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"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)
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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
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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
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Nucleazione omogenea: effetto della temperatura
L. Battezzati & A. Castellero, “Nucleation and the Properties of Undercooled Melts” Trans Tech Pubblications Inc., Zurich, Switzerland
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Nucleazione omogenea: effetto della temperatura
W.D. Callister Jr., Scienza ed ingegneria dei materiali, EDISES
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Le trasformazioni fase nei sistemi metallici:
velocità di crescita e cinetica di trasformazione W.D. Callister Jr., Scienza ed ingegneria dei materiali, EDISES
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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)
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Il diagramma Ferro-Carbonio
Equilibrio Termodinamico Fe3C 3Fe + C Diag. Fe-grafite (stabile) Diag. Fe-Fe3 (metastabile) W. Nicodemi, Metallurgia, Zanichelli
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La trasformazione martensitica
R.A. Higgins, Engineering Metallurgy, Arnold W. Nicodemi, Metallurgia, Zanichelli
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La trasformazione martensitica
W. Nicodemi, Metallurgia, Zanichelli trasformazione di tipo “militare” (senza diffusione) elevata velocità di trasformazione (10-4 s)
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Martensite e proprietà meccaniche
W.D. Callister Jr., Scienza ed ingegneria dei materiali, EDISES R.A. Higgins, Engineering Metallurgy, Arnold
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Tempra degli acciai al carbonio
M. Cavallini, Appunti di storia della metallurgia, Giada
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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
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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
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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
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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
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Diagramma di fase metastabile e curve TTT
D.A. Porter & K.E. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys, 2nd ed., Chapman & Hall
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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
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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
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H.A. Davies in Amorphous Metallic Alloys, Luborsky ed., Butterworths
Curve TTT H.A. Davies in Amorphous Metallic Alloys, Luborsky ed., Butterworths
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G. Kumar et al. Nature 457 (2009) 868
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Livelli isoconfigurazionali
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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
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Proprietà meccaniche Leghe cristalline Cu46Zr47Al7 amorfo
Elevato coefficiente di restituzione elastica A. Inoue, Acta Mater. 48 (2000) 279
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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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