Appunti Metallurgia Meccanica

STRUTTURA DEI METALLI

CAP 1

- Le strutture cristalline:

Si intende con cristallino un solido nel quale gli atomi sono posizionati con un ordine periodico che si estende su distanze atomiche sufficientemente ampie. Quindi si ha un ordine a lungo raggio.

Della struttura cristallina dipendono diverse proprietà dei metalli, ovvero le modalità in cui gli atomi si dispongono nello spazio. Le disposizioni spaziali possono essere diverse e, per i metalli, a differenza di altri materiali, generalmente sono meno complesse.

Si introduce il concetto di reticolo che definisce la sistemazione tridimensionale di punti, ciascuno dei quali rappresenta la posizione di uno o più atomi.

La cella primitiva di un reticolo (definito unitaria) è definita come il volume che, opportunamente traslato riempie tutto lo spazio. La cella è identificata da vettori base e contiene un solo atomo del reticolo.

Nel caso di strutture complesse, si introduce la cella unitaria non primitiva (convenzionale) che possiede le caratteristiche di simmetria proprie del reticolo. La cella convenzionale è un volume del reticolo, che però possiede vuoti, ripetendosi in armonia opportunata per ottenere l’intero reticolo, conservando le proprietà di simmetria. La cella primitiva è entrambi. Se la cella unità è piccola del reticolo, contiene un solo punto (atomo).

• Struttura cubica a facce centrate (cfc o fcc):

Struttura in cui gli atomi vanno ad occupare gli angoli della cella, ai quali però si aggiungono altri atomi al centro delle 6 facce del cubo.

Possiamo ottenere la dimensione della cella in relazione al diametro atomico:

a = ^4R/_√2

Fattore di impacchettamento atomico (APF):

Volume atomi in una cella

-------------------------------- = 3

Volume cella

Assomma alla continuità l'equivalente di 4 atomi; 8 x ¹/₈ + ¹/₂ x 6 = 4

• Struttura cubica a corpo centrato (ccc o bcc):

Struttura più comune; gli atomi si collocano ai gli 8 angoli; in più vi è un atomo centrale interno.

la relazione che lega raggio atomico e dimensione cella:

a = ^4R/_√3

Assomma alla continuità l'equivalente di 2 atomi.

8 x ¹/₈ + 1 = 2 atomi

(APF) 0.68

Maggiore orditura nella struttura cubica a facce centrate.

Struttura tipica del Molibdeno; o ferro nella fase a.

Per indicare intensità magnetica, si utilizza la stessa metodologia degli indici. I cristallografi, tramite gli indici, permettono di identificare un piano parallelo, il primo ad esso simmetrico rispetto l'origine.

• Nei sistemi cubici, i piani e le direzioni con stessi indici risultano essere perpendicolari;
• Nei sistemi cubici, i piani aventi gli stessi indici (a prescindere dal segno o ordine) sono equivalenti;
• L'impaccamento atomico, a seconda della simmetria del cristallo, può essere lo stesso su piani aventi indici differenti, se danno origine ad un insieme di piani equivalenti (motocubano βγ, bγcβ, βγγc γγbβ γγγo βbrarβγβcγ).

Densità Lineare e Densità Planare

• Densità Lineare: Proiezione di lunghezza della linea nella direzione considerata presente per i contati di atomi che è effettivamente occupato dagli atomi;
• Densità Planare: Proiezione dell'area di un piano che è effettivamente occupato da atomi (rappresentati come sfere);
• Piani di massimo impaccettamento: Piani del cristallo avente massimo densità planare;
• Direzioni di massimo impaccettamento: Direzioni di massimo densità lineare.

Nel caso di metalli a struttura compatta (esagoni), altri sistemi di scorrimento possono attivarsi se la temperatura e soppiantamento elevato.

A temperatura ambiente, il sistema hcp mantiene soltanto 3 sistemi di scorrimento, da ciò se ne deduce che i metalli a struttura esagonale compatto sono più difficili da deformare (come + fogli).

Considerando un campione monoceoitalino, posto in deformazione, con B estremità bloccato, si manifesta che i piani di scorrimento rimangono paralleli e mantengono la medesima orientazione rispetto alla direzione di carico, l’asse del campione invece subisce una distorsione.

Se le estremità vengono bloccate, la deformazione non è ostacolata l’effetto di slittamento dei piani cristallografici, ma anche di rotazioni e flessioni, in questo caso l’asse del campione subisce flesso mentre i piani di scorrimento realizzano le rotazioni.

Detto ciò si può affermare che lo scorrimento, che porta alla deformazione dei primini, avviene quando Tm < Tt (teoria = reale); ma delle numerose note permettono di verificare che la sollecitazione necessaria a deformare un cristallo ad alta influenza a quella teorica, ciò è dovuto alla presenza dei difetti, in quanto nulla prima frattatura teorica non si è tenuto conto dei possibili difetti contenuto del materiale.

• A temp. T₂, la composizione del liquido risulta essere pi ricco di B, dando origine ad un solido di composizione C_S2: ciò però anche la v. di raffredd. è tale che non fa avvenire completamente i fenomeni diffusivi, che renderebbero la composizione del solido omogenea, accrescendo di B onde il materiale solidificato in precedenza fino a portalo a C_S2 si avrà la composizione effettiva media risultante essere intermedia fra quella del solido formatosi a temperature superiori (T₁) e quella C₂ → C_S2.
• A temperature T₃ la solidificazione dovrebbe essere ultimata, la composizione media del solido è C₃:C_A, per cui dato che la concentrazione dell’azoto deve essere pi a questo momento, a tale temperatura non è fra la completa solidificazione,
• La solidificazione procede fino a T₁, e la composizione delle ultime gocce di liquido sono C_A:C₃, una volta completata la solidificazione, salvo il \ evocare che l’ultimato, parte solidificata sono soggetti a modesti fenomeni diffusivi di tendono a variare la composizione p avvicinarsi a quella nominale (fine lele).

Risolvendo l'eq. differenziale, si ricava:

_L = ₀ + [₀ (1 - ₀)] e^(-R_x/D)

Questa equazione descrive l'andamento della distribuzione B nel liquido nel caso che la distribuzione del soluto avvenga per sola diffusione.

Variazione della temperatura

Molto importante è valutare la variazione della temperatura a partire dell'interfaccia con il solido. Si considera il profilo di concentrazione del liquido nella zona compresa fra l'interfaccia (subs. oss %) e la posizione completamente liquida.

Si considera la seguente temperatura del liquido:

_L = ₀ - g_C

g = pendenza retta che attraversa la curva liquido/solido

_L = ₀ - g₀

sostituendo:

_L = ₀ - g₀ [1 + (1 - ₀)] e^(R_x/D)

Il liquido, il più delle volte, ha una temperatura inferiore a quella solida, se ha anche una zona in cui, essendo la temperatura inferiore a quella teorica, si verifica il sottoraffreddamento costituzionale.

Lo stesso può essere detto per il fenomeno della auto-diffusione esso non è altro che la diffusione degli atomi nel meccanismo che avviene determinato un flusso di atomi in verso opposto.

Questo meccanismo è la causa della riduzione della resistenza dei metalli alle alte temperature, rendendo possibile la loro lavorazione per deformazione a caldo.

Atomi auto-interstiziali: In alcuni casi si può verificare che uno degli atomi nei reti reticolari si sposti dando origine ad un vacanze in uno degli interstizi. Date le dimensioni dell’atomo > di quelle degli interstizi, tale meccanismo causa una distorsione del reticolo.

Atomi in soluzione solida: Nella realtà è praticamente impossibile poter ottenere un metallo completamente puro. La maggior parte dei metalli è costituita da leghe in cui è traccia di metallo predominante e quantità (più ridotte) di altri metalli; elementi aggiunti con lo scopo di ottenere lasciato proprietà meccaniche e fisiche. Anche nelle leghe ci trovano le impurezze, difficili da eliminare. Tali impurezze possono essere:

• Interstiziali: Sono atomi che vanno a disporre negli interstizi fra i siti reticolari occupati; e come piccoli fori [C, N] (gli interstizi di numero minore, ma più grandi di quelli in CC);
• Sostituzionali: Atomi di effetto vanno a costituire atomi di qualsiasi nei siti reticolari; questo avviene se la differenza di dimensione fra le due specie atomiche può moderato.