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"Metastabilità nei materiali: relazione tra tempo ed equilibrio" Alberto Castellero Università degli Studi di Torino Dip. Chimica IFM & Centro NIS Il Tempo.

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Presentazione sul tema: ""Metastabilità nei materiali: relazione tra tempo ed equilibrio" Alberto Castellero Università degli Studi di Torino Dip. Chimica IFM & Centro NIS Il Tempo."— Transcript della presentazione:

1 "Metastabilità nei materiali: relazione tra tempo ed equilibrio" Alberto Castellero Università degli Studi di Torino Dip. Chimica IFM & Centro NIS Il Tempo della Scienza: Incontri del Giovedì 2011 Giovedì 13 ottobre 2011 Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM)

2 Trasformazioni di fase: forza motrice termodinamica ed energia di attivazione (a) Equilibrio metastabile (b) Equilibrio instabile (c) Non equilibrio (d) Equilibrio stabile  G: forza motrice termodinamica Q: energia di attivazione

3 La solidificazione di un metallo puro: Nucleazione omogenea della fase cristallina r *   /  G v  G *   3 /  G v 2  G v =  H f (T f -T)/T f W.D. Callister Jr., Scienza ed ingegneria dei materiali, EDISES

4 Nucleazione omogenea: effetto della temperatura L. Battezzati & A. Castellero, “Nucleation and the Properties of Undercooled Melts” Trans Tech Pubblications Inc., Zurich, Switzerland

5 Nucleazione omogenea: effetto della temperatura W.D. Callister Jr., Scienza ed ingegneria dei materiali, EDISES

6 Le trasformazioni fase nei sistemi metallici: velocità di crescita e cinetica di trasformazione W.D. Callister Jr., Scienza ed ingegneria dei materiali, EDISES

7 Energizzazione del sistema  Raffreddamento rapido (tempra) È possibile raggiungere uno stato metastabile solo quando esiste un percorso cineticamente favorito rispetto a quello previsto dalla termodinamica

8 Il diagramma Ferro-Carbonio Diag. Fe-Fe 3 (metastabile) Diag. Fe-grafite (stabile) Equilibrio Termodinamico Fe 3 C  3Fe + C W. Nicodemi, Metallurgia, Zanichelli

9 La trasformazione martensitica W. Nicodemi, Metallurgia, Zanichelli R.A. Higgins, Engineering Metallurgy, Arnold

10 La trasformazione martensitica trasformazione di tipo “militare” (senza diffusione) elevata velocità di trasformazione (10 -4 s) W. Nicodemi, Metallurgia, Zanichelli

11 Martensite e proprietà meccaniche R.A. Higgins, Engineering Metallurgy, Arnold W.D. Callister Jr., Scienza ed ingegneria dei materiali, EDISES

12 M. Cavallini, Appunti di storia della metallurgia, Giada Tempra degli acciai al carbonio

13 Cenni storici sui fenomeni di precipitazione nelle leghe di Al 1906: prima osservazione dell’effetto da indurimento da precipitazione (Wilm) 1909: inizio produzione industriale della lega “duralumin”(3-4 wt.% Cu, wt.% Mn, wt.% Mg,) 1919: teoria dell’indurimento da precipitazione 1938: identificazione delle zone di Guinier-Preston

14 Al-Cu: diagramma di fase Condizioni di non equilibrio: solubilizzazione di Cu in Al tempra della soluzione solida soluzione solida sovrassatura di Cu in Al a temperatura ambiente Condizioni di equilibrio: solubilità di Cu in Al ad alta T coesistenza tra la soluzione solida  e  -Al 2 Cu a bassa T D.A. Porter & K.E. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys, 2 nd ed., Chapman & Hall

15 Indurimento da precipitazione D.A. Porter & K.E. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys, 2 nd ed., Chapman & Hall zone di Guinier and Preston (GP): zone ricche in Cu coerenti con la matrice . Dischi con diametro 10 nm e spessore di 2 piani atomici.  ’’: struttura tetragonale coerente con la matrice . “Piattelli” con diametro 100 nm e spessore di 10 nm.  ’: struttura tetragonale semi-coerente con la matrice . “Piattelli” con diametro 1  m.  : struttura tetragonale incoerente con la matrice .

16 Energia libera ed energia di attivazione  G*   3 /  G v 2 D.A. Porter & K.E. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys, 2 nd ed., Chapman & Hall

17 Diagramma di fase metastabile e curve TTT D.A. Porter & K.E. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys, 2 nd ed., Chapman & Hall

18 Vetri metallici 1960: sintesi del primo vetro metallico (Au 75 Si 25 ) da parte di Pol Duwez e collaboratori (CALTECH) mediante rapida solidificazione Velocità di tempra: 10 6 K/s R.W. Cahn & A.L. Greer in Physical Metallurgy (Haasen & Cahn eds.), North Holland

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20 Criteri per l’amorfizzazione bassa forza motrice  G elevata viscosità bassa temp. fusione R. Busch et al., J. Appl. Phys. 83 (1998) 4134 R.W. Cahn & A.L. Greer in Physical Metallurgy (Haasen & Cahn eds.), North Holland L. Battezzati & A. Castellero, “Nucleation and the Properties of Undercooled Melts”, Trans Tech Pubblications Inc., Zurich, Switzerland

21 Curve TTT H.A. Davies in Amorphous Metallic Alloys, Luborsky ed., Butterworths

22 G. Kumar et al. Nature 457 (2009) 868

23 Livelli isoconfigurazionali

24 Rilassamento strutturale 298 K 77 K Mg 65 Cu 25 Y 10 amorfo Infragilimento con l’invecchiamento a temperatura ambiente A. Castellero et al. Acta Mater. 56 (2008) 3777 D.I. Uhlenhaut et al., Phil. Mag. 89 (2009) 233

25 Proprietà meccaniche Elevato coefficiente di restituzione elastica Cu 46 Zr 47 Al 7 amorfo Leghe cristalline A. Inoue, Acta Mater. 48 (2000) 279

26 Ringraziamenti Il Laboratorio di Metallurgia Livio Battezzati e Marcello Baricco Giuseppe Riontino Paola Rizzi e tutti gli altri: post-doc, dottorandi, studenti…


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