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

Trasformazioni di fase: forza motrice termodinamica ed energia di attivazione Equilibrio metastabile Equilibrio instabile Non equilibrio Equilibrio stabile G: forza motrice termodinamica Q: energia di attivazione

La solidificazione di un metallo puro: Nucleazione omogenea della fase cristallina r* /Gv G* 3/Gv2 Gv= Hf(Tf-T)/Tf W.D. Callister Jr., Scienza ed ingegneria dei materiali, EDISES

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

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

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

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

Il diagramma Ferro-Carbonio Equilibrio Termodinamico Fe3C  3Fe + C Diag. Fe-grafite (stabile) Diag. Fe-Fe3 (metastabile) W. Nicodemi, Metallurgia, Zanichelli

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

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

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

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

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, 0.5-1 wt.% Mn, 0.5-1.5 wt.% Mg,) 1919: teoria dell’indurimento da precipitazione 1938: identificazione delle zone di Guinier-Preston

Al-Cu: diagramma di fase Condizioni di equilibrio: solubilità di Cu in Al ad alta T coesistenza tra la soluzione solida  e -Al2Cu a bassa T Condizioni di non equilibrio: solubilizzazione di Cu in Al tempra della soluzione solida soluzione solida sovrassatura di Cu in Al a temperatura ambiente D.A. Porter & K.E. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys, 2nd ed., Chapman & Hall

Indurimento da precipitazione 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 . D.A. Porter & K.E. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys, 2nd ed., Chapman & Hall

Energia libera ed energia di attivazione G*  3/Gv2 D.A. Porter & K.E. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys, 2nd ed., Chapman & Hall

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

Vetri metallici 1960: sintesi del primo vetro metallico (Au75Si25 ) da parte di Pol Duwez e collaboratori (CALTECH) mediante rapida solidificazione Velocità di tempra: 106 K/s R.W. Cahn & A.L. Greer in Physical Metallurgy (Haasen & Cahn eds.), North Holland

http://www.youtube.com/watch?v=yzVJLba-Coc

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

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

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

Livelli isoconfigurazionali

Rilassamento strutturale 298 K 77 K A. Castellero et al. Acta Mater. 56 (2008) 3777 D.I. Uhlenhaut et al., Phil. Mag. 89 (2009) 233 Mg65Cu25Y10 amorfo Infragilimento con l’invecchiamento a temperatura ambiente

Proprietà meccaniche Leghe cristalline Cu46Zr47Al7 amorfo Elevato coefficiente di restituzione elastica A. Inoue, Acta Mater. 48 (2000) 279

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