Post on 30-Jan-2018
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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.