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Definitione di solidi Amorfi

• I Solidi Cristallini hanno un ordine a lungo raggio, cioè gli atomi sono disposti in modo

regolare ripetendo nelle 3 direzioni nello spazio la “cella elementare”. Bravais ha dimostrato che

esistono 14 possibili configurazioni della cella elementare. Per i metalli le configurazioni più

diffuse sono 3: ccc, cfc, ed e.c.

•Le leghe solide con un arrangiamento atomico come un liquido sono chiamate o vetri

metallici o metalli amorfi: un vetro è, nel senso letterale, un liquido che è stato congelato in uno

stato “solido” senza cristallizzare, mentre un materiale con la stessa struttura ottenuto con un

qualche processo diverso dal semplice raffreddamento è detto amorfo.

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Infatti, per ottenere un “vetro” è necessario abbassare la temperatura del metallo fuso fino alla

temperatura di transizione vetrosa (Tv), temperatura alla quale gli atomi non sono più in grado di

muoversi con ampie traslazioni ma possono solo effettuare piccoli movimenti di natura termica attorno

alla loro posizione di equilibrio a causa della viscosità alta. Il problema consisteva nel fatto che questa

temperatura (Tv) era ben al di sotto della temperatura di solidificazione e quindi prima che il liquido la

potesse raggiungere il metallo solidificava con struttura cristallina. E’ stato dimostrato infatti che nei

solidi esiste una fase cristallina più stabile di quella amorfa; lo stato cristallino ha un’energia libera

minore e quindi è favorito dal punto di vista termodinamico. Anche nel caso del vetro comune (a base

di silicati) si ha la tendenza spontanea del materiale alla struttura cristallina ma i tempi necessari per la

trasformazione sono lunghissimi (è questo il motivo per cui vetri che datano secoli tendono a

rompersi). Per scavalcare il problema si è quindi dovuto agire sulla cinetica della trasformazione.

Per formarsi un solido cristallino, raggiunta la T di solidificazione, ha bisogno di un certo tempo: si

formano prima dei cluster, nuclei di pochi atomi in configurazione cristallina, che agiscono da centri di

aggregazione per gli altri atomi; la solidificazione avviene per la successiva crescita del solido

cristallino attorno a questi cluster.

Se quindi si fa solidificare un metallo fuso con una velocità tale da raggiungere la Tv prima della

formazione dei cluster allora si ottiene un liquido congelato in una struttura amorfa.

3

PRINCIPALI METODOLOGIE PER LA PRODUZIONE

DEI METALLI AMORFI

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I materiali amorfi possono essere ottenuti partendo da un solido un liquido o un gas. .

Raffreddamento dal liquido:

1) Melt spinning:

un getto di fuso è proiettato contro una ruota di Cu raffreddata, rotante con una velocità di circa

200 m/s; così facendo, il metallo subisce un raffreddamento che può raggiungere un milione di

gradi al secondo; si ottiene un nastro di materiale amorfo.

Melt spinning

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2) Piston-and-anvil metodo: si fa fuoriuscire il fuso a gocce, queste vengono

bloccate tra due piatti che sono portati in rapida collisione. Si ottiene un disco di

materiale amorfo.

.

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3) Twin- roller metodo: consiste nel far passare un getto di metallo fuso nello

spazio lasciato fra due ruote rotanti in senso opposto. Si ottiene un nastro di

materiale amorfo.

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4) Atomizzazione: un getto di metallo fuso viene colpito da gas inerte in pressione

o liquido a bassa temperatura che fa solidificare velocemente le goccioline di

metallo formando una struttura amorfa. Si ottiene così una polvere di materiale

amorfo.

5) Rotating water spinning process: un piccolo getto di metallo viene iniettato in

un toro d’acqua rotante per ottenere un filo di materiale amorfo.

• Con tutti questi metodi è necessario prelevare calore velocemente dal metallo

fuso: nel caso dei nastri o dei fogli amorfi lo spessore tipico è di 20-50 mm; i fili

hanno un diametro di 50-100 mm, le polveri hanno un diametro di circa 20-100

mm.

• Le velocità di raffreddamento variano con le dimensioni del fuso, le metodologie

di raffreddamento (ad esempio la velocità di rotazione della ruota) ecc..; sono

dell’ordine si 104-107 Ks-1.

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Partendo da un solido: tramite, impiantazione ionica, diffusione allo

stato solido, irraggiamento, ball milling, deposizione elettrolitica, trattamenti laser.

1) Trattamento laser: tramite un fascio laser focalizzato su di una piccola superficie

di un metallo solido si porta a fusione la zona interessata. Il metallo solido

sottostante sottrae calore dall’area fusa con velocità elevata.

2) Deposizione elettrolitica: nel 1950 fu depositato per la prima volta uno strato di

materiale in forma amorfa (Ni-P con 10at%P) per ottenere un coating ultra-hard.

Anche leghe Co-W-B sono candidate per essere usate come coating amorfi. E’

stato ottenuto anche un coating di Cr amorfo eletttrodepositato, con un’elevatissima

durezza, partendo da una soluzione di acido cromico con aggiunta di additivi. Alcuni

materiali organici come il polyacetilene può essere usato come catalizzatore per

l’elettrodeposizione di materiali amorfi quali: Ni-Co-B e Ni-Co-P.

3) Impiantazione ionica: un gran numero di fasi amorfe sono state ottenute tramite

impiantazione con alta energia di ioni di soluto in superfici metalliche. Ad esempio si

è ottenuto uno strato amorfo, resistente all’usura, impiantando ioni di Ti e C in

superfici di Fe.

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4) Irraggiamento: un certo numero di composti intermetallici sono stati “amorfizzati” tramite

irraggiamento con elettroni ad alta energia (2MeV) o ioni pesanti come Ni+. Si ottiene così una

distruzione non completa dell’ordine cristallografico a lungo raggio.

5) Ball milling: è un processo che combina deformazione con mescolamento. Una piccola

quantità di polvere è messa in un contenitore rotante o vibrante contenente un certo numero di

palline di acciaio indurito. Questa tecnica è usata anche per legare meccanicamente due

metalli. Nel caso di Ni e Ti la reazione di amorfizzazione si ha direttamente tra le zone di Ni e

Ti che vengono in contatto durante la macinazione. Il disordine viene indotto meccanicamente.

6) Interdiffusione e reazioni: fu scoperto nel 1983 da Schwarz e Johnson che si poteva

ottenere la formazione di una lega amorfa grazie all’interdiffusione tra due metalli puri

policristallini. Si depositarono strati successivi di Au e La di 10-50 nm di spessore, e fu fatto un

trattamento termico a bassa T (50-100°C): la composizione finale delle fasi miste dipendeva

dallo spessore relativo dei due film sovrapposti. Il fenomeno dipende dalla diversa velocità di

diffusione di un elemento nell’altro: l’Au è l’elemento che diffonde più velocemente nel La (di

diversi ordini di grandezza più veloce dell’autodiffusione del La).

Per comprendere meglio il fenomeno dell’interdiffusione si è messo a punto un studio (1990

da Greer et.al.) su sistemi Ni-Zr. Si è studiata la diffusività dello Zr in un amorfo (a-Ni65Zr35) a

varie temperature: a 573K la diffusività dello Zr nel solido amorfo è circa 106 volte più piccola

di quella del Ni. Questa disparità è attribuita alla diversa grandezza degli atomi di Ni e Zr. Una

conseguenza di una diffusione molto veloce di un costituente in uno strato amorfo è la

formazione di vacanze nello strato. Molte leghe Zr-M (con M=Mn,Fe,Cr,Co,Ni, Cu, Be) sono

glass-formers perché mostrano una diffusione molto veloce dovuta al fatto che il soluto è

molto più piccolo del solvente.

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Partendo dalla fase gassosa

Raffreddando velocemente la fase gassosa tramite: thermal evaporation, sputtering,

Chemical Vapor Decomposition.

La condensazione di un metallo su di un substrato freddo è equivalente ad una

tempra ultrarapida dal fuso. Negli anni ’30 un fisico (Kramer) disse di aver generato

un Sb amorfo utilizzando la tecnica dell’evaporazione. Più tardi (Buckel e Hilssch)

furono fatti evaporare altri metalli quali: Bi, Ga e leghe Sn-Cu su di un substrato

tenuto a 4 K. Continuò negli anni il dibattito se i risultati dei vari esperimenti fossero

materiali con un grano ultrafine o se fossero realmente amorfi. Finalmente negli anni

’80 tramite misure con un calorimetro differenziale a scansione si è potuto

distinguere i casi in cui si trattava di materiali microcristallini e i casi in cui si trattava

di amorfi.

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• Principali criteri per ottenere vetri metallici

Le combinazioni più favorevoli di elementi per ottenere vetri metallici è riassunto

nella figura seguente.:

Si possono distinguere 5 categorie principali:

• la classe 1 comprende vetri composti da metallo+metalloide (i primi); facili da

ottenere tramite solidificazione rapida; consistono in piccoli atomi di soluto tra

grandi atomi di metallo, la concentrazione di metalloidi è in genere intorno al

20at%. 2 di questi : Pb40Ni40 P20 e Pb77.5Cu6Si16.5 possono essere ottenuti anche

con basse velocità 1K/s se si riesce a evitare la nucleazione eterogenea su una

superficie tramite metodi appropriati.

• Invece la categoria 4 (Be-bearing glasses) è interessante per la potenziale

bassa densità, alta resistenza di rinforzo dei nastri ma difficili da ottenere per la

presenza del Be. 3,5 non sono di minor interesse.

Classificazione nelle leghe vetrose

(BMG =Bulk Metall Glass)

Un criterio di fu elaborato per la prima volta da Inoue nel

2000, prevedeva una divisione in cinque gruppi,

focalizzata sulle caratteristiche degli elementi costituenti

nel rispetto delle specie chimiche e delle differenti

dimensioni atomiche che risulta particolarmente utile per

la comprensione delle proprietà dei BMG: G-I, G-II, G-

III, G-IV, G-V. I primi quattro gruppi sono composti da

tre, tra cinque diverse tipologie di elementi: la prima

metà dei metalli di transizione (ETM), lantanoidi (Ln), la

seconda metà dei metalli di transizione (LTM), i metalli

semplici, i metalloidi e la terna di elementi Al,Ga,Sn. I

vetri metallici di G-III costituiscono una eccezione e

risultano poter formare anche sistemi multicomponenti

costituenti diversi elementi costitutivi. Il gruppo G-V è

formato considerando solo due tipologie di elementi:

LTM e i metalloidi.

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Per quanto riguarda il range di

composizione per ottenere strutture

amorfe partendo da due componenti con

diverse tecniche è riportata la seguente

figura raffigurante il sistema Co-Zr: ad

esempio il melt spinning (m.s) favorisce la

formazione di fasi amorfe vicino alla

composizione eutettica.

In un dato sistema di lega il range di

composizione, nel quale si può ottenere

un vetro, dipende, nel caso della

solidificazione rapida, dalla velocità di

raffreddamento.

Esiste una velocità critica di

raffreddamento che è necessario superare

per evitare la nucleazione della fase

cristallina e quindi il naso delle curve

T.T.T. quindi è importante scegliere la

metodologia giusta per ogni lega.

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• La diffusione è un processo essenziale nei meccanismi di amorfizzazione allo

stato solido. Nel successivo grafico è riportata la dipendenza della diffusività di

diversi metalli in due vetri metallici (a); nel grafico (b) è mostrata la diffusività di

alcuni metalli in una lega amorfa Ni-Zr con un contenuto di Ni 50-65 at% in

funzione del volume atomico della specie diffondente.

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PRINCIPALI PROPRIETA’ DEI

METALLI AMORFI Nei materiali metallici cristallini l’ordine geometrico nell’impacchettamento atomico

determina una certa direzionalità o anisotropia delle proprietà meccaniche, elettriche

e magnetiche mentre i vetri metallici presentano una certa isotropia perché si

possono considerare sostanzialmente omogenei anche su larga scala;

Proprietà Chimiche: Buona resistenza alla corrosione: nei vetri a

base di Fe la resistenza alla corrosione

è migliorata dall’aggiunta di soluti metallici quali

Cr e Mo. Ad esempio a-Fe72Cr8P13C7 passiva

spontaneamente in 2N HCl a temperatura

ambiente.

Ossidazione selettiva o assorbimento di idrogeno in

vetri come Ni-Zr, Cu-Zr, Pd-Zr modifica la loro

superficie.

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Prova di trazione su vetro metallico integralmente

amorfo e lega di Ti-6Al-4V:

-Ti31.7Zr3.6Cu43-X (amorfo puro di Ti) e Ti-

6V-4Al, S45C (acciaio) e A5056;

-UTS Ti-BMG superiori del 30% rispetto

alle leghe di Ti-6Al-4V e due volte maggiori

delle altre leghe convenzionali

-modulo elastico E simile per le due leghe di

titanio analizzate;

-diverse modalità di rottura;

-Inclinazione elevata Ti-BMG rispetto a

Ti64 e S45C;

-Il limite a fatica associato alla lega

amorfa è il più basso tra quelli ottenuti

dalla prova ;

PROVA DI TRAZIONE:

PROVA DI FATICA:

Buone proprietà meccaniche: alta resistenza e tenacità combinata con una buona

rigidezza.

Usati come rinforsi in compositi e utensili da taglio (lame rasoio, aghi per interventi

agli occhi).

Alcuni vetri metallici hanno dimostrato una buona resistenza a fatica per piegatura.

Materiale di rinforzo per pneumatici: tramite melt-spinning sono stati ottenuti fili di

0.1mm di diametro con Fe-Si-B amorfa: alta resistenza, buona adesione con la

gomma, eccellente resistenza alla fatica e alla corrosione.

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Proprietà Meccaniche

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laminette per trasformatori: in figura si confronta il comportamento di un vetro

metallico con un materiale cristallino (Fe 3%wt Si): minore isteresi e più alta resistività

elettrica che riduce eddy current.

Un esempio è «Metglas 2605 SC» (Fe81B13.5Si3.5C2).

non presentano domini di Weiss, quindi perdono quasi istantaneamente

un’eventuale magnetizzazione precedentemente acquisita. Per questo motivo

trovano applicazione nel campo dell’informatica;

.

Proprietà magnetiche

Aspetti limitanti:

Scarsa deformabilità in regime plastico e

conseguente rottura di schianto;

Impossibilità di ottenere componenti di

dimensioni estese per via dei processi

tecnologici impiegati per raggiungere la

configurazione amorfa;

Elevato costo di produzione;

Al fine di garantire una migliore duttilità e resistenza alla frattura sono

state fatte precipitare strutture cristalline dentritiche nella matrice

continua vetrosa della lega e per riuscire nella realizzazione di questi

compositi è risultato necessario effettuare la seguente serie di passaggi:

i) Identificare una lega vetrosa di Ti che potesse essere utilizzata per

questa procedura;

ii) Creare una microstruttura bifasica parzialmente cristallizzata di dentriti

e di liquido;

iii) Garantire che il modulo G associato alla componente cristallina fosse

inferiore a quello della matrice vetrosa;

Leghe bifasiche di Ti-BMG: Risultati delle prove di trazione condotte

su diverse tipologie di composti bisafici;

-Per delineare un quadro più ampio sono

state prese in considerazione anche la

lega Ti-6Al-4V e CP-Ti di 2 ° grado;

Leghe bifasiche di Ti-BMG:

Di seguito riportiamo le caratteristiche e le composizioni dei materiali utilizzati nello studio della CalTech:

i) DV1 (Ti48Zr20V12Cu5Be15): caratterizzato da una densità media m media di 5.15 g/cm3, una percentuale di

composizione amorfa pari al 53% di Ti32Zr25V5Cu10 Be28 e la parte cristallina al 47% di Ti66V19Zr14Cu1. Raggiunge

una deformazione totale pari al 12.5% e valori della tensione di rottura di 1.4 GPa. Dal grafico si vede che il DV1 è

sottoposto ad una estesa fase di incrudimento prima che occorra il fenomeno del necking e la conseguente frattura

del provino.

ii) DV2 (Ti44Zr20V12Cu5Be19): è il composito con maggiore resistenza che mostra ancora allungamento finale

superiore al 5%. In questo caso si è cercato di analizzare gli effetti dell’aumento della composizione vetrosa (70%)

finalizzato a migliorare la resistenza meccanica del materiale. Il valore della tensione a rottura aumenta a 1.6 GPa

ma la deformazione totale risulta considerevolmente ridotta a 9.5%.

iii) DV3 (Ti56Zr18V10Cu4Be9): materiale a maggior composizione cristallina rispetto ai primi due (54%) e una densità

m leggermente inferiore ai casi precedenti 5.08 g/cm3 e una minore tensione limite di rottura.

iv) DV4 (Ti62Zr15V10Cu4Be9): la percentuale di fase cristallina presente risulta pari a 60% e la densità m a 5.03 g/cm3.

La curva tensione-deformazione risulta più bassa del caso precedente DV3.

v) DVAl1 (Ti60Zr16V9Cu3Al3Be9) e DVAl2 (Ti67Zr11V10Cu5Al2Be5): l’aggiunta di alluminio alla composizione

conferisce una minore densità al materiale ma allo stesso tempo, essendo Al un elemento -stabilizzante, viene

aumentato in modo considerevole il modulo G e quindi ne si riduce la deformabilità plastica. Si ottiene una lega

con densità m pari a 4.97 g/cm3 nella quale l’alluminio è equamente ripartito tra la fase amorfa e quella cristallina.

vi) CP-Ti: il titanio puro, rispetto ai casi considerati, risulta quello con tensione di rottura minore (400 MPa) ma

raggiunge valori di deformazione plastica di gran lunga superiori agli altri casi, superiori al 25%.

vii) Ti-6Al-4V soggetto a trattamento di ricottura: il valore di tensione a rottura ottenuto si aggira intorno agli 800 MPa,

l’allungamento finale è del 16% e la densità m è la più bassa tra i materiali considerati, 4.43 g/cm3.

In tabella vengono fornite le principali proprietà meccaniche ottenute dalle prove di trazione effettuate. Sono riportati da destra a sinistra: la composizione, la distribuzione di peso dei componenti, la percentuale di fase amorfa, la percentuale di fase cristallina, la densità, la tensione di snervamento, la tensione di rottura, il limite di deformazione elastica, il limite di deformazione alla rottura, il rapporto tra la tensione e la deformazione di rottura, la riduzione percentuale di sezione alla rottura, il valore critico del coefficiente di intensificazione degli sforzi dell’apice della cricca, il modulo di Young, il modulo di taglio, il coefficiente di Poisson e la temperatura di solidus. [Douglas C-Hofman, Jin-Yoo Suh, Aaron Wiest, Mary-Laura Lind, Marios D.Demetriou e William L. Johnson, Development of tough, low-density titanium-based bulk matallic glass matrix composites with tensile ductility]

1) tensione di snervamento e la duttilità nella maggior parte delle leghe Ti-BMG

bifasiche sono assimilabili a quelle delle leghe di Ti tradizionali.

2) Aumentando la percentuale di fase amorfa presente nel materiale cresce molto la

resistenza meccanica mentre la duttilità cambia fortemente a seconda della

composizione degli elementi presenti.

3) Un vantaggio che si riscontra nei compositi bifasici è la bassa temperatura di solidus Ts,

che si aggira mediamente intorno ai 950 K, rispetto alle leghe cristalline che raggiungono

i 1800-1900 K. Al di sopra di questa temperatura i cristalli di forma dentritica sono in

equilibrio con il liquido della matrice vetrosa e quindi si costituisce questo stato semi-

solido del composto, particolarmente semplice da modellare e lavorabile con le tecniche

di near net shape.

4) Abbassamento dei costi di produzione rispetto alle leghe cristalline di Ti, perché

consente di ottenere componenti con buona finitura superficiale e forma molto simile a

quella del prodotto finale. Ridotta la necessità di successive lavorazioni ad asportazione di

truciolo e di rettifica che costituiscono uno degli aspetti più dispendiosi e articolati della

lavorazione delle leghe di titanio tradizionali.

Leghe bifasiche di Ti-BMG:

RIDUZIONE SOSTANZIALE DELLA

TEMPERATURA DI SOLIDUS TS

ESTENSIONE DELLA DEFORMAZIONE

PLASTICA AMMISSIBILE FINO AL 12%

AMPLIAMENTO

DELLE POSSIBILITÀ

APPLICATIVE IN

AMBITO

STRUTTURALE E

PROGETTUALE

FORMAZIONE DI

UNA FASE

SEMISOLIDA DEL

COMPOSTO

FACILMENTE

LAVORABILE PER

FORMATURA O

MACHINING

Enormi potenzialità delle leghe BMG nei settori dove sono richieste materiali ad alte prestazioni meccaniche come

nell’aeronautica e nell’aerospazio;

Superamento delle limitazioni di dimensione e deformabilità

grazie allo studio della composizione e la creazione di

leghe BMG bifasiche;

Necessità di sviluppare nuovi processi di produzione per

estenderne le applicazioni in ambito industriale e

commerciale;

Applicazioni leghe

amorfe: ATTREZZATURE SPORTIVE

DISPOSITIVI

ELETTRONICI

STRUMENTAZION

E CHIRURGICA

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•Nella tabella sottostante sono riassunte le principali proprietà meccaniche di

alcune fibre di rinforzo e nastri di materiale amorfo in relazione con la densità. I

vetri base Al sono 2 volte più resistenti della più resistente lega cristallina

commerciale di Al e la resistenza alla corrosione è migliore.

Applicazioni

• Brasature: si possono ottenere leghe amorfe da brasatura tramite melt-

quenching sotto forma di lamine. Ad esempio Cu-P, Ni-Si(B,P), Co-Si-P, Cu-Ti-

Ni. I fogli ottenuti sono duttili. Le composizioni delle leghe sono scelte per

facilitare la formazione di struttura amorfa: bassa T di fusione, bassa tensione

superficiale ecc.

• Materiale di coating (W0.6Re0.4)76B24 per migliorare la resistenza all’usura degli

acciai.

• Nastri di a-Fe-Cr-P-C sono usati come elementi attivi nei filtri elettromagnetici

per eliminare la ruggine nell’acqua.

• Barriere di diffusione (Ta-Ir sono usate come barriere di diffusione tra il

substrato di Si e Y-Ba-Cu-O strati di superconduttori). Un esempio è mostrato in

figura: Au diffonde molto più lentamente in a-Ni55Nb45 che nella stessa lega allo

stato cristallino a bassa T perché in questo range di temperature la diffusione

nel policristallo è dominata dal trasporto attraverso il bordo di grano che è

impedito nell’amorfo. Si può vedere a 400 °C che la differenza di diffusività è di

7 ordini di grandezza. 32

Barriere di Diffusione

Un esempio è mostrato in figura: Au diffonde molto più lentamente in a-Ni55Nb45 che

nella stessa lega allo stato cristallino a bassa T perché in questo range di

temperature la diffusione nel policristallo è dominata dal trasporto attraverso il bordo

di grano che è impedito nell’amorfo. Si può vedere a 400 °C che la differenza di

diffusività è di 7 ordini di grandezza.

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Precursori per

materiali nano-crystalline

Quando un vetro metallico è riscaldato tenderà a cristallizzare formando una

combinazione di composti intermetallici e soluzioni solide metalliche. I meccanismi

di cristallizzazione sono principalmente divisi in 3 categorie:

• polimorfi (cristallizza un solo composto intermetallico senza cambi di

composizione ad esempio Fe75B25 )

• eutettici (avviene la cristallizzazione di eutettico come nel vetro Fe80B20 le cui

fasi costituenti sono aFe e Fe3B).

• cristallizzazione primaria (una fase primaria cristallizza per prima come in

Fe86B14 da cui cristallizza aFe primario, e poi cristallizza un composto Fe3B).

34

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In figura è mostrato il tempo che occorre perché inizi la cristallizzazione di vetri metallici in

funzione della temperatura. Le curve sono ottenute con trattamento isotermici.

Fra queste ci sono W65Ru35, W50Re50 entrambe con alta T di cristallizzazione circa 800°C e

Ta55Ir45 con una t di cristallizzazione di 900°C.

• Si è quindi pensato di utilizzare leghe amorfe per ottenere materiali

nanocristallini (Fe-Cu-Nb-Si-B). la formazione di nanocristalli in queste leghe

deriva presumibilmente dalla nucleazione omogenea che avviene durante la

cristallizzazione. Das et al. Svilupparono nel 1985 delle leghe Ni-Mo-B e Ni-Al-

Ti-X-B e più tardi Ni-Mo-B con aggiunta di Cr. Queste leghe sono ottenute per

melt quenching. Durante il processo di devetrificazione precipitano dalla matrice

cristallina fasi ordinate insieme con precipitati ricchi di B.

• Questa famiglia di leghe è conosciuta sotto il

marchio “De vitrium” . La migliore di queste

leghe ha ottime proprietà ad alta temperatura,

superiori di quelle di acciai per utensili. Si è

iniziato a usare il processo di devetrificazione

per ottenere leghe soft-magnetiche

nanocristalline che sono Fe-Cu-Nb-Si-B. Si

riporta in figura le curve TTT da cui si vede

che la nanocristallinità deriva da nucleazione

omogenea durante la cristallizzazione.

36

Example: Liquidmetal

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Early amorphous metals were limited to thin ribbons because of the high cooling rates required to form the non-crystalline

structure, Nevertheless, low-cost commercial sheet fabrication of these thin ribbon materials lead to a very successful industry.

Amorphous metal ribbons have been wound and used as transformer coils and anti-theft I.D. tags due to their magnetic properties.

What makes Liquidmetal a fundamentally different material than all of its crystalline counterparts are its truly unique combination

of processing and mechanical properties. Much like aluminum, magnesium and zinc alloys, Liquidmetal can be readily cast from

the liquid into extremely complex, net-shaped (i.e., require little or no post-processing operations) parts. Unlike those alloys

however, cast Liquidmetal parts are hard, high strength and can have a lustrous surface finish directly out of the mold.

The applications for Liquidmetal alloys are growing significantly and this first blog post represents our Company’s commitment to

advance the Commercial applications of Amorphous Alloys in the Global marketplace.

Amorphous Block Cores

(AM-R-XXX series)

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39

Recentemente si sono trovate delle composizioni per cui bastano soltanto 1-100 gradi al secondo. Queste

velocità permettono di ottenere dei solidi di spessore abbastanza elevato (bulk metallic glasses). Un esempio è

riportato in figura

•Pezzo prodotto a partire da una lega Zr-Ti-Cu-Ni-Al colato in uno stampo di rame.

•Da un punto di vista ingegneristico i metalli vetrosi sono molto interessanti per le loro caratteristiche uniche. Ad

esempio hanno un’alta resistenza meccanica, un alto limite elastico, alta tenacità a frattura.

Essendo dei materiali amorfi possiedono anche una temperatura di transizione vetrosa. Ciò sta a significare che

la temperatura di impiego deve essere controllata attentamente, onde evitare surriscaldamenti che inficerebbero

le proprietà meccaniche, ma vuol dire anche che sopra certe temperature il materiale può essere facilmente

formato anche in geometrie complesse.

•Nel 1993 Peker e Johnson progettarono la lega Zr41,2Ti13,8Cu12,5Ni10Be22,5[=(Zr3Ti)55(Be9Cu5Ni4)45],

comunemente chiamata Vitreloy1 (Vit1), avente uno spessore critico di qualche centimetro. Questo lavoro può

essere considerato il punto di partenza per l’uso di materiali amorfi in applicazioni strutturali. Nei successivi 10

anni le proprietà del Vit1 furono studiate intensamente. Nel 1997 Inoue rivisitò il Pd40Ni40P20 sostituendo il

30% di Ni con Cu. Il risultato fu un materiale con cui si potevano produrre oggetti di 72 mm di diametro.

Ad oggi la famiglia Pd-Cu-Ni-P è il sistema metallico che presenta la miglior colabilità.

• In figura si presentava lo spessore critico come funzione dell’anno in cui la lega fu sviluppata. Partendo dal

primo vetro prodotto da Duwez si è visto un aumento di tre ordini di grandezza in 40 anni. Se questo trend

dovesse conservarsi (legge di Moore) nei prossimi 10 o 20 anni si dovrebbero trovare delle leghe che,

similmente agli ossidi vetrosi, cristallizzano difficilmente.

In questi anni la ricerca nell’ambito delle leghe vetrose sta aumentando notevolmente.

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Properties Vit1 Al-alloys Ti-alloys steels

Density [g/cm3] 6,1 2,6-2,9 4,3-5,1 7,8

Yield strength [GPa]

1,90 0,10-0,63 0,18-1,32 0,5-1,6

Specific strength [GPa cm3/g]

0,32 <0,24 <0,31 0,21

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Properties of Vitreloy1

Lega sf [MPa] E [GPa] H V [DPN]

Al85Y11Ni4 930 72,3 385

Al85Y10Ni5 950 72,4 380

Al85Y8Ni7 1150 82,2 375

Al85Y5Ni10 1050 71,5 380

Al85Y2Ni13 920 72,5 365

The figure shows a typical HR TEM micrograph

of an alloy Al85Y10Ni5 produced by centrifugal casting

at a speed of 47 m/s.

l Vitreloy1 viene utilizzato in qualche caso negli orologi per sostituire il Ni che solitamente si usa come

rivestimento, in modo da evitare eventuali problemi legati ad allergie.

Il Vitreloy1 è biocompatibile, pertanto viene utilizzato dove ci sia bisogno di alta resistenza a corrosione e ad

usura. Ad esempio la DePuy Orthopaedics lo sta usando per produrre protesi di ginocchia. Nel 2002 la Surgical

Specialities ha cominciato la produzione di lame in Vitreloy.

La Liquidmetal ha ricevuto molte commesse dall’agenzia americana per la difesa per lo sviluppo di materiali ad

uso militare che siano resistenti, leggeri e resistenti alle alte temperature. Ad esempio si vuole sostituire l’uranio

impoverito usato nei razzi anticarro con compositi vetrosi rinforzati con W, in quanto hanno medesima densità e

comportamento a penetrazione. La compagnia sta sviluppando anche un nuovo involucro per le bombe a

frammentazione usate dalla marina.

Anche la NASA ha investito sui vetri metallici: nell’agosto del 2001 è stata lanciata la sonda Genesis, dal costo di

200 milioni di dollari (figura A SINISTRA), con l’intento di raccogliere frammenti di vento solare. Ci si aspetta che

la sonda riesca a catturare 10-20 mg di particelle usando 5 collettori passivi da 1 m di diametro. Ciascun

collettore è composto da 55 piastre esagonali da 10 cm rivestite da uno strato di Zr-Nb-Cu-Ni-Al (progettato da

Hays del Caltech) che assorbe e trattiene He e Ne (figura A DESTRA).

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Glassy metal against : Super-resilient material is the first to combine strength and toughness.

Zeeya Merali

A metal glass is the first material to be fabricated that is as strong and as tough as the toughest steel. The feat could

eventually see such materials replace steel in buildings, cars or bridges.

"The challenge has always been to achieve both high strength and toughness," says Marios Demetriou, a materials scientist

at the California Institute of Technology in Pasadena. "But until now we have always had to compromise between the two."

Demetriou and his colleagues have developed an alloy that combines the best features of both by turning to 'amorphous

metals'. Their work is published in Nature Materials today1.

Amorphous metals are stronger. They are made by rapidly cooling molten metal, so that its atoms are stuck in a disordered

arrangement — resembling the structure of glass. Unfortunately, for a long time these 'glassy metals' also seemed to be

inherently brittle.

"It's unique to see this combination of strength and toughness in a single material," says John Lewandowski, a materials

scientist at Case Western Reserve University in Cleveland, Ohio. It's now important to investigate whether adding more

elements to the mix — to create small crystalline regions in the material — could improve its toughness further, without

sacrificing strength, he adds.

Lewandowski also notes that because palladium is a precious metal, it will be too expensive to use the material widely.

Demetriou acknowledges that problem. "It will be most suited for making strong and tough dental and medical implants,

because their very high fabrication cost can often justify a high material cost."

However, the team plans to look for a cheaper version based on copper, iron or aluminium, says Demetriou. "If we find it,

that material will take over from steel in large-scale engineering forever."

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