Tipologie di materiali

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1 Tipologie di materiali Caratteristiche macroscopiche Lavorazione Microstruttura Formula chimica Legami chimici Struttura atomica

2 Struttura La struttura fisica dei materiali dipende dalla disposizione degli atomi che li compongono, Una prima distinzione che può essere fatta è tra materiali cristallini e amorfi. Cristallini Amorfi Materiali composti da da Materiali composti da da atomi disposti in in modo atomi disposti in in modo regolare, con un un regolare a corto raggio, ordine a lungo raggio irregolarmente a lungo Anisotrope! raggio Isotrope!

3 Struttura Isotropia. Costanza delle proprietà in ogni direzione di misura Anisotropia Variazione brusca delle proprietà rispetto alla direzione di misura.! Se un sistema è formato da più sottosistemi, ciascuno anisotropo, ma orientato in modo casuale, l insieme può risultare isotropo.

4 Numero di coordinazione Numero di atomi o ioni vicini a ciascun atomo o ione della struttura cristallina Fattore di impaccamento atomico APF = Volume degli atomi nella cella Volume totale della cella

5 Reticolo cristallino Struttura virtuale ottenuta unendo gli atomi, gli ioni o le molecole che compongono la struttura cristallina Nodi Filari Piani reticolari Celle elementari

6 Nodi Centri di equilibrio di atomi, ioni o molecole che compongono la struttura cristallina Filari Semplici = formati dalle stesse particelle Composti = formati da particelle diverse Insieme di nodi orientati nella stessa direzione e a distanze regolari

7 Piani reticolari Insieme di nodi giacenti su uno stesso piano immaginario. Una struttura può essere formata da piani diversi. Ogni nodo può appartenere a più piani Parallelogramma elementare: Unità minima del piano che conserva le caratteristiche del piano stesso

8 Celle elementari Unione minima di nodi che riprodotta forma il reticolo cristallino È caratterizzata dagli angoli α, β, γ e dalle lunghezze dei lati a,b,c.

9 Esistono 14 tipi di celle elementari, dette reticoli elementari di Bravais, Tali celle sono sufficienti a descrivere la simmetria geometrica esterna di tutti i cristalli conosciuti.

10 Attraverso la combinazione delle celle elementari si possono definire sette sistemi cristallografici nei quali vengono classificati tutti i diversi tipi di cristalli Sistema Caratteristiche Lineari Caratteristiche Angolari Esempi Cubico a=b=c α=β=γ=90 NaCl,C(D) Tetragonale a=b c α=β=γ=90 Sn, TiO 2 Rombico a b c α=β=γ=90 CaCO 3 (aragonite) Monoclino a b c α=β=90 γ 90 KClO 3 Triclino a b c α β γ 90 CuSO 4 H 2 O Trigonale a=b=c α=β=γ 90 CaCO 3 (calcite) Esagonale a=b c α=β=90 γ =120 C (grafite)

11 Body-centered cubic (BCC) Nr.cord. 8 APF = 0,68 hexagonal close-packed (HCP) Nr.cord. 12 APF = 0,74

12 Face-centered cubic,(fcc) Nr.cord. 12 APF = 0,74

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14 Polimorfismo (allotropia) Si ha quando una sostanza può cristallizzare in due o più forme cristalline diverse, stabili entro determinati limiti di pressione, temperatura o composizione. Se la sostanza è composta da due o più elementi si parla di polimorfismo, altrimenti di allotropia. CaCO 33 Aragonite (sistema rombico) Calcite (sistema trigonale)

15 La temperatura alla quale avviene la trasformazione da una forma a un altra viene detta Punto di trasformazione La trasformazione può essere reversibile (enantropia) o irreversibile (minotropia) Zolfo α(rombico) Zolfo β(monoclino) 95.6 C 1 atm Carbonio (diamante) Carbonio (graffite) 1800 C

16 Sostanze isomorfe Sostanze diverse che formano cristalli con reticoli uguali o molto simili. Possono cristallizzare insieme formando soluzioni solide

17 Soluzioni solide Miscela solida di due o più sostanze unita in una unica fase. Si identificano soluzioni solide: Sostituzionali Interstiziali

18 Sostituzionali Soluzione solida in cui gli atomi di un elemento (soluto) possono sostituire gli atomi dell altro elemento (solvente). In alcune soluzioni solide si possono avere sostituzioni da poche unità atomiche a quasi il 100%

19 Sostituzionali Condizioni affinche si abbiano soluzioni sostituzionali 1. I diametri dei due atomi non devono differire per più del 15% 2. Le strutture cristalline in cui solidificano i due elementi devono essere le stesse 3. Le differenze in elettronegatività devono essere piccole 4. I due elementi dovrebbero avere la stessa valenza

20 Interstiziali Soluzione solida in cui gli atomi di un elemento (soluto) possono entrare negli interstizi o nei vuoti dell altro elemento (solvente).

21 Interstiziali Elementi che possono dare soluzioni solide sono Idrogeno, carbonio, ossigeno, azoto Es Lega ferro-carbonio

22 Difetti nei reticoli cristallini Durante i processo di formazione dei cristalli, possono crearsi difetti che possono influenzare le proprietà fisiche e tecnologiche. Deformabilità a freddo Conduttività Velocità di diffusione degli atomi nelle leghe Corrosione nei metalli

23 Difetti nei reticoli cristallini I difetti possono essere classificati come segue: Difetti di punto Difetti di linea Difetti di superficie

24 Difetti nei reticoli cristallini Difetti di punto Vacanze Difetto corrispondente alla mancanza di un atomo nella struttura cristallina

25 Difetti nei reticoli cristallini Difetti di punto Vacanza autointerstiziale Un atomo dello stesso tipo di quello che forma il reticolo è in posizione interstiziale

26 Difetti nei reticoli cristallini Difetti di punto Difetto di Frenkel Difetto di un reticolo ionico per cui un catione autointerstiziale è associato con la vacanza di un catione

27 Difetti nei reticoli cristallini Difetti di punto Difetto di Schottky Difetto di un reticolo ionico per cui un catione autointerstiziale è associato con la vacanza di un catione

28 Difetti nei reticoli cristallini Difetti di linea Il difetto è concentrato lungo una linea Difetto a spigolo

29 Difetti nei reticoli cristallini Difetti di linea Il difetto è concentrato lungo una linea Difetto a vite Difetti misti

30 Difetti nei reticoli cristallini Difetti di superficie Bordi di grano È la regione che si crea tra due grani. L addensamento atomico è più basso rispetto all interno. A basse temperature aumentano le caratteristiche meccaniche del materiale limitando lo scorrimento delle dislocazioni