Argomenti trattati. Introduzione. Solidification. Fasi della solidificazione Nucleazione energia omogenea ed eterogenea. Crescita uniforme dendritica

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Alessandra Grandi
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Argomenti trattati Fasi della solidificazione Nucleazione energia omogenea ed eterogenea Crescita uniforme dendritica Leghe differenze con i metalli puri diagrammi di solidificazione Segregazione

1 Argomenti trattati Fasi della solidificazione Nucleazione energia omogenea ed eterogenea Crescita uniforme dendritica Leghe differenze con i metalli puri diagrammi di solidificazione Segregazione Introduzione Nella maggior parte dei metalli e delle leghe, come nei semiconduttori, nei compositi, nei ceramici e nei polimeri, il materiale è ad un certo stadio della sua esistenza allo stato. Il si solidifica se portato al di sotto della sua temperatura di solidificazione. Il materiale può essere usato così ottenuto oppure può essere trattato con processi termici, meccanici e termo-meccanici. Le strutture ottenute durante la solidificazione influenzano le proprietà meccaniche ed inoltre il processo da utilizzare. Solidification Figure 1.11 Schematic illustration of the stages during solidification of molten metal; each small square represents a unit cell. (a) Nucleation of crystals at random sites in the molten metal; note that the crystallographic orientation of each site is different. (b) and (c) Growth of crystals as solidification continues. (d) Solidified metal, showing individual grains and grain boundaries; note the different angles at which neighboring grains meet each other. Source: W. Rosenhain.

2 Fasi della solidificazione La solidificazione richiede due stadi: Nucleazione Avviene quando una piccola parte di si forma dalla massa liquida. Crescita Avviene quando gli atomi dal si attaccano al fino a che non rimane più massa liquida. Nucleazione / Introduzione Ci si aspetta che un materiale solidifica quando il è portato ad una temperatura inferiore a quella di solidificazione, dato che l energia associata alla struttura cristallina del è minore di quella dell energia del. Quando si forma il, tuttavia, si crea un interfaccia tra esso e la rimanente massa liquida. Se il è molto piccolo, invece di continuare la sua crescita, si ottiene una nuova fase di fusione con ritorno nello stato. Questo piccolo è definito embrione. Se il è più grande, il è stabile ed è definito nucleo. Nucleazione / Energia Cambiamenti nell energia libera Energia di superficie 4πr σ Nucleo r Embrione r* Energia di volume (4/3)πr 3 G v interfaccia - r La differenza di energia tra e è l energia libera di volume G v. Una energia di superficie σ è associata con l interfaccia. Di conseguenza l energia totale è data da: 4 3 G = πr Gv 4πr σ 3 +

3 Nucleazione / Nucleazione omogenea Appena il si raffredda al di sotto della temperatura di solidificazione, due fattori favoriscono la nucleazione: Gli atomi si ordinano in modo da forare embrioni più grandi. La maggiore differenza di energia libera di volume tra e riduce la dimensione critica del nucleo. La nucleazione omogenea avviene quando il sotto-raffreddamento diviene abbastanza ampio da causare la formazione di nuclei stabili. Nucleazione / Nucleazione eterogenea Eccetto nel caso di esperimenti di laboratorio, la nucleazione omogenea di norma non avviene nella massa liquida. r impurità Infatti le impurità presenti nella massa liquida diventano una superficie su cui si può formare più facilmente il. Crescita / Introduzione Una volta che si forma il, gli atomi attaccati alla superficie del iniziano a crescere. Le caratteristiche della crescita del dipendono dal modo in cui il calore viene rimosso dal sistema. Due tipi di quantità di calore devono essere rimosse: Il calore specifico. Calore richiesto per la variazione di temperatura di un grado per unità di massa. Il calore latente di fusione. Calore rilasciato durante il processo di trasformazione -. Il calore specifico deve essere rimosso prima fino a portare la massa liquida alla sua temperatura di solidificazione. Il calore latente deve essere rimosso dall interfaccia - prima che la solidificazione sia completata.

4 Crescita / Crescita uniforme T attuale T solidificazione Distanza dall interfaccia - In condizioni di equilibrio, la temperatura del è più bassa di quella di solidificazione mentre quella del più elevata. Ogni protuberanza presente sull interfaccia non ha la possibilità di crescere in maniera indipendente. In tal modo la crescita avviene in maniera uniforme e si la superficie si mantiene piana. Crescita / Crescita dendritica T attuale T solidifcazione sotto-raffreddato Distanza dall interfaccia - Quando la nucleazione è bassa, il è sotto-raffreddato prima che si formi il. In queste condizioni, una protuberanza sulla superficie, definita dendrite, può svilupparsi in maniera indipendente. La sua formazione rilascia il calore latente di fusione in modo da riportare la temperatura a valori superiori a quelli di solidificazione. Grain Sizes ASTM grain size number N = n-1 no. grains/in at 100x magnification TABLE 1.1 ASTM No. Grains/mm Grains/mm ,04,048 4,096 8,00 16,400 3, ,00,900 8,00 3,000 65, ,000 50,000 1,500,000 4,00,000

5 Leghe / Introduzione Molto spesso i materiali metallici impiegati sono costituiti da miscele o leghe di due o più metalli o, in alcuni casi, di metalli ed elementi non metallici. La solidificazione delle leghe risulta differente da quella dei materiali metallici puri. Tranne in pochi casi particolari, i componenti di una lega sono perfettamente miscibili allo stato fuso. A temperatura sufficientemente elevata, la lega è costituita da un omogeneo che contiene in ogni elemento di volume atomi dei due metalli. Leghe / Differenze con i metalli puri La temperatura di solidificazione di un metallo è caratteristica metallo stesso ed ha un unico valore. del Nelle leghe non si ha un valore unico bensì un intervallo di solidificazione, delimitato dalle temperature di inizio e fine trasformazione. La posizione e l ampiezza dell intervallo di solidificazione dipendono dalla composizione della lega. Leghe / Diagrammi di solidificazione 100% Cu Composizione 100% Ni Le due curve rappresentano rispettivamente quella del liquidus ( punti rappresentativi delle temperature di inizio solidificazione) e del solidus (punti rappresentativi delle temperature di fine solidificazione)

A% A% B% O O O superficie centro Micro-segregazione

6 Segregazione / Diagramma Cu-Ni in condizioni di equilibrio Segregazione / Diagramma Cu-Ni in condizioni di non-equilibrio Segregazione / Tipologie A% A% A% B% O O O superficie centro Micro-segregazione Macro-segregazione

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