Solidificazione e Diffusione Atomica

Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano

Solidificazione


Nella tecnica di fonderia il metallo, fuso nei forni, viene

colato in una forma cava della quale, solidificando, assume la

configurazione e le dimensioni

FONDERIA


Processo di fonderia

Componenti colati

FONDERIA

Stampo per fonderia


La fabbricazione per fusione rappresenta una delle tecniche

pi antiche e versatili per la realizzazione di greggi destinati

alle lavorazioni per asportazione di truciolo

FONDERIA


Curva di raffreddamento di un metallo

puro con il fenomeno del

sottoraffreddamento

Struttura tipica di

solidificazione in

lingottiera

CURVA DI RAFFREDDAMENTO


Metalli puri

Utilizzate per determinare la temperatura di transizione di fase

Raffreddamento in condizione di equilibrio

Metalli puri (Polimorfismo)

CURVE DI RAFFREDDAMENTO


T

time

Tis

Tfs

Leghe

L L+S S

CURVE DI RAFFREDDAMENTO


Due stadi di solidificazione

Nucleazione : formazione di nuclei stabili

Crescita dei grani : formazione della struttura a grani

Gradienti termici definiscono la forma dei grani

Liquido

Nucleo

Cristalli che

formeranno i grani

Bordi di grano

Grani

SOLIDIFICAZIONE DEI METALLI


Il fenomeno della nucleazione, assieme all'accrescimento, uno dei meccanismi

attraverso cui avviene la cristallizzazione, ovvero il passaggio dallo stato liquido a

quello solido.

I solidi cristallini sono in genere costituiti da pi cristalli, che si formano durante il

processo di cristallizzazione. Il fenomeno della nucleazione aumenta il numero dei

cristalli presenti in un solido, mentre il fenomeno dell'accrescimento aumenta le

dimensioni di questi cristalli. Se la velocit di nucleazione molto elevata rispetto

alla velocit di accrescimento, allora il solido presenter una struttura pi vicina

allo stato amorfo, mentre se la velocit di accrescimento molto elevata rispetto

alla velocit di nucleazione, il solido presenter una struttura pi vicina a quella di

solido monocristallino.

SOLIDIFICAZIONE DEI METALLI

Liquido

Nucleo

Cristalli che

formeranno i grani

Bordi di grano

Grani


Due principali meccanismi : omogeneo e eterogeneo

Nucleazione omogenea

o Il metallo stesso fornir atomi per formare nuclei

o Il metallo, quando sottoraffreddato in modo significativo, ha molti atomi

che si muovono lentamente che si legano tra loro per formare i nuclei

o Un gruppo di atomi al di sotto della dimensione critica detto embrione

o Se i gruppi di atomi raggiungono la dimensione critica, crescono nei

cristalli. Gli altri si dissolvono

o I gruppi di atomi di dimensione maggiore della dimensione critica sono

chiamati nuclei

FORMAZIONE DI NUCLEI STABILI


Formazione e rottura dei

germi di solidificazione

Formazione di nuclei

di solidificazione

Distribuzione delle

energie degli atomi o

molecole a varie

temperature

NUCLEI (GERMI EMBRIONI) DI SOLIDIFICAZIONE


Variazione di energia libera

di volume DGV unaliquota negativa in quanto

emessa dal sistema nella

trasformazione da liquido a solido

Gv : variazione di energia libera per

unit di volume tra liquido e solido

La variazione di energia libera di

volume per un nucleo sferico di raggio

r dato da:

DGV=-(4/3)r3DGv

Variazione di energia libera

di superficie DGS unaliquota positiva in quanto

richiesta dal sistema per formare una

nuova superficie solida

: energia libera specifica di

superficie

La variazione di energia libera di

superficie per un nucleo sferico di

raggio r dato da:

DGS=4r2

ENERGIE COINVOLTE NELLA

NUCLEAZIONE OMOGENEA


La variazione di energia

libera totale data da:

Nucleo

Sopra il raggio

critico r*

Sotto il raggio

critico r*

Energia

diminuita dalla

crescita nei

cristalli

Energia

diminuita

dal ri-

discioglimento

vG

2r* Poich quando r=r*, d(GT)/dr = 0

r*

r G

+

- GV

GS

GT

r* r

ENERGIE COINVOLTE NELLA


DGT=-(4/3)r3DGv+4r

2


non varia significativamente col sottoraffreddamento

Quando la quantit di

sottoraffreddamento T aumenta, la

dimensione critica del nucleo

diminuisce

Il raggio critico correlato al

sottoraffreddamento secondo la

relazione :

TH

Tr

f

m

DD

2*

r* = raggio critico del nucleo

= energia libera specifica di superficie

Hf = calore latente di fusione

T = quantit di sottoraffreddamento

Tm = temperatura media di equilibrio

Maggiore il grado di sottoraffreddamento, maggiore la variazione

nellenergia libera di volume Gv

RAGGIO CRITICO VS SOTTORAFFREDDAMENTO


Un nucleo in grado di

continuare la crescita se

raggiunge la dimensione

rcr; da quel punto la sua

crescita avviene ad

energia libera decrescente

Noto rcr, possibile

risalire al numero minimo

di atomi necessari per la

formazione di un nucleo

critico




A valori crescenti del

sottoraffreddamento, rcr si

riduce (rcr DT-1), cos

come DGcr anche se pi rapidamente (DGcr DT

-2))


Tale nucleazione avviene in un liquido mediante agenti quali pareti del contenitore, impurezze insolubili o altri materiali strutturali

Questi agenti, detti agenti nucleanti, abbassano lenergia libera richiesta per formare nuclei stabili

Gli agenti nucleanti abbassano anche la dimensione critica

Per la solidificazione richiesta una minore quantit di sottoraffreddamento (0.1-10C)

Usata ampiamente nelle industrie

Liquido

Solido

Agente

nucleante

NUCLEAZIONE ETEROGENEA


solido liquido

METALLO PURO: FORMAZIONE DI GRANI

grosso sottoraffreddamento

molti grani piccoli equiassici

buone caratteristiche meccaniche

crosta dura che pu dare problemi nelle

lavorazioni meccaniche successive



contrazione di volume

distacco del getto dalla forma

strato di aria interposto (bassa

conducibilit)

velocit di raffreddamento pi

bassa

flusso direzionale

grani allungati, anisotropia

solido liquido



bassi gradienti termici

bassa conducibilit

flusso termico non direzionale

grani grossi, equiorientati

solido


auspicabile avere:

elevata velocit di raffreddamento

rugosit della forma

affinatori di grano (per grana fine,

che garantisce migliori propriet

di resistenza meccanica ed

uniformit) fungono da elementi

nucleanti distribuiti in maniera

omogenea per nucleazione

eterogenea

STRUTTURA FINALE DI UN GETTO


SOLIDIFICAZIONE DI UNA LEGA

STRUTTURA DENDRITICA

Quando una lega solidifica, ciascun grano inizia la fase di

accrescimento indipendentemente dagli altri, seguendo una

crescita dettata dalla struttura cristallina specifica

dellelemento. Il cristallo cresce con una struttura disordinata

ma tale per cui massima la dissipazione del calore; durante

questa fase le strutture che si formano posseggono un rapporto

superficie/volume molto alto e si formano geometrie

prevalentemente di tipo allungato: le dendriti.


Microsegregazione (negli spazi interdendritici si ha

concentrazione differente)

anisotropia

porosit interdendritica



PROBLEMI


MICROSEGREGAZIONE E MACROSEGREGAZIONE

Microsegregazione : se il raffreddamento delle leghe avviene in condizioni drastiche, le dendriti tendono a presentare una

variazione di concentrazione del soluto passando dal cuore

verso i rami esterni. Allo stesso modo, il liquido che circonda

le dendriti presenta una differente concentrazione del soluto e

pertanto si dice che la crescita delle dendriti avviene con

microsegregazione.

Macrosegregazione : la mancanza di una completa diffusione porta alla formazione di grani a concentrazione disomogenea.

Durante la solidificazione, si possono inoltre verificare

differenze di composizione anche su lunghe distanze

allinterno del getto


Meccanismo con cui la materia trasportata attraverso la materia

La maggior parte delle reazioni allo stato solido coinvolgono

movimenti atomici

Esempi di reazioni allo stato solido: precipitazione di una seconda

fase dalla soluzione solida nucleazione e crescita di nuovi grani

nella ricristallizzazione di un metallo deformato a freddo

Meccanismi di diffusione:

Per vacanza o sostituzionale

Interstiziale

DIFFUSIONE ATOMICA NEI SOLIDI


Nel sistema considerato, non ci sono variazioni nella concentrazione

di atomi di soluto nel tempo

Avviene, ad esempio, quando un gas non reagente diffonde

attraverso un lamierino metallico (tipo quando idrogeno gassoso

diffonde attraverso un lamierino di palladio, nel caso in cui

lidrogeno sia ad alta pressione su un lato e a bassa pressione

sullaltro)

Prima legge di Fick :

DIFFUSIONE IN CONDIZIONI STAZIONARIE

dx

dCDJ Flusso o corrente

netta di atomi

Gradiente di

concentrazione

Diffusivit o coefficiente di

diffusione


Tipo di meccanismo di diffusione

Temperatura a cui avviene la diffusione

Tipo di struttura cristallina del reticolo del solvente

Tipo di difetti cristallini presenti

Concentrazione delle specie diffuse

FATTORI CHE INFLUENZANO LA DIFFUSIVIT


Nel sistema considerato, ci sono variazioni nella concentrazione di

atomi di soluto nel tempo

Avviene, ad esempio, quando del carbonio viene fatto diffondere

sulla superficie di un componente di acciaio per indurirne la

superficie; la concentrazione di carbonio sotto la superficie varier

con il tempo

Seconda legge di Fick : la velocit di variazione della

concentrazione rispetto al tempo uguale alla diffusivit per la

velocit di variazione del gradiente di concentrazione rispetto allo

spazio

DIFFUSIONE IN CONDIZIONI NON STAZIONARIE

dx

dCxD

dx

d

dt

dCx


Indurimento superficiale dellacciaio attraverso cementazione

gassosa

Al fine di ottenere buona resistenza allusura delle superfici e

conservare la tenacit del cuore, lo strato esterno di componenti in

acciaio dolce (0.1-0.25% C) viene trattato per cementazione (o

carburazione) [le parti vengono poste in un forno a circa 900C in un

atmosfera contenente metano o altri idrocarburi gassosi]

Drogaggio con impurezze di wafer di silicio per circuiti

elettronici integrati

La superficie del silicio viene esposta al vapore di una opportuna

impurezza a temperatura superiore a 1100C, al fine di cambiarne la

conducibilit

APPLICAZIONI INDUSTRIALI DEI PROCESSI DI

DIFFUSIONE


EFFETTO DELLA TEMPERATURA SULLA DIFFUSIONE

RTQeDD 0

Diffusivit

Costante di proporzionalit

Temperatura, in Kelvin

Energia di attivazione per

le specie che diffondono

Costante molare dei gas,

8.314 J/moleK

Equazione tipo

Arrhenius

Coefficienti di diffusione

in funzione della

temperatura per alcune

impurezze nel silicio


Struttura discendente dallaccrescimento di un solo nucleo Lento e controllato raffreddamento; impiego di selettori di grano

Miglioramento del comportamento alle alte temperature (lo

scorrimento viscoso generalmente favorito dalla presenza dei

grani) o di trasmissione del flusso di elettroni (ostacolato dai

grani)

Es: palette di turbina monocristalli di silicio

SOLIDIFICAZIONE DI UNA STRUTTURA

MONOCRISTALLINA

Solidificazione e Diffusione Atomica

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