Scienza dei materiali - Appunti

FONDAMENTI DI SCIENZA DEI MATERIALI

I materiali di interesse tecnologico sono suddivisi in tre classi:

• MATERIALI METALLICI
• MATERIALI POLIMERICI
• MATERIALI CERAMICI

e in aggiunta ci sono due classi di lavorazione e di applicazione:

• MATERIALI COMPOSITI
• MATERIALI PER L'ELETTRONICA

MATERIALI METALLICI

I metalli e le leghe metalliche (combinazioni METALLI - METALLI o METALLI - NON METALLI) sono divisi in due classi:

• METALLI e LEGHE FERROSE — (alta % di ferro)
• METALLI e LEGHE NON FERROSE — (bassa % di ferro)

MATERIALI POLIMERICI

I materiali polimerici, ovvero materie plastiche, sono costituiti da lunghe catene e reti molecolari costituite a partire da composti organici. Sono caratterizzati da

• bassa conducibilità elettrica: buoni isolanti
• bassa densità e bassa temperatura di rammollimento e composizione
• basso costo e proprietà adatte a molte applicazioni

• MATERIALI CERAMICI

Sono inorganici, costituiti da elementi metallici e non metallici legati chimicamente.

• alta durezza
• alta resistenza meccanica ad elevata temperatura
• fragili: poca o nessuna deformazione prima della rottura
• basso peso specifico
• ridotto coefficiente di attrito
• proprietà isolanti
• costi elevati

• MATERIALI COMPOSITI

Sono costituiti da due o più materiali integrati fra loro.

I costituenti mantengono le loro proprietà e l'intero composto risulta avere proprietà diverse date da ciascun costituente. Inolinte

• fragilità
• bassa tenacità a frattura

• MATERIALI PER L'ELETTRONICA

Il materiale più importante utilizzato nell'elettronica è il silicio puro opportunamente trattato

• SOLIDI CRISTALLINI

I solidi si classificano in

• CRISTALLINI: ordinamento a corto raggio e a lungo raggio → FORMA BEN DEFINITA
• AMORFI: ordinamento solo a corto raggio → SENZA FORMA

Il ⁹⁰% dei materiali metallici però cristallizza secondo tre strutture, ovvero

• cubica a corpo centrato [CCC] – 2 atomi interi, FCA = 0,68
• cubica a facce centrate [CFC] – 4 atomi interi, FCA = 0,74
• esagonale compatta [EC] – 2 atomi, FCA = 0,74

FATTORE DI COMPATTIZZAZIONE ATOMICA

Il FCA è un numero adimensionale che indica il rapporto tra il volume occupato dagli atomi e il volume totale della cella

FCA = _{volume degli atomi della cella elementare} / _{volume della cella elementare}

Viene calcolato assumendo che ogni atomo sia rappresentato da una sfera rigida di raggio r pari al raggio atomico.

STRUTTURA CUBICA A CORPO CENTRATO

La sua cella elementare ha al suo interno un atomo completo (al centro della cella) ed un ottavo di atomo su ognuno degli otto vertici della cella:

1/8 * 8 = 2 atomi

FCA_(ccc) = 0,68

Infatti, chiamando a la lunghezza del lato del cubo, ci accorgiamo che la diagonale del cubo è costituita da 4 raggi:

FCA = 2 (atomi) * 4/3 πr³ (volume atomi) / a³ = 2 * 4/3 πr³ / (4r/√3)³ ≈ 0,68

In questo caso si parla di reticolo non compatto in quanto il volume occupato dagli atomi non è il massimo valore possibile, a differenza della CCC e dell'EC

• ESEMPI: ferro (r.Fe: ferrite), cromo, vanadio, tungsteno, β-Ti (a temperatura ambiente!)

Difetti Puntiformi - Leggi di Fick

Analizziamo un semplice esperimento...

...anallizzo graficamente il variare nel tempo della percentuale di Cu...

Il movimento delle particelle da una parte all'altra avviene grazie alla presenza di vacanze!

Per descrivere le variazioni di concentrazione nei materiali in cui sono in atto fenomeni di diffusione molecolare si utilizzano:

• J_x: flusso di atomi che passa nell'unità di superficie
• D: coeff. di diffusione in fase solida
• -dc/dx: gradiente di concentrazione rispetto allo spazio/al tempo
• C: concentrazione della specie diffondente
• x: distanza dalla superficie (profondità)
• ∂C/∂x: variazione spaziale del flusso

dove il coefficiente di diffusione è definito come:

D=Do e^-Q/RT

• q: energia d'attivazione
• R: costante di stato dei gas perfetti
• T: temp. in Kelvin

La soluzione della seconda legge di Fick

_{Cx - Co}/_{Cs - Co} = 1 + erf(_x/_2√(Dt))

• C_x concentrazione in un determinato x (quella che voglio osservare)
• C_o concentrazione iniziale
• C_s concentrazione costante sulla superficie di contatto

Con il climb la disloc. SCALA l'ostacolo. La distanza da percorrere risulta maggiore per cui ho bisogno di maggiore energia.

• DIFETTI DI SUPERFICIE – BORDI DI GRANO

Gli ostacoli ad alta energia sono invece i bordi di grano.

• Durante la solidificazione di un metallo fusO avviene la nucleazione, ovvero la formazione di nuclei stabili di solidificazione, i quali crescono (CRISTALLIZZAZIONE) fino ad ostacolarsi l’un l’altro e formando così dei GRANI con diversa orientazione cristallografica.
• La superficie che separa due grani con differente orientazione è detta BORDO DI GRANO.

• La dimensione dei grani metallici è importante in quanto ha un effetto significativo su molte proprietà dei metalli stessi, in particolare sulla resistenza meccanica.

Un metodo per misurare la dimensione è il metodo ASTM : una volta evidenziato il grano deve essere assegnato un indice di grossezza del grano G che viene ricavato a partire dal numero medio dei grani osservati su un’area pari a 1 in² (pollice²), o anche a 1mm², con un microscopio ottico di 100x.

Quindi il numero di grani N per in² è uguale a

N_j = 2^G-1 N° DI GRANI su 1 in²

• Un materiale è considerato a grano fine se ha dimensione dell’ordine dei 100 n.m. e a grano grosso se dell’ordine dei 10 μm.
• Minore è la dimensione del grano, maggiore sarà il numero dei bordi di grano e quindi sarà maggiore il numero di ostacoli ad alta energia.

Per questo, nelle applicazioni in cui è importante la resistenza, si preferiscono materiali a grano fine (più bordi di grano)

Le PERCENTUALI IN PESO DELLE FASI in una qualsiasi regione bifasica si calcolano utilizzando la REGOLA DELLA LEVA

Problemi di disomogeneità chimica locale durante la solidificazione si possono avere in presenza di processi di diffusione talmente lenti da non poter assicurare una perfetta omogeneità chimica: gli elementi alliganti tendono ad essere più presenti dove la soluzione solidifica per prima rispetto agli elementi bassofondenti.Ad esempio nei lingotti si ha un’alta concentrazione di alligante sulle superfici e di bassofondente nel cuoreCiò è causa della MACRO SEGREGAZIONE, ovvero disomogeneità chimica sulla scala del lingottoA livello grano- cristallino, invece, si può numerare il fenomeni di LIQUAZIONE (formazione di uno strato in fase liquida lungo i bordi di grano) e anche MICRO SEGREGAZIONE (gradiente di concentrazione di composizione all’interno del grano stesso)

LEGHE BINARIE EUTETTICHEIMMISCIBILITÀ TOTALE IN FASE SOLIDA

In caso di miscibilità in fase liquida ma immiscibilità in fase solida (né soluzione solida di tipo interstiziale né sostituzionale) si ha il seguente diagramma di stato

In questi particolari sistemi, chiamati SISTEMI EUTETTICI binari, esiste una composizione eutettica che solidifica ad una temperatura minore rispetto a tutte le altre, chiamata temperatura eutettica