Materiali metallici (prima parte)

AA AB BB

l’attrattività degli atomi è la stessa anche se si hanno atomi diversi.

2. F F F l’altra condizione è che l’attrattività è maggiore quando ho atomi diversi

≪ ≫

AA AB BB

tra loro e viceversa. Si possono distinguere due casi:

- A e B sono elementi metallici: si creano leghe perfettamente ordinate (A-B-A-B)

superstrutture

chiamate che hanno ottime caratteristiche termoelettriche.

- intermetallica

La fase quando atomi A e B hanno forte differenza elettronegativa.

3. F F F nel caso in cui non si crei né una soluzione solida né una fase gli atomi

≫ ≪

AA AB BB

di A e B tendono a separarsi cioè vi è uno smiscelamento degli elementi. Si crea una

struttura Eutettica

struttura che prende il nome di in cui le fasi si alternano tra di loro.

(struttura lamellare alternata). Una lega di questo tipo fonde bene, è una lega che fonde

a bassa temperatura.

Diffusione allo stato solido

La diffusione non è circoscritta all’interno della superficie solida: il movimento di atomi può

avvenire attraverso l’interfaccia di separazione con lo spazio esterno. Ciò permette di

cambiare la composizione chimica del materiale e dall’altra parte gli atomi che formano la

lega possono fuoriuscire. Alcune volte la diffusione dal materiale all’esterno non è sempre

positiva: pensiamo ai contenitori di cibo.

Esempio: Prendiamo una lattina di magnesio con all’interno una bevanda. Un eccesso di

magnesio, se oltrepassa, è lassativo per il nostro corpo.

Esperimento

La diffusione è stata studiata inizialmente a livello pratico e successivamente fu teorizzata. I

boro,

primi esperimenti furono fatti con delle laminette di non materiali metallici, che erano

cesio.

accostate a un elemento radioattivo, il Esso veniva usato come tracciato: si

seguivano gli isotopi di cesio all’interno del boro.

Se costituisco un diagramma con sull’asse delle y la percentuale di cesio avrò:

t=0. profilo a dente di sega.

• Al tempo zero si costituisce il Gli atomi di cesio non erano

nelle lamine di boro ma rimangono nel cesio.

t=1. profilo a campana:

• Successivamente si osserva un un po’ di atomi di cesio si

gaussiana.

riuscivano a individuare nelle laminette di boro. È un profilo a campana o

t=2.

• Dopo due anni allo stesso modo si osservava un altro cambiamento: al tempo 2

(molto lungo quanti infinito) il cesio si era equamente distribuito all’interno delle laminette

di boro. Concludiamo che partendo da materiali diversi si forma una lega non metallica in

cui vi è stato una equa ripartizione di atomi di boro e cesio su tutta la superficie.

L’interfaccia di separazione è sparita: ho creato un’unico blocco. Il tutto è avvenuto a

temperatura ambiente e allo stato solido. 37

Perché si crea un profilo di questo tipo?

Tutto è avvenuto a causa dei difetti puntiformi che sono all’interno del materiale.

N.B: Quando il soluto è in eccesso viene espulso cioè gli atomi in eccesso migrano verso il

bordo dei grani, si diffondono. Quando l’abbassamento di temperatura è repentino,

(alluminio-rame da 500˚ a 25˚) gli atomi non si riuscirebbero a muovere, non darei il tempo

agli atomi per riorganizzarsi. Gli atomi in eccesso del soluto rimangono, quindi, imprigionati

nel reticolo del solvente. Così riesco a ottenere comunque una soluzione solida che però

non dovrebbe esserci perché il solvente non dovrebbe riuscire a trattenere tutto il soluto.

soluzione sovrasatura.

Ho una Il materiale è fortemente instabile. Esso ha un’energia

interna molto elevata: tenderà a evolversi spontaneamente per portarsi a un livello a più

Allora perché

bassa energia. Il soluto lentamente migrerà verso il bordo del grano.

raffreddiamo velocemente? Il tempo che può intercorrere affinché il soluto in eccesso rigiri

verso il bordo dei grani può durare anche anni. Questo processo prende il nome di

processo di tempra. Esso è fondamentale nella produzione degli acciai (Esempio: acciaio

temperato o temprato. Da una temperatura di 800˚-900˚ fino a 25˚ in una vasca d’acqua).

—> La mobilità atomica è condizionata dalla temperatura; dal materiale che sto utilizzando;

dalle fluttuazioni energetiche cioè come cambia l’energia del materiale. Per capire la

mobilità degli atomi usiamo delle nozioni probabilistiche e assumiamo che il movimento

degli atomi sia del tutto casuale. Ho una probabilità di 1/6 che l’atomo si sposti in una delle

tre direzioni dello spazio. Il cesio fu usato come tracciante perché era semplice vedere i

movimenti degli atomi.

Esperimento con due metalli

Il fisiologo Adolf Fick rifece lo stesso esperimento

con due metalli A e B senza difetti e a temperatura

ambiente: ho una ben definita interfaccia di

separazione. Nell’istante iniziale gli atomi sono

rispettivamente in A e B. Questa situazione a

profilo a gradino.

livello grafico riporterebbe a un

Dopo un certo tempo trovo alcuni atomi nel

reticolo di B in A e viceversa: se sussistono le

regole di Hume-Rothery è possibile che ci sia

questa diffusione allo stato solido. A questo punto

profilo di concentrazione a discesa o a

avrò un

rampa. Dopo un tempo tendente all’infinito si nota

che atomi di A e B sono casualmente ripartiti su

entrambi i materiali. La concentrazione di atomi è la stessa in A e B. Non si riesce più a

distinguere l’interfaccia di separazione: nel tempo ho creato un unico materiale, un unico

un’unica fase

blocco. Sono partito da due fasi e ho ottenuto —> una soluzione solida con

una diffusione casuale degli atomi di soluto all’interno del solvente. Ho creato una

soluzione solida sostituzionale.

Noi abbiamo assunto che non vi fossero difetti ma in natura non vi sono metalli di questo

tipo: i difetti facilitano la diffusione allo stato solido.

Meccanismi di diffusione

Diffusione atomica superficiale:

1. degli atomi posti all’esterno di un metallo possono

entrare sulla superficie del pezzo. In più atomi del pezzo potrebbero uscire: movimento

di atomi attraverso la superficie sia entranti nel metallo sia uscenti.

Diffusione volumetrica:

2. prendo un metallo policristallino: ho movimento degli atomi

all’interno del grano cristallino.

Diffusione a bordo dei grani:

3. gli atomi si muovono seguendo i giunti dei grani perché in

questa zona non ho un reticolo cristallino quindi gli atomi trovano più facilita nel

muoversi. 38

Diffusione attraverso i bordi dei grano:

4. cambia sia il numero di grani cristallini sia la

lunghezza dei bordi dei grani. Il materiale cerca di portarsi da una condizione di

policristalli alla condizione nella quale vi è un unico cristallo in quanto il materiale cerca

sempre di minimizzare l’energia interna che i difetti aumentano. Il materiale cerca di

spostare atomi affinché i bordi dei grani spariscano: proverà ad eliminare il bordo tra

due grani. Sposto atomi in modo tale che il bordo si sposti, gli atomi migrano attraverso

l’interfaccia e alla fine riesco a eliminare il bordo facendo coalescere i due grani. Ho

spostato gli atomi da A verso B, cambia l’orientamento cristallografico, fino a quando

non si elimina completamente il bordo. In un tempo molto lungo arriverò ad avere un

monocristallo. A livello industriale un approccio di questo tipo è impensabile.

diffusione degli atomi a livello volumetrico

La può avvenire attraverso:

Le vacanze: un atomo si sposta dove vi è la vacanza ma la lacuna si muove in verso

• opposto. Quindi si scambiano di posizione. Può avvenire ad esempio quando alzo la

temperatura.

Siti interstiziali: i 5 atomi interstiziali si spostano da un sito ottaedrico a un altro oppure in

• un sito tetraedrico. Essi si possono anche immettere in una posizione nodale del reticolo

sempre a causa della temperatura; il ferro può andare in posizione autointerstiziale.

Questo è un meccanismo autointerstiziale indiretto.

Autointerstiziale: un ione metallico può andare all’interno di un sito interstiziale. La

• probabilità che avvenga è molto piccola a meno che non alzi la temperatura;

Scambio: due atomi si possono scambiare di posizione sempre grazie alla temperatura.

• Lo scambio può avvenire anche tra atomi di soluto e solvente.

Anello: un ione metallico compie un giro e alla fine torna nella sua posizione. Durante

• l’anello possono intervenire gli altri meccanismi.

Quando alzo la temperatura si aumenta sia la concentrazione atomica sia l’incremento

percentuale delle lacune: quindi favorisco la diffusione allo stato solido. Sfrutto le lacune

per favorire la diffusione di materia e la diffusione di lacune attraverso l’interfaccia di

separazione.

Prima legge di Fick

Nelle due leggi di Fick si prendono in considerazione 4 variabili: concentrazione,

temperatura, posizione e tempo. legge

La prima non prende in considerazione la variabile temporale e viene chiamata

stazionaria. Attraverso la prima andremo a definire quanti atomi in un intervallo di tempo

riescono a entrare in una stazione.

Prendiamo un reticolo cristallino che è una soluzione solida. In esso vado a tracciare una

linea azzurra, essa mi permetterà di capire quanti atomi la attraversano. Si chiama linea di

controllo.

Ipotesi preliminari:

- La concentrazione c varia solo in x, gli stomi si muovono solo o a destra o a sinistra;

- Tengo conto di un parametro reticolare a, distanza interplanare;

- Gradiente di concentrazione infinitesimo in un verso stabilito;

- Flusso stazionario (dc/dt = 0), tutto ciò che entra è uguale a ciò che esce attraverso la

linea di controllo;

- Movimento degli atomi: “salti” tra posizioni vicine. I salti sono casuali ma solo a destra o

sinistra quindi la probabilità è del 50%;

- Frequenza indipendente dalla concentrazione;

- Temperatura costante e uniforme. N = numero totale atomi su un piano

flusso diffusivo:

Def: Posso definire il il numero di atomi c , c = concentrazione degli atomi di soluto

1 2

netto che vedo passare dal piano 1 al piano 2 attraverso la nei piani 1 e 2 (c < c )

1 2

linea di controllo. n = c · N = atomi di soluto nel piano 1

1 1

n = c · N = atomi di soluto nel piano 2

2 2

f = frequenza dei salti attraverso la superficie

f· n = atomi di soluto che lasciano il

1

piano 1 nell’unità di tempo 39

N.B: Vi è il segno negativo perché il gradiente va da sinistra verso destra

ma la concentrazione è c <c al contrar