STRUTTURA DEI MATERIALI METALLICI Legami atomici primari ionico: trasferimento di elettroni da un atomo all’altro per produrre ioni carichi posit. o negat.; forze interatom. elevate; non direzionale. covalente: condivisione di elettroni; forze interatom. elevate; direz. metallico: messa in comune di elettroni; forze interatom. elevate; non direz. (elettroni di valenza condivisi da molti atomi circostanti). Struttura Cristallina: metalli solidi – atomi legati mediante legami metallici fino a raggiungere il più basso livello di energia (stabile).

STRUTTURA DEI MATERIALI METALLICI Buoni conduttori termici ed elettrici Principali celle elementari Cubica a facce centrate FCA = 0.74 n. coordinazione = 8 4 atomi per cella elementare Esagonale compatta FCA = 0.74 n. coordinazione = 12 6 atomi per cella elementare Cubica a corpo centrato FCA = 0.68 n. coordinazione = 8; 2 atomi per cella elementare Fattore di Compattamento Atomico (FCA) = Vol.atomi cella elementare/Vol. cella elementare

STRUTTURA DEI MATERIALI METALLICI Facilmente deformabili in fase plastica Deformabili con maggiore difficoltà Allotropia: sostanza pura che allo stato solido, in diverse condizioni di p e T, esiste in più di un reticolo cristallino

PERCHE’ LA DEFORMAZIONE PLASTICA? Effetto delle sollecitazioni normali Effetto delle sollecitazioni taglianti Valori teorici e sperimentali di resistenza alla deformazione plastica (MPa) Al 3900 7.9 Ag 4040 3.7 Cu 6490 4.9 Mg 2630 3.9 ?

Soluzioni solide sostituzionali e interstiziali SOLIDIFICAZIONE 2 stadi: - formazione di nuclei stabili di solidificazione (nucleazione) - crescita dei nuclei per formare cristalli, formazione di struttura a grani Grano: cristalli nel metallo solidificato Bordo del grano: superficie tra i grani Soluzioni solide sostituzionali e interstiziali

Soluzioni solide sostituzionali SOLIDIFICAZIONE Soluzioni solide sostituzionali Struttura cristallina del solvente invariata Possibilità di distorsione del reticolo se differenza significativa dei diametri atomici del soluto e del solvente Per ampia solubilità allo stato solido: differenza tra gli atomi inferiore al 15%; stesse strutture cristalline dei due elementi; non differenze apprezzabili nelle elettronegatività per evitare la formazione di composti (elemento altamente elettropositivo tende a perdere elettroni che acquisterà quello altamente elettronegativo).

Soluzioni solide interstiziali SOLIDIFICAZIONE Soluzioni solide interstiziali Quando un atomo è più grande di un altro Vuoti = interstizi

Fronte di solidificazione: grani e loro dimensione Nucleazione e accrescimento Fronte di solidificazione: grani e loro dimensione Velocità di solidificazione Flusso di solidificazione Dimensione dei grani (n): N = 2n-1 N = numero di grani per pollice quadrato

I principali difetti di struttura: - puntuali: vacanze, interstiziali (a, b), sostituzionali - di linea: dislocazioni (a, b) Reticoli distorti: miglioramento delle proprietà meccaniche

Difetti puntuali: VACANZE Difetti di linea: DISLOCAZIONI Sito atomico dal quale un atomo è assente Difetti di linea: DISLOCAZIONI Causano la distorsione del reticolo: durante la solidificazione; da deformazione plastica; da addensamento di vacanze. A spigolo: inserzione di un mezzo piano aggiunto di atomi (regione di sforzi di compressione eregione di sforzi di trazione) A vite: dovuta a sforzi di taglio verso l’alto e verso il basso Mista: combinazione delle precedenti

EFFETTO DELLE DISLOCAZIONI Valori teorici e sperimentali di resistenza alla deformazione plastica (MPa) Al 3900 0.79 Ag 4040 0.37 Cu 6490 0.49 Mg 2630 0.39 ? - Deformazione plastica

LE DISLOCAZIONI: - si muovono con maggiore difficoltà quando incontrano altri difetti - aumentano con l’aumentare della deformazione - vengono riassorbite e subiscono riassetto a temperatura opportuna - richiedono un certo tempo per essere riassorbite Maggiore RESISTENZA? Maggiore difficoltà di movimento delle dislocazioni

Soluzioni solide: soluto e metallo base Solubilità Leghe Composto costituito da due o più elementi di cui almeno un metallo con struttura e proprietà metalliche Soluzioni solide: soluto e metallo base precipitati (isole di soluto separate dal metallo base) Limiti di solubilità: nuovo reticolo Reticoli distorti: miglioramento delle proprietà meccaniche

Soluzioni solide: soluto e metallo base Solubilità Soluzioni solide: soluto e metallo base Diffusione: materia trasportata attraverso la materia Importante perché la maggior parte delle reazioni allo stato solido coinvolgono movimenti atomici Reticoli distorti: miglioramento delle proprietà meccaniche

Effetto della Temperatura Vacanze Aumento delle distanze atomiche Trasformazioni di reticolo in alcuni metalli (allotropia) > punto di fusione, > energie di legame, > energia di attivaz. per rompere tali legami

Meccanismo di diffusione per vacanza o sostituzionale Movimento degli atomi reso possibile dal superamento dell’energia di attivazione mediante somministrazione di calore e dalla presenza di difetti Meccanismo di diffusione interstiziale Movimento degli atomi da un sito interstiziale ad un altro vicino senza spostare permanentemente nessun atomo del reticolo

MECCANISMI DI RINFORZO Indurimento per soluzione solida (lega) Atomi estranei Indurimento per soluzione solida (lega) Composti intermetallici Indurimento per deform. plastica dislocazioni Atomi estranei Indurimento per tempra Indurimento per affinamento della grana Bordi dei grani

INDURIMENTO PER AFFINAMENTO DELLA GRANA Formazione dei grani da liquido: effetto della velocità di raffreddamento Formazione dei grani allo stato solido: la ricristallizzazione L’effetto della deformazione plastica (strutture reali) La ricristallizzazione (strutture reali) L’effetto sulle proprietà meccaniche

MECCANISMI DI RINFORZO Indurimento per soluzione solida (lega) Atomi estranei Indurimento per soluzione solida (lega) Composti intermetallici Indurimento per deform. plastica dislocazioni Atomi estranei Indurimento per tempra Indurimento per affinamento della grana Bordi dei grani

INDURIMENTO PER DEFORMAZIONE PLASTICA La curva  La prova di trazione La lavorazione dei provini La percentuale di lavorazione a freddo Le prove di trazione (1, 2, 3) La strizione dei provini Le curve s-e Le proprietà meccaniche rilevanti

La spiegazione dei fenomeni osservati

La spiegazione dei fenomeni osservati

La spiegazione dei fenomeni osservati

La spiegazione dei fenomeni osservati

La spiegazione dei fenomeni osservati Snervamento evidente

MECCANISMI DI RINFORZO Indurimento per soluzione solida (lega) Atomi estranei Indurimento per soluzione solida (lega) Composti intermetallici: Indurimento per deform. plastica dislocazioni Atomi estranei Indurimento per tempra Indurimento per affinamento della grana Bordi dei grani

Speranza di efficacia dell’indurimento per soluzione solida Sistema binario SI Miscibilità completa Stato solido SI/NO Miscibilità parziale NO Immiscibilità completa Speranza di efficacia dell’indurimento per soluzione solida