"Metastabilità nei materiali: relazione tra tempo ed equilibrio"
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"Metastabilità nei materiali:relazione tra tempo ed equilibrio"
Alberto Castellero Università degli Studi di TorinoDip. Chimica IFM & Centro NIS
Il Tempo della Scienza: Incontri del Giovedì 2011
Giovedì 13 ottobre 2011Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM)
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Trasformazioni di fase:forza motrice termodinamica ed energia di attivazione
(a) Equilibrio metastabile(b) Equilibrio instabile(c) Non equilibrio(d) Equilibrio stabile
G: forza motrice termodinamicaQ: 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
700 800 900 1000
0
5
10
15 (b)
G*/
10-1
9 Jo
ule
per
nu
cleu
s
T/K
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0
5
10
15
nucleus radius/ nm
Gn (r)/ 10
-19 Jou
le per n
ucleu
s
(a)
1000K 850K 700K
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
700
800
900
1000(c)
T/K
critical radius/ nm
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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
(tempra)
È possibile raggiungere uno stato metastabile soloquando esiste un percorso cineticamente favorito rispetto
a quello previsto dalla termodinamica
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Il diagramma Ferro-Il diagramma Ferro-CarbonioCarbonio
Diag. Fe-Fe3
(metastabile)
Diag. Fe-grafite(stabile)
EquilibrioTermodinamicoFe3C 3Fe + C
W. Nicodemi, Metallurgia, Zanichelli
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La trasformazione martensitica
W. Nicodemi, Metallurgia, Zanichelli
R.A. Higgins, Engineering Metallurgy, Arnold
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La trasformazione martensitica
• trasformazione di tipo “militare” (senza diffusione)• elevata velocità di trasformazione (10-4 s)
W. Nicodemi, Metallurgia, Zanichelli
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Martensite e proprietà meccaniche
R.A. Higgins, Engineering Metallurgy, Arnold
W.D. Callister Jr., Scienza ed ingegneriadei materiali, EDISES
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M. Cavallini, Appunti di storia della metallurgia, Giada
Tempra degli acciai al carbonio
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Cenni storici sui fenomeni di Cenni storici sui fenomeni di precipitazione nelle leghe di Alprecipitazione 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 precipitazione1938: identificazione delle zone di Guinier-Preston
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Al-Cu: diagramma di faseAl-Cu: diagramma di fase
Condizioni di non equilibrio: • solubilizzazione di Cu in Al• tempra della soluzione solida• soluzione solida sovrassatura di Cu in Al a temperatura ambiente
Condizioni di equilibrio: • solubilità di Cu in Al ad alta T• coesistenza tra la soluzione solida e -Al2Cu a bassa T
D.A. Porter & K.E. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys, 2nd ed., Chapman & Hall
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Indurimento da precipitazioneIndurimento da precipitazione
D.A. Porter & K.E. Easterling, Phase Transformationsin Metals and Alloys, 2nd ed., Chapman & Hall
• zone di Guinier and Preston (GP): zone ricche in Cucoerenti con la matrice .Dischi con diametro 10 nm espessore 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 .
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Energia libera ed energia di attivazioneEnergia 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 metastabileDiagramma di fase metastabilee curve TTTe curve TTT
D.A. Porter & K.E. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys, 2nd ed., Chapman & Hall
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Vetri metalliciVetri 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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http://www.youtube.com/watch?v=yzVJLba-Coc
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Criteri per l’amorfizzazioneCriteri 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 Holland0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
-4
0
4
8
12
log
(/
Pa
s)
Tg/T
BeF2 (strong glass) Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5 Fe40Ni40P14B6 o-terphenyl (fragile glass)
L. Battezzati & A. Castellero,“Nucleation and the Properties of Undercooled Melts”, Trans Tech Pubblications Inc., Zurich, Switzerland
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Curve TTTCurve TTT
H.A. Davies in Amorphous Metallic Alloys, Luborsky ed., Butterworths
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cristalloamorfo
liquidosottoraffreddato
Tx
Tg
Flu
sso
di c
alo
re (
u.a
.)
T (u.a.)G. Kumar et al. Nature 457 (2009) 868
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Livelli isoconfigurazionaliLivelli isoconfigurazionali
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Rilassamento strutturaleRilassamento strutturale298 K
77 K
Mg65Cu25Y10 amorfo
Infragilimento con l’invecchiamentoa temperatura ambiente
0.1 1 10
0
20
40
60
80
100
Def
orm
azio
ne
a p
ieg
amen
to (
%)
Tempo d'invecchiamento (ore)
A. Castellero et al. Acta Mater. 56 (2008) 3777D.I. Uhlenhaut et al., Phil. Mag. 89 (2009) 233
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Proprietà meccanicheProprietà meccaniche
0.00 0.01 0.02 0.03 0.040
400
800
1200
1600
2000 tratto elastico!
Sfo
rzo
(M
Pa)
Deformazione
Elevato coefficiente di restituzione elastica
Cu46Zr47Al7
amorfo
Leghe cristalline
A. Inoue, Acta Mater. 48 (2000) 279
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RingraziamentiRingraziamenti
Il Laboratorio di Metallurgia
Livio Battezzati e Marcello BariccoGiuseppe Riontino
Paola Rizzi
e tutti gli altri: post-doc, dottorandi, studenti…