Materiali metallici

STRUTTURE METALLICHE

• fusione
• solidificazione
• vaporizzazione
• liquefazione
• sublimazione
• brinamento

• fase => una parte di un sistema nella quale la composizione e la struttura sono costanti o variano con continuità
• Confini di fase => linee di confine dove sussistono in equilibrio dinamico due stati fisici.

Varianza o gdl

V = variabili chimiche indipendenti + variabili fisiche indipendenti

calcolabile: differenza tra numero di variabili chimiche totali ed il numero di relazioni che le legano

• sono 2: P e T

Regola di Gibbs: V = C - f + n

• numero di componenti chimici
• numero di fasi
• numero di variabili fisiche

In un sistema monocomponente V = C + f - 2 = 3 - f

Transizioni di fasi

• Il calore viene completamente sottratto o fornito sotto forma di calore latente

dP/dT = ΔH/T·ΔV

Il legame metallico

• ioni positivi immersi in una nube di elettroni mobili (quelli di valenza) diffusi per tutto il reticolo. Da ciò: elevata conducibilità elettrica, elevata duttilità.
• La sovrapposizione orbitale ⟶ elettroni liberi di spostarsi.
• Lo stretto impacchettamento degli atomi favorisce la trasmissione di calore.
• L’adirezionalità del legame ⟶ lo slittamento dei piani reticolari lascia inalterate le interazioni di legame (duttili e malleabile).

Caratteristiche

• elevato temp di fusione

• Legame forte
  • alta densità
  • non solubilità

• Legame adirezionale ⟶ Duttilità, Malleabilità
• Elettroni delocalizzati ⟶ Conducibilità, Opacità e lucentezza

Teoria delle bande

Difetti nelle strutture reticolari

• Al di sopra dello zero assoluto tutti i metalli sono "imperfetti"

OgniTutti i solidi manifestano una tendenza ad acquisire difetti, questi ne aumentano l'entropia.

• La presenza di difetti contribuisce con un termine negativo nell'E_n libera di Gibbs.
• Formazione di difetti è un processo endotermico.
• Ad aumentare dT, il minimo di G si sposta verso concentrazioni superiori di difetti.

Classificazione difetti

• Difetti puntuali (vacanze o interstiziali)
• Difetti lineari (dislocazioni)
• Difetti planari (bordi di grano, difetti d'impilamento)

1. Auto-interstiziali - atomi dello stesso cristallo che si trovano in un piccolo spazio vuoto normalmente non occupato
   • Impurezze
     • Sostituzionale
     • Interstiziale
2. Dislocazioni - Perturbazione nella disposizione degli atomi lungo una linea.
   • Dislocazioni a spigolo (L=positiva, T=negativa)
   • Dislocazioni a vite - Scorrimento su un piano della parte superiore rispetto alla inferiore in direzione della linea di dislocazione
   • Dislocazioni miste

Vettore di Burgers

• Mezzo per caratterizzare orientazione e intensità di una dislocazione
• È perpendicolare alla linea di dislocazione se è a spigolo
• È parallela se è a vite
• Ampiezza pari alla più piccola distanza di spostamento degli atomi attorno alla dislocazione

Natura cristallografica della deformazione plastica

• Per capire l’evoluzione delle proprietà meccaniche e fisiche dei metalli policristallini è opportuno conoscere i meccanismi di deformazione dei cristalli singoli in quanto più semplici.
• La superficie di un cristallo lucidato e deformato si ricopre di uno o più set di linee parallele chiamate LINEE DI SCORRIMENTO (slip lines).
• Queste linee sono il risultato di microscopici movimenti di taglio lungo particolari piani cristallografici detti PIANI DI SCORRIMENTO (slip planes).
• La direzione di taglio è definita DIREZIONE DI SCORRIMENTO (slip direction).
• La combinazione di un particolare piano di scorrimento e di una direzione di scorrimento è definito SISTEMA DI SCORRIMENTO (slip system).

Sistemi di facile scorrimento

• Concetto fondamentale è quello dello stress critico τc, il minimo sforzo risolto nel piano di scorrimento e nella direzione di scorrimento utile per innescare la deformazione plastica.
• τc dipende dalla natura del metallo ovvero dalla sua struttura reticolare.
• I principali sistemi di scorrimento dei metalli sono i sistemi nei quali i piani presentano la maggiore densità atomica.
• La deformazione inizia quando lo stress sulle dislocazioni raggiunge il valore critico, a questo punto il cristallo inizia a deformarsi plasticamente lungo quel dato sistema che viene chiamato “sistema di scorrimento primario”.

Quando una dislocazione trova particelle di fase diversa può comportarsi in uno o più dei seguenti modi:

1. Dislocazione della dislocazione lineare in più dislocazioni, attraverso le particelle e proseguono oltre.
2. Supera l'ostacolo per salto.
3. Dislocazione a fale più slittare su un altro piano di scorrimento.
4. Attraverso le particelle tagliandole.
5. Si ferma sull'ostacolo senza superarlo.

Ogni fase (anche estranea) che sia presente nel materiale viene deformato durante il processo. (Diverso tipo, alcune si deformano altre possono generare intagli o microcrack).

Se considero un precipitato come una discontinuità, posso dimostrare che esso funziona come un concentratore di sforzo.

Stress residui Quando un componente viene deformato plasticamente e successivamente scaricato, il componente rimane deformato ma tutti gli stress scompaiono. (Non è una regola generale)

• Stress residui rimangono se
  • Solo una parte è soggetta a deformazione.
  • Ho diverse punti di deformazione plastica.

Quando un materiale viene sottoposto ad una certa tensione, una parte di questa viene immagazzinata nel materiale e immagazzinata nella rete di dislocazioni.

Le tensioni residue possono essere dannose o benefiche.

Positiva → Compressione (+ res a fatica, + res a corrosione).

Negativa → Trazione (rottura fragile, - res a corrosione, usura).

Meccanismi di rafforzamento nei metalli

• Ostacolare il moto delle dislocazioni ➔ agevolare deformabilità del materiale
• Ridurre il moto delle dislocazioni ➔ incremento resistenza meccanica e durezza

4 modalità di rafforzamento dei metalli

• Aggiungere elementi in lega (rafforzamento per alligazione)
• Ridurre dimensione media grano (raff. per affinamento)
• Formazione di precipitati (raff. per precipitazione)
• Deformazione plastica a freddo (raff. per incrudimento)

Quantità di vacanze

Effetto di aumentare la durezza e resistenza del metallo. Ad alte temperature le vacanze favoriscono i processi di diffusione.

• A basse T ➔ provoca un effetto rafforzante (cluster)

Il numero delle vacanze si ottiene in 2 modi:

• Timepa ad alta temperatura
• Bombardamento con particelle nucleari

Rafforzamento per alligazione

• Si basa sull'esistenza di difetti dati sulla presenza di atomi estranei nel reticolo.
• Genera perturbazioni nel reticolo, quindi tensioni locali che ostacolano il moto delle dislocazioni
• La differenza di raggio atomico tra soluto e soluto aumenta l'effetto di rafforzamento
• Gli interstiziali aumentano la potenza del rafforzamento

Problema: se la linea dislocazione rimane diritta durante il movimento, l'effetto di interazione con i casuali atomi di soluto sarebbe nullo.