Corso di

Metallurgia

Ing. Nadia Ucciardello

Studio: Secondo piano, Edidficio : Ingegneria Industriale,

Tel. 0672597181

Fax: 062021351

E-mail: Nadia. Ucciardello@uniroma2.it

Orario del Corso

Lunedì 11:30 13-15 in aula 12

Mercoledì 14:00 15:45 in aula 12

Orario Assistenza

lunedì,martedì e mercoledì dalle 9.30 alle 11.00 nella stanza n. 2109

Programma del corso

Struttura cristallina dei metalli e delle leghe, difetti, movimento e moltiplicazione delle dislocazioni, meccanismi di diffusione, meccanismi di rafforzamento.

Diagrammi di stato

Diagrammi Fe-C, Fe-Fe3C, principali microstrutture degli acciai. Trattamenti termici: Diagrammi CCT. Trattamenti a temperature superiori ed inferiori alle temperature critiche, trattamenti termochimici di diffusione (nitrurazione e cementazione).

Prove meccaniche: Prove di trazione, fatica, resilienza, tenacità Corrosione Scorrimento viscoso. Effetto delle radiazioni sulle proprietà dei materiali Acciai, ghise, leghe di Alluminio, Titanio, Rame e Magnesio:

Designazione, classificazione, proprietà e applicazioni Materiali refrattari Materiali per alte temperature: Superleghe di Nichel Materiali di interesse nucleare: Uranio e le sue leghe, Plutonio e

le sue leghe, Zirconio e le sue leghe, Acciai speciali per reattori

Testi consigliati: Metallurgia - Walter Nicodemi- Seconda edizione Zanichelli Per approfondimenti sulla metallurgia fisica: R. Reed-Hill, R. Abbaschian -Physical Metallurgy Principles -PWS Publishing Company D.A. Porter, K.E. Easterling- Phase Transformations in Metals and Alloys- Chapman&Hall G.E. Dieter-Mechanical Metallurgy- Mc Graw Hill

Elementi di cristallografia

Difetti reticolari

Struttura dei metalli

Reticoli di Bravais

I metalli, oppure le leghe, presentano una serie di difetti del reticolo

cristallino che diminuiscono fortemente la resistenza meccanica.

Disordine termico

Difetti puntuali: interstiziali, sostituzionali e vacanze.

Difetti lineari: dislocazioni.

Difetti superficiali: bordi di grano,stacking faults, geminati.

Difetti tridimensionali: inclusioni non metalliche, micro e

macro vuoti.

Disordine termico

In un reticolo reale gli atomi non sono fermi ma oscillano con ampiezza di

oscillazione dipendente dalla temperatura. Anche alla temperatura dello

zero assoluto esiste ancora un movimento termico seppur minimo.

All’aumentare della temperatura aumentano le vibrazioni degli atomi in

ampiezza mentre rimane praticamente invariata la frequenza di vibrazione.

Per quanto riguarda l’ ampiezza di vibrazione si riporta il caso del rame a tre

diverse temperature.

Difetti di punto

Migrazione di vacanze

La migrazione di vacanze avviene quando un atomo occupa una posizione

vacante lasciando libera la sua posizione originaria. Se l’ atomo si muove

dalla posizione A verso la posizione B, originariamente vacante, la vacanza

si muove da B in A. Per far questo movimento si deve superare una

barriera energetica dovuta all’interazione con gli atomi circostanti.

Atomi sostituzionali

Si parla di atomi sostituzionali quando nel

reticolo metallico formato da atomi della

specie A una o più posizioni sono occupate da

atomi diversi della specie B. La presenza di

atomi con caratteristiche diverse, in particolare

di diversa dimensione, produce una

distorsione reticolare, tanto maggiore quanto

più alta è la differenza tra le dimensioni degli

atomi dei due tipi.

Come si descriverà in dettaglio più avanti,

questi difetti di punto accrescono le proprietà

meccaniche dei metalli (indurimento da

soluzione solida).

Atomi interstiziali

Gli atomi che occupano posizioni

interstiziali nei metalli sono atomi

non metallici di piccole

dimensioni (H, He, C, B, N, O).

Si possono distinguere posizioni

ottaedriche e posizioni

tetraedriche.

Autointerstiziali

Non è cosa comune trovare atomi della matrice in posizione interstiziale per la

grossa deformazione indotta nel reticolo circostante. La loro energia di

formazione è molto più alta di quella di formazione delle vacanze. Pertanto ad

una data temperatura dovremo aspettarci che la concentrazione di vacanze

sia molto maggiore di quella di autointerstiziali.

Difetti complessi

Quando nel cristallo sono presenti sia vacanze che autointerstiziali in

determinate concentrazioni, può succedere che questi difetti nel loro

movimento interagiscano o annullandosi, come nel caso di una vacanza

con un autointerstiziale, o formando difetti complessi, come nel caso di

aggregazioni di più vacanze o di più autointerstiziali.

Soluzioni solide Le soluzioni solide sono formate da una matrice di atomi (solvente) in cui sono presenti atomi di un secondo elemento (soluto). La quantità massima di soluto che può essere presente in condizioni d’equilibrio è detta solubilità.

Le soluzioni solide sono omogenee su larga scala. Nella matrice di atomi di solvente gli atomi di soluto occupano posizioni o reticolari o interstiziali. Nel caso in cui gli atomi di soluto

occupino posizioni reticolari parleremo di soluzioni solide sostituzionali, se essi

occupano posizioni interstiziali le diremo soluzioni solide interstiziali.

C’è inoltre la possibilità che gli atomi di soluto formino composti chimicamente stabili con gli atomi di solvente chiamati “seconde fasi”.

SOLUZIONI SOLIDE SOSTITUZIONALI L’atomo di soluto occupa posizioni reticolari. Se gli atomi di soluto sono disposti in maniera ordinata si parla di s.s. ordinate, altrimenti di s.s. disordinate

Regole di Hume-Rothery • Dimensioni atomiche: per non creare eccessivi sforzi sul reticolo, i due

elementi non devono avere dimensioni eccessivamente diverse. In particolare il soluto non deve avere un raggio atomico che differisca per più del 15% da quello del solvente.

• Strutture cristalline: le strutture cristalline di soluto e solvente puri

devono essere quanto più simili possibile, ovvero devono essere la stessa.

• Elettronegatività: le elettronegatività delle due specie di atomi devono

essere quanto più simili possibile.

• Valenza: le valenze degli atomi devono essere quanto più simili possibili.

Soluzioni solide interstiziali

Le strutture metalliche sono molto dense e gli spazi vuoti nei reticoli BCC, FCC e HCP sono molto piccoli. E’ necessario quindi che gli atomi di soluto abbiano raggi atomici molto piccoli. I principali atomi interstiziali sono infatti l’idrogeno, il boro, il carbonio e l’azoto.

(½, ½, ½) e (½, 0, 0) FCC ottaedriche

(¼, ¼, ¼) FCC tetraedriche

(½, ¼, 0), BCC tetraedriche

(½, 0, 0) e (½, ½, 0) + centro facce

BCC ottaedriche

DIFETTI LINEARI – TEORIA DELLE DISLOCAZIONI La presenza di difetti lineari è stata teorizzata analizzando la differenza fra le tensioni

reali e teoriche necessarie per indurre deformazioni plastiche in un materiale, ovvero per indurre scorrimento fra piani reticolari adiacenti di un cristallo. Proviamo a calcolare la tensione critica necessaria per innescare moti di scorrimento di un piano reticolare su un altro in un cristallo ideale.

a

xsen

2max

a

x

2max d

xGGG tan

Gd

Ga 1

max 102

G)1010( 32

per piccoli spostamenti

In campo elastico

max sperimentale =

La discrepanza tra i valori di M calcolati ed quelli osservati sperimentalmente

exp è talmente grande che si è dovuto ammettere che nei cristalli metallici

siano presenti “sorgenti” di debolezza meccanica.

Le cause della debolezza meccanica sono le dislocazioni e lo sforzo critico è

quello necessario per generarle e metterle in movimento.

«Una dislocazione è un difetto di linea che separa una regione deformata del cristallo dalla restante regione indeformata»

Diversi tipi di dislocazioni

Le dislocazioni possono essere:

•a spigolo,

•a vite,

•miste.

‘

circuitazione di Burgers

Una dislocazione è caratterizzata da due grandezze: la linea di dislocazione e il

vettore di Burgers, b. La linea di dislocazione identifica la presenza dei difetti

che danno origine alla dislocazione stessa, il vettore di Burgers rappresenta la direzione, l’entità e verso della deformazione associata alla dislocazione.

b perpendicolare

Linea dislocazione

b parallelo alla

Linea dislocazione

Sistemi di scorrimento Le dislocazioni si muovono su piani privilegiati (piani di scorrimento) e direzioni privilegiate (direzioni di scorrimento). L’insieme dei piani di scorrimento e delle direzioni di scorrimento si chiamano SISTEMI DI SCORRIMENTO. I piani e le direzioni coincidono con quelle rispettive di massimo addensamento atomico. Lo scorrimento (dal termine glide) identifica il moto delle dislocazioni in assenza di ostacoli. In presenza di ostacoli le dislocazioni attivano altri tipi di moto energeticamente meno favoriti, come ad esempio: moti di climb (non conservativo) per le dislocazioni a spigolo e moti di cross-slip (conservativo) per quelle a vite.

4 {111} X 3110 = 12 S.S. primario

6{110} X 2 111 = 12 S.S. primario

1{0001} X 3 0112

,

= 3 S.S.primario

Difetti lineari: DISLOCAZIONI

Moti di scorrimento (GLIDE)

Interessano tutte le tipologie di dislocazioni

Dislocazioni a spigolo Dislocazioni a vite

Difetti lineari: DISLOCAZIONI

Il moto di puro scorrimento si ha solo in casi ideali. Presenza di ostacoli e di difetti nelle dislocazioni portano ad una maggiore difficoltà e complessità dei moti delle dislocazioni.

CROSS SLIP. Moto conservativo

DISLOCAZIONI a VITE

La mobilità delle dislocazioni a vite è maggiore di quella delle dislocazioni a spigolo Non c’è più il vincolo di perpendicolarità fra direzione della dislocazione e vettore di Burgers

Difetti lineari: DISLOCAZIONI

CLIMB. Moto non conservativo (attivato con la temperatura)

Proprio delle dislocazioni a spigolo

Difetti lineari: DISLOCAZIONI

Movimento di “climb” o di risalita: la

dislocazione si muove fuori del suo piano

di scorrimento e in una direzione

perpendicolare al vettore di Burgers.

Genesi delle dislocazioni

Inclusioni e porosità

Diffusione

I fenomeni diffusivi sono fenomeni di migrazione di atomi o molecole all’interno

della materia. Nei solidi le migrazioni atomiche sono molto lente (ostacolate dai

legami), ma presenti. La presenza di vacanze facilita lo spostamento degli

atomi nel cristallo. L’energia di attivazione (sufficiente ad innescare il processo

diffusivo) dipende dalla disponibilità di spazio degli atomi per muoversi.

Diffusione in condizioni stazionarie, ovvero, il

gradiente di concentrazione è indipendente dalla

variabile temporale.

Consideriamo due piani atomici paralleli x1 e x2

separati da una distanza x. La concentrazione di x1 è

c1 e quella di x2 è c2 e supponiamo che sia c1 > c2.

Si genererà un flusso di elettroni dal piano x1 diretto

verso x2. Chiamiamo J il flusso di atomi e lo

definiamo come la quantità di atomi che attraversano

una sezione unitaria, perpendicolare all’asse x,

nell’unità di tempo.