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1 Solidi cristallini 1. I solidi cristallini presentano strutture compatte e dotate di elevata simmetria. Tali strutture risultano costituite dall insieme di più celle elementari, le quali sono caratterizzate da geometrie proprie che, ripetendosi nello spazio, costituiscono il reticolo cristallino. Ai vertici (o nodi) di queste celle elementari vanno a disporsi gli atomi, le molecole o gli ioni. Le celle elementari, aggregandosi un numero elevatissimo di volte nelle tre dimensioni dello spazio, danno luogo alla formazione di cristalli. 2. Un solido cristallino può essere formato da un unico cristallo (struttura monocristallina) ottenuto dall accrescimento regolare nello spazio di numerosissime celle elementari o, più comunemente, può essere costituito dall aggregazione di numerosi cristalli (struttura policristallina), ognuno dei quali risulta formato da numerosissime celle elementari orientate nello spazio in modo diverso da quelle costituenti i cristalli (o grani) vicini. Le zone tra un grano e l altro sono dette bordi dei grani. 3. Nei solidi covalenti i legami che tengono uniti gli atomi sono omopolari o covalenti polari e quindi molto forti. Si avranno in genere dei solidi molto 1) duri, 2) rigidi, 3) ad alta resistenza meccanica, 4) con elevata temperatura di fusione e 5) pochissimo solubili (in acqua o in altri solventi). Gli atomi, vincolati a posizioni rigidamente stabilite, sono uniti gli uni agli altri per formare un unico edificio cristallino, come accade ad esempio nel caso del diamante e del quarzo. Tali solidi, non avendo elettroni liberi di muoversi, non saranno buoni conduttori di elettricità. Inoltre, il fatto che i legami siano solo direzionali crea dei punti di facile rottura (per urto). I solidi di tale tipo sono infatti fragili. 4. Nei solidi metallici la struttura è cristallina e le particelle che li costituiscono sono legate a posizioni ben definite. Tali particelle sono degli ioni positivi. Gli elettroni di valenza non sono legati a nessun atomo in particolare e sono liberi di muoversi. Questa mobilità spiega alcune caratteristiche dei metalli quali: 1) la conducibilità elettrica, dovuta al fatto che gli elettroni hanno piena libertà di muoversi verso il polo di segno opposto e la loro 2) conducibilità termica, dovuta al fatto che gli elettroni che si sono riscaldati ad un estremità del corpo metallico (e hanno quindi acquistato energia di movimento, cioè cinetica ), sono liberi di spostarsi verso l altra estremità trasportando il calore. 5. Nei solidi metallici i legami non sono direzionali, come accade nei solidi covalenti. Questo spiega l assenza di punti di debolezza (a sollecitazioni dinamiche) e quindi la resistenza all urto dei metalli. Inoltre, il legame metallico è più debole di quello covalente e, quindi, sotto l azione di forze esterne, le particelle possono modificare la loro posizione senza che scompaiano i legami che le tengono unite (lo slittamento reciproco dei piani atomici del reticolo cristallino lascia fondamentalmente inalterate le interazioni di legame fra gli atomi). Questo spiega la duttilità e la malleabilità dei metalli. 6. Quando un solido policristallino è sottoposto a sollecitazioni esterne possono verificarsi due tipi di deformazioni. Quali? Deformazioni elastiche (distorsioni temporanee del reticolo cristallino che si annullano all annullarsi dei carichi applicati dall esterno) e deformazioni plastiche (scorrimenti permanenti che si verificano secondo piani reticolari paralleli tra di loro). 7. Cosa si intende per fattore di impacchettamento? Qual è la struttura meno compatta? Il rapporto fra il volume totale occupato dalle sfere contenute nella cella elementare e il volume totale (geometrico) della cella stessa (rapporto pieno/vuoto). La struttura cubica a corpo centrato è meno compatta sia della struttura cubica a facce centrate sia di quella esagonale compatta (fattore di impacchettamento di 0.68). 8. Cosa sono il polimorfismo e l allotropia? Pagina 1 di 8

2 Si hanno quando le sostanze cristallizzano formando cristalli di forme diverse con differente struttura del reticolo. Polimorfismo: se si tratta di un composto. Allotropia: se si tratta di un elemento. Il diamante e la grafite sono due forme allotropiche del carbonio cristallino. 9. Cosa si intende per isomorfismo? Quando due o più sostanze diverse di composizione chimica analoga e con identico reticolo cristallino, danno luogo a cristalli misti (soluzioni solide). 10. Quali sono i tipi di difetti reticolari? Puntiformi, lineari, superficiali. 11. Quali sono i principali difetti puntiformi? I difetti di punto consistono in una interruzione localizzata della regolarità del reticolo cristallino. Si può avere: Sostituzione di un atomo del reticolo cristallino con un atomo estraneo (presente o come impurezze o deliberatamente aggiunto come alligante); Inserzione di un atomo estraneo negli interstizi atomici del reticolo cristallino (elementi interstiziali nei metalli: C, N, O, ecc.; hanno tutti raggio atomico inferiore a 0.8Å); Assenza di un atomo in un punto del reticolo cristallino (vacanza o lacuna). La vacanza è mobilissima in quanto ciascuno degli atomi circostanti può occupare il vuoto lasciando libera la sua posizione e così via (meccanismo della diffusione all interno del metallo). 12. Su quale comportamento dei solidi metallici hanno influenza le dislocazioni? I difetti di linea interrompono la regolarità del reticolo cristallino lungo una linea (dislocazioni). Le dislocazioni hanno notevole importanza nella deformazione plastica dei materiali metallici. 13. Perché un materiale metallico duttile con grani di piccole dimensioni presenta elevata resistenza alle deformazioni plastiche? I difetti di superficie si trovano lungo le superfici di separazione (i bordi) dei grani di un solido policristallino. I bordi dei grani rappresentano le interfacce tra un grano e l altro con diverse orientazioni cristallografiche. Spesso tali zone hanno diversa composizione e diversa struttura reticolare. In un materiale metallico duttile quanto maggiore risulta la superficie dei bordi dei grani per unità di volume (cioè quanto più piccole sono le dimensioni dei grani cristallini), tanto maggiore risulterà l impedimento al movimento delle dislocazioni. Di conseguenza tanto più elevato sarà il carico per unità di superficie del materiale che occorrerà applicare dall esterno per superare tale impedimento e proseguire nello scorrimento plastico. 14. Qual è il fattore determinante che interviene nel fenomeno dell incrudimento? Quali conseguenze comporta l incrudimento in un materiale metallico duttile? Quando un materiale metallico duttile è deformato plasticamente a freddo richiede sforzi molto maggiori per ulteriori deformazioni. Ciò è dovuto principalmente al fatto che durante la deformazione avviene una moltiplicazione delle dislocazioni che interferiscono vicendevolmente per cui aumenta il disordine del materiale e si riduce la facilità di spostamento delle dislocazioni stesse: diminuisce cioè la possibilità di scorrimento e deformazione. Questo fenomeno è detto incrudimento (si ha una deformazione dei grani cristallini e comporta un aumento della durezza e del carico di rottura e una diminuzione della duttilità e malleabilità). Per ripristinare le primitive caratteristiche di deformabilità plastica, occorre eliminare questa distorsione presente nella grana cristallina. A tale scopo il materiale dovrà essere sottoposto ad un trattamento termico (ricottura di ricristallizzazione), portando il materiale alla temperatura di ricristallizzazione (1/3-1/2 della T fusione). A tale temperatura si formano nuovi grani cristallini, con riassestamento del reticolo distorto. 15. Perché non è possibile incrudire il piombo a temperatura ambiente? 16. Quali sono i vari sistemi adottati in campo tecnologico per migliorare le caratteristiche meccaniche di un materiale metallico? Pagina 2 di 8

3 Resilienza: attitudine di un materiale a resistere a sollecitazioni dinamiche o sollecitazioni in cui il carico è applicato bruscamente (resistenza all urto). Metalli. Generalità 17. Cosa si intende per metallo NOBILE? Metalli che non si ossidano né a freddo né a caldo. 18. Cosa si intende per metallo PREZIOSO? Sono i metalli nobili, dato il loro elevato costo. 19. Cosa significa che i metalli presentano bassa energia di ionizzazione? La ionizzazione è il fenomeno che riguarda la perdita (o l acquisto) di elettroni. Per la perdita di elettroni bisogna che questi vincano la forza di attrazione esercitata dal nucleo. Per vincere tale forza occorrerà quindi fornire dall esterno energia (riscaldamento, scariche elettriche, radiazione e.m.). Questa energia è bassa per i metalli, quindi i metalli sono facilmente ionizzabili. 20. I NON-metalli sono buoni conduttori della corrente elettrica? No. Sono cattivi conduttori della corrente elettrica e del calore. 21. L ossido acido è un composto risultante dalla combinazione di un METALLO con l OSSIGENO? No. L ossido acido è un composto risultante dalla combinazione di un NON-metallo con l ossigeno. 22. Che cos è un METALLOIDE? Oltre ai metalli ed ai NON-metalli esiste una terza categoria di elementi, costituita da elementi che hanno proprietà intermedie fra quelle dei metalli e dei non-metalli: sono i semi-metalli o metalloidi. 23. Che cos è l acqua regia? Soluzione di acido cloridrico (3 parti) e acido nitrico (1 parte) concentrati. 24. Elencare almeno tre elementi con struttura c.f.c. Alluminio, argento, iridio, oro, piombo, platino, rodio. LEGHE 1. In base a quali criteri possono essere classificate le leghe? In diversi modi: secondo il numero degli elementi presenti (lega binaria, ternaria, ); secondo la natura del metallo base (leghe del rame, del ferro, dell oro, del titanio, ); secondo il numero delle fasi presenti allo stato solido (leghe monobasiche e leghe polifasiche); secondo la struttura della lega a solidificazione ultimata (soluzioni solide, leghe eutettiche, composti intermetallici ed interstiziali). 2. In una soluzione solida chi sono il soluto e il solvente? Soluto: elemento disperso contenuto in percentuale minore; Solvente: metallo base, presente in percentuale maggiore. Pagina 3 di 8

4 3. Come vengono chiamati quei cristalli che presentano un unico tipo di reticolo e stessa composizione? Sono le soluzioni solide. Rappresentano un sistema monofasico, in cui i singoli cristalli presentano lo stesso tipo di reticolo (che coincide con quello del solvente) e la stessa composizione (cristalli misti) e quindi identiche proprietà intensive in ogni parte (sistema omogeneo). 4. Quali sono i fattori che influiscono sulla solubilità, allo stato solido, fra due elementi? a) struttura cristallina (si deve avere stesso tipo di reticolo cristallino) e b) dimensioni atomiche relative (la differenza fra i diametri atomici degli elementi deve essere inferiore al 15%); c) affinità chimica (deve essere bassa affinché si formino soluzioni solide anziché composti); d) valenza relativa (i metalli a valenza più bassa possiedono una capacità solvente superiore rispetto a quelli con valenza più elevata). 5. In quali modi gli atomi del soluto possono disperdersi nel reticolo cristallino del solvente? La dispersione degli atomi del soluto nel reticolo cristallino del metallo base (solvente) può attuarsi in due modi diversi: a) per sostituzione (soluzioni solide di sostituzione) o b) per inserzione (soluzioni solide di inserzione o interstiziali). 6. Che cos è un eutettico? Quali proprietà fondamentali lo caratterizzano? Sono leghe nelle quali i componenti sono insolubili allo stato solido. L eutettico è l aggregato cristallino sotto forma di grani eterogenei. Esso ha la caratteristica di formarsi ad una ben precisa percentuale dei componenti (concentrazione eutettica) e di solidificare a temperatura costante (temperatura eutettica) come i metalli puri. I grani di eutettico risultano formati dalla deposizione alternata degli elementi costituenti, spesso sotto forma di sottili strati (lamine). L eutettico non è quindi un sistema monofasico, ma un miscuglio eterogeneo di due (o più) fasi. Proprietà caratteristiche di queste leghe: resistenza alle sollecitazioni statiche e dinamiche, relativa durezza e colabilità. Sono, inoltre, bassofondenti e presentano una temperatura di fusione più bassa di quella di ciascuno dei costituenti. 7. Disegnare, qualitativamente, una curva di raffreddamento relativa ad una lega eutettica (Bi-Cd) con concentrazione di partenza diversa da quella a cui si forma l eutettico (ed in particolare ricca di Cd) 8. Fra quali elementi si può formare un composto interstiziale? Si formano fra metalli di transizione (Cr, Mo, Ti, W, Fe, ) ed elementi di piccolo diametro atomico (inferiore ad 1 Å), come H, B, C, N, in grado quindi di inserirsi negli interstizi atomici della struttura reticolare dei primi. 9. Che cosa si intende per sistema binario isomorfo? Le soluzioni solide isomorfe sono del tipo sostituzionale o interstiziale? Spiegare anche il perché. Un sistema binario (cioè costituito da due elementi) si dice isomorfo quando i componenti sono solubili in tutte le proporzioni allo stato solido (esempi: Au-Ag, Cu-Ni, ). Le soluzioni solide isomorfe sono sempre del tipo SOSTITUZIONALE (e non interstiziale) poiché solo in tal caso, a parità di altri fattori, la miscibilità fra gli elementi costituenti può essere totale, a causa delle distorsioni reticolari relativamente basse. Pagina 4 di 8

5 10. A cos è dovuto il graduale cambiamento di concentrazione dei cristalli, durante il passaggio liquido-solido, in una soluzione solida? Il graduale cambiamento di concentrazione dei grani che si formano è dovuto al continuo scambio di atomi fra i reticoli cristallini dei due elementi: i primi cristalli, formatisi inizialmente, perdono successivamente atomi di A e acquistano atomi di B fino a portarsi ad avere una composizione pari a quella della soluzione liquida di partenza. Se il raffreddamento della lega viene effettuato molto rapidamente, questo scambio, ovvero questa diffusione, non avviene completamente e i cristalli risultanti presenteranno concentrazioni diverse dei loro componenti dal centro alla periferia; si avrà, cioè, il fenomeno della zonatura dei grani o segregazione. 11. In che modo l intervallo di solidificazione di una soluzione solida influisce sulla maggiore o minore probabilità di zonatura? Più esteso è l intervallo di solidificazione tanto più elevata sarà la probabilità che tale difetto si verifichi (a causa del più grande gradiente di concentrazione esistente fra i primi cristalli che si formano e quelli a solidificazione ultimata). Solidificazione Supponiamo di avere una massa metallica liquida formata da un metallo puro. Se raffreddiamo la massa liquida, arrivati ad una temperatura determinata Ts, la massa liquida inizierà a solidificare. La temperatura Ts è la temperatura media del liquido, il quale in alcuni punti si troverà pertanto a temperatura leggermente superiore, in altri punti a temperatura leggermente inferiore alla media. Nei punti in cui si hanno dei sottoraffreddamenti, ossia nei punti in cui la temperatura della massa liquida è minore di quella media di solidificazione, alcuni atomi (per la diminuzione del moto molecolare) possono raggrupparsi e formare la prima struttura cristallina permanente che prende il nome di NUCLEO (o GERME) CRISTALLINO. Tale fenomeno è detto nucleazione (o germinazione). La formazione dei nuclei in seno alla massa liquida, nel caso di un metallo puro, è quindi casuale: in tali condizioni il fenomeno prende il nome di enucleazione omogenea. L accrescimento durante il processo di solidificazione, fino alla completa cristallizzazione, ha in genere un andamento caratteristico direzionale detto dendritico. Le dendriti sono delle strutture cristalline a forma di scheletro arborescente. Le dimensioni dei grani cristallini dipendono da due fattori: 1) dalla velocità di germinazione, che rappresenta il numero dei germi che si formano nell unità di tempo in ogni unità di volume della massa liquida, e 2) dalla velocità di accrescimento (o di cristallizzazione) di questi germi. Quanto più elevata è la velocità di raffreddamento (elevate condizioni di sottoraffreddamento) tanto maggiore sarà il numero dei germi che si formano in seno alla massa fusa di metallo (in ogni unità di volume) nell unità di tempo (infatti tanto più basso è il valore del moto molecolare, tanto più probabile è anche la possibilità degli atomi di potersi raggruppare tra di loro, secondo certe forme geometriche, per dar luogo alla formazione di un germe). Conseguenza: se la Pagina 5 di 8

6 velocità di germinazione è maggiore della velocità di cristallizzazione si avrà la formazione di molti grani di piccole dimensioni (struttura a grana fine). Se al contrario il raffreddamento della massa fusa viene effettuato lentamente, la velocità di cristallizzazione risulterà più elevata della velocità di germinazione. Risulterà basso il numero dei germi che (in ogni unità di volume) si formano nell unità di tempo. Conseguenza: si avranno grani grossi e poco numerosi (struttura a grana grossa). Le dimensioni dei grani, oltre che dalla velocità di raffreddamento, dipendono anche dalla natura del materiale e dalla presenza di sostanze estranee (impurezze). Alle volte, infatti, nelle leghe vengono aggiunti intenzionalmente specifici elementi detti microalliganti (o nucleanti artificiali), i quali danno luogo a numerosi nuclei di cristallizzazione anche se il raffreddamento è lento. In questo modo si riesce ad ottenere una struttura a grana fine. Nei materiali metallici quanto più piccole sono le dimensioni dei grani cristallini tanto più elevato risulterà il limite di snervamento (carico unitario in corrispondenza del quale le dislocazioni cominciano a muoversi) e di rottura (se i grani sono piccoli allora la superficie dei bordi dei grani per unità di volume sarà grande). Materiali a grana fine si prestano inoltre ad essere lavorati per deformazione plastica (laminazione, trafilatura, ) e presentano un valore di resilienza (resistenza all urto: carico applicato bruscamente) relativamente elevato. All aumentare delle dimensioni dei grani, diminuiscono il grado di plasticità e il valore della resilienza e aumentano in genere la rigidità, la durezza, la resistenza alle deformazioni viscose (resistenza di un materiale a resistere, sotto carico costante, al proseguimento della deformazione plastica). La diversa composizione delle zone intergranulari può costituire un fattore pericoloso. Esempio nelle lavorazioni a caldo (per esempio riscaldamento per la laminazione), se lungo i bordi dei grani sono presenti impurezze a bassa temperatura di fusione e insolubili con il metallo base, queste impurezze fondono e formano un velo liquido che abbassa enormemente la coesione fra grano e grano, provocando di conseguenza fratture intergranulari durante la deformazione plastica (fragilità a caldo). Saldatura 25. Cosa si intende per saldatura? Cos è il metallo base? Si intende la particolare tecnica di giunzione di parti metalliche mediante l intervento del calore o della pressione (o entrambi tali agenti), con o senza aggiunta di un materiale metallico d apporto. Il materiale metallico, che costituisce i pezzi che devono essere collegati tramite saldatura, prende il nome di metallo base. 26. Qual è la differenza tra saldatura autogena e brasatura? La saldatura autogena si distingue in due tipi, quali? Pagina 6 di 8

7 La saldatura autogena comprende tutti i sistemi di saldatura nei quali il metallo base partecipa alla costituzione del giunto saldato (può essere realizzata con o senza metallo d apporto). Saldatura autogena per pressione e per fusione. La brasatura comprende tutti i sistemi di saldatura nei quali si verifica esclusivamente la fusione del metallo d apporto (di natura diversa dal metallo base e con temperatura di fusione più bassa del metallo base). 27. Quali sono i principali tipi di saldatura autogena per pressione? Realizzata senza metallo d apporto. I principali procedimenti sono i seguenti: Saldatura a freddo (mediante pressione); Saldatura a fuoco (sotto forti colpi di martello); Saldatura per esplosione (con carica di materiale esplosivo); ad ultrasuoni (con vibrazioni sonore che producono attrito tra le superfici a contatto); Saldatura per attrito (si trasforma l energia meccanica in energia termica); Saldatura per diffusione (diffusione allo stato solido fra le superfici a contatto); Saldatura a resistenza elettrica (il calore è fornito da una resistenza elettrica attraversata da corrente elettrica); 28. Quali sono i principali tipi di saldatura autogena per fusione? Realizzata con o senza metallo d apporto (uguale o no al metallo base; si ottengono saldature autogene omogenee o eterogenee). I principali procedimenti sono: Saldatura Laser (fascio di energia radiante di elevata intensità, focalizzato su regioni piccolissime). Utilizzata per microsaldature di precisione; Saldatura alluminotermica (calore sviluppato dalla reazione tra ossido di ferro e alluminio. Si forma ferro allo stato fuso); Saldatura a gas (fiamma ottenuta con un cannello e una miscela combustibile/comburente); Saldatura mediante bombardamento elettronico (energia cinetica in energia termica per l impatto di un fascio di elettroni sul giunto da saldare); Saldatura ad arco (elevatissimo calore dell arco elettrico). 29. Quali temperature vengono raggiunte nelle fiamme metano-aria, propano-aria e acetilene-ossigeno? Fiamma metano-aria: 1900 C; Fiamma propano-aria: 2000 C; Fiamma acetilene-ossigeno: 3100 C. 30. Come si distingue la brasatura? Brasatura dolce (metallo d apporto ha una temperatura di fusione minore di 400 C); Brasatura forte (a bassa temperatura se la temperatura di fusione della lega d apporto è compresa tra 400 e 850 C; ad alta temperatura se la temperatura di fusione della lega d apporto è superiore a 850 C). 31. Cosa si intende per brasatura forte a bassa temperatura? Quando la temperatura di fusione della lega d apporto è superiore a 850 C. Le leghe d apporto impiegate sono costituite principalmente da argento, rame. 32. Quali sono le principali caratteristiche delle leghe d apporto per brasatura? Dette anche saldanti o saldami. Pagina 7 di 8

8 Devono presentare temperatura di fusione inferiore di almeno C della temperatura di inizio fusione della lega da saldare, perché quest ultima non fonda durante la saldatura; Devono essere dotate, allo stato liquido, di bassa tensione superficiale e di elevata scorrevolezza, in modo da bagnare adeguatamente le superfici da saldare, penetrando altresì nelle più piccole irregolarità superficiali grazie al fenomeno della capillarità. Solo così sarà possibile stabilire un più esteso contatto fra le due parti da unire e di conseguenza una migliore adesione; Devono possedere proprietà meccaniche analoghe a quelle della lega da saldare, per non creare punti di indebolimento; Devono presentare adeguata resistenza alla corrosione; Devono avere colore simile a quello della lega da saldare. 33. Come possono essere classificate le leghe d apporto per brasatura? Leghe d oro d apporto, utilizzate nella saldatura delle leghe nobili e non nobili; Leghe d apporto all argento, utilizzate nelle saldature degli acciai inossidabili (austenitici); Leghe d apporto non nobili, utilizzate nella saldatura ad alta temperatura di leghe non nobili. 34. Qual è la funzione dei fondenti? Servono per far sì che i punti di giunzione siano perfettamente puliti e privi di ossidi metallici. 35. Quali sono le principali caratteristiche che devono possedere i fondenti? Sciogliere gli ossidi formatisi durante il riscaldamento, dando luogo a prodotti leggeri (scorie); Essere facilmente rimovibili dalla superficie esterna dopo le operazioni di saldatura; Avere una temperatura di fusione inferiore a quella della lega d apporto; Diffondersi velocemente e uniformemente sulla superficie con cui vengono a contatto. 36. Cosa si intende per atmosfera protettiva? L impiego del fondente può essere sostituito con un atmosfera protettiva, nel vuoto oppure in presenza di gas inerti (elio, argon), i quali ultimi hanno la caratteristica di non reagire con alcuna specie chimica. Impedendo il contatto con l aria si evita il pericolo di ossidazioni. Pagina 8 di 8

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