transcristallina o transgranulare: a temperature non elevate i bordi di grano sono più resistenti del grano stesso; l’applicazione di una forza esterna determina la propagazione della frattura nei grani e la diminuzione della dimensione degli stessi.
• Frattura intercristallina o intergranulare: a temperature elevate è più debole il bordo di grano; la frattura si propaga lungo le superfici di separazione tra i grani.

La deformazione plastica a freddo consente di ottenere...