Metalli e delle loro Leghe (cap. 12)

Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione

Insegnamento di Chimica Generale

083424 - CCS CHI e MAT

Prof. Attilio Citterio

Dipartimento CMIC “Giulio Natta”

http://iscamap.chem.polimi.it/citterio/it/education/general_info/h

Attilio Citterio

–SiC

–Si3N4

–ZrO2

–Al2O3

Ceramici

Compositi

– C-epossi

– Kevlar-

epossi

– Boro-

poliimide

– C-

poliimide

– Vetro-

poliesteriPolimeri

– PEEK– Nylon– Polietilene

100,000

200,000

300,000Metalli e Leghe

Re

sis

ten

za (

ps

i)

– Leghe Carb.

– Acciaio alta

resistenza

– Lega acciaio

– Lega Cu-Be

– Lega Nickel

– Lega Titanio

– Ottone Zn-Cu

– Lega Al

– Lega Zinco

– Piombo

• Metalli e Leghe

• Ceramici, Vetri, e Vetro-ceramici

• Polimeri (plastiche), Termoplastici e Termoindurenti

• Semiconduttori

• Materiali Compositi

• Bio-materiali

• Materiali lapidei

• Beni artistici

Tipi di Materiali2

Attilio Citterio

Densi

Forti

Malleabili

Duttili

DUREZZA FRAGILITÀ DUTTILITÀ MALLEABILITÀ RES. CORROSIONE

Rame Ferro bianco Oro Oro Oro

Nichel Ferro grigio Argento Argento Platino

Ferro Acciaio Platino Alluminio Argento

Magnesio Bismuto Ferro Rame Mercurio

Zinco Manganese Nichel Stagno Rame

Alluminio Bronzi Rame Piombo Piombo

Piombo Alluminio Alluminio Zinco Stagno

Stagno Ottone Tungsteno Ferro Nichel

Cobalto Acciaio strut. Zinco Ferro

Bismuto Zinco Stagno Zinco

Monel Piombo Magnesio

Stagno Alluminio

Rame*Metalli/leghe elencati in ordine decrescente della proprietà

Opachi

Lucenti

Spesso alti punti di fusione

Buoni conduttori di calore

Buoni conduttori di elettricità

Proprietà dei Metalli3

Attilio Citterio

Proprietà Fisiche dei Metalli

Queste proprietà sono legate alla struttura atomica e alla densità del

materiale. Le principali sono:

(1) Coefficiente di Espansione Lineare

(2) Conducibilità Termica ed Elettrica

(3) Suscettività Magnetica

(4) Riflettività

(5) Densità specifica

(6) Punto di Fusione

(7) Punto di ebollizione

4

Attilio Citterio

Tutte le proprietà dei metalli derivano dalla struttura cristallina metallica e

dai legami metallici.

Alta densità legata all’efficiente impaccamento dei centri atomici

nel reticolo cristallino

Buona conducibilità elettrica e termica legata alla mobilità degli

elettroni di valenza nel reticolo cristallino

Opacità e lucentezza legate all’abilità degli elettroni di valenza di

assorbire e riemettere la luce

Punto di fusione Variabile in funzione della tipologia di legame

metallico (Hg è liquido a R.T. ma W ha p.f. 3000°C). La fusione si

instaura quando i legami metallici sono sopraffatti dal calore

applicato.

Proprietà Fisiche dei Metalli(2)5

Attilio Citterio

IA IIA IIIB IVB VB VIB VIIB VIII IB IIB IIIA IVA VA VIA VIIA VII

3

Li

1,007

1

H

11

Na

37

Rb

19

K

55

Cs

87

Fr

4

Be

12

Mg

38

Sr

20

Ca

56

Ba

88

Ra

39

Y

57

La

89

Ac

40

Zr

22

Ti

72

Hf

Sc21

41

Nb

23

V

73

Ta

42

Mo

24

Cr

74

W

43

Tc

25

Mn

75

Re

44

Ru

26

Fe

76

Os

45

Rh

27

Co

77

Ir

46

Pd

28

Ni

78

Pt

47

Ag

29

Cu

79

Au

48

Cd

30

Zn

80

Hg

5

B

13

Al

49

In

31

Ga

81

Tl

6

C

Si

50

Sn

32

Ge

82

Pb

7

N

15

P

51

Sb

33

As

83

Bi

8

O

16

S

52

Te

34

Se

84

Po

9

F

17

Cl

53

I

35

Br

85

At

10

Ne

18

Ar

54

Xe

36

Kr

86

Rn

2

He

61

Pm62

Sm63

Eu64

Gd65

Tb66

Dy67

Ho68

Er69

Tm70

Yb71

Lu58

Ce59

Pr60

Nd

93

Np94

Pu95

Am96

Cm97

Bk98

Cf99

Es100

Fm101

Md102

No103

Lw90

Th91

Pa92

U

14

Metalli leggeri

Metalli pesanti Non MetalliGas

inerti

Alto fondenti

Fragili Duttili

Nobili Basso fondenti

Metalli6

Attilio Citterio

Origine: la sovrapposizione di Orbitali Atomici

nel solido forma bande elet. separate da salti

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 …20… ∞N

Soprattutto leganti

Soprattutto antileganti

En

erg

ia

En

erg

ia

Banda

Banda

Banda

Salto di Banda

Salto di Banda

DE <<kT

~ 0.025 eV

METALLO

Concetto di “Nube” di elettroni

Gli ioni metallici sono tenuti assieme dalla loro mutua

attrazione agli elettroni di legame. “Legame Metallico”

Eccellente conducibilità elettrica e termica

Struttura Atomica dei Metalli7

Attilio Citterio

cella unitariaLi Be

Na Mg Al

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge

Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn

Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb

I metalli esistono in uno dei 14 reticoli cristallini a temperatura ambiente.

Esempi:

Cubico a corpo-centrato (BCC): per es. Cr

Cubico a facce-centrate (FCC): per es. Ag, Au, Pd, Co, Cu, Ni

Esagonale a impaccamento compatto (HCP): per es. Ti

Struttura Cristallina dei Metalli8

Attilio Citterio

Oro (Au) – Reticolo FCC9

Attilio Citterio

Ferro (Fe), Vanadio (V), Cromo (Cr) –

Reticoli BCC10

Attilio Citterio

• Le proprietà fisiche variano lungo direzioni differenti del cristallo ma

non si notano normalmente in pezzi di metallo o altri solidi abbastanza

grandi per l’uso pratico.

• La maggior parte dei solidi sono infatti policristallini (essendo

costituiti da un grande numero di singoli cristalli, detti “grani”).

• Ciascun grano è orientato più o meno casualmente rispetto a quelli

intorno, per cui la variazione nelle proprietà con la direzione del

cristallo si media.

Struttura dei Metalli 11

Attilio Citterio

Bordo di

grano

Grano

Da uno stato fuso:

La crescita dei grani parte dai

nuclei di cristallizzazione, e i

cristalli crescono l’uno verso

l’altro.

Quando due o più cristalli

collidono, la loro crescita si

ferma.

Alla fine, l’intero spazio è

riempito da cristalli.

Ciascun cristallo cresciuto è detto

“grano”. I grani vengono a contatto

tra loro ai “bordi di grano”.

Formazione dei Grani12

Attilio Citterio

Dimensione del Grano

• In generale, minore è la dimensione del grano di metallo,

migliori sono le sue proprietà fisiche.

• Controllo della Dimensione del Grano

Numero di nuclei di cristallizzazione

• Più rapidamente si passa dallo stato liquido allo stato solido,

più piccoli e più fini saranno i grani.

Velocità di cristallizzazione

• Se i cristalli si formano più velocemente di quanto fanno i

nuclei di cristallizzazione, i grani saranno grossi.

• Un lento raffreddamento forma grossi grani.

13

Attilio Citterio

Recipiente quadrato

• La forma dei grani può

essere influenzata dalla

forma del recipiente in cui il

metallo solidifica.

Forma del Grano14

Attilio Citterio

Proprietà Meccaniche

1) Resistenza1) Resistenza alla trazione

2) Resistenza al taglio

3) Resistenza alla compressione

2) Elasticità.

1) Limite elastico

2) Punto di snervamento

3) Carico di snervamento

3) Modulo di Elasticità

4) Duttilità

5) Malleabilità

6) Plasticità

7) Robustezza

8) Fragilità.

9) Resistenza alla Corrosione

10) Resistenza all’Abrasione

11) Fatica

12) Fatica alla Corrosione

13) Lavorabilità

14) Durezza

15

Attilio Citterio

Anch’esse un risultato della struttura cristallina metallica e

dei legami metallici.

Buona duttilità e malleabilità, rispetto ai materiali

polimeri e a quelli ceramici abilità dei centri atomici

a scorrere uno sull’altro in nuove posizioni all’interno

dello stesso reticolo cristallino lungo i piani

cristallografici

• Duttilità = abilità del metallo ad essere ridotto in fili

• Malleabilità = abilità del metallo ad essere ridotto in

strati sottili

Proprietà Meccaniche dei Metalli16

Attilio Citterio

Questi tipi di difetti sono controllati dalla dimensione degli atomi estranei.

L’introduzione di difetti puntiformi altera le dimensioni del reticolo e varia la composizione del metallo costituente ma non cambia la struttura cristallina complessiva dell’atomo costituente.

Impurezza interstiziale

auto interstiziale

vacanzaImpurezza

sostituzionale

Esistono molti tipi di imperfezioni a vari livelli atomici:

Difetti Puntiformi

Difetti di Linea (Dislocazioni)

Bordi di Grano

Difetti Macroscopici

Imperfezioni del Reticolo17

Attilio Citterio

Nella struttura originaria esiste un piano extra o una linea di atomi.

Le dislocazioni agiscono come aree di concentrazione di tensioni e

permettono ai piani atomici di “scivolare” l’uno sull’altro. Essi forniscono

ai metalli un meccanismo di deformazione a livelli di tensione assai

inferiori a quelli predetti dalla teoria.

Difetti di Linea (Dislocazioni)18

Attilio Citterio

Illustrazioni schematiche per lo scivolamento di un cristallo a seguito del movimento

di una dislocazione (a) e analogia di spostamento della piega di un tappeto (b)

Piega

Movimenti della Dislocazione 19

Attilio Citterio

Dislocazione di taglio

Dislocazione a vite

Illustrazioni schematiche della creazione di un salto per movimento di disloca-

zione di taglio (a) o a vite (b)

Sforzo di taglio

Dislocazioni di Taglio/a Vite20

Attilio Citterio

Movimenti della Dislocazione

• In qualunque modo si

impediscono i movimenti

delle dislocazioni, il

materiale diventa più

resistente allo strappo,

rendendolo più resistente.

• La presenza di altri difetti

quali i difetti puntiformi e di

linea aiuta a immobilizzare

il movimento di queste

dislocazioni sotto sforzo.

21

Dislocazione a vite

Attilio Citterio

Buchi, bolle, imperfezioni di superficie, fessure, e

impurezze macroscopiche

• I bordi di grano sono difetti

che hanno energia

superiore a quella dei grani

e sono più attivi verso i

reagenti chimici.

• Aiutano a fermare le

dislocazioni.

• Difetti Macroscopici

Bordi di Grano e Difetti Macroscopici 22

Leghe e Principi di Metallurgia. La metallurgia è lo studio dei metalli e delle

leghe.

Attilio Citterio

• I metalli puri sono tendenzialmente molli e molti tendono a

corrodersi rapidamente.

• Per ottimizzare le proprietà, la maggior parte dei metalli

comunemente usati sono miscele di due o più elementi

metallici (metallo + metallo o metallo + nonmetallo).

• Una miscela solida di un metallo con uno o più altri metalli

o con uno o più nonmetalli è detta una LEGA.

Caratteristiche di una lega:

a) N° dei componenti; sistema binario, sistema ternario

b) N° delle fasi; sistema omogeneo (una-fase), sistema

eterogeneo (fasi distinte)

Leghe24

Attilio Citterio

• Se due metalli non sono completamente miscibili allo

stato liquido, essi non possono formare alcun tipo di lega.

Per es.: Rame + Piombo, Zinco + Piombo

• Se una combinazione di due metalli è completamente

miscibile allo stato liquido, i due metalli sono in grado di

formare una lega.

Quando si raffredda la combinazione, si può avere

una delle seguenti tre possibilità:

1) una soluzione solida,

2) formazione di un composto intermetallico, o

3) formazione di un eutettico.

Leghe25

Attilio Citterio

Reticolo FCC

1. I parametri di reticolo dei due metalli devono essere simili.

Stesso tipo di reticolo cristallino (FCC, .. ecc.)

2. La dimensione relativa degli atomi non deve superare il 15-20%.

(>15% fasi multiple)

3. Grandi differenze nello stato di valenza precludono la solubilità.

4. L’affinità chimica degli atomi deve esser simile.

Un alto grado di affinità chimica forma un composto

intermetallico per solidificazione

Regole di Hume-Rothery per le Leghe26

Curve di Raffreddamento e

Diagrammi di Fase

Attilio Citterio

• Una fase è uno stato della materia che è «in qualche

modo» distinto dalla materia che lo circonda (diversa

composizione chimica).

Sistemi con più di una fase sono eterogenei

Esempi:

• Una miscela di ghiaccio e acqua = 2 fasi

• Una miscela di CaO(s), CaCO3(s) e CO2(g) = 3 fasi

• La distinzione tra leghe a fase singola e multipla è

importante per la forza, la corrosione, la biocompatibilità,

e le altre proprietà delle leghe.

Fase e Lega28

Attilio Citterio

Metalli Puri Leghe

Metallo A Metallo B

Punti di fusione o punto di solidificazione

T1 6

L

L→S

SS

L→S

L

t

Leghe A + B

Solidificazione o intervallo di fusione

2

T

t

SSSS

LL

L

L

3 4 5

L→S

L→S

L→S

L→S

Curve di Raffreddamento: Andamento nel tempo

(t) della Temperatura (T) per Sottrazione di Calore29

Attilio Citterio

Fonte: Richman M: An Introduction to the Science of Metals, MA, Blasdell, 1967, p. 213)

100% 100%

Determinazione di un diagramma di fase per analisi termica. A, Si determinano sperimentalmente le curve di

raffreddamento di sei leghe di composizioni varie. B, In aggiunta, si graficano le temperature di fusione e le

temperature del liquidus e del solidus in funzione della composizione e si ottiene il diagramma di fase.

Curve di Raffreddamento e Diagramma di Fase30

Attilio Citterio

Cu Zn

fcc

bcc

hcp

Zinco (% molare)

Te

mp

era

tura

(°C

)

• Le fasi di una famiglia di leghe di composizione metallica generale

sono definite dal diagramma (di Fase) Temperatura-Composizione

per quella famiglia di leghe.

Diagramma di Fase 31

Classificazione di Sistemi di Leghe1. Soluzioni Solide

2. Composti Intermetallici

3. Leghe Eutettiche

…………………

Attilio Citterio

2T

t

SSSS

LL

LL

3 4 5

L→S

L→S

L→S

L→S

• Due metalli sono completamente miscibili allo stato liquido, e

rimangono completamente dispersi per solidificazione.

• L S

• Un sistema ad una sola fase (soluzione solida sostituzionale)

• Ha sempre un intervallo di possibili composizioni

Per es. la fase solida nel sistema rame-oro (Cu-Au) ha un ampio

intervallo di composizioni tra 100% Cu e 100% Au.

Soluzioni Solide 33

Attilio Citterio

Tem

pera

tura

Metallo A(100%)

Metallo B(100%)

composizione %

LIQUIDO

SOLIDO

liquidus

solidus

Lega 1 Lega 2

Diagramma di Lega Binaria

Tutte le composizioni sopra la

linea liquidus sono liquide, e

quelle sotto la linea solidus

sono solide.

La miscela solido e liquido

esiste nell’area tra le due

linee.

Il solido ha solo una fase.

Ogni elemento metallico in

una lega è un componente

separato.

Si tratta di sistemi isomorfi

che contengono metalli

completamente solubili.

Diagramma di Fase di una Soluzione Solida34

Attilio Citterio

• La fase relativa ha una composizione chimica fissa o

uno stretto intervallo di composizioni.

Per es. in una lega amalgama,

73.2% Ag e 26.8% Sn Ag3Sn (una fase)

Gli atomi di argento e stagno occupano posizioni definite nel

reticolo spaziale.

Composti Intermetallici35

Attilio Citterio

Lega Ag3Sn, 73.2% Ag e 26.8% Sn

100

200

300

400

500

600

700

800

900

00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

COMPOSIZIONE (STAGNO, %)

TE

MP

ER

AT

UR

A (

°C)

L + g

g + Sn

b

a

BC

D

A E

L + a

b+

g

a+

b

Diagramma di Fase di

un Composto Intermetallico 36

Attilio Citterio

L (soluzione a-solido + soluzione b-

solido)

La temperatura inferiore a cui ogni

composizione di lega è interamente

liquida = “Temp. Eutettica” (779.4°C, E)

La temperatura eutettica è

inferiore alla temperatura di

fusione sia dell’Ag che del Cu.

Al punto eutettico, non c’è intervallo di

solidificazione. (~ metallo puro)

Alla composizione eutettica (72% Ag +

28% Cu), le due fasi spesso precipitano

come strati molto fini di una fase

sull’altra.

Sistema argento-rame

Composizione Eutettica

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

Liquido

L+bL+a

a + b

b

A

E

B G

D

C

TE

MP

ER

AT

UR

A (

°C)

COMPOSIZIONE (RAME, %)

a

• I metalli sono solubili allo stato liquido, ma si separano in due fasi allo

stato solido.

L S1 + S2 (= 2 soluzioni solide)

Leghe Eutettiche e Relativo Diagramma di Fase 37

Attilio Citterio

fase ricca Agfase ricca Cu

Composizione Eutettica strati fini di fase a su fase b

b + eutettico a +

eutettico

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

Liquido

L + bL+a

a + b

b

A

E

B G

D

C

TE

MP

ER

AT

UR

A (

°C)

COMPOSIZIONE (RAME, %)

a

Sistema Argento-Rame38

Attilio Citterio

Composizione eutettica Alto contenuto in Stagno

b + eutettico

Microstrutture di due leghe piombo-stagno. A. La lega ha la composizione eutettica 62% Sn-38% Pb. La struttura è

composta da strati alternati (lamelle) di soluzione solida α (scura) che è ricca in Pb e di soluzione solida β che è ricca

in Sn. × 1280. B, La lega ha un alto contenuto di stagno (73% Sn-25% Pb). Le grosse isole sono fase primaria β che

solidifica prima. Esse sono circondate dall’eutettico che solidifica quando si raggiunge la temperatura eutettica. ×560.

Esempio Lega Piombo-Stagno39

Attilio Citterio

Esiste un certo numero di

differenti “morfologie” per le

due fasi in una lega binaria

eutettica.

Di primaria importanza è la

minimizzazione dell’area

interfacciale tra le fasi.

Anche la velocità di

raffreddamento può avere un

effetto importante.

A fianco è una illustrazione

schematica di varie

microstrutture eutettiche:

(a) lamellare, (b) a cilindro,

(c) globulare, e (d) aciculare

(o ad aghi).

Microstrutture Eutettiche40

Come leggere un semplice diagramma di fase?(1) Composizione di Fasi Liquide e Solide a Varie T

(2) Quantità di Fasi Liquide e Solide a Varie T

Attilio Citterio

A

C

BD

Liquido

Solido Soluz.

Soluz.

liquido+

solido

200

400

600

800

B 0% 20% 40% 60% 80% 100%A 100% 80% 60% 40% 20% 0%

COMPOSIZIONE

TE

MP.

(°C

)

760

680

560

540

380280

x YZ

0

Lega (80%A +20%B)

Se una lega di 80%A e 20%B è fusa e quindi raffreddata, essa rimane liquida fino a 760°C, a questo punto

il solido (97%A, 3%B) inizia a precipitare.

L’ulteriore raffreddamento a 680°C

forma un solido di composizione 90%A e 10%B e un liquido di composizione 60%A e 40%B.

Quando la temperatura raggiunge i 560°C, il solido è 80%A e il liquido contiene 40%A; sotto i 540°C non

c’è liquido e il solido è 80%A.

Temperatura (°C)80% A e 20% B

Liquido Solido

>760 80% A Nessuno

760 80% A 97% A

680 60% A 90% A

560 40% A 80% A

<540 Nessuno 80% A

Composizione delle fasi Liquida e Solida a varie

temperature per il sistema di lega AB

Composizione di Fasi Liquide e Solide a

Varie Temperature42

Attilio Citterio

A

C

BD

Liquido

Solido Soluz.

Soluz.

liquido+

solido

200

400

600

800

B 0% 20% 40% 60% 80% 100%A 100% 80% 60% 40% 20% 0%

COMPOSIZIONET

EM

P.

(°C

)

760

680

560

540

380280

x YZ

0

Le quantità relative delle due fasi

nella regione liquido-solido si

possono determinare a una data

temperatura dalla regola della leva

inversa.

A 560°C per composizione

60% A e 40% B

• Liquido = XY/XZ

• Solido = YZ/XZ

Quantità di Fasi Liquide e Solide a Varie

Temperature43

Attilio Citterio

Liquido

Solido

B

D

TE

MP

ER

AT

UR

A (

°C)

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

COMPOSIZIONE (Palladio, %)

* *

Esempio: Sistema Argento-Palladio44

Microstruttura delle Leghe Microstruttura Cast

Microstruttura Wrought

Ricristallizzazione e Crescita dei Grani

Attilio Citterio

Microstruttura Cast

• I grani sono comunemente visibili.

• Dimensione dei grani velocità di raffreddamento

(velocità alta grani piccoli)

• Le leghe a grana fine (“equiassili” = uniformi in dimensione e

forma) sono generalmente più desiderabili per applicazioni

pratiche proprietà più uniformi.

46

Attilio Citterio

Microstruttura Battuta

• Lingotti di Metallo lavorazione caldo/freddo (laminazione,

pressatura o trafilatura) producono severe deformazioni

meccaniche nel metallo

Per es. fili e bande odontoiatriche

• I grani sono spezzati, rimescolati, e allungati per sviluppare una

struttura fibrosa.

• In generale, le proprietà meccaniche sono superiori a quelle della

stessa lega cast.

47

Attilio Citterio

Ricristallizzazione e Crescita dei Grani

• La ricomparsa dei grani o della struttura cristallina quando scaldati o

ricotti (normalmente più ovvia nella massa battuta).

• Il grado di ricristallizzazione è correlato con:

Composizione della lega e trattamento meccanico

Temperatura e durata dell’operazione di riscaldamento

48

Attilio Citterio

A. la microstruttura fibrosa e le righe indicano sforzi residui.

B. Riscaldamenti minimi lasciano intatta la struttura fibrosa ma riducono gli sforzi. Il reticolo rimane distorto.

C. La ricottura con più calore consente di alleviare la deformazione del reticolo.

D e E. l’ulteriore riscaldamento causa una perdita della struttura fibrosa e la crescita dei grani, che aumentano di dimensione con l’accresciuta fornitura di calore.

vista gross. microstruttura cristallo

Microstruttura delle Leghe49

Proprietà delle Leghe

Attilio Citterio

Struttura di Fase vs. Proprietà

• La robustezza di un materiale che esiste in una struttura

bifasica è normalmente superiore a quello di una struttura

monofase.

51

Attilio Citterio

Leghe a Soluzione Solida

• Spesso possiedono maggiore resistenza e durezza e una

duttilità inferiore a quelle dei due metalli puri.

Gli atomi leganti sono assorbiti nella dislocazione, così

prevenendo il movimento della dislocazione.

• Possiedono intervalli di fusione e fondono sempre sotto il

punto di fusione del metallo più alto-fondente.

• Presentano maggiore resistenza alla corrosione delle

leghe multi-fasi, e in certi casi maggiore del metallo puro

(per es. Cr + Fe acciaio).

52

Attilio Citterio

Leghe Eutettiche

• Sono normalmente più dure e forti dei metalli di partenza

e sono spesso molto fragili.

• Posseggono un punto di fusione netto alla composizione

eutettica.

• Spesso hanno bassa resistenza alla corrosione

L’azione galvanica fra le due fasi ad un livello

microscopico può accelerare la corrosione.

53

Attilio Citterio

Composti Intermetallici

• Sono normalmente molto duri e fragili.

• Le proprietà raramente assomigliano a quelle dei metalli

costituenti.

Per es. Ag2Hg3 nell’amalgama dentale ha proprietà

completamente differenti da quelle dell’argento o

mercurio puro.

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Attilio Citterio

Rafforzamento dei Metalli e delle Leghe

• Principio: l’aumentata interazione delle dislocazioni fa aumentare la robustezza dei materiali.

(1) Alterazioni della dimensione dei grani• Grani piccoli ridotta duttilità ma aumento della robustezza, tenacità

e pulibilità.

Si può raggiungere mediante:

– Quenching (veloce raffreddamento)

– Uso di agenti di nucleazione

– Uso di raffinatori di grani per es. Ir facilita la nucleazione (senza sacrificare la duttilità)

– Deformazione plastica (lavorazione a freddo)

(2) Lavorazione a freddo• Indurimento per lavorazione o per sforzo: la laminazione e la

pressatura deformano meccanicamente la lega

• La forma del grano varia dall’equiassali a lungo e stretto.

• Aumenta durezza e resa sotto sforzo ma anche la reattività chimica

• Diminuisce la duttilità e la resistenza alla corrosione

• L’effetto dannoso della lavorazione a freddo si può rimuovere con trattamenti termici, ricristallizzazione e crescita dei grani.

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Attilio Citterio

Rafforzamento dei Metalli e delle Leghe

(3) Ricottura

• Riscaldando la lega a temperature sufficientemente alte da

alterare le dimensioni dei grani (1/3 - 1/2 della temperatura di

fusione)

– Ricristallizzazione e crescita dei grani

– I grani si convertono da lunghi e stretti a equiassali

(convertono il risultato della lavorazione a freddo)

(4) Indurimento soluto

• L’aggiunta di soluto o impurezze atomiche che interagiranno

con le dislocazioni.

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Attilio Citterio

0 1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6 7

Fe % in peso CAcciai Ghise

Ferro dbcc

a0=2.39 Å

Ferro gfcc

a0=3.63 Å

Ferro abcc

a0=2.86 Å

g + d

Ferrite+ Perlite

Cementite+ Perlite

Austenite g

Liquido L

Austenite g + Ledebunite+ Cementite

Fe3C +Ledebunite

Fe3C+ L

g + L

2 % C 4.3 % C

0.8 % C0.025 % C

g + a

906°C

1401°C

1492°C

1130°C

723°C

0.5

% C

d + L

0.1

8%

C

0.1

0%

C

Pe

rlit

e E

ute

tto

ide

Le

de

bu

rite

Eu

tett

oid

e

Fe

3C

6.6

7%

C

15

40°C

Cementite Fe3C

g

g

g

Il Diagramma di Fase Ferro-Carburo di Ferro57

Attilio Citterio

Rafforzamento dei Metalli e delle Leghe

(5) Precipitazione o indurimento con l’età

Si basa sull’abilità di una lega di esser

convertita da una singola struttura di

fase solida a una che mostra due fasi.

Quando scaldate a T < punto di fusione,

avviene diffusione degli atomi estranei

generando un reticolo molto forte che

mostra proprietà meccaniche migliori.

Velocità e lunghezza dell’invecchia-

mento (tempo e temperatura) si possono

manipolare per creare materiali con la

combinazione desiderata di proprietà.

Le interazioni tra dislocazioni e

precipitati producono maggiore

resistenza e durezza ma duttilità

moderata.

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Tem

pera

tura

Metallo C(100%)

Metallo D(100%)

composizione %

Liquido +Solido

liquidus

solidus

StrutturaBi-fasica