Metallo Final

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Facolt di chimica

Materiali metallici

Docente: Battezzati Livio

INTRODUZIONE Nellanalizzare i metalli ci riferiamo a elementi con stato di ossidazione N ox=0, nel caso di Nox0 staremo trattando la loro degradazione. Questo ci porta a trattare i metalli nello stato solido od al massimo liquido; lo stato solido uno stato cristallino, le cui propriet variano in funzione della posizione dellelemento nel sistema periodico. Analizzando la tavola periodica trovo delle classi di metalli: Alcalini Metalli di transizione Alcalino-terrosi Lantanidi e attinidi Metalli dei gruppi P (Al, Pb; Si, Ge nello stato liquido) LEGAME METALLICO In un metallo ho un legame che consiste in uninterazione di ioni che si trovano in determinate posizioni unite da un flusso degli elettroni di valenza dei diversi atomi coinvolti legame metallico. Se le particelle sono unite elettrostaticamente ho una forza isotropa, allora gli atomi si disporranno per massimizzare la forza. Strutture cristalline Posso avere diverse strutture cristalline, tra queste le pi diffuse sono: Cubica a corpo centrato: BCC Cubica a facce centrate: FCC Esagonale compatta: HCP Le diverse classi di metalli assumono una delle strutture in base alle loro propriet. Metalli alcalini: nello stato stabile sono BCC, e ci permette una maggior mobilit degli elettroni di valenza, che hanno sufficiente volume a disposizione. Metalli alcalino-terrosi: solitamente cristallizzano nel reticolo esagonale compatto (HCP) oppure, come il Berillio, nel reticolo cubico a facce centrate (FCC). Metalli gruppo p: non hanno un reticolo prevalente; Al, Pb sono FCC, Tl HCP: altri elementi hanno struttura complessa (es. Sn) a causa di contributi di covalenza al legame. Si, Ge sono metallici nello stato liquido. Metalli di transizione: la struttura varia muovendosi lungo il periodo: I/III/VIII periodo: FCC IX periodo: Lantanidi/Attinidi: I lantanidi sono esagonali o cubici; presentano politipi compatti e anche gli attinidi presentano polimorfismo. Le diverse strutture hanno aspetti diversi che possono essere rappresentate con i seguenti schemi:

Struttura BCC Ho due parametri reticolari, langolo degli assi nelle 3 direzioni e la lunghezza nella cella (lato a). Limpaccatura massima si ha sulla direzione della diagonale. Conoscendo il parametro 'a' ho 4 raggi atomici: 3 = 4 Sono presenti degli spazi vuoti, che definisco interstizi. Questi sono a simmetria ottaedrica sulla faccia e tetraedrica sullo spigolo. Latomo centrale dista dal suo corrispettivo della cella superiore del parametro reticolare a. Tra le due celle formo un interstizio che pu ospitare un eteroatomo. La cella occupata per il 69% del suo volume dagli atomi.

Struttura FCC La direzione di massimo impacchettamento lungo la diagonale della faccia, si ha: 2 = 4 Come nel caso precedente ho un interstizio notevole al centro del cubo, gli atomi che lo circondano sono quelli che centrano le facce, formando un ottaedro regolare, agli spigoli ho interstizi tetraedrici. Occupo il 74% del volume totale.

La struttura FCC ricavabile dallunione di 4 celle BCC.

Struttura HCP I parametri reticolari sono il lato, parametro a, e laltezza, parametro c. Langolo formato alla base di 120, il parametro reticolare ottenibile da: = 4 parente della FCC in quanto hanno gli stessi piani di simmetria; la diversa forma avviene per diversa sovrapposizione dei piani reticolari. Nella forma cubica ho piani che si susseguono secondo lordine ABC, tutti traslati; la forma esagonale alterna secondo AB, legato ad una minima differenza di energia. La struttura esagonale non perfettamente simmetrica (secondo la geometria sferica).

Indici di Miller Gli indici di Miller sono un sistema di notazione utilizzato in cristallografia per determinare le famiglie di piani reticolari tramite tre numeri interi, gli indici appunto, definiti h, k, e l. Vengono indicati (hkl), e ciascun indice denota un piano ortogonale a una direzione (h, k, l) nelle basi dei vettori. Per convenzione, gli interi negativi vengono riportati con una barra sopra. Gli interi sono solitamente scritti riportando i termini minori, vale a dire il massimo comun divisore dovrebbe essere 1. L'indice di Miller (100) rappresenta un piano ortogonale alla direzione h, l'indice (010) rappresenta un piano ortogonale alla direzione k, e l'indice (001) rappresenta un piano ortogonale a l.

Abbiamo visto che i piani reticolari descrivono la simmetria della disposizione degli atomi. Ad esempio il piano basale definito da (001)

Trattando le terre rare ho una struttura complessa che mescola due strutture pi semplici: Unisco un prisma esagonale a cella elementare ed una rappresentazione di un prisma a facce centrate. Traslando i piani in una direzione o nellaltra non varia.

DIFETTI I materiali reali presentano dei difetti che caratterizzano i solidi cristallini, questi difetti si classificano in base alla dimensionalit, ovvero al numero di direzioni in cui si propaga il difetto. Dimensionalit 0: difetti puntuali Dimensionalit 2: difetti superficiali Dimensionalit 1: difetti lineari Dimensionalit 3: difetti volumetrici Difetti puntuali Si dividono in vacanze (o lacune) ed interstizi; si pu includere anche il difetto sostituzionale. Il numero di vacanze cresce con la temperatura, secondo la formula: Nv = N eRT Il difetto di vacanza si viene a generare per lassenza di uno degli atomi del reticolo. Il difetto auto interstiziale vede un atomo del metallo inserirsi in una vacanza del solido: sono molto rari. Il difetto di impurezza interstiziale legato allinserimento di un eteroatomo in una vacanza del metallo. Il difetto sostituzionale legato alla sostituzione di un atomo del metallo con un eteroatomo. il principio alla base delle leghe.Qv

Nel caso delle vacanze atomiche, lassenza di un atomo porta ad un aumento di energia, sotto forma di entropia perch aumenta il disordine. Per controbilanciare le energie che si vengono ad instaurare gli atomi vicinali si spostano per occupare parzialmente la vacanza. Posso vedere lenergia in gioco come: G = H T S Sono dunque delle lacune termiche, che possono essere parzialmente riempite durante il raffreddamento del fuso. I materiali metallici sono in condizioni di metastabilit, ovvero hanno pi lacune di quelle normalmente presenti allequilibrio. Un difetto auto interstiziale difficile a verificarsi perch ad inserirsi un atomo del metallo, mentre per potersi inserire un atomo deve avere un volume V minore del volume della vacanza. Linserzione autointerstiziale richiede unenergia G>0 (respinge gli atomi vicinali). Pi probabile linserzione interstiziale che coinvolge un eteroatomo con volume inferiore a quello della vacanza. Il difetto sostituzionale consiste nella sostituzione di un atomo del metallo da parte di un eteroatomo con volume diverso; in entrambi i casi ho un disturbo alla normale geometria cristallina.

I difetti puntuali assumono unentit considerevole nei solidi ionici, dove ho elevate forze di legame. Difetti lineari Il principale difetto lineare la dislocazione o slogatura, che pu presentarsi in diverse forme, di cui due principali: A spigolo A vite

La dislocazione a spigolo un difetto che risiede nella presenza di un mezzo piano di atomi nel reticolo cristallino, che porta ad una distorsione dei piani vicinali. Se viene applicata una forza sufficientemente elevata il difetto si pu spostare nel materiale attraverso la rottura e la formazione di legame tra gli atomi.

Il difetto di dislocazione non consiste solo nella mancanza di un mezzo piano cristallino, ma porta anche ad un campo di deformazione elastica che riguarda lintorno del difetto. In particolare fino a dove si estende il difetto gli atomi del metallo sono meno compressi che nel resto del materiale. da notare che sebbene il difetto sia definito lineare coinvolga un volume del materiale metallico! La dislocazione non in equilibrio come invece accadeva per i difetti puntuali, non ho un S, allora il difetto non dovrebbe esistere. Le dislocazioni possono verificarsi in seguito a sollecitazioni meccaniche quali taglio, deformazione, pressione, dunque un difetto molto comune nei lavorati (ovvero in tutti i metalli).

La dislocazione a vite un difetto che si origina in seguito ad una deformazione a spigolo del metallo, definito a vite perch seguendo la dislocazione nel metallo seguo un percorso elicoidale.

Considerando che le dislocazioni si muovono nel materiale a seconda delluso devo trasmetterle in modo diverso: Carrozzeria: deve assorbire, serve avere buona trasmissione. Strutture: deve resistere, cattiva trasmissione. Difetti superficiali I difetti bidimensionali riguardano i bordi, sono superfici i cui atomi non si trovano al posto in cui dovrebbero essere secondo la normale geometria cristallina. I diversi agglomerati di atomi sono separati tra loro da linee definite appunto bordi di grano. Solitamente hanno origine in seguito al processo di raffreddamento che non avviene in modo omogeneo ma a blocchi separati, causando un diverso arrangiamento degli atomi. Si possono riconoscere due tipi di bordi di grano: Ad alto angolo A basso angolo Dove con angolo sintende langolo formato tra le inclinazioni degli atomi nei due blocchi; la ragione di questa suddivisione deriva dallanalisi sperimentale, con la quale posso descrivere molto bene le strutture a basso angolo ma non quelle ad alto.

Analizzando il caso a lato vedo che isolando le diverse interruzioni ho una serie di difetti lineari di spigolo; allora posso vedere i bordi di grano come delle dislocazioni a spigolo impilate, avendo zone di compressione/espansione ho una struttura stabile. Abbiamo gi detto che per le strutture ad alto angolo non esiste un modello generale, le superfici devono essere semplicemente viste come un difetto. Ho la possibilit di visualizzare i bordi di grano su un og