Appunti di SPAM, "Strutture, Proprietà ed Applicazione di Materiali" - Materiali metallici

3. Materiali METALLICI (capitolo 4)

Allo stato solido i metalli sono formati da una struttura cristallina. I nuclei sono disposti in modo ripetitivo ed ordinato, formando il reticolo cristallino. I metalli sono dei solidi altamente cristallini, rigidi, resistenti e duttili; tenaci e buoni conduttori. Le loro proprietà sono spiegate da LEGAME METALLICO.

1. atomo: nucleo con elettroni
2. metallo: Qui i nuclei sono carichi positivamente, dovrebbero respingersi, con gli elettroni (che tengono i nuclei vicini); non immobili si muovono come nelle molecole di gas. Il legame è ADIREZIONALE, ovvero senza direzione precisa. Ciò è responsabile della struttura cristallina, massima efficienza di compattezza di volume, i nuclei sono in ordine e in modo ripetitivo

• CELLA, di diverse forme, nuclei secondo una struttura
• RETICOLO, ripetizione della cella nelle 3 direzioni.

Troviamo diversi tipi di celle, elencate di seguito

1. Reticolo cubico a facce centrate (CFC)

• e' di tipo compatto
• atomi in ogni vertice e al centro di ogni faccia.

• numero di coordinazione: 12
• frazione di volume pieno: 0,74

nella porzione della cella troviamo 4 atomi interi

3. Materiali METALLICI (Capitolo 4)

Allo stato solido i metalli sono formati da una struttura cristallina. I nuclei sono disposti in modo ripetitivo ed ordinato, formando il reticolo cristallino. I metalli sono dei solidi altamente cristallini, rigidi, resistenti e duttili; tenaci e buoni conduttori. Le loro proprietà sono spiegate dal LEGAME METALLICO.

1. Atomo: nucleo con elettroni

2. Metallo. Qui i nuclei sono carichi positivamente, dovrebbero respingersi, con gli elettroni che tengono i nuclei vicini; non immobili si muovono come delle molecole di gas. Il legame è ADDIREZIONALE, ovvero senza direzione precisa. Ciò è responsabile della struttura cristallina, massima efficienza al completamento di volume, i nuclei sono in ordine e in modo ripetitivo.

   • Cella, di diverse forme, nuclei secondo una struttura
   • Reticolo, ripetizione della cella nelle 3 direzioni.

Troviamo diversi tipi di celle, elencate di seguito.

1. Reticolo cubico a facce centrate (CFC)

   • è di tipo compatto
   • Atomi in ogni vertice e al centro di ogni faccia
   • Numero di coordinazione: 12
   • Frazione di volume pieno: 0,74

Nella porzione della cella troviamo 4 atomi interi.

2. Reticolo cubico a corpo centrato (CCC)

• è un reticolo compatto no
• atomi in ogni vertice (8) ed uno al centro del cubo

• numero di coordinazione 8
• frazione di volume pieno 0,68

Nella porzione di cella 2 atomi interi

3. Reticolo esagonale compatto (EC)

• reticolo compatto
• atomi ai vertici e al centro di ogni faccia un atomo al centro
• tre atomi a centro

• numero di coordinazione 12
• frazione di volume pieno 0,74

Approfondimento 4.1

Reticoli cristallini compatti vengono individuati da livelli di atomi (sfere), gli esagoni sono più compatti

Primo livello A

Secondo livello B

livello C

troviamo delle sequenze che individuano posizioni

• sequenza dei CTC = ABCABC livello C = livello A
• sequenza dei EC = ABABAB livello C = livello A

Con questo si ha il massimo rendimento

Nel caso di CCC non ho legami permanentemente funzionali

Forme allotropiche

Alcuni metalli possano avere diverse strutture cristalline, che prendono il nome di forme allotropiche, in funzione della temperatura e della pressione.

Questo prende il nome di polimorfismo, come il ferro:

• 1536°C - Ferro liquido
• 1392°C - Ferro δ (ccc)
• 911°C - Ferro γ (cfc)
• Ferro α (ccc)

1. Quando viene gradualmente allo stato liquido, solidifica a 1536°C formando un reticolo ccc, che prende il nome di Fe-δ stabile fino a 1392°C.
2. A 1392°C avviene la trasformazione da Fe-δ a Fe-γ con una struttura cubica a facce centrate, fino a 911°C.
3. A 911°C, avviene la trasformazione in Fe-α che ha una struttura cubica a corpo centrato, stabile fino a basse T.

Difetti reticolari

La struttura reale dei materiali metallici presenta difetti di vario tipo dentro il reticolo cristallino, possono essere classificati in vario modo, puntiformi quando sono localizzati, rimedi estesi in una direzione, di superficie, interessano una superficie.

1. Difetti puntiformi, localizzate in un punto:

Vacanze, manca un atomo nella cella, gli atomi limitrofi sono più "lunghi", meccanismo di diffusione allo stato solido.

Atomo sostituente, un atomo di un altro elemento sostituisce un atomo nella cella, gli atomi sono più "lunghi".

Atomo auto interstiziale, atomo dello stesso elemento fuori dalla cella, gli atomi limitrofi sono più attaccati.

Atomo interstiziale, atomo di un altro elemento, fuori dalla posizione di cella, elementi più stretti.

I difetti sostitutivi ed interstiziali, consentono di spiegare la coesistenza di atomi di metalli diversi nello stesso reticolo cristallino e sono alla base della formazione delle leghe metalliche.

2. Difetti lineari o dislocazioni:

Le dislocazioni sono difetti lineari che si possono formare nel materiale metallico durante la solidificazione o in seguito a una deformazione plastica, divise in:

1. a spigolo localizzata al termine di un semipiano oggettivo di atomi presente nel cristallo
2. a vite è associata alla rotazione di una parte del reticolo rispetto al resto

la presenza di una dislocazione distorce il reticolo cristallino in vicinanza della linea di dislocazione, mentre le regioni più lontane restano inalterate le dislocazioni, creano così, un campo di sforzi;

le dislocazioni hanno un ruolo determinante in relazione alla duttilità; cioè alla capacità di deformarsi plasticamente

3. Difetti di superficie:

sono difetti sviluppati su un'area, come i bordi di grano

metalli policristallini, solidificando si formano dei germi, di solidificazione, che quando sono raffreddati completamente creano delle superfici irregolari;

che le separano e possano avere dimensioni diverse.

Su bordi di grano si depositano le impurità; passando da un grano all'altro l'orientamento delle celle cambia.

deformazione e difetti: come si deforma plasticamente?

cristallo perfetto def. plastica,* dislocazione def. plastica;

richiede molta energia per la rottura in blocco dei legami.

richiede poca energia, è uno spostamento di dislocazione.

Moltiplicazione delle dislocazioni:

Durante il moto delle dislocazioni, se ne possono creare delle altre, così da modificarne la quantità; uno dei lati può essere urtato da un bordo di grano o da un'altra dislocazione, parliamo di: incrudimento, che avviene per movimento delle dislocazioni, è un fenomeno molto complesso, a causa della deformazione plastica, e dell'insieme di quel movimento delle dislocazioni, se ne si creano delle nuove, diventa così più difficile deformare plasticamente il materiale.

Le tensioni sopportate dal materiale sono pur elevate. L'incrudimento quindi, rafforza i materiali metallici.

Leghe Metalliche:

Sono miscele di più materiali, una dei quali è un metallo;

soluzione solida =

• quantità: solvente + soluto
• quantità: maggiore → minore

Tutti i metalli, anche i più puri, contengono un certo grado di impurezze, che derivano dalle loro materie prime, o anche dai processi produttivi; ma, generalmente, questi elementi vengono aggiunti intenzionalmente per ottenere prestazioni migliori.