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Vetri metallici Nicola Piccinini. Cosa vedremo Richiami alla teoria (come si fa un vetro) Breve storia dei vetri metallici Glass forming ability e parametri.

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Presentazione sul tema: "Vetri metallici Nicola Piccinini. Cosa vedremo Richiami alla teoria (come si fa un vetro) Breve storia dei vetri metallici Glass forming ability e parametri."— Transcript della presentazione:

1 Vetri metallici Nicola Piccinini

2 Cosa vedremo Richiami alla teoria (come si fa un vetro) Breve storia dei vetri metallici Glass forming ability e parametri correlati Spessore Caratteristiche dei vetri metallici Impieghi e sviluppi futuri

3 Richiami - Introduzione Per fare un vetro è necessario raffreddare il fluido impedendo la cristallizzazione Il processo di cristallizzazione consiste di nucleazione e di accrescimento

4 Richiami - Nucleazione In breve, il lavoro per costruire un nucleo (sferico) di raggio R è:

5 Richiami - Nucleazione II Si ha quindi: Ma: Per cui:

6 Richiami - Nucleazione III Il rate di nucleazione è dato da: La distribuzione dei nuclei allinterno della fase liquida è boltzmaniana:

7 Richiami - Cristallizzazione La frazione di liquido cristallizzata al tempo t si può ricavare da: Supponendo un rate di raffreddamento lineare e volendo Φ<<1 si ottiene:

8 Curve di trasformazione Immagine tratta da [1]

9 Esempi di rate critici Polimeri cristallizzabili1-10K/s Aspirina50K/s GeO 2 700K/s SiO 2 7E4K/s H 2 O1E7K/s Ag1E10K/s

10 Breve storia dei vetri metallici Nel 1960 fu sintetizzata una lega amorfa di Au-Si Leghe amorfe a base di Fe-, Co- e Ni- sintetizzate prima del 1990 richiedevano rate di raffreddamento di 1E5 K/s Leghe di Pd-Ni-P e Pt-Ni-P hanno rate critici di 1E3 K/s Dal 1998 sono state create leghe a più componenti basate su Mg-, Ln-, Zr-, Fe-, Pd-Cu-, Pd-Fe-, Ti- e Ni- Il rate più basso è 0.1 K/s per Pd 40 Cu 30 Ni 10 P 20

11 Glass forming ability Criteri empirici: Lega costituita da tre o più elementi Differenza tra le dimensioni atomiche dei componenti di almeno il 12 % Calore di mescolamento negativo tra i componenti

12 Glass forming ability II Per una valutazione quantitativa della GFA vengono generalmente prese in considerazione le seguenti variabili: T g (temperatura di transizione vetrosa) T rg =T g /T melt (T g ridotta) ΔT x =T x -T g (ampiezza della regione fluida sottoraffreddata) R c (Rate critico di raffreddamento)

13 ΔTx Immagine tratta da [3]

14 Relazioni tra R c, T rg e ΔTx Immagini tratte da [2]

15 Ancora relazioni tra R c, T rg e ΔTx Immagine tratta da [4]

16 Leghe eutettiche Poiché Tg varia poco con la composizione, per aumentare Trg si può ricorrere a leghe eutettiche Immagini tratte da [1]

17 Un nuovo parametro per la GFA In [2] gli autori effettuano le seguenti considerazioni: 1) Da un punto di vista di devetrificazione ΔTx può indicare la resistenza alla nucleazione e alla crescita della fase cristallina. Poiché questultima è in competizione con il processo di vetrificazione, ad una alta ΔTx dovrebbe corrispondere una alta GFA. Quindi, normalizzando a Tg, si dovrebbe avere:

18 Un nuovo parametro per la GFA - II 2) Il parametro Tx/T l aumenta allaumentare degli stessi fattori che portano ad una diminuzione di Rc (come laumentare della viscosità del liquido sottoraffreddato). Quindi: Riassumendo:

19 Un nuovo parametro per la GFA - III Introducendo In conclusione si ha: Immagine tratta da [2]

20 Spessore Dato lalto Rc necessario i primi vetri metallici potevano essere prodotti in lamine sottilissime, infatti un campione di dimensione tipica R per raffreddarsi impiega un tempo: Con k dato da K/C, dove K è la conduttività termica e C è la capacità termica per unità di volume. Quindi il rate di raffreddamento effettivo sarà:

21 Spessore - II Con T m -T g ~400 K, K~0.1 W/cm s^-1 K^-1 e C~4 J/cm^3 K^-1 si ha: In [5] viene riportato uno spessore di 100 mm (!) per Pd 40 Cu 30 Ni 10 P 20 che corrisponde ad un Rc di solo 0.1 K/s

22 Caratteristiche Immagini tratte da [5]

23 Caratteristiche - II A seconda del tipo di vetro possono essere esaltate alcune caratteristiche piuttosto che altre. In genere i vetri metallici hanno le seguenti caratteristiche: Maggiore resistenza alla frattura e agli impatti Maggiore resistenza alla corrosione e allusura Proprietà magnetiche Facilmente modellabili

24 Vetri metallici nanocristallini Se un vetro ha le seguenti caratteristiche: Cristallizza in più stadi Ha siti di nucleazione omogenea in fase amorfa Crescita dei cristalli dovuta allaggiunta di atomi dal soluto inibita Alta stabilità termica della fase amorfa a fronte dellaggiunta di elementi provenienti dalla fase cristallina Allora può essere trattato in modo da formare un vetro nanocristallino

25 Vetri metallici nanocristallini - II Per ottenere un vetro nanocristallino si può procedere tramite: Ricottura Vetrificazione controllata Immagini tratte da [5]

26 Vetri metallici nanocristallini - III Immagine tratta da [5]

27 Vetri metallici nanocristallini - IV Immagine tratta da [6]

28 Spunti di ricerca recente Schiuma di vetro metallico Vetri metallici ferromagnetici Vetri metallici nanocristallini Vetri metallici che si induriscono tramite stress (come lacciaio) Vetri metallici malleabili a temperature sotto i 100 °C

29 Applicazioni Immagine tratta da [5]

30 Applicazioni - II

31 Bibliografia 1) H. A. Davies, in: Amorphous Metallic Alloys, ed. F.E. Luborsky (Butterworths, London, 1983) p. 8 2) Z. P. Lu, C. T. Liu, A new glass forming ability criterion for bulk metallic glasses, Acta Materialia, 50 (2002), ) D. Y. Liu, W. S. Sun, A. M. Wang et Al, Journal of Alloys and Compounds, 370 (2004), ) A. Inoue, T. Zhang, T. Matsumoto, Glass-forming ability of alloys, Journal of Non-Crystalline Solids, (1993), ) A. Inoue, Stabilization of metallic supercooled liquid and bulk amorphous alloys, Acta Mater. 48 (2000), ) A. Inoue, H. Kimura Fabrications and mechanical properties of bulk amorphous, nano…, Journal of Light Materials, 1 (2001), ) A. I. Salimon, M. F. Ashby et Al., Bulk metallic glasses: what are they good for?, Materials Science and Ingeneering A (2004)

32 Spunti di ricerca futura? :D


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