Riassunto e spiegazione Metallurgia

Lucido 1: Struttura e proprietà dei materiali

La struttura e le proprietà dei materiali dipendono chiaramente dai legami che intercorrono tra gli atomi degli stessi. Questi legami possono essere di 4 tipi, 3 primari e uno secondario: C.I.M.W.

Tipi di legami

• Legame covalente

  Questo tipo di legame lega non metallo – non metallo. Visto che un non metallo è elettronegativo, in quanto tende ad acquistare elettroni per raggiungere l’ottetto esterno e quindi diventare stabile, raggiungendo la configurazione del gas nobile, non cederà elettroni. Allora nel caso in cui due non metalli si incontrano, nessuno dei due cede elettroni. La soluzione è quindi quella di mettere in comune l’elettrone, creando così una struttura ben definita, molto solida e dura. Chiaramente le forze che legano gli atomi sono di tipo direzionale, in quanto questi hanno posizioni spaziali precise. CH₄

• Legame ionico

  Questo tipo di legame lega metallo – non metallo. Guardando la tavola degli elementi si capisce subito che il metallo dovrà cedere elettroni, in quanto il non metallo è più elettronegativo. Allora l’atomo del metallo diventa un catione, mentre quello del non metallo diventa un anione. Pertanto le forze attrattive sono di tipo coulombiano, in quanto restano insieme perché due cariche di segno opposto si attraggono e inoltre sono di tipo adirezionale, in quanto non hanno precise posizioni spaziali. Va detto che nel caso in cui il metallo abbia un elettrone da cedere e il non metallo solo uno da acquistare, allora gli ioni si dispongono uno a uno, formando un reticolo ben definito. NaCl

• Legame metallico

  Questo legame lega tra loro metallo – metallo. Tuttavia, i metalli hanno la proprietà chimica di cedere elettroni, perché ne hanno in eccesso rispetto all’ottetto esterno richiesto per raggiungere la stabilità chimica. Allora unendo due metalli, gli elettroni di valenza si staccano, formando un “mare di elettroni”, liberi di girare attorno ai cationi di metalli nel reticolo che si viene a formare. Così facendo fungono da collante, tenendo insieme i cationi. Chiaramente le forze sono di tipo adirezionale e questa struttura conferisce ai metalli proprietà meccaniche, termiche, elettriche.

• Legame di Van der Waals

Disposizione degli atomi

In base all'ordine in cui gli atomi si dispongono tra loro, possiamo distinguere i solidi in 3 classi differenti:

• Solidi cristallini (metalli)
• Solidi amorfi (ceramiche)
• Solidi polimerici (diamante)

Noi ci concentreremo sui solidi cristallini, ovvero quelli dotati di reticolo cristallino. Quest’ultimo si divide in 3 tipologie principali:

• C.F.C. cubico facce centrate
• C.C.C. cubico corpo centrato
• E.C. esagonale compatto

Cella unitaria

Ogni cella unitaria si caratterizza per numero di atomi, numero di coordinazione e FCA (Fattore di Compattazione Atomica, dato dal rapporto tra volume degli atomi e volume della cella).

Da questa distinzione notiamo che in realtà i primi due non si distinguono ma sono uguali, e sono anche composti dallo stesso tipo di piani, ma ciò che li differenzia è l’impilamento dei piani.

Tipologia e impilamento piani

I piani che vengono considerati componenti dei tre tipi diversi di reticolo cristallino sono:

• Piano ottaedrico
• Piano a massima densità (meno compatto dell’ottaedrico)

C.F.C. e E.C. sono composti da impilazioni di piani ottaedrici, ma secondo sequenze diverse. Il C.F.C. ha una sequenza ripetuta del tipo A-B-C-A-B-C, mentre l’E.C. ha una sequenza ripetuta del tipo A-B-A-B.

C.C.C. è composto dall’impilamento del piano a massima densità, un piano meno compatto dell’ottaedrico.

Quest’ultima distinzione per piani, ci permette di definire una cosa molto importante, che è il numero di sistemi di scorrimento. Tale numero è dato dal prodotto tra i piani ad elevata densità che compongono un metallo e il numero di direzioni prefissate, che sono quelle a maggior densità atomica. Quindi adesso vediamo il numero di piani che compone ciascun solido, il numero di direzioni di scorrimento e determiniamo il numero di sistemi di scorrimento.

Difetti reticolari

I difetti reticolari, sono alterazioni nel normale ordine degli atomi nel reticolo dei metalli reali. Tali difetti, possono dare vita a svantaggi ma anche a vantaggi, per tale ragione tali difetti vengono appositamente creati, come nel caso delle leghe. I difetti del reticolo di un metallo reale si dividono in 4 tipi: S.V.L.P.

• Difetti di sviluppo
• Difetti di volume
• Difetti di linea
• Difetti di punto

Difetti di punto

Questo tipo di difetti riguarda i punti, ovvero gli atomi che compongono il reticolo. Possono essere di due tipi diversi:

• Punti di vacanza

  I punti di vacanza si manifestano quando c’è nel reticolo la mancanza di uno o più atomi, che vanno a creare così un vero e proprio buco. Questo può essere dovuto a lavorazioni eseguite, a stress o ad altro tipo di sollecitazioni.

• Punti interstiziali

  Sono un difetto che si presenta quando in un reticolo, un atomo si posiziona in un interstizio, ovvero in uno spazio piccolo fra atomi, generalmente vuoto. Si parla di punto autointerstiziale quando l’atomo è dello stesso elemento rispetto agli atomi del reticolo. Altrimenti si parla di punto interstiziale.

• Un caso simile al punto interstiziale è il punto sostituzionale, che si presenta quando in un reticolo, al posto dell’atomo dell’elemento che avrebbe dovuto esserci, c’è un atomo di un altro elemento. È ad esempio il caso delle leghe a soluzione solida.

Difetti di linea

I difetti lineari, come dice la parola, sono difetti più estesi rispetto a quelli di punto. Il principale difetto lineare sono le dislocazioni, che si presentano quando attorno a tale difetto gli atomi assumono un ordine diverso rispetto a quello normale del reticolo. Possono essere di tre tipi:

• Dislocazioni a spigolo

  Sono dislocazioni dove attorno all’asse di dislocazione (perpendicolare al reticolo), gli atomi assumono una forma a “V”, come un imbuto, all’interno del quale sono presenti altri atomi non ordinati rispetto agli altri formanti il reticolo. Tale dislocazione ha effetti minore quanto più ci si allontana dall’asse di dislocazione, pertanto a distanze grandi, la dislocazione non si vede e il reticolo sembra quasi “ideale”.

• Dislocazioni a vite

  In tale dislocazione, attorno all’asse di dislocazione, gli atomi risultano come “spinti” da una forza in una direzione indicata dal vettore di Burger, e viene pertanto meno il normale ordine del reticolo.

• Dislocazioni miste (vite e spigolo)

Difetti di superficie

Questo tipo di difetti si manifestano nei metalli che passano da liquido a solido. Il principale difetto sono i bordi di grano, ma per capire il difetto osserviamo quello che avviene nel processo di passaggio:

Processo di solidificazione

Nel processo di solidificazione di un metallo, ci sono due fasi ben distinte:

1. Nucleazione

   In questa fase, gli atomi del metallo liquido, iniziano a raggrupparsi in piccoli gruppi, detti nuclei, che tendono ad assumere la struttura (C.F.C., E.C., C.C.C.) del reticolo. La nucleazione può essere di due tipi:

   • Omogenea

     In questa nucleazione, i nuclei si formano casualmente all’interno del metallo, senza l’ausilio di agenti esterni. Inoltre per essere avviato il processo di solidificazione necessità di un input “forte”, pertanto in tale tipo di nucleazione, è necessario un forte sottoraffreddamento di anche più di 100 gradi.

   • Eterogenea

     In questo tipo invece, intervengono agenti esterni, come ad esempio le impurità (atomi di elementi diversi), che si trovano già allo stato solido e danno così inizio al processo di solidificazione. È il caso degli stampi per il ferro, lo stampo è l’impurezza.

2. Accrescimento

   In questa seconda fase, i nuclei crescono sempre di più, fino a congiungersi tra di loro. Queste congiunzioni sono dette bordi di grano. (I grani sono i nuclei solidificati).

   Come avviene la fase di accrescimento? In tale fase, si formano i cosiddetti dendriti, che sono strutture fatte ad albero che si espandono nella direzione opposta e parallela rispetto a quella in cui viene estratto il calore. Inoltre si espandono anche ai lati, dando la tipica forma ad albero. Anche l’accrescimento dei dendriti può avvenire in due modi diversi:

   • Colonnare

     È un accrescimento che richiede alto gradiente termico e/o bassa velocità di solidificazione. I dendriti crescono paralleli alla direzione del gradiente.

   • Equiassico

     Questo è opposto, richiede basso gradiente termico e/o alta velocità di raffreddamento.

Abbiamo quindi detto che in base alle condizioni di raffreddamento, la fase di accrescimento è diversa, pertanto il materiale avrà poi una macrostruttura diversa:

• Zona equiassica con grani fini

  Velocità di raffreddamento è molto elevata, pertanto la nucleazione è estremamente rapida, e i nuclei crescono in tutte le direzioni e con la stessa velocità, allora avremo dei grani fini.

• Zona equiassica con grani grossi

  Velocità di raffreddamento lenta, pertanto la nucleazione è ridotta, quindi all’opposto di prima si formeranno dei grani più grossi.

• Zona con grani colonnari dendritici

  Quando la velocità di raffreddamento è intermedia, allora i grani crescono in modo dendritico e la zona è chiamata zona colonnare.

Alla fine del processo di solidificazione, un materiale può essere formato da un numero di grani diverso:

• Più grandi diversi: Policristallino
• Un solo tipo di grano: Monocristallino

Inoltre c’è un’altra importante cosa da sottolineare. Infatti lungo i bordi di grano, come si vede in figura, gli atomi hanno dei legami meno forti, rispetto ai legami tra gli altri atomi. Pertanto i bordi di grano rappresentano zone altamente reattive, quindi oggetto di deformazione o rottura. Inoltre, è in tali zone che si fermano gli atomi di impurità. Tracciando un segmento sulle parti di reticolo che presentano atomi in linea da una parte del bordo di grano e prolungandola al di là, si può notare in certi casi uno scostamento degli atomi dall’altra parte del bordo di grano rispetto al segmento tracciato, è quindi possibile definire su di esso un angolo di disallineamento.

In base all’angolo che si forma, possiamo definire due bordi di grano:

• Bordo di grano inclinato

  Dove l’angolo di disallineamento è basso

• Bordo di grano geminato

  Questo bordo è molto particolare, infatti i grani hanno una determinata simmetria, l’angolo di disallineamento è costante per tutti, come in figura.

Lucido 2: Analisi microstrutturale

La maggior parte delle volte, non basta soffermarsi all’aspetto macrostrutturale di un materiale, ma per capirne bene le caratteristiche meccaniche, è necessario andare oltre, da questa esigenza nasce l’analisi microstrutturale. Tale analisi si basa soprattutto sullo studio di due aspetti:

• Forma dei grani
• Dimensione dei grani

  È importante notare che a basse temperature, la resistenza dei bordi è maggiore della resistenza dei grani, perciò più bordi ci sono, più è la resistenza, allora una superficie a grani fini è più resistente.

Chiaramente gli aspetti microstrutturali non possono essere analizzati a occhio, ma c’è bisogno di strumenti quali il microscopio, di cui ne esistono tipi diversi aventi funzionalità diverse:

• Microscopio ottico (MO)
• Microscopio elettronico a scansione (MES)
• Microscopio elettronico in trasmissione (MET)
• Microscopio a sonda di scansione (MSP)

Microscopio ottico

Struttura: A livello di struttura tale tipo di microscopio è formato da un sistema ottico di due lenti, oculare e obbiettivo. Inoltre è dotato di una luce che può illuminare l’oggetto sia essendo trasmessa (quindi proiettata da sotto e passa attraverso), sia riflessa (proiettata ortogonalmente sulla superficie dell’oggetto. Tale metodo è usato per le leghe in quanto sono opache).

Il funzionamento è semplice, la lente oculare è quella dove appoggiamo l’occhio, può quindi terminare con una fotocamera che riprende, oppure con uno o due binocoli dove si appoggia direttamente l’occhio umano. Ha uno zoom da 5x a 20x, la lente obbiettivo invece è quella situata nei pressi dell’oggetto e ha uno zoom che varia da 20x a 200x o più. Lo zoom totale è il prodotto dei due. Il tutto è coadiuvato dalla luce riflessa e da un sistema di prismi, che riflette le immagini permettendone la visione.

Vantaggi:

• Basso costo
• Immagini a colori

Svantaggi:

• Zoom solo fino a 1000x
• Bassa profondità di campo (1-2 micron, che serve per vedere porosità, cricche o elementi non metallici sulla superficie)
• Necessità di levigare e lucidare le superfici

Microscopio elettronico a scansione

Struttura: A livello struttura è formato da un catodo, un elettrodo, delle lenti elettromagnetiche, delle bobine, dei detector. La sua peculiarità è che la luce è sostituita da un fascio di elettroni. Infatti il catodo spara il fascio di elettroni, che vengono poi accelerati dall’elettrodo (l’accelerazione va a determinare la profondità di analisi). Il raggio accelerato viene indirizzato su un’area o su un punto dalle lenti elettromagnetiche e passa dalle bobine che entrano in contatto sequenzialmente con la superficie. La superficie rimanda i raggi sotto forme diverse, in base al tipo di raggio che torna, il detector lo analizza e dona informazioni differenti. Queste vengono poi trasmesse su uno schermo.

Vantaggi:

• Zoom fino a 200.000x
• Immagine in 3D con ottima profondità di campo
• Alta risoluzione
• Campioni massivi
• Grande varietà di informazioni (forma, quantitative)

Svantaggi:

• Manutenzione continua
• Costi molto elevati
• Preparazione dispendiosa

Microscopio elettronico in trasmissione

Questo tipo di microscopio si differenzia da quello a scansione in quanto il fascio di elettroni non viene solo mandato e riflesso, ma attraversa totalmente la superficie. Grazie a questo possiamo ottenere informazioni non possibili con gli altri, come la dislocazione, raggiunge infatti zoom di 1.000.000 x.

Microscopio a sonda di scansione

È un microscopio molto potente, infatti la sonda permette di creare delle vere e proprie carte topografiche in 3D della superficie dell’oggetto, arrivando a zoom di 1.000.000.000 x, permette quindi di lavorare su scala atomica. Tuttavia, prima di poter eseguire un’analisi del campione, è necessario svolgere una fase di preparazione che si articola in 5 punti: DMMLA.