Lezioni: Appunti di Metallurgia

Metallurgia

Legame metallico

Il legame metallico è dovuto all'attrazione elettrostatica tra elettroni di valenza e ioni positivi metallici. Non è direzionale, ha simmetria sferica attorno allo ione ed è meno forte del legame ionico e del legame covalente. Il legame metallico dà origine a un cristallo metallico formato da:

• Reticolo di ioni positivi (nuclei atomici + elettroni interni che non possono allontanarsi)
• Nube di elettroni di valenza (elettroni molto distanti dal nucleo che possono staccarsi facilmente. Sono gli elettroni che permettono alle correnti di accettare termica ed elettrica)

È detto numero di coordinazione il numero di ioni che possono coordinarsi attorno a un altro ione in un legame metallico.

Stato metallico

Nel passaggio da stato liquido a stato solido, gli atomi si avvicinano il più possibile (forze interatomiche) diminuendo la propria energia potenziale. Nelle sostanze amorfe, c'è ordine a corto raggio (solamente con gli atomi più vicini), mentre nelle sostanze cristalline c'è ordine a lungo raggio (struttura geometrica che si ripete). Questo avviene in metalli, nella maggior parte dei minerali e in molte ceramiche.

Cella unitaria

La cella unitaria (unità strutturale caratteristica) è il volume più semplice che conserva tutte le proprietà caratteristiche e gli elementi di simmetria dell'intero cristallo. Nella cella unitaria, le posizioni occupate dagli ioni metallici sono dette non.

Reticolo cristallino

Il reticolo cristallino è la ripetizione sistematica di celle unitarie identiche.

Proprietà dello stato metallico

Secondo la "teoria dell'elettrone libero", gli elettroni:

• Sono liberi di muoversi sotto l'azione di un campo elettrico ➔ elevata condicibilità elettrica
• Possono trasportare energia termica ➔ elevata condicibilità termica
• Smorzano e irradiano la luce ➔ opacità e lucentezza
• Non specificità del legame metallico ➔ alligazione e saldatura
• Non direzionalità del legame metallico ➔ alto n° coordinazione ➔ elevato peso specifico
• Regolarità del reticolo cristallino (ben definita energia per rompere i legami) ➔ unicità punto di fusione
• Unici materiali a possedere entrambe queste due proprietà: elevata resistenza meccanica ed elevata deformazione plastica

Sistemi cristallini

Vi sono sette sistemi cristallini che si differenziano per:

• Lunghezza degli 'spigoli' della cella (a, b, c)
• Ampiezza degli 'angoli' formati (α, β, γ)

• Triclinico
• Monoclino
• Ortorombico
• Tetragonale
• Cubico
• Romboedrico
• Esagonale

Che si differenziano ulteriormente nei 14 reticoli di Bravais, ovvero i 14 reticoli possibili (a seconda della posizione degli atomi). Il legame metallico ha simmetria sferica (quelli a maggiore simmetria e compattezza) come:

• C.C.C. cubico a corpo centrato
• C.F.C. cubico a facce centrate
• Esagonale compatto

Sistema cubico a corpo centrato C.C.C.

• Costante reticolare: a
• Ioni apparenti: 9
• Ioni effettivi: 2
• Numero di coordinazione: 8
• Compattezza X = 68% (volume cella / volume ioni)
• Raggio ionico r_i = a^√3/4

Ci sono sei vuoti ottaedrici (asimmetrici):

• 3 tipo A - centro nel mezzo di ciascuna delle 6 facce (6/2 = 3)
• 3 tipo B - centro nel mezzo di ciascuno dei 12 spigoli (12/4 = 3)

Ci sono dodici vuoti tetraedrici r_t = 0,127 * a, centro a metà distanza tra due vuoti ottoedrici contigui (4 faccia → 6:4 = 12). Se un vuoto è asimmetrico significa che la presenza di atomi interstiziali in esso dà origine a distorsioni anisotrope. In particolare:

• Vuoti ottaedrici tipo A → dilatazione faccia
• Vuoti ottaedrici tipo B → allungamento spigolo

Metalli con C.C.C. includono Cr, Fe α (T), Fe δ (T > 1400°C), Mn, Mo (molibdeno), Ni (niobio), Ti (T > 882°C), W (tungsteno).

Sistema cubico a facce centrate

• Costante reticolare: a
• Ioni opposti: 14
• Ioni effettivi: 4
• Numero di coordinazione: 12
• Compattezza: X = 74%
• Raggio ionico: r_i = a√2/4
• Vuoti ottaedrici: R_o = 0,147a → interstiz...