Slide 1 - PLS - Scienza dei Materiali

La classificazione dei metalli
Durante l’esperienza con il PLS abbiamo avuto modo di
classificare i metalli secondo i nostri sensi. E’ possibile
effettuare anche un’ analisi più tecnica seguendo leggi
fisiche e chimiche.
Il legame metallico
Gli atomi che costituiscono un metallo sono tenuti insieme da un tipo di legame chiamato legame
metallico.
Tra i modelli che descrivono il legame metallico vi è il "modello a nube elettronica" di P.Drude
(1863- 1906).
Secondo questo modello in un metallo gli atomi perdono i loro elettroni di valenza trasformandosi
in cationi (ioni positivi). Gli ioni si dispongono in modo da impacchettarsi nel miglior modo
possibile (massimo impaccamento), creando così strutture geometriche ben definite. Gli elettroni di
valenza non appartengono più ai singoli atomi, ma sono liberi di muoversi (elettroni delocalizzati)
tra i vari cationi in un cosiddetto mare di elettroni.
Durezza
Nel campo dei metalli si definisce come durezza la
resistenza che il metallo preso in considerazione
oppone all'azione di un penetratore cui sia applicato
un carico statico.
Il penetratore normalmente deve agire su una
superficie liscia e piana, esente da ossidi ed
impurezze superficiali.
Prova Brinell (UNI 560-75)
La prova consiste nel far penetrare nel pezzo in esame una sfera acciaio molto
duro di diametro "D" mediante applicazione di un carico "F", e nel misurare il
diametro "d" dell'impronta lasciata dal penetratore sulla superficie del pezzo,
dopo avere tolto il penetratore.
Simulazione di una prova di nano-durezza effettuata su un monocristallo di Cu. La
durezza può essere correlata con la densità di dislocazioni
Prova Vickers
1955 Il penetratore è costituito da una piramide retta, a base quadrata, di diamante,
con l'angolo al vertice (angolo fra due facce opposte) di 136°.
La prova si svolge applicando un carico di 294 N ( = 30 kgf) per 10-15 s. Possono essere
anche usati carichi diversi, ma sempre compresi nell'intervallo 49-980 N ( = 5-100 kgf).
La durezza Vickers è data dalla formula:
HV = 0.189 F/d2
Prova Rockwell (UNI 562-75)
Possono essere definite due diverse scale B e C a seconda che il penetratore sia una sfera di
acciaio temprato e levigato (scala B) o sia un cono di diamante a base circolare con punta
arrotondata ed angolo al vertice di 120° (scala C).
La prova si svolge nel seguente modo:
• viene applicato un precarico iniziale F0= 98N
• si azzera l'indicatore di profondità;
• si applica un secondo carico F1 pari a 980 N nel caso della
scala B, pari a 1470 N nel caso della scala C;
• dopo 30 s il carico F1 viene tolto, lasciando il carico F0
applicato sul penetratore, immerso nel pezzo per un certo
tratto "e"(l'unità di misura adottata per "e" è 0.002 mm);
• la durezza Rockwell (HRB oppure HRC) è data dalla
differenza fra 100 ed il valore dell'accrescimento rimanente
"e" della profondità dell'impronta
La conducibilità termica dei metalli
La conducibilità termica (o conduttività termica, indicata con λ o k) è il
rapporto, in condizioni stazionarie, fra il flusso di calore (cioè la quantità di
calore trasferita nell'unità di tempo attraverso l'unità di superficie) e il
gradiente di temperatura che provoca il passaggio del calore nel caso della
conduzione termica (ovvero quando i contributi al trasferimento di calore
per convezione e per irraggiamento termico siano trascurabili). In altri
termini, la conducibilità termica è una misura dell'attitudine di una
sostanza a trasmettere il calore (vale a dire maggiore è il valore di λ o k,
meno isolante è il materiale). Essa dipende solo dalla natura del materiale,
non dalla sua forma.
La conducibilità termica è definita come il rapporto fra il flusso di calore
osservato e il gradiente spaziale di temperatura corrispondente:
dove:
• q è il vettore flusso termico
• ∇T è il gradiente di temperatura
I metalli possiedono un’alta conducibilità termica grazie al legame metallico,
infatti nel legame metallico a trasferire il calore sono gli elettroni che, liberi di
muoversi, conducono meglio l’agitazione termica.
La Conduttività elettrica
La conduttività e la tendenza di un materiale a favorire il passaggio di
corrente elettrica e quindi a favorire il passaggio degli elettroni.
Nei metalli come avviene nella conduttività termica sono gli elettroni
dissociati a muoversi per azionedi una differenza di potenziale.
La conduttività nei metalli varia in funzione della temperatura e un aumento
di questa porta a una diminuzione della conducibilità perché i portatori di
carica (gli elettroni) risentono di una diminuzione della mobilità a causa
dell'aumento di vibrazioni reticolari all'interno del materiale. Quello che
ha la più alta conducibilità è l'argento. Secondo il Modello di Drude
l'andamento della conduttività del metallo in funzione della temperatura è
dove:
• N è il numero di elettroni
• e è la carica dell'elettrone
• τ è il tempo che intercorre tra due urti elettrone-nucleo
• m è la massa dell'elettrone.
La principale dipendenza della conduttività dalla temperatura secondo questo modello è
riconducibile al parametro τ, che è approssimabile con il rapporto tra la distanza interatomica e la
velocità termica della particella:
Duttilità
La duttilità è una proprietà tecnologica della materia che
indica la capacità di un corpo o di un materiale di
deformarsi plasticamente sotto carico prima di giungere a
rottura, cioè la capacità di sopportare deformazioni
plastiche. Un corpo è tanto più duttile quanto maggiore è la
deformazione raggiunta prima della rottura.
La duttilità può essere anche definita come la capacità di un
materiale ad essere ridotto in fili sottili (mentre
analogamente la malleabilità è la capacità di un materiale
ad essere ridotto in lamine sottili).
La duttilità si può definire come "la misura della deformazione
plastica che un materiale può subire senza rompersi".
Resilienza
La resilienza è la resistenza di un materiale alla rottura
per mezzo di urto.
Un materiale che si rompe facilmente è detto fragile, uno
che resiste agli urti è detto tenace. Per la misura della
resilienza si usa il pendolo di Charpy.
La macchina è composta da un pendolo che viene posto a
una altezza definita e lascato in modo che nella sua
traiettoria colpisca una provetta di metallo. A seconda
della altezza da cui viene lasciato si può conoscere la
forza dell’ urto con cui a colpito la provetta.