Capitolo 1 COSTITUZIONE DELLA MATERIA

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1 ITST J.F. KENNEDY - PN Disciplina: TECNOLOGIA MECCANICA Capitolo 1 COSTITUZIONE DELLA MATERIA A cura di Prof. Antonio Screti

2 LA COSTITUZIONE DELLA MATERIA CARATTERISTICHE DEI MATERIALI METALLICI Le caratteristiche fisiche dei materiali solidi metallici (e non metallici) dipendono da: struttura base elettronica del materiale o degli elementi che lo costituiscono (tipi di legami e struttura reticolare); complesso di azioni di natura fisica o chimica a cui il materiale è stato sottoposto (forze esterne, riscaldamenti, trattamenti chimici, ecc ).

3 LEGAME METALLICO La materia è sempre costituita da un insieme di atomi, legati in maniera più o meno stabile tra loro (LEGAMI). E possibile trovare la materia in tre differenti stati di aggregazione: SOLIDO LIQUIDO GASSOSO stato solido metallico struttura interna ordinata e ripetitiva

4 LEGAME METALLICO In un metallo, gli atomi perdono i loro elettroni di valenza trasformandosi in cationi (ioni positivi). Gli ioni si dispongono nel miglior modo possibile (massimo impaccamento), creando strutture geometriche ben definite. Gli elettroni di valenza non appartengono più ai singoli atomi, ma sono liberi di muoversi (elettroni delocalizzati) tra i vari cationi. ZINCO (Zn) 1s,2s, 2p,3s,3p, 3d, 4s

5 LEGAME METALLICO Possiamo quindi immaginare un cristallo metallico come costituito da un reticolo di ioni positivi immersi in un mare di elettroni che ne costituiscono l'elemento legante. ione zinco Zn(2+) elettroni

6 LEGAME METALLICO Le principali caratteristiche dei solidi metallici derivano dal tipo di legame e quindi sono: buoni conduttori (gli elettroni sono liberi di muoversi all'interno del reticolo cristallino); duttili (possono essere trasformati in fili sottili); malleabili (possono essere ridotti in lamine: gli elettroni mobili permettono agli ioni positivi del metallo di "scivolare" gli uni sugli altri, senza compromettere la compattezza della struttura).

7 STATO SOLIDO METALLICO I materiali metallici non hanno una struttura molecolare, ma sono costituiti da tanti atomi, tenuti insieme da forti energie di legame, che li vincolano in posizioni fisse ( a meno di piccole oscillazioni dovute alla temperatura). Nello stato solido metallico, gli atomi sono uniti ordinatamente secondo uno schema geometrico tridimensionale ben preciso, detto reticolo cristallino. Il reticolo cristallino può essere anche pensato come la ripetizione ordinata nelle tre dimensione dello spazio della cella elementare, elemento base indivisibile (mattone).

8 CELLA ELEMENTARE La cella elementare è, quindi, il più piccolo solido che contiene la simmetria del cristallo ed è caratterizzata dalla forma e dalle dimensioni (distanza tra atomi). La maggioranza dei metalli assume allo stato solido tre strutture cristalline: - cubica a corpo centrato (c.c.c.); - cubica facce centrate (c.f.c.); - esagonale compatta (e.c.).

9 CELLA ELEMENTARE Cubica a corpo centrato (c.c.c.) E costituita da 9 atomi di cui 8 disposti nei vertici e 1 nel centro geometrico del cubo. I metalli appartenenti a questa serie sono duri, hanno discreta resistenza alle deformazioni e duttilità media.

10 CELLA ELEMENTARE Cubica a facce centrate (c.f.c.) E costituita da 14 atomi, di cui 8 disposti nei vertici e 6 nel centro di ciascuna faccia del cubo. I metalli appartenenti a questa serie sono duttili, facilmente deformabili e buoni conduttori di calore ed elettricità.

11 CELLA ELEMENTARE Esagonale compatta (c.p.) E costituita da 17 atomi. Il grado di compattezza (densità) è intermedio rispetto a quelli precedenti. I metalli appartenenti a questa serie sono fragili.

12 MONOCRISTALLO E PLURICRISTALLO In generale, un metallo è sempre costituito da celle identiche, ma con orientazioni differenti. Un corpo metallico non è, quindi, costituito da un solo cristallo (monocristallo), ma da più cristalli (struttura policristallina), detti grani, di forma e dimensioni differenti. I grani sono separati da sottili bordi, che influenzano le proprietà del solido. Ogni cristallo ha celle con lo stesso orientamento, ma diverso da cristallo a cristallo. L orientamento può essere casuale oppure dipendere da condizioni di solidificazione, azioni meccaniche, trattamenti termici, ecc

13 FORME ALLOTROPICHE Molti metalli, in funzione della temperatura, presentano due o più celle elementari, dette forme allotropiche, e quindi hanno caratteristiche fisiche e chimiche differenti. I passaggi da una forma allotropica ad un altra sono definite trasformazioni allotropiche. Ferro fino a 910 C da 910 a 1390 C da 1390 a 1534 C c.c.c. c.f.c. c.c.c. Nichel fino a 375 C oltre375 C Cobalto fino a 477 C oltre 477 C c.f.c. c.f.c. e.c. c.f.c.

14 DEFORMAZIONI DEL RETICOLO Quando un singolo reticolo è sottoposto a forze esterne, il suo reticolo subisce una deformazione che può essere temporanea o permanente, in base alle forze applicate.

15 DEFORMAZIONI DEL RETICOLO I metalli sono costituiti da un grande numero di grani con atomi orientati in tutte le direzioni possibili, senza particolari preferenze, così da comportarsi come isotropi, (proprietà identiche in tutte le direzioni). In caso di forza esterna, gli scorrimenti riguardano prima i grani con atomi allineati e poi via via tutti gli altri. Può succedere che i materiali si comportino in maniera anisotropa, se si manifesta un orientamento preferenziale dei grani, derivante da un procedimento (laminatura, ecc )

16 IMPERFEZIONI DEL RETICOLO I cristalli non sono mai perfetti e contengono vari tipi di imperfezioni e di difetti che influenzano alcune delle loro proprietà fisiche e meccaniche e che a loro volta influenzano alcune importanti proprietà tecnologiche: - deformabilità a freddo delle leghe; - la conduttività elettrica dei semiconduttori; - la velocità di diffusione degli atomi nelle leghe; -la corrosione dei metalli. Si possono avere i seguenti difetti: PUNTUALI LINEARI SUPERFICIALI

17 IMPERFEZIONI DEL RETICOLO DIF. PUNTUALI Questo tipo di difetto può prevedere: a) la mancanza di un atomo nel reticolo (vacanza); b) la presenza di un elemento più piccolo in posizione interstiziale (interstiziale); c) un atomo diverso chesostituisce un atomo proprio del reticolo (sostituzionali).

18 IMPERFEZIONI DEL RETICOLO DIF. PUNTUALI Le vacanze permettono il movimento degli atomi da un nodo reticolare ad un altro (diffusione) e la variazione delle caratteristiche meccaniche. Con la temperatura, aumenta la concentrazione di vacanze: per un certo materiale ad una certa temperatura esiste una certa densità di vacanze che rende il cristallo stabile.

19 IMPERFEZIONI DEL RETICOLO DIF. PUNTUALI La sostituzione di un atomo con un altro atomo di carica e dimensioni simili è una condizione favorevole per la formazione di soluzioni solide (es. leghe metalliche). Per ottenere leghe metalliche, è essenziale la possibilità di avere atomi in posizione interstiziale o sostituzionale. Ad es., l introduzione nel reticolo del ferro di atomi di carbonio in posizione interstiziale aumenta le proprietà meccaniche del ferro.

20 IMPERFEZIONI DEL RETICOLO DIF. LINEARI I difetti lineari sono noti come dislocazioni e possono essere a spigolo o a vite. Sono molto importanti per la deformazione plastica dei materiali!!!

21 IMPERFEZIONI DEL RETICOLO DIF. LINEARI Dislocazione a spigolo.

22 IMPERFEZIONI DEL RETICOLO DIF. LINEARI Dislocazione a vite.

23 IMPERFEZIONI DEL RETICOLO DIF. SUPERFICIE Superficie La superficie è un difetto poiché gli atomi che ne fanno parte hanno un direzione obbligata di disposizione e sono più reattivi Bordi dei grani Gli atomi sono legati fra loro con legami distorti, situati al confine tra aree monocristalline (grani) di un materiale policristallino.

24 SOLIDIFICAZIONE DEI METALLI PURI Nella quasi totalità dei casi i metalli e le leghe metalliche sono prodotti con processi che si svolgono a T > T(fusione) La solidificazione è la prima trasformazione che determina la microstruttura di un materiale metallico e le proprietà che ne condizionano l impiego. SOLIDIFICAZIONE di un metallo puro NUCLEAZIONE ACCRESCIMENTO

25 SOLIDIFICAZIONE DEI METALLI PURI NUCLEAZIONE Se T > Tf, siamo in presenza di FASE LIQUIDA Questa non possiede uno stato di ordine a largo raggio ma a corto raggio: si hanno piccoli gruppi di atomi regolari, che prefigurano la disposizione ordinata dello stato solido (germi di solidificazione) e che si formano e si dissolvono continuamente per effetto della agitazione termica.

26 SOLIDIFICAZIONE DEI METALLI PURI NUCLEAZIONE a) Nucleazione OMOGENEA i nuclei si formano casualmente nella massa metallica (sovraraffreddamento 100 C) b) Nucleazione ETEROGENA è provocata da impurezze presenti nel liquido o da agenti inoculanti che agiscono da nuclei (sovraraffreddamento pochi C)

27 SOLIDIFICAZIONE DEI METALLI PURI ACCRESCIMENTO Ai germi di cristallizzazione si affiancano, in determinate direzioni, altre celle che più o meno rapidamente si accrescono a spese del metallo liquido circostante per sviluppare i cristalli elementari a contorno irregolare, detti grani. I grani si uniscono tra loro fino alla completa solidificazione dando origine ad aggregati policristallini.

28 SOLIDIFICAZIONE DEI METALLI PURI ACCRESCIMENTO La dimensione dei grani dipende dal numero di nuclei, che dipende dalla T iniziale del liquido, dalla velocità di raffreddamento e dalla presenza di impurità non metalliche (inclusioni, gas)

29 SOLIDIFICAZIONE DELLE LEGHE METALLICHE Una lega metallica si ottiene dall intima mescolanza di due o più metalli fondamentali, con uno preponderante. Le proprietà di una lega dipendono dagli elementi di base, dagli eventuali elementi di alligazione e dalla concentrazione. In generale, una lega presenta una durezza e resistenza maggiore degli elementi di base; per contro, ha minore plasticità, minore conduttività elettrica e termica, minore resistenza alla corrosione.

30 SOLIDIFICAZIONE DELLE LEGHE METALLICHE In base al numero di elementi di base si hanno leghe binarie, terziarie, quaternarie, ecc La nostra attenzione si focalizzerà sulle leghe binarie (ad es. Fe-C). La solidificazione delle leghe avviene con la stessa dinamica di quella di un metallo puro: nucleazione e accrescimento. La natura del cristallo dopo la solidificazione e il raffreddamento può variare in funzione della solubilità liquida e solida degli elementi e della concentrazione..

31 SOLIDIFICAZIONE DELLE LEGHE METALLICHE Si possono avere le seguenti tipologie di leghe: 1. metalli non solubili allo stato solido; 2. metalli solubili allo stato solido (soluzione solida); 3. leghe diverse in cui il rapporto degli atomi componenti è costante (composto intermetallico); 4. soluzione solida formata da un metallo e un non metallo; 5. cristalli eutettici.

32 SOLIDIFICAZIONE DELLE LEGHE METALLICHE Si possono avere le seguenti tipologie di leghe: 1. metalli non solubili allo stato solido: all atto della solidificazione si creano cristalli separati dei due elementi 2. metalli solubili allo stato solido: si utilizzano elementi con atomi di dimensioni simili e le concentrazioni sono con continuità. Si crea una soluzione solida e per ogni temperatura di ha un livello di saturazione. Se la velocità di raffreddamento è lenta, si ha separazione degli elemeti; se è veloce si innesca la precipitazione.

33 SOLIDIFICAZIONE DELLE LEGHE METALLICHE Si possono avere le seguenti tipologie di leghe: 3. leghe diverse in cui il rapporto degli atomi componenti è costante: a concentrazioni definite si crea un composto intermetallico, con caratteristiche differenti a quelle dei metalli puri e delle soluzioni solide; 4. soluzione solida formata da un metallo e un non metallo: l atomo del non metallo è più piccolo e assume posizioni interstiziali. In fase di solidificazione si genera segregazione, ovvero cristalli più ricchi del metallo a Tf maggiore all inizio della solidificazione e man mano decrescente (struttura dendriditica). 5. cristalli eutettici: miscuglio di cristalli diversi che in solidificazione hanno perso la solubilità

34 Risorse didattiche Video 1: Crystal defects Video 2: Iron crystal structures Video 3: Lattice Structures

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