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Fondamenti sui materiali 11



1.1. La struttura dei materiali metalliciLa struttura dei materiali metallici

• Fonti

� Kalpakjian S., Schmid S.R., Manufacturing Engineering & Technology, Sixth Edition, Pearson

Cap.1 “The Structure of Metals”




Engineering materials




Classificazione dei materiali

Metalli Ceramici Polimeri

• Tutti i materiali che contengono uno o più elementi metallici (Fe, Ni, Cu, Al etc.) ed elementi non metallici in piccole quantità (es. C, O, N);

• Sono composti di elementimetallici e non metallici;

• Possono presentare strutturecristalline o amorfe (vetri);

• Compositi organici basati principalmente su Carbonio ed Idrogeno.

• Alcuni polimeri contengono anche altri eteroatomi (ie. N, O,


• Gli atomi sono disposti in modo ordinato (es. Strutture cristalline);

• Sono materiali rigidi, duttili, conduttori di calore ed elettricità, opachi, suscettibili al deterioramento per corrosione.

• Sono materiali rigidi, fragili, isolanti di calore ed elettricità, opachi o trasparenti, resistenti alla corrosione e alle alte temperature.

anche altri eteroatomi (ie. N, O, S e Si)

• Sono materiali duttili, meno rigidi di metalli e ceramici, bassa densità, isolanti di calore ed elettricità, opachi o trasparenti, con strutture semicristalline o amorfe.



Comportamento e proprietà dei materiali




Comportamento e proprietà dei metalli

� Perché alcuni metalli sono duri e altri teneri?

� Perché alcuni metalli sono fragili e altri duttili e possono essere facilmente formati senza rotture?

� Perché alcuni metalli possono resistere alle alte temperature e altri no?

� Perché le lamiere metalliche possono comportarsi in maniera differente se


� Perché le lamiere metalliche possono comportarsi in maniera differente se tesi in una direzione rispetto ad un’altra?

Molte di queste domande trovano una risposta andando a studiare la struttura atomica dei metalli - l’arrangiamento degli atomi all’interno

del metallo -



Struttura atomica dei metalli

Struttura atomica influenza le proprietà e il comportamento dei materiali durante i processi di fabbricazione:

� Composizione

� Impurità e vacanze

� Dimensioni dei grani

� Bordi grano

� Ambiente


� Ambiente

� Dimensione e condizioni delle superfici

� Metodi di produzione



In generale:

• Il numero di protoni all’interno del nucleo atomico determina se un atomo è metallico, non metallico o semimetallico.

• Un atomo con carica bilanciata ha stesso numero di protoni ed elettroni

• Ioni sono caratterizzati da troppi o troppo pochi elettroni rispetto ai protoni (anioni e cationi)

• Il numero di elettroni presenti nelle orbite più esterne determina l’affinità chimica di

Tipi di legami atomici


• Il numero di elettroni presenti nelle orbite più esterne determina l’affinità chimica di quell’atomo con altri atomi.

• Gli atomi possono trasferire o condividere elettroni combinandosi in forme più stabili dette molecole.

• I legami che tengono uniti gli atomi possono essere primari o secondari

• I legami primari sono legati al trasferimento o condivisione degli elettroni e vengono detti legami forti (fondono a 1000-5000 K)

• I legami secondari sono legati all’interazione di dipoli e vengono detti deboli (fondono a 100-500 K).



Tra elementi con diversa elettronegatività: trasferimento elettronico, mutua ionizzazione - grande forza di attrazione si stabilisce tra due ioni. Interazione tra

cariche sferiche - legame non direzionale.

Le molecole con questo tipo di legame hanno: - bassa duttilità

Tipi di legami atomiciLegame Ionico


- bassa duttilità

- bassa conducibilità elettrica e termica.



Si basa sulla condivisione degli elettroni di valenza. Gli elettroni vengono condivisi per saturare la valenza. Gli elettroni di legame sono localizzati tra atomi di provenienza e si forma un legame fortemente direzionale.

Le molecole con questo tipo di legame hanno: - elevata durezza

Tipi di legami atomiciLegame Covalente


- elevata durezza

- bassa conducibilità elettrica.



Tra elementi elettropositivi: gli elettroni di valenza vengono messi a comune a formare una nube elettronica dislocata tra gli ioni positivi. Gli elettroni di legame sono delocalizzati tra atomi di provenienza e si forma un legame adirezionale. Strutture cristalline molto dense.

Le molecole con questo tipo di legame hanno:

Tipi di legami atomiciLegame Metallico


Le molecole con questo tipo di legame hanno: - buona deformabilità

- elevata conducibilità elettrica e termica



• Materiali CRISTALLINI

� Gli atomi sono disposti in maniera ripetitiva nelle 3 dimensioni, es:

• Metalli

• Molte ceramiche

• Alcuni polimeri

Strutture cristalline o amorfe


• Alcuni polimeri

• Materiali non cristallini

� Gli atomi non hanno una disposizione periodica, es:

• Vetri

• Alcuni polimeri



Strutture cristalline dei metalli

• Quando i metalli solidificano dallo stato fuso gli atomi si arrangiano in diverse configurazioni ordinate chiamate cristalli

• Il più piccolo gruppo di atomi che evidenzia caratteristiche di struttura reticolare in un metallo è detta cella unitaria o elementare.

• Un metallo è costituito da più cristalli e ogni cristallo è formato da più celle unitarie che si ripetono.


Strutture densamente impacchettate:

� Legame metallico non è direzionale

� Atomi tendono ad avvicinarsi per ridurre l’energia

� Atomi nello stesso metallo si dispongono secondo stesso reticolo

Le strutture cristalline più semplici riscontrate nei metalli sono: CCC, CFC

ed EC



Reticolo di una struttura cristallina generica Cella Elementare




Direzioni cristallografiche




Direzioni cristallografiche




Piani cristallografici




Strutture cristalline dei metalli Struttura CFC




Strutture cristalline dei metalli Struttura CCC




Strutture cristalline dei metalli Struttura EC




Struttura CFC

Sequenze di impacchettamento


� I metalli formano differenti tipi di cristalli per minimizzare l’energia richiesta per riempire lo spazio.



Densità Volumetrica




� A differenti temperature lo stesso metallo può formare differenti strutture a causa di una minore energia richiesta

� La comparsa di più di un tipo di struttura cristallina è detta allotropismo o polimorfismo

� L’allotropismo è molto importante nei trattamenti termici dei metalli come nei processi e nelle saldature

Strutture cristalline Allotropismo


processi e nelle saldature

Diamante Grafite



• Struttura monocristallina

� Tante celle unitarie orientate allo stesso modo per formare un monocristallo

� Le proprietà variano con la direzione: anisotropi

• Struttura policristallina

Strutture cristalline Monocristallo - Policristallo


• Struttura policristallina

� Tante celle cristalline accresciutesi con orientazioni casuali o direzionali. In generale i materiali cristallini sono POLICRISTALLINI

� Le proprietà possono variare con la direzione

� Se i grani sono orientati a caso il materiale è isotropo

� Se i grani hanno una orientazione, il materiale è anisotropo



Deformazione e resistenza dei monocristalli

Monocristallo si deforma plasticamente secondo due meccanismi:

1) Slittamento di un piano di atomi su un piano adiacente (piano di scorrimento) sotto una sollecitazione di taglio sollecitazione di taglio direttamente proporzionale a b/ a

dove a: distanza dei piani atomici

b: inversamente proporzionale alla densità

atomica nel piano atomico.


atomica nel piano atomico.

• Se b/a ↓, la sollecitazione di taglio per provocare sliGamento ↓.

• Slittamento avviene lungo piani a massima densità atomica, lungo piani e direzioni più densamente impacchettate.

• b/a varia a seconda della direzione → anisotropia.



2) Twinning (meno comune), una porzione del cristallo forma un’immagine speculare della stessa attraverso il piano di twinning.

• I twins si formano bruscamente e sono la causa del cigolio che si verifica quando si piega una


Monocristallo si deforma plasticamente secondo due meccanismi:


del cigolio che si verifica quando si piega una canna di stagno o zinco a temperatura ambiente.

• Twinning si verifica nei metalli con EC.




Metalli con 5 o più sistemi di scorrimento sono duttili, quelli

con meno di 5 sistemi di scorrimento poco duttili.

1. Nei cristalli CCC, ci sono 48 sistemi di slittamento. A causa di ↑ b /a in questo cristallo, lo sforzo di taglio richiesto per deformare è ↑. Metalli CCC hanno una buona

Sistemi di slittamento: combinazione di un piano di scorrimento e della sua direzione di slittamento.


per deformare è ↑. Metalli CCC hanno una buona

resistenza e duttilità moderata (alta duttilità a

temperature elevate)

2. Nei cristalli CFC, ci sono 12 sistemi di scorrimento. b/a ↓ quindi lo sforzo di taglio richiesto per deformare è ↓.Metalli CFC hanno moderata resistenza e buona duttilità.

3. Nei cristalli EC, ci sono 3 sistemi di scorrimento, ma più sistemi di scorrimento si attivano ad elevate temperature. Metalli EC sono generalmente fragili a temperatura

ambiente



Applicazioni di materiali monocristallini

• Nei monocristalli il reticolo cristallino è continuo e ininterrotto.

• I monocristalli di considerevole dimensioni sono estremamente rari in natura, e sono difficili da produrre in laboratorio, sebbene possano essere creati sotto condizioni controllate.

� Monocristalli di diamante per abrasione.

� Silicio monocristallino utilizzato nella fabbricazione dei dispositivi a semiconduttore.


dispositivi a semiconduttore.

� Monocristalli di zaffiro e altri materiali utilizzati per laser e ottica non lineare.

� Solidi monocristallini per la produzione di materiali ad alta resistenza, come le pale per turbine (alta resistenza a creep)

� Rame monocristallino ha una migliore conduttività rispetto al rame policristallino e utilizzato per applicazioni elettriche ad alto rendimento



Difetti delle strutture cristalline metalliche• La resistenza effettiva dei metalli è circa uno o due ordini di grandezza inferiore

rispetto ai calcoli teorici.

• Discrepanza = presenza di difetti e imperfezioni nella struttura cristallina.

• Cristalli reali contengono un gran numero di difetti e imperfezioni, che generalmente sono classificati:

1. Difetti di punto: come vacanze (atomo mancante), atomi interstiziali (extra atomo nel reticolo), o impurezze (atomo diverso che ha sostituito l'atomo di metallo puro);


reticolo), o impurezze (atomo diverso che ha sostituito l'atomo di metallo puro);

2. Difetti di linea: o difetti monodimensionali chiamati dislocazioni;

3. Difetti planari: imperfezioni, quali bordi di grano e confini di fase.

4. Difetti di volume: come vuoti, inclusioni, altre fasi, o cricche.

� Proprietà meccaniche ed elettriche di metalli (snervamento. resistenza a rottura, conducibilità elettrica) sono influenzate dai difetti; "structure sensitive".

� Proprietà fisiche e chimiche (punto di fusione, calore specifico, coefficiente di espansione termica) e costanti elastiche non sono sensibili a questi difetti; "structure

insensitive".



• Vacanze:

� Siti atomici vacanti

Difetti di punto Metalli puri


• Autointerstiziale (es. particolare di inclusione interstiziale):

� Atomi “extra” posizionati in siti normalmente non occupati



• Soluzione solida di B in A

Difetti di puntoLeghe


• Soluzione solida di B in A + una nuova fase (avviene per concentrazioni maggiori di B)



Fattori che controllano il tipo di soluzione

• Sostituzionali se gli atomi sono simili, cioè:

– Dimensioni simili, Δr < 15%

– Stessa struttura cristallina

– Elettronegatività simile

Difetti di puntoLeghe


– Elettronegatività simile

– Stessa valenza (a parità di tutto il resto, è più solubile il metallo avente valenza maggiore).

• Si formano soluz. solide interstiziali se un atomo è molto più piccolo dell’altro (es., atomi piccoli sono H, C, O, N). Di solito le solubilità sono basse (< 10%).



� Sono difetti di linea nella disposizione ordinata della struttura atomica di un metallo,

� Lo slittamento tra piani reticolari avviene quando le dislocazioni si muovono;

� I piani di scorrimento che contengono dislocazioni richiedono minore sforzo di taglio per lo scorrimento rispetto a piani perfetti.

� Sono di due tipi a spigolo e a vite.

Es. lo Zinco ha struttura EC

Difetti di lineaDislocazioni


Es. lo Zinco ha struttura EC

• La densità delle dislocazioni, che può essere espressa in lunghezza di linea di dislocazione per unità di volume, è dell'ordine di 106-108 cm-2 per un metallo ricotto, 1011-1012 cm-2 per un metallo molto deformato.

Prima della deformazione Dopo la deformazione



Vettore di Burger, b: misura della distorsione reticolare

Difetti di lineaDislocazioni a spigolo


• Dislocazione a spigolo:

– Inserimento di un semipiano aggiuntivo di atomi – b⊥ alla linea di dislocazione



Difetti di lineaDislocazioni a vite


• Dislocazione a vite:

– Deformazione di taglio del reticolo – b|| alla linea di dislocazione



Difetti di lineaDislocazione mista




Incrudimento

In generale le dislocazioni possono:

1. Impigliarsi e interferire l'una con l'altra,2. essere ostacolate da barriere, come bordi di grano, impurità e inclusioni del

materiale.

→ Necessita un ↑ sforzo di taglio per superare ostacoli e impedimenY ciò risulta in un ↑ della resistenza e della durezza del metallo a Tamb - incrudimento.

� Maggiore è la deformazione, ↑ è il numero di intrecci e quindi ↑ è l'aumento


� Maggiore è la deformazione, ↑ è il numero di intrecci e quindi ↑ è l'aumento della resistenza del metallo.

� L'incrudimento è ampiamente utilizzato per il rafforzamento nella lavorazione dei metalli nei processi temperatura ambiente. Es.:

• produzione di fogli in metallo per i corpi di automobili e fusoliere di aerei per laminazione a freddo, • produzione di teste di un bulloni per forgiatura, • riduzione della sezione trasversale di fili metallici per trafilatura.



� Solidificando un metallo forma i primi cristalli all'interno del fuso in varie posizioni (nucleazione): hanno orientamenti casuali e indipendenti.

� Ogni cristallo cresce in una struttura cristallina o grano.

� Ogni grano è un singolo cristallo (metalli puri) o policristallino aggregato (leghe).

� Dimensione media dei grani dipende dal numero di siti di nucleazione e dalla velocità con cui crescono.

Materiali policristalliniGrani


Nucleazione dei cristalli Crescita dei cristalli durante solidificazione Metallo solido

• Se il tasso di nucleazione è ↑, il numero di grani per volume unitario sarà ↑ (grani piccoli). • Se il tasso di crescita dei cristalli è ↑(rispeGo nucleazione), ci saranno ↓ grani per unità di

volume (grani più grandi). → rapido raffreddamento produce grani più piccoli



• I grani possono essere di due tipi:

1. Equiassici (più o meno delle stesse dimensioni in tutte le direzioni): si formano nelle zone con maggiore rateo di sottoraffreddamento;

2. Colonnari (hanno una forma più allungata): si formano nelle zone con minore sottoraffreddamento.

Materiali policristalliniGrani




Anisotropo

Materiali policristalliniDimensione dei Grani




Materiali policristalliniDimensione dei Grani

� Ha una grande influenza sulle proprietà meccaniche dei metalli

� Grani grossi a Tamb ↓ resistenza, ↓ durezza , ↓ duZlità, ↑ rugosità dopo deformazione plastica (es. lamiere)

� Dimensione dei grani:• Numero grani/area

• Numero grani che intersecano una linea di lunghezza


Per l'ASTM (American Society for Testing and Materials):

N = 2 (n-1)

n: numero di granulometriaN: numero di grani per inch2 su micrografia a 100x

→ 5<n< 8 grana fine.

→ n= 7 è accettabile per lamiere (carrozzerie,

elettrodomestici e utensili da cucina)

• Numero grani che intersecano una linea di lunghezza nota su micrografia

• Confrontando micrografia grani con carte standard



� Bordi grano:

• minore impacchettamento degli atomi

• maggior grado di disordine

• energia inferiore - atomi possono essere facilmente rimossi o legarsi chimicamente

• interferiscono con il movimento delle

Materiali policristalliniInfluenza dei bordi grano


• interferiscono con il movimento delle dislocazioni;

• scorrimento dei bordi grano - creep(allungamento sotto stress nel tempo) a temperature elevate

� I bordi hanno bassa densità

• Elevata mobilità;

• Elevata diffusività;

• Elevata reattività chimica.



INFRAGILIMENTI:

� Infragilimento dei bordi grano: esposizione a metalli a basso punto di fusione che indeboliscono bordi grano di metalli normalmente duttili rendendoli fragili. Es. alluminio con amalgama di mercurio zinco o gallio liquido.

� Hot shortness: causata dalla fusione locale di un componente o di impurità nel

Materiali policristalliniInfluenza dei bordi grano


� Hot shortness: causata dalla fusione locale di un componente o di impurità nel bordo grano ad una T < al punto di fusione del metallo stesso. Es. Se sottoposti a deformazione plastica a temperature elevate (lavorazione a caldo), un metallo si rompe lungo i suoi bordi di grano; es. antimonio in rame, acciai al piombo. Per evitarlo metallo è lavorato ad temperatura più bassa.

� Infragilimento da tempra: in acciai legati, causato da una segregazione (movimento) di impurità ai bordi grano



Materiali policristalliniMateriali reali vs materiali ideali

σ Materiale reale << σ Materiale ideale

σ

E/10Materiale ideale no difetti

Fibre di vetro senza difetti


ε

E/100

0.1

Ceramico Metallo rinforzatoPolimero

� Leonardo aveva osservato che… più lungo era il cavo minore era la resistenza.Poichè:

- I difetti causano una rottura prematura.

- Più grande è il campione maggiore è il numero di difetti!



Meccanismi di rafforzamento

Aumentare la resistenza meccanica dei materiali ostacolando il movimento delle dislocazioni:

• Per aumentare sforzo critico necessario all’insorgenza di deformazione permanente

• Per aumentare la resistenza allo snervamento estendendo il campo di applicabilità


applicabilità

4 MECCANISMI DIRAFFORZAMENTO

4 OSTACOLI DISPONIBILI ALLE DISLOCAZIONI



Meccanismi di rafforzamento

OSTACOLO MECCANISMO DI RAFFORZAMENTO

• Altre dislocazioni

• Bordi grano

Incrudimento: deformazione plastica a freddo del

materiale con aumento densità delle dislocazioni

Affinamento del grano: trattamenti termici post-

deformazione plastica e cambi della velocità di solidificazione alterano le dimensione del grano


• Atomi in soluzione solida

• Particelle di una seconda fase

solidificazione alterano le dimensione del grano

Soluzione solida: atomi di soluto si dispongono nel

reticolo deformandolo

Precipitazione o dispersione: aggiunta di elementi

oltre il limite di solubilità o riscaldamento di soluzioni solide sovrassature porta alla precipitazione di seconde fasi che interrompono il reticolo cristallino



Deformazione plastica nei metalli

� Metallo policristallino (grani equiassici) sottoposto a deformazione plastica a Tamb (lavorazione a freddo) → i grani si deformano e allungano

� Durante deformazione plastica: i bordi dei grani rimangono intatti e la continuità della massa è mantenuta.

�


� Il metallo deformato: ↑ resistenza a causa dell'aggrovigliamento delle dislocazioni.

� ↑ resistenza dipende dal grado di deformazione

� ↑ la deformazione, più forte il metallo diventa.

� Il rafforzamento è più alto per i metalli con i grani più piccoli (maggiore superficie di bordo grano per unità di volume)



• Anisotropia: a seguito della deformazione plastica i grani sono allungati in una direzione e contratti nell'altra.

• Il grado di anisotropia dipende da Tdeformazione e dall'uniformità della deformazione.

• Influenza proprietà meccaniche e fisiche.

Ci sono 2 tipi di anisotropia nei metalli:

Deformazione plastica nei metalliAnisotropia


Ci sono 2 tipi di anisotropia nei metalli:

1. Orientazione preferenziale: un metallo policristallino se soggetto a trazione lungo una direzione tutte le linee di scorrimento tendono ad allinearsi con la direzione della forza di trazione. In compressione i piani di scorrimento tendono a posizionarsi perpendicolarmente alla direzione di compressione.

2. Fibering meccanico: risulta dall'allineamento di inclusioni,

impurità e vuoti nel metallo durante la deformazione. Es. pezzo forgiato impurità allineate in direzione orizzontale.



Recupero, ricristallizzazione e crescita dei grani

Riscaldando tre eventi consecutivi:

1. Recupero. Per T<Tricristallizzazione tensioni nelle regioni altamente deformate si rilassano.

2. Ricristallizzazione. Per 0.3Tm<T<0.5Tm nuovi grani equiassici si formano, ↓ densità di dislocazioni, ↓ resistenza, ↑ duZlità.

Riscaldando per un certo t effetto deformazione plastica può essere invertito.


resistenza, ↑ duZlità.

- a parità di deformazione plastica, il tricristallizzazione ↓ se T ↑;

- ↑ deformazione plasYca, ↓ Tricristallizzazione;

- ↑ deformazione plasYca, ↓ dimensione del grano durante ricristallizzazione;

- anisotropia può persiste dopo ricristallizzazione - per ripristinare isotropia, T>Tricristallizzazione.

3. Crescita grani. per T>Tricristallizzazione, i grani crescono effetto negativo su proprietà meccaniche.

Tricristallizazione definita come la T per cui c'è

completa ricristallizzazione in 1h.



Lavorazioni a freddo e a caldo

� Lavorazione a freddo (cold working): deformazione plastica realizzata a temperatura ambiente.

� Lavorazione a caldo (hot working): deformazione plastica realizzata a T>Tricristallizzazione,

� "Freddo" e "caldo" sono termini relativi - Pb ha Tricristallizzazione a Tamb quindi se deformato a Tamb è lavorazione a caldo

�


� Warm working: lavorazioni effettuate a temperature intermedie, compromesso tra la lavorazione a freddo e caldo.

Date post:	29-Nov-2021
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