Classe 4^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod.: UdA 0 - La materia
MICROSTRUTTURA DEI METALLI
COSTITUZIONE DELLA MATERIA
La Materia
Per Materia intendiamo tutto ciò che ci circonda, che ha una massa, che occupa uno spazio e
che può assumere una forma.
La materia non ha una struttura compatta come appare ai nostri occhi, ma una struttura
discontinua, cioè con spazi vuoti tra le varie particelle che la compongono.
Molecole
Supponiamo di frantumare in particelle sempre più piccole una porzione di materia (corpo). La
molecola è la più piccola quantità di materia che ancora possiede le proprietà caratteristiche della
sostanza considerata.
Atomo e sua costituzione
Supponiamo di dividere in particelle più piccole
una molecola. L’atomo (dal greco ἄτομος che si
legge àtomos e che vuol dire indivisibile) è la più
piccola unità di materia, appunto indivisibile, non
avente più le proprietà chimiche e fisiche della
materia di origine.
Per fare un esempio particolarmente semplice: la
molecola dell’acqua (H2O) é formata da due atomi di
idrogeno e un atomo di ossigeno: se si separano
idrogeno ed ossigeno rompendo la molecola non si
hanno più le caratteristiche dell'acqua!
Un atomo si può pensare come una sfera. La
massa dell’atomo più leggero (l’idrogeno) è
m = 1,673 • 10 −24 [ g ] . La massa dell’atomo più pesante
(l’uranio) è 250 volte quella dell’idrogeno. Il
diametro degli atomi può variare da 1 a 6 • 10 −4 [mm] .
L’atomo é’ formato da una parte centrale (nucleo), attorno alla quale ruotano gli elettroni
secondo orbite prestabilite a ciascuna delle quali compete un certo livello di energia (gli elettroni
ruotano pure attorno al proprio asse).
- Il nucleo è costituito da protoni e neutroni. La somma dei protoni (Z) e dei neutroni (N) definisce
il Numero di massa (A):
A=N+Z
Il numero Z dei protoni si chiama Numero atomico e distingue, dal punto di vista chimico, i vari
elementi.
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Le ultime ricerche hanno permesso di determinare in modo più completo la struttura del nucleo,
evidenziando che i protoni ed i neutroni sono a loro volta formati da particelle più piccole dette
“quark”.
- Gli elettroni sono distribuiti attorno al nucleo dell’atomo secondo gusci orbitali (livelli) di energia
crescente verso l’esterno. Il numero massimo di elettroni che può essere contenuto in ogni orbita è
indicato di seguito:
GUSCIO
ORBITALE
N°
SIMBOLO
1
2
3
4
5
6
K
L
M
N
O
P
N° DI ELETTRONI PER
GUSCIO
2
8
18
32
50
72
Gli elettroni hanno la tendenza a disporsi sugli
orbitali più stabili e cioè su quelli più interni, che hanno
minore energia (Stato fondamentale). Completati i gusci
interni, l’orbitale esterno può rimanere incompleto.
Quando il guscio esterno è saturo, l’elemento risulta
inattivo ed inerte (es.: elio). Quando il guscio esterno è
incompleto, come nei non metalli, l’atomo tende ad
assorbire elettroni di altri atomi per completare il suo
guscio.
LO SCAMBIO DI ELETTRONI TRA ATOMI
ADIACENTI
RENDE
I
METALLI
BUONI
CONDUTTORI DI ELETTRICITA’ E DI CALORE.
I Protoni sono particelle con carica elettrica positiva. I
Neutroni sono privi di carica elettrica. Gli Elettroni sono
particelle con carica elettrica negativa. Un atomo, in condizioni
normali, forma un insieme elettricamente neutro: pertanto il
numero di elettroni deve essere uguale al numero di protoni. Le
forze elettriche di attrazione tra il nucleo e gli elettroni sono
equilibrate dalle forze centrifughe dovute alla rapida rotazione
degli elettroni. Gli elettroni di ciascun atomo sono attratti inoltre dai nuclei degli atomi adiacenti ma
sono respinti dagli elettroni degli altri atomi.
LA RESISTENZA MECCANICA E LA RIGIDITA’ DEI MATERIALI ALLO STATO SOLIDO
SONO DOVUTE A QUESTE FORZE INTERATOMICHE.
Un metallo alla temperatura di 0 K (= - 273,15 °C) ha gli atomi (e quindi le molecole) fermi gli
uni rispetto agli altri, mentre gli elettroni ruotano attorno ai loro nuclei su orbite stabili.
Aumentando la temperatura, cresce l’energia cinetica degli atomi che, sollecitati a spostarsi dalla
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posizione di equilibrio, compiono attorno a questa una serie di oscillazioni crescenti con la
temperatura, originando un aumento delle dimensioni della materia dando luogo al fenomeno della
DILATAZIONE TERMICA.
Se la temperatura supera un certo valore, l’ampiezza delle oscillazioni diventa così grande da
conferire un alto grado di libertà agli atomi, che si allontanano di molto dalle posizioni originarie: si
manifesta così il fenomeno della FUSIONE.
Ogni elettrone possiede
una certa energia. Se ad esso
viene somministrata altra
energia, l’elettrone viene
eccitato e passa ad un livello
superiore, più esterno al
nucleo (Stato eccitato).
Quando ritorna al livello
primitivo, restituisce l’energia
assorbita sotto forma di luce
visibile o raggi.
Le radiazioni emesse o
l’energia assorbita per passare da un livello E1 a quello E2 sono:
Ex = E2 - E1 = h · γ
con h la costante di Plank e γ la frequenza delle radiazioni
Ioni
Quando un atomo cede elettroni acquista una carica positiva uguale agli elettroni ceduti.
Quando un atomo assume elettroni acquista una carica negativa uguale agli elettroni assunti.
L’atomo diventa allora un CORPUSCOLO ELETTRICAMENTE CARICO che viene denominato
IONE.
Il fenomeno nel quale prendono origine gli ioni si dice IONIZZAZIONE.
Quando sono assoggettati ad un campo elettrico, gli ioni migrano verso l’elettrodo di segno
opposto:
-
CATIONI sono gli IONI POSITIVI che si dirigono verso il CATODO (ELETTRODO
NEGATIVO);
ANIONI sono gli IONI NEGATIVI che si dirigono verso l’ANODO (ELETTRODO
POSITIVO).
Catodo Anodo +
Anodo +
Elettroni e-
Ioni +
(Cationi)
Ioni (Anioni)
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Anodo è anche l’elettrodo da cui si dipartono gli elettroni. Tale elettrodo, perdendo elettroni
(che sono negativi) si carica positivamente.
Isotopi
Sono atomi che posseggono lo stesso numero di elettroni, ma un diverso numero di neutroni.
Gli isotopi, quindi, sono elementi i cui atomi hanno lo stesso numero atomico e proprietà
chimico-fisiche approssimativamente identiche, ma diversa massa (essendo diverso N): A = N + Z.
Un elemento deve essere perciò caratterizzato da due grandezze: il Numero di massa ed il
Numero atomico. La rappresentazione convenzionale di un nuclide è per questo:
A
X
Z
Con A = Numero di massa (cioè numero di nucleoni)
Z = Numero atomico
Il Ferro, per esempio, ha quattro isotopi:
54
56
Fe
26
Fe
26
57
Fe
26
58
Fe
26
Cioè: Numero atomico (protoni): 26
Numero di massa (nucleoni): 54 - 56 - 57 - 58
Numero dei neutroni: 28 - 30 - 31 - 32
Gli elementi
Gli elementi sono sostanze costituite da atomi di uno stesso tipo (per esempio H2 , N2 , P4).
Gli elementi si dividono in due categorie: Metalli e Non metalli.
1) Metalli
I metalli hanno le seguenti caratteristiche:
- atomi che tendono preferenzialmente a perdere elettroni dello strato più “esterno” e quindi si
possono considerare “elettropositivi”; in genere si combinano con l’ossigeno formando ossidi
- Buona conducibilità termica ed elettrica
- Molecola monoatomica
- Lucentezza caratteristica, detta metallica
- Buona o discreta duttilità e malleabilità
- Sono tutti solidi alla temperatura ambiente, tranne il mercurio che è liquido.
2) Non metalli
I non metalli non posseggono le suddette caratteristiche e non sono lavorabili.
Sono gassosi: Ossigeno, Azoto, Cloro …
Sono solidi: Zolfo, Carbonio, Silicio, Fosforo …
E’ liquido il Bromo.
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Esistono elementi che presentano caratteristiche intermedie: tali elementi sono denominati
METALLOIDI (es.: Arsenco, Antimonio …).
Legami
La materia, come detto, è costituita da atomi legati più o meno stabilmente tra loro. Ogni
elemento tende a raggiungere la configurazione stabile, completando l’orbita esterna (es.: 8 elettroni
sulla seconda orbita), attraverso lo scambio di elettroni. Si distinguono tre tipi di legami.
1) LEGAME COVALENTE (od OMOPOLARE)
Si manifesta nei composti tra i non metalli e si stabilisce tra atomi uguali od appartenenti ad
elementi diversi per dare un agglomerato poliatomico detto molecola avente una sua precisa
struttura geometrica.
Due atomi, aventi un alto numero di elettroni nel livello energetico esterno, completano la loro
orbita esterna mettendo in comune alcuni elettroni (almeno 1 ciascuno) per raggiungere l’ottetto.
Succede così nella molecola del cloro.
2) LEGAME IONICO (od ETEROPOLARE)
Si manifesta nei composti formati da un metallo ed un non metallo e si stabilisce tra specie
atomiche con una carica elettrica positiva (catione) e negativa (anione), che tra loro esercitano forze
attrattive di natura elettrostatica. Non si forma una molecola ma un reticolo.
Tra due atomi, uno tende a perdere elettroni e l’altro ad acquistarne. Si generano due ioni di
segno opposto tra i quali sorgono forze di tipo elettrostatico.
Se gli elettroni nel guscio più esterno sono meno di 4, l’atomo è disposto a cederli. E viceversa.
Succede così nel cloruro di sodio (Na Cl).
L’atomo di sodio perde il suo elettrone esterno e diventa uno ione positivo.
L’atomo di cloro acquista l’elettrone perduto dal cloro e diventa ione negativo:
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3) LEGAME METALLICO
Si manifesta tra atomi appartenenti ad elementi metallici in grado di dare origine ad un reticolo
cristallino.
Il legame metallico non è localizzato e quindi gli strati di atomi possono scorrere gli uni sugli
altri permettendo perciò la lavorazione dei metalli.
La figura rappresenta un piano atomico di un
reticolo cristallino. Un elettrone che percorre l’orbita
attorno al suo nucleo, può abbandonare la sua sfera in
corrispondenza della zona di contatto con altre sfere.
Nel caso di figura, l’elettrone a può sciamare nella
sfera d’influenza del nucleo b. L’atomo A, per la
perdita di una carica elettrica negativa si trasforma in
uno IONE METALLICO POSITIVO.
Quando tanti elettroni a sciamano da un atomo
all’altro, si determina la formazione di IONI POSITIVI
circondati da una NUBE DI ELETTRONI con carica
negativa.
E’
questa
NUVOLA
ELETTRONICA che tiene uniti gli
IONI (per la forza di attrazione che
si manifesta tra cariche elettriche di
segno opposto), determinando così
la forza di coesione o legame
metallico.
LEGHE METALLICHE
Le leghe sono costituite da un intimo aggregato cristallino di due o più metalli o di metalli con
non metalli.
Le leghe vengono ottenute fondendo nello stesso crogiolo i vari componenti. Si fonde dapprima
il metallo che ha il punto di fusione più alto, si aggiungono poi man mano i vari elementi secondo
l’ordine decrescente dei rispettivi punti di fusione.
Si lascia poi raffreddare la soluzione liquida che, solidificando, assume una certa struttura
cristallina visibile ad occhio nudo o con l’ausilio di un microscopio.
Caratteristiche delle leghe
Le leghe metalliche sono materiali volutamente costituiti da più elementi.
Le caratteristiche di una lega dipendono:
-
Dai componenti chimici
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-
Dalla percentuale dei componenti
Dalla velocità di raffreddamento
1) I COMPONENTI e la loro CONCENTRAZIONE vengono scelti in base alle proprietà
meccaniche, tecnologiche e chimiche che si vuole la lega possegga.
Un acciaio resistente alla corrosione deve avere, per esempio, cromo ≥ 12 %.
2) La VELOCITA’ DI RAFFREDDAMENTO influenza le caratteristiche di una lega perché,
variando la velocità, si possono ottenere strutture con proprietà meccaniche e tecnologiche diverse.
Nel caso del trattamento termico di tempra diretta in acqua, per esempio, la velocità di
raffreddamento veloce porta ad avere nell’acciaio una struttura dura (martensite).
-
Confronto coi metalli puri
Rispetto ai metalli puri, le leghe hanno i seguenti vantaggi:
- maggior durezza, resistenza a trazione, all’usura ed alla corrosione
- temperatura di fusione sempre inferiore a quella di uno dei componenti
- maggior attitudine al getto
Hanno però anche dei limiti:
- minor duttilità e malleabilità
- minor conducibilità elettrica e termica
In base all’impiego occorre perciò decidere quando utilizzare un metallo od una lega.
Se si vuole privilegiare la deformabilità, occorrono:
- metalli puri
- reticoli cristallini regolari e perfetti
- grani cristallini di grandi dimensioni (che oppongono minor ostacolo alle sollecitazioni)
Se si vuole privilegiare la resistenza, occorrono:
- leghe metalliche
- reticoli irregolari
- ostacoli al movimento delle dislocazioni
- grani di piccole dimensioni (che oppongono maggior ostacolo allo scorrimento dei piani).
La presenza di elementi estranei crea dei “precipitati” che si pongono lungo i piani di
scorrimento delle dislocazioni, bloccandole.
-
Esempi di leghe metalliche
Tra le leghe di maggiore impiego ricordiamo:
a) leghe ferrose (cioè leghe costituite da ferro e carbonio). In particolare:
- acciai (hanno C = 0,008 ÷ 2,06 %)
- ghise (hanno C = 2,06 ÷ 6,67 %)
b) leghe del rame, come:
- bronzi (che sono leghe rame-stagno con Sn ≤ 28 %)
- ottoni (che sono leghe rame-zinco con Zn ≤ 45 %)
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c) leghe leggere, cioè leghe dell’alluminio, tipo:
- leghe Al-Si
- leghe Al-Cu
- leghe Al-Mg
PROCESSI DI SOLIDIFICAZIONE E DI DEFORMAZIONE PLASTICA
STATI FISICI DELLA MATERIA
La maggiore o minore Forza di coesione che si esercita tra le molecole, determina i tre
caratteristici stati fisici o “Stati di aggregazione” di essa: Aeriforme, Liquido, Solido.
•
Stato gassoso
E’ quello stato di aggregazione nel quale la materia si trova dispersa a dimensione molecolare
ed in condizioni di elevatissimo disordine.
Le molecole sono slegate tra di loro ed in continuo movimento rettilineo e disordinato, con
valore medio di energia cinetica di traslazione crescente al crescere della temperatura.
Le molecole gassose verificano così urti tra di loro e con le pareti del recipiente, percorrendo
delle traiettorie che sono delle spezzate.
Gli aeriformi (gas e vapori) non hanno né forma né volume propri, ma assumono l’una e l’altro
dal recipiente che li contiene.
•
Stato liquido
Lo Stato liquido occupa una posizione intermedia fra lo stato gassoso e quello solido. Rispetto
allo stato gassoso, nello stato liquido la distanza fra le molecole è molto più piccola e le forze
intermolecolari sono rilevanti.
Le molecole del liquido sono aggregate insieme anche se non sono localizzate in una ordinata
struttura spaziale come nello stato solido. Per questo lo stato liquido, pur essendo caratterizzato,
come lo stato solido, da un volume definito, non ha forma definita in quanto le molecole possono
ancora muoversi tra loro.
Come in un gas, le molecole del liquido sono dotate di un’energia cinetica il cui valore medio
cresce al crescere della temperatura.
•
Stato solido
Al contrario dello stato gassoso, in cui esiste un elevatissimo grado di disordine, lo stato solido
è caratterizzato da un elevatissimo grado di ordine.
In tale stato, le molecole (atomi, ioni), a causa delle notevoli forze attrattive e repulsive che
esercitano, sono costrette a rimanere localizzate in determinate posizioni, dando origine ad una ben
definita ed ordinata configurazione spaziale: l’edificio cristallino.
Lo stato solido ha quindi volume e forma propria.
In realtà, come detto, le particelle non sono immobili nell’edificio cristallino, ma possiedono
energia cinetica che permette loro di oscillare intorno a posizioni di equilibrio nello spazio.
L’ampiezza media di tali oscillazioni aumenta con l’energia cinetica delle particelle, la quale, a sua
volta, cresce al crescere della temperatura.
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STATO SOLIDO METALLICO
•
Metallo è ogni elemento che può assumere lo “Stato metallico”.
•
Stato metallico è quello stato caratterizzato dal possedere il Legame metallico.
Un solido metallico è quindi un grande insieme di atomi (1 cm3
può contenere 1022 ÷ 1023 atomi) nel quale l’energia di legame è di
entità tale che ciascun atomo è vincolato a punti ben determinati in
grado di dare origine ad un RETICOLO CRISTALLINO. Intorno
a questi punti gli atomi vibrano con moto irregolare senza però
allontanarsi dalle posizioni di equilibrio e non possiedono un moto
traslazionale.
•
Reticolo è la gabbia tridimensionale di linee immaginarie che
uniscono i centri degli atomi: è costituito dal ripetersi periodico
di una “cella elementare” nello spazio.
•
Cella elementare è il più piccolo solido ottenuto congiungendo i centri
degli atomi contigui.
Nella realtà gli atomi sono uno vicino all’altro e si toccano in un punto di
tangenza.
Reticoli cristallini
I metalli possono assumere diverse caratteristiche strutture cristalline. Ne ricordiamo tre:
- cubica a corpo centrata
- cubica a facce centrate
- esagonale compatta
Oltre a queste tipiche strutture, si hanno anche i sistemi tetragonale, rombico, monoclino, triclino.
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1) DISPOSIZIONE CUBICA A CORPO CENTRATA (C. C. C.)
E’ costituita da 9 atomi di cui 8 ai vertici del cubo ed 1 al centro di
esso. Essa è caratteristica dei metalli più duri, come il Ferro α, il tungsteno
(o Wolframio), il cromo, il molibdeno, il vanadio.
E’ la presenza dell’atomo al centro che, facendo da ostacolo allo
scorrimento dei piani atomici, rende i metalli più duri.
2) DISPOSIZIONE CUBICA A FACCE CENTRATE (C. F. C.)
E’ costituita da 14 atomi, di cui 8 ai vertici del cubo e 6 al centro di
ciascuna faccia di esso. Essa è caratteristica dei metalli più duttili e
malleabili, come il Ferro γ, l’alluminio, il nichel, il piombo, il rame, l’oro,
l’argento.
3) ESAGONALE COMPATTA (E. C.)
E’ costituita da 17 atomi, di cui 12 disposti in modo da individuare un
prisma esagonale, 2 nei centri delle facce inferiore e superiore e 3 al centro
dei tre prismi romboidali in cui può essere suddiviso il prisma esagonale. Essa
è caratteristica dei metalli più fragili, come lo zinco, il cobalto, il magnesio.
Anche la grafite ha struttura esagonale.
Dimensioni del reticolo e costante reticolare
La dimensione della cella elementare (o reticolo) é detta “costante reticolare”
ed il suo valore varia a seconda del tipo di sistema.
Consideriamo, per comodità, il sistema cubico a facce centrate (CFC). In esso gli atomi sono a
contatto sulle diagonali delle facce.
Con riferimento al disegno a lato, si ha che:
l=
2
2
a +a =
2
2a = a 2
l
a
a
Ma, con riferimento al disegno del reticolo CFC, detta “l” la
diagonale della faccia superiore, é anche:
l=r+d+r=2r+d=2d
Possiamo quindi scrivere:
2d=a 2
da cui a =
2d
2
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Per il ferro, che ha diametro dell’atomo d = 2,48 Å (dove 1 Å, angstrom; é pari a 10 -7 mm), si ha:
a = 2,48
2 = 3,507 Å
Nel caso del sistema cubico a corpo centrato (CCC), gli atomi sono a contatto sulle diagonali del
cubo.
Con riferimento al disegno a lato, si ha che:
l=
a 2 + b2
Per quanto dimostrato sopra, la diagonale della faccia
inferiore é b = a 2
Quindi si può scrivere:
l=
a 2 + (a 2 ) 2 =
a 2 + 2a 2 =
3a 2 = a
3
Ma, come prima, é anche:
l=r+d+r=2r+d=2d
Possiamo quindi scrivere:
3
2d=a
da cui a =
2d
3
Ricordando che, per il ferro, d = 2,48 Å, si ha:
a=
2 • 2,48
3
= 2,86 Å
Confrontando i due valori ottenuti si deduce che la costante reticolare, e quindi il lato, del reticolo
cubico a corpo centrato é minore di quella del reticolo cubico a facce centrato.
In sostanza, il reticolo C.F.C. é più grande del reticolo C.C.C.
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TRASFORMAZIONI ALLO STATO SOLIDO: ALLOTROPIA
Alcuni elementi, come il Ferro,
variano la loro struttura cristallina a
seconda della temperatura alla quale si
trovano. Il fenomeno è detto
ALLOTROPIA.
GENESI DEI CRISTALLI
I cristalli possono provenire sia da trasformazioni liquido → solido, che da trasformazioni di
stato in fase solida. In entrambi i casi distinguiamo due momenti successivi: nucleazione e
accrescimento.
1) Nucleazione
E’ il momento in cui si producono nel sistema (es.: massa liquida) i nuclei o germi dei cristalli.
Non si sa con esattezza come avviene il processo. Facciamo delle ipotesi ragionando in termini
energetici. Sappiamo che lo stato liquido è caratterizzato da una certa energia e che lo stato solido ha
una energia inferiore. Quindi il passaggio liquido – solido avviene con diminuzione di energia. Tale
passaggio, d’altra parte, non avviene direttamente, ma soltanto dopo avere attraversato uno stato
attivato. Diciamo allora che, quando la massa liquida solidifica, non tutte le particelle danno origine
ai nuclei, ma solo quelle che hanno energia sufficiente per raggiungere lo stato attivato. Vi è infatti
una forza che si oppone alla formazione dei nuclei: la TENSIONE SUPERFICIALE, esercitata sul
germe solido dal liquido.
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2) Accrescimento
Costituisce lo sviluppo della fase solida, intorno ai nuclei preformati, a spese del liquido
circostante, formando cristalli che si uniscono gli uni agli altri fino alla completa solidificazione.
Nella figura vi è la rappresentazione schematica della germinazione e della crescita dei grani.
I cristalli, visti al microscopio, sono aggregati più o meno piccoli, generalmente senza
orientamento preferenziale. Essi vengono chiamati GRANI CRISTALLINI. Se non esistono
anisotropie nel raffreddamento della massa fusa, l’accrescimento procede regolarmente in tutte e tre
le direzioni e cesserà quando i bordi dei grani contigui vengono a contatto, formando i “giunti”.
Nella realtà, i cristalli non possono svilupparsi regolarmente a causa della tensione superficiale
del liquido che li circonda, degli attriti interni e delle interferenze che avvengono fra i cristalli stessi
durante la fase di accrescimento. Si avrà quindi un aggregato cristallino costituito da grani aventi
dimensioni, forma ed orientamento diversi.
La velocità di raffreddamento influisce sulla dimensione dei cristalli:
- Velocità di raffreddamento lenta
pochi nuclei, pochi grani grandi
- Velocità di raffreddamento veloce
molti nuclei, molti grani piccoli
Strutture dendritiche
La forma e le dimensioni dei cristalli, come pure la direzione secondo cui si
sviluppano, dipendono essenzialmente, oltre che dalla velocità di raffreddamento,
dall’energia presente secondo i vari piani del reticolo cristallino.
La crescita dei cristalli avviene più rapidamente in direzione perpendicolare ai
piani di massima energia.
In seguito alla formazione di parti solide, si libera una notevole quantità di
energia termica che si oppone al proseguimento della solidificazione in quella
direzione. Allora il cristallo tende a svilupparsi in un’altra direzione dove l’energia
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è minore, quindi si arresta a causa dell’energia liberata e si accresce in altra direzione di minore
energia e così di seguito.
L’accostamento alla forma arborescente delle foglie di felce ha suggerito la denominazione di
DENDRITISMO al fenomeno e di DENDRITI ai cristallini che conservano tale aspetto dopo la
solidificazione.
Queste formazioni, talvolta visibili ad occhio nudo sulla superficie dei metalli solidificati, hanno
uno sviluppo più ampio quando il raffreddamento è lento.
Col procedere della solidificazione, gli spazi tra le ramificazioni vengono colmati da altre
ramificazioni contigue per cui, in definitiva, si ha una massa omogenea nella quale non si distingue
più la dendrite originaria.
La figura a sinistra rappresenta la struttura dendritica di un acciaio inossidabile.
In seguito alla laminazione, tale struttura viene modificata con la formazione di fibre, che
conferiscono maggior resistenza ala materiale.
Dalla unione delle varie dendriti hanno origine i grani del cristallo.
La segregazione
La solidificazione di un liquido di data composizione chimica, costituito da due (o più) elementi
in soluzione, è soggetto al fenomeno della “segregazione”, cioè la massa solidificata è di
composizione chimica non uniforme. Cioè le particelle solide che si formano non hanno la stessa
composizione, né quella della lega di partenza.
Quando il liquido solidifica, la prima parte solida che si forma è più ricca dell’elemento a
temperatura di fusione più alta. Quella che si forma successivamente è sempre più povera di tale
elemento e sempre più ricca dell’altro elemento (che fonde a temperatura più bassa).
La segregazione è visibile al microscopio:
-
Le dendriti dell’acciaio che ha solidificato per primo hanno un aspetto chiaro per la
presenza di un minore tenore di carbonio;
L’acciaio che solidifica per ultimo, compreso tra i rami dendritici, è di colore più scuro
per la presenza di un alto tenore di carbonio (e comprende gli elementi aggiunti e le
impurezze).
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Come conseguenza della struttura eterogenea, le caratteristiche meccaniche di questa struttura,
allo stato di getto (cioè ottenuta per fusione), sono scadenti. Essa viene allora modificata mediante
lavorazione plastica di fucinatura o di laminazione.
In un lingotto laminato con forte deformazione plastica, la struttura dendritica viene distrutta e
si origina una struttura fibrosa a bande chiare (corrispondenti alle originarie dendriti) e a bande nere
(corrispondenti alle interdendriti).
Le proprietà meccaniche risultano notevoli nei pezzi in cui le fibre sono disposte
longitudinalmente alla direzione di laminazione.
I contorni dei grani: giunti
Durante la solidificazione le pareti dei
cristalli respingono via via nel liquido la
maggior parte delle IMPUREZZE presenti
nel bagno di fusione: queste si raccolgono
sotto forma di sottile pellicola ai cosiddetti
CONTORNI DEI GRANO (o GIUNTI),
ossia alla periferia dei grani nel metallo
solidificato.
Ai bordi dei grani iniziano i fenomeni di
corrosione e di fusione.
Dalle
caratteristiche
del
giunto
dipendono molte proprietà del materiale:
METALLI
- AD ELEVATA
RESISTENZA
- AD ELEVATA
PLASTICITA’
- AD ELEVATA FRAGILITA’
RESISTENZA DEL GIUNTO
AL DISTACCO
Elevata
RESISTENZA DEI GRANI
ALLA DEFORMAZIONE
Elevata
Elevata
Bassa
Bassa
Elevata
Pertanto il comportamento dei metalli alle sollecitazioni dipende contemporaneamente dalle
proprietà del grano e dalle proprietà del giunto.
•
A TEMPERATURA ORDINARIA la coesione nei giunti è superiore a
quella che c’è all’interno dei grani, quindi, se c’è frattura, essa avviene
attraverso i grani (FRATTURA TRANSCRISTALLINA).
•
Alle ALTE TEMPERATURE diminuisce la
coesione nei giunti e quindi è fra di essi che
avviene una eventuale frattura (FRATTURA
INTERCRISTALLINA).
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IMPERFEZIONI DEL RETICOLO CRISTALLINO
Nella realtà il reticolo cristallino presenta delle imperfezioni tipo:
• Difetti reticolari puntiformi (Vacanze)
• Difetti reticolari lineari (Dislocazioni)
• Presenza di atomi estranei
1) La VACANZA è un punto di discontinuità corrispondente a “posizioni atomiche vacanti”.
Il movimento di vacanze, cioè lo scambio di posizione tra un atomo ed un posto non occupato è
detto DIFFUSIONE.
La variazione delle proprietà meccaniche dei metalli nonché le rotture per fatica dei metalli
sollecitati si possono imputare alle vacanze.
2) Le
DISLOCAZIONI
sono
difetti
estesi
(combinazioni di vacanze) formatisi durante la
crescita dei cristalli, oppure in seguito a
deformazione plastica quando una parte del cristallo
scivola su quella adiacente.
A lato è rappresentata una “dislocazione a spigolo”.
Le dislocazioni rendono plastici i cristalli.
3) Gli ATOMI ESTRANEI alla composizione del metallo (dovuti ad IMPUREZZE metalliche o
non metalliche) possono essere di due tipi:
• INTERSTIZIALI, se si inseriscono nel reticolo base in posizioni non regolari, come nelle
vacanze o dislocazioni o negli interstizi del reticolo deformato.
• SOSTITUZIONALI, se sostituiscono atomi della matrice metallica in posizione normale del
reticolo.
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E’ evidente che la presenza di atomi estranei disturba lo stato di equilibrio e crea
DISTORSIONI nei piani atomici, rendendo più difficoltosi lo scorrimento dei reticoli, diminuendo
di conseguenza la plasticità ed aumentando la durezza.
Gli atomi estranei, avendo una struttura elettronica ed un diametro diverso, agiscono come
centri di distorsione del reticolo.
Deformazioni del reticolo
Se un grano (o cristallo) di metallo potesse essere
sottoposto a sollecitazioni esterne, il suo reticolo
cristallino subirebbe una deformazione causata dallo
scorrimento dei blocchi dei piani atomici.
Di conseguenza cambierebbe la forma esterna del
grano (che subirebbe un allungamento nella direzione
dello sforzo) ma la forma e le dimensioni delle celle
del reticolo cristallino rimarrebbero inalterate.
Le proprietà meccaniche del grano (R, A …)
risultano diverse a seconda della direzione della
sollecitazione. Questo diverso comportamento alle
sollecitazioni nelle varie direzioni di denomina
ANISOTROPIA.
I metalli sono però policristallini, cioè costituiti da
un numero grandissimo di grani i cui piani atomici
sono orientati in tutte le direzioni possibili.
Essi sono allora ISOTROPI, cioè non variano le
proprietà meccaniche qualunque sia la direzione
della sollecitazione applicata, in quanto lo
scorrimento dei piani in un grano risulta ostacolato dai piani del grano
adiacente, che sono orientati in direzioni diverse.
Con l’aumentare dello sforzo, anche altri grani iniziano lo slittamento
nella direzione della sollecitazione, fino a che il materiale non consentirà
altre deformazioni plastiche.
Se la sollecitazione aumenterà ulteriormente, fino a superare la forza di
coesione, si avrà la ROTTURA.
Le lavorazioni meccaniche, soprattutto se eseguite a freddo,
provocano la frantumazione dei cristalli e deformano il reticolo
cristallino; per questo motivo il materiale acquista durezza e fragilità e
nascono tensioni interne.
Il fenomeno è conosciuto col nome di INCRUDIMENTO e può essere eliminato col trattamento
termico di RICOTTURA, che rigenera il grano, ricostituisce la struttura cristallina originaria e fa
scomparire le tensioni interne.
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