Tecnologia Meccanica prof. Luigi Carrino. Solidificazione e

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1 Solidificazione e Difetti Cristallini nei Solidi

2 FONDERIA Nella tecnica di fonderia il metallo, fuso nei forni, viene colato in una forma cava della quale, solidificando, assume la configurazione e le dimensioni.

3 Fonderia Stampo per fonderia Componenti colati Processo di fonderia

4 Fonderia La fabbricazione per fusione rappresenta una delle tecniche più antiche e versatili per la realizzazione di greggi destinati alle lavorazioni per asportazione di truciolo

5 Solidificazione dei Metalli I metalli vengono fusi per produrre prodotti finiti e semilavorati Due stadi di solidificazione Ø Nucleazione : formazione di nuclei stabili Ø Crescita dei grani : formazione della struttura a grani Gradienti termici definiscono la forma dei grani Nucleo Grani Liquido Cristalli che formeranno i grani Bordi di grano

6 Il fenomeno della nucleazione, assieme all'accrescimento, è uno dei meccanismi attraverso cui avviene la cristallizzazione, ovvero il passaggio dallo stato liquido a quello solido. Nucleo Grani Liquido Cristalli che formeranno i grani Bordi di grano I solidi cristallini sono in genere costituiti da più cristalli, che si formano durante il processo di cristallizzazione. Il fenomeno della nucleazione aumenta il numero dei cristalli presenti in un solido, mentre il fenomeno dell'accrescimento aumenta le dimensioni di questi cristalli. Se la velocità di nucleazione è molto elevata rispetto alla velocità di accrescimento, allora il solido presenterà una struttura più vicina allo stato amorfo, mentre se la velocità di accrescimento è molto elevata rispetto alla velocità di nucleazione, il solido presenterà una struttura più vicina a quella di solido monocristallino.

7 Formazione di Nuclei Stabili Due principali meccanismi : omogeneo e eterogeneo Nucleazione omogenea : o Caso principale e più semplice o Il metallo stesso fornirà atomi per formare nuclei o Il metallo, quando sottoraffreddato in modo significativo, ha molti atomi che si muovono lentamente che si legano tra loro per formare i nuclei o Gruppi di atomi al di sotto della dimensione critica è detto embrione o Se i gruppi di atomi raggiungono la dimensione critica, crescono nei cristalli. Gli altri si dissolvono o I gruppi di atomi di dimensione maggiore della dimensione critica sono chiamati nuclei

8 Energie coinvolte nella nucleazione omogenea Energia libera di volume G V Energia di superficie G S È un aliquota negativa in quanto emessa dal sistema nella trasformazione da liquido a solido G v : scambio in energia libera per unità di volume tra liquido e solido Lo scambio di energia libera per un nucleo sferico di raggio r è dato da G = 4 π r 3 3 V G v È un aliquota positiva in quanto richiesta dal sistema per formare una nuova superficie solida G s : energia necessaria per formare una superficie γ : energia libera di superficie specifica (per unità di superficie) Quindi : G = 4πr 2 γ s G s è energia ritardante

9 Energia Libera Totale 4 GT = r Gv + 3 L energia libera totale è data da 3 2 π π γ r* = 2γ Poichè quando r=r*, d( G T )/dr = 0 G V G + s Nucleo 4 r G G T r r* r* r Sopra il raggio critico r* Sotto il raggio critico r* - G v Energia diminuita dalla crescita nei cristalli Energia diminuita dal ridiscioglimento

10 Raggio Critico vs Sottoraffreddamento Maggiore è il grado di sottoraffreddamento, maggiore è la variazione nell energia libera di volume Gv G s non varia significativamente Quando la quantità di sottoraffreddamento T aumenta, la dimensione critica del nucleo diminuisce Il raggio critico è correlato al sottoraffreddamento secondo la relazione : r* = 2γT H f m T r* = raggio critico del nucleo γ = energia libera di superficie H f = calore latente di fusione T = quantità di sottoraffreddamento

11 Nucleazione Eterogenea La nucleazione avviene in un liquido sulla superficie del materiale strutturale. Es.: impurezze insolubili Queste strutture, dette agenti nucleanti, abbassano l energia libera richiesta per formare nuclei stabili Liquido θ Solido Agente nucleante Gli agenti nucleanti abbassano anche la dimensione critica Per la solidificazione è richiesta una minore quantità di sottoraffreddamento Usata ampiamente nelle industrie

12 Curve di raffreddamento Utilizzate per determinare la temperatura di transizione di fase T Metalli puri T s T Polimorfismo L L+S S Raffreddamento in condizione di equilibrio t

13 Curve di raffreddamento Leghe T T i s T f s L L+S S Macrosegregazione: comincia a solidificare prima il componente a temperatura di solidificazione più alta. Il liquido progressivamente si arricchisce del componente a temperatura di solidificazione più bassa t

14 Metallo puro: formazione dei grani Fronte di solidificazione piano t = 0 alto gradiente termico Gradiente sempre minore al passare del tempo Effetto della velocità di raffreddamento: Tc Ts T t = t 1 t = t 2 t = 0 Alta Bassa t = t 2 t = t 1 t = 0 Ta forma metallo puro x

15 T Tc t = 0 Ts t = 0 Ta solido forma metallo puro x liquido t 0 alta differenza di temperatura grosso sottoraffreddamento molti grani piccoli equiassici buone caratteristiche meccaniche crosta dura che può dare problemi nelle lavorazioni meccaniche successive

16 T Tc Ts t = t 1 t = 0 t = t t = 0 1 Ta t = t 1 forma metallo puro x solido liquido contrazione di volume distacco del getto dalla forma strato di aria interposto (bassa conducibilità) velocità di raffreddamento piu bassa flusso direzionale grani allungati, anisotropia

17 T Tc Ts t = t 1 t = t 2 t = 0 t = t 2 t = t t = 0 1 forma Ta metallo puro x t = t 2 bassi gradienti termici bassa conducibilità flusso termico non direzionale grani grossi, equiorientati

18 Tipica struttura finale di un getto fuso È auspicabile avere: - elevata velocità di raffreddamento - aggiunta di elementi nucleanti (nucleazione eterogenea) - rugosità della forma

19 Lega: formazione dei grani T T c t = 0 T is t = t 1 T fs t = t 2 t = t 1 t = 0 t = t 2 Ta forma lega

20 Struttura dendritica

21 Solidificazione di una lega Formazione di strutture dendritiche Problemi: microsegregazione (negli spazi interdendritici si ha concentrazione differente) anisotropia porosità interdendritica

22 Soluzioni Solide Metalliche Le leghe sono utilizzate nella maggior parte delle applicazioni industriali La lega è una miscela di due o più elementi metalli e non metalli Esempio: o Ottone è una lega binaria 70% Cu e 30% Zinco o Iconel è una superlega a base di nichel con circa 10 elementi di lega La soluzione solida è un tipo semplice di lega nella quale 2 o più elementi sono atomicamente dispersi in una singola fase.

23 Soluzione Solida Sostituzionale Gli atomi di soluto sostituiscono atomi di solvente in un reticolo cristallino La struttura rimane invariata Il reticolo cristallino può essere leggermente distorto per la variazione di diametro degli atomi La percentuale di soluto nel solvente può variare da 1% al 100% Atomi di solvente Atomi di soluto

24 Soluzione Solida Sostituzionale La solubilità dei solidi è maggiore se o Il diametro degli atomi non differisce più del 15% o Le strutture cristalline sono simili o Non c è grande differenza nella elettronegatività (anche i composti che saranno formati) o Hanno la stessa valenza Esempi: Sistema Differenza raggio atomico Differenza di elettronegatività Solubilità solida Cu-Zn 3.9% % Cu-Pb 36.7% % Cu-Ni 2.3% 0 100%

25 Soluzione Solida Interstiziale Gli atomi di soluto si inseriscono tra i vuoti (interstizi) degli atomi di solvente Gli atomi di solvente in questo caso dovrebbero essere più grandi degli atomi di soluto Esempio: tra 912 e 1394 C, si forma la soluzione solida interstiziale di carbonio nel ferro γ (CFC) Un massimo di 2.8% di carbonio può dissolversi negli interstizi del ferro Atomi di ferro, r = 0.129nm Atomi di carbonio, r = 0.075nm