Domande esame orale con risposte Scienza dei materiali

ΔG

Le due energie coinvolte nella solidificazione di un metallo puro sono l’energia libera di volume, , e

V

ΔG

l’energia libera di superficie, .

S 4 3

ΔG = π r ΔG

Per quanto riguarda l’energia libera di volume, questa corrisponde a , mentre l’energia

V v

3

2

ΔG = 4π r γ γ

libera di superficie equivale a , dove è l’energia libera di superficie specifica.

S

L’energia libera totale coinvolta nella trasformazione per enucleazione omogenea corrisponde alla somma

4

2 3

ΔG = 4π r γ + π r ΔG

dell’energia libera di superficie e dell’energia libera di volume: .

TOT v

3

L’energia libera di volume è negativa, in quanto dovuta al passaggio dalla

fase liquida (maggiore energia) a quella solida (minore energia), mentre

l’energia libera di superficie è positiva; a livello grafico abbiamo una

situazione di questo tipo:

Nella solidificazione, qual è la differenza tra un embrione ed un nucleo? Cos’è il raggio critico di una

particella solidificata? Quali sono i fattori che influenzano il raggio critico?

Durante la solidificazione, affinché le particelle possano accrescersi per formare i cristalli devono

raggiungere una dimensione critica, che prende il nome di raggio critico. Quando le particelle hanno una

dimensione minore del raggio critico sono chiamate embrioni e si dissolvono (in questo modo l’energia del

sistema si abbassa); quando invece le particelle hanno dimensione maggiore del raggio critico sono chiamate

nuclei. I nuclei continuano quindi ad accrescersi fino ad arrivare a formare i cristalli. 2 ⋅ γ ⋅ T

m

r * r * = γ

Il raggio critico di una particella solidificata viene indicato come ed equivale a , dove s

ΔH ⋅ ΔT

f

T ΔH

è l’energia libera di superficie specifica, è la temperatura di fusione, è il calore latente di fusione e

m f

ΔT è il grado di sottoraffreddamento. Ecco che maggiore è la temperatura di fusione e minore è il grado di

sottoraffreddamento, maggiore sarà il raggio critico. 3

Capitolo 7 - Proprietà meccaniche dei metalli

Descrivere a cosa serve e come si effettua la determinazione della durezza

La durezza è una proprietà meccanica del metallo che descrive la capacità del materiale di resistere ad una

deformazione plastica permanente. La determinazione della durezza viene effettuata per determinare le

caratteristiche di resistenza di un materiale ed essendo poco costosa è molto utilizzata.

Le prove di durezza più utilizzate sono quattro: la prova Brinell, la prova Rockwell, la prova Knoop e la

prova Vickers e tutte sfruttano un penetratore tramite il quale viene incisa un’impronta sul provino.

Nella prova Brinell viene misurato il diametro dell’impronta tramite un microscopio elettronico sul cui

oculare è posta la scala di misura. Dopodiché, tramite opportune tabelle, il valore misurato viene convertito

nel rispettivo valore di durezza HB. Affinché sia possibile effettuare questa prova la superficie del provino

deve essere piana e levigata; lo spessore del provino deve essere ameno pari a 10 volte la profondità

dell’impronta e infine i centri di due diverse impronte o il centro dell’impronta e il bordo del provino devono

essere separati da una distanza almeno pari a 3 diametri dell’impronta.

Nella prova Rockwell la misura della durezza viene effettuata tramite l’applicazione di due diverse impronte,

di cui la prima effettuata con un carico minore e la seconda con un carico maggiore. Anche in questo caso

valgono le stesse considerazioni viste per la prova Brinell.

Infine, le prove Knoop e Vickers sfruttano dei piccoli penetratori di geometria piramidale e si basano

sull’utilizzo di carichi molto ridotti, da cui il nome di microdurezza usato in questi casi.

Capitolo 8 - Dislocazioni e meccanismi per aumentare la resistenza

Cosa sono le bande di scorrimento e le linee di scorrimento? Che cosa provoca la formazione delle

bande di scorrimento sulla superficie di un metallo? Perché normalmente lo scorrimento dei metalli

avviene lungo i piani compatti?

Lo scorrimento è quel processo che produce deformazione plastica a seguito del moto di dislocazioni.

Lo scorrimento di atomi lungo un piano di scorrimento determina la formazione di piccole deformazioni a

gradino sulla superficie del metallo, che prendono il nome di bande di scorrimento.

Lo scorrimento avviene lungo più piani di scorrimento all’interno delle singole bande, così che all’interno di

ogni banda di scorrimento si originano sottili gradini che vengono chiamati linee di scorrimento.

Lo scorrimento dei metalli normalmente avviene lungo i piani più compatti in quanto è richiesto un minore

sforzo di taglio per lo spostamento degli atomi rispetto ai piani meno densi.

Spiegare come avviene la deformazione plastica nei materiali metallici

La deformazione plastica nei materiali metallici può avvenire o per il moto delle dislocazioni oppure per

geminazione.

Nel primo caso il processo che produce deformazione plastica a seguito del moto delle dislocazioni prende il

nome di scorrimento. Lo scorrimento degli atomi lungo un piano di scorrimento provoca la formazione di

deformazioni a gradino che vengono chiamate bande di scorrimento. Lo scorrimento inoltre avviene lungo

molteplici piani all’interno delle singole bande di scorrimento, portando alla formazione di sottili gradini che

vengono chiamati linee di scorrimento.

Nel caso della deformazione plastica per geminazione, la formazione di geminati produce spostamenti di

atomi in modo tale che da una parte di un piano (il piano di geminazione), gli atomi si dispongono in modo

tale da creare un’immagine speculare rispetto agli atomi presenti dall’altra parte del piano.

La quantità di deformazione plastica per geminazione è molto contenuta rispetto a quella dovuta allo

scorrimento. La vera importanza della geminazione riguarda la ri-orientazione cristallografica che produce,

che permette di avere nuovi sistemi di scorrimento con orientazioni più favorevoli in modo da consentire

nuovi processi di scorrimento.

Rafforzamento per incrudimento e per precipitazione di metalli e leghe: discuterne i meccanismi di

azione a livello microscopico (struttura), conseguenze a livello macroscopico (proprietà), modalità di

attuazione

L’incrudimento e la precipitazione sono due trattamenti che permettono di aumentare la resistenza dei metalli

e delle leghe.

L’incrudimento, o lavorazione a freddo, consiste nell’aumento della resistenza di un metallo per

σ

deformazione plastica. Inizialmente il metallo ha un limite di snervamento iniziale e viene deformato

S0

plasticamente fino ad un punto D del diagramma sforzo-deformazione. Arrivati a questo punto il carico viene

σ

rilasciato e riapplicato in modo tale da ottenere un nuovo limite di snervamento maggiore del primo.

Si 4

È talvolta conveniente esprimere il grado di deformazione come percentuale di lavorazione a freddo:

A − A

0 d

LF % = ⋅ 100 . Durante l’incrudimento le dislocazioni si aggrovigliano tra di loro e il loro

A 0

movimento diventa più difficile.

Il meccanismo di precipitazione prevede di introdurre all’interno del metallo elementi che ne aumentino la

resistenza; questo processo si divide in tre parti: solubilizzazione, tempra ed invecchimanento.

La solubilizzazione avviene a temperature elevate e permette di introdurre in soluzione gli elementi

indurenti, che di norma non sono solubili a temperatura ambiente. Dopodiché, tramite tempra il materiale

viene raffreddato a temperatura ambiente così che gli elementi che sono stati introdotti con la

solubilizzazione possano rimanere in soluzione. Infine l’invecchiamento consiste nel sottoporre il metallo per

brevi intervalli di tempo alla temperatura di invecchiamento. Questo processo porta alla formazione di

precipitati che bloccano le dislocazioni; le zone in cui si formano tali precipitati sono dette zone Guiner-

Preston.

Capitolo 9 - Frattura

Quali sono le caratteristiche della superficie di frattura duttile di un metallo e quelle della superficie di

frattura fragile di un metallo?

La frattura duttile di un metallo è generalmente fibrosa ed opaca. Un tipico esempio di rottura duttile è

caratterizzato dalla frattura a coppa e cono, chiamata così poiché una delle due superfici è a forma di coppa

mentre l’altra è a forma di cono.

Per quanto riguarda la frattura fragile, in questo caso ogni segno di deformazione plastica è assente. In un

acciaio si possono formare una serie di linee a V rovesciata che puntano verso il sito di innesco, oppure delle

linee che si irradiano a ventaglio dal punto di origine della cricca. La frattura fragile nei materiali amorfi,

come i vetri ceramici, forma superfici relativamente lucide e levigate.

Cos’è la transizione duttile-fragile? Quali materiali ne risentono maggiormente?

La transizione duttile-fragile è quel fenomeno per cui quando diminuisce la temperatura a cui viene

sottoposto un materiale le sue caratteristiche di frattura si modificano e si passa da una frattura

completamente duttile ad una frattura completamente fragile. Durante questo passaggio abbiamo

caratteristiche di frattura intermedie, per cui si può avere una regione che ha subito rottura duttile (e quindi

risulta fibrosa e opaca) e una che ha subito rottura fragile (e quindi risulta lucida).

I materiali che risentono maggiormente della transizione duttile-fragili sono i ceramici e i polimeri.

Si discutano i meccanismi di frattura dei materiali e le prove atte a determinarne le proprietà

meccaniche collegate.

Durante una prova di trazione si raggiunge uno sforzo massimo chiamato punto di rottura: le deformazioni

fino a questo punto sono ripartite nel provino lungo tutta la sua lunghezza; in corrispondenza dello sforzo

massimo si ha un restringimento di sezione, dove vengono localizzate tutte le deformazioni successive

secondo il fenomeno della strizione. Conoscere il punto di rottura è importante per determinare le proprietà

meccaniche di tenacità e duttilità, dove la duttilità è la capacità del materiale di resistere a deformazione

plastica senza rompersi. La frattura di un materiale può essere di tipo duttile o fragile: la rottura duttile è

caratterizzata da visibile deformazione plastica e dall’assorbimento di grandi quantità di energia prima della

rottura; nel caso della frattura fragile abbiamo scarsa o nulla deformazione plastica prima della frattura con

ridotto assorbimento di energia.

Capitolo 10 - Fatica

Definire il concetto di fatica, le curve S-N e i fattori che possono influ