Vetri metallici Nicola Piccinini.

Presentazione sul tema: "Vetri metallici Nicola Piccinini."— 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
La distribuzione dei nuclei all’interno della fase liquida è boltzmaniana: Il rate di nucleazione è dato da:

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 cristallizzabili 1-10 K/s
Aspirina K/s GeO K/s SiO2 7E4 K/s H2O 1E7 K/s Ag 1E10 K/s

10 Breve storia dei vetri metallici
Nel 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 Pd40Cu30Ni10P20

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: Tg (temperatura di transizione vetrosa) Trg=Tg/Tmelt (Tg ridotta) ΔTx=Tx-Tg (ampiezza della regione fluida sottoraffreddata) Rc (Rate critico di raffreddamento)

13 ΔTx Immagine tratta da [3]

14 Relazioni tra Rc, Trg e ΔTx
Immagini tratte da [2]

15 Ancora relazioni tra Rc, Trg 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 quest’ultima 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/Tl aumenta all’aumentare degli stessi fattori che portano ad una diminuzione di Rc (come l’aumentare 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 l’alto 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 Tm-Tg~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 Pd40Cu30Ni10P20 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 all’usura 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 all’aggiunta di atomi dal soluto inibita Alta stabilità termica della fase amorfa a fronte dell’aggiunta 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 l’acciaio) 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), 3) D. Y. Liu, W. S. Sun, A. M. Wang et Al, Journal of Alloys and Compounds, 370 (2004), 4) A. Inoue, T. Zhang, T. Matsumoto, Glass-forming ability of alloys, Journal of Non-Crystalline Solids, (1993), 5) A. Inoue, Stabilization of metallic supercooled liquid and bulk amorphous alloys, Acta Mater. 48 (2000), 6) A. Inoue, H. Kimura Fabrications and mechanical properties of bulk amorphous, nano…, Journal of Light Materials, 1 (2001), 31-41 7) 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