Metalli: Struttura e Proprietà

Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione
Insegnamento di Chimica
Generale
083424 - CCS CHI e MAT
Natura dei Metalli e delle loro Leghe
Prof. Attilio Citterio
Dipartimento CMIC “Giulio Natta”
http://iscamap.chem.polimi.it/citterio/it/education/general_info/h
Tipi di Materiali
Metalli e Leghe
Ceramici, Vetri, e Vetro-ceramici
Polimeri (plastiche), Termoplastici e Termoindurenti
Semiconduttori
Materiali Compositi
Bio-materiali
300,000
Materiali lapidei
Beni artistici
Compositi
– C-epossi
200,000
Resistenza (psi)
•
•
•
•
•
•
•
•
– Kevlarepossi
Ceramici
–SiC
100,000
–Si3N4
Polimeri
– PEEK
– Nylon
– Polietilene
Attilio Citterio
–ZrO2
–Al2O3
– Boropoliimide
– Cpoliimide
– Vetropoliesteri
Metalli e Leghe
– Leghe Carb.
– Acciaio alta
resistenza
– Lega acciaio
– Lega Cu-Be
– Lega Nickel
– Lega Titanio
– Ottone Zn-Cu
– Lega Al
– Lega Zinco
– Piombo
3
Proprietà dei Metalli
 Opachi
 Densi
 Lucenti
 Forti
 Spesso alti punti di fusione
 Malleabili
 Buoni conduttori di calore
 Duttili
 Buoni conduttori di elettricità
DUREZZA
Rame
Nichel
Ferro
Magnesio
Zinco
Alluminio
Piombo
Stagno
Cobalto
Bismuto
FRAGILITÀ
Ferro bianco
Ferro grigio
Acciaio
Bismuto
Manganese
Bronzi
Alluminio
Ottone
Acciaio strut.
Zinco
Monel
Stagno
Rame
Ferro
DUTTILITÀ
Oro
Argento
Platino
Ferro
Nichel
Rame
Alluminio
Tungsteno
Zinco
Stagno
Piombo
MALLEABILITÀ
Oro
Argento
Alluminio
Rame
Stagno
Piombo
Zinco
Ferro
RES. CORROSIONE
Oro
Platino
Argento
Mercurio
Rame
Piombo
Stagno
Nichel
Ferro
Zinco
Magnesio
Alluminio
*Metalli/leghe elencati in ordine decrescente della proprietà
Attilio Citterio
4
Metalli
Metalli
leggeri
IA
IIA
Metalli pesanti
IIIB
IVB
VB
VIB
VIIB
Gas
inerti
Non Metalli
VIII
IB
IIB
IIIA
IVA
VA
VIA VIIA VII
2
1
He
H
1,007
5
4
3
Li
11
Be
19
K
37
Fragili
12
20
21
38
39
56
57
Ca Sc
Rb Sr
55
Y
Cs Ba La
87
Fr
88
Ra
B
Alto fondenti
Na Mg
22
23
Ti
40
24
42
41
Zr
72
26
43
Nb Mo
73
Hf
25
27
Cr Mn Fe
74
Ta
44
29
30
46
47
76
77
78
Re Os Ir
48
79
32
9
N
15
Si
31
8
O
16
P
F
17
S
34
33
10
49
80
50
18
35
In
81
Pt Au Hg
Sn
82
Tl
52
51
53
Sb Te
84
83
Ne
Cl
Zn Ga Ge As Se Br
Tc Ru Rh Pd Ag Cd
75
W
28
45
14
Al
Co Ni Cu
7
C
13
Duttili
V
6
Ar
36
Kr
54
I
Xe
85
86
Pb Bi Po At
Rn
89
Nobili
Ac
58
59
Ce Pr
90
91
60
61
62
63
Basso fondenti
64
65
66
67
68
69
70
71
Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
92
Th Pa U
93
94
95
96
97
98
Np Pu Am Cm Bk Cf
Attilio Citterio
99
100
101
102
103
Es Fm Md No Lw
5
Struttura Atomica dei Metalli
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
METALLO
Energia
Soprattutto antileganti
Energia
Banda
Salto di Banda
Banda
Salto di Banda
Soprattutto leganti
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12 … 20… ∞
N
Origine: sovrapposizione di Orbitali Atomici
nel solido forma bande elet. separate da salti
Attilio Citterio
∆E <<kT
~ 0.025 eV
Banda
6
Struttura Cristallina dei Metalli
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
cella unitaria
Li
Be
Na
Mg
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
Al
Attilio Citterio
Pb
7
Oro (Au) – Reticolo FCC
Attilio Citterio
Ferro (Fe), Vanadio (V), Cromo (Cr) –
Reticoli BCC
Attilio Citterio
8
9
Proprietà Fisiche dei Metalli
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.
Attilio Citterio
10
Struttura dei Metalli
• 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.
Attilio Citterio
11
Formazione dei Grani
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 (F).
Ciascun cristallo cresciuto è detto
“grano”. I grani vengono a contatto
tra loro ai “bordi di grano”.
Attilio Citterio
Grano
Bordo di
grano
12
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.
Attilio Citterio
13
Forma del Grano
• La forma dei grani può
essere influenzata dalla
forma del recipiente in
cui il metallo solidifica.
Recipiente quadrato
Attilio Citterio
14
Proprietà Meccaniche dei Metalli
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
Attilio Citterio
15
Imperfezioni del Reticolo
Esistono molti tipi di imperfezioni a vari livelli atomici:
 Difetti Puntiformi
 Difetti di Linea (Dislocazioni)
Impurezza
sostituzionale
vacanza
 Bordi di Grano
 Difetti Macroscopici
auto
interstiziale
Impurezza interstiziale
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.
Attilio Citterio
16
Difetti di Linea (Dislocazioni)
Compressione
Tensione
Dislocazione di linea. L’energia elastica attorno alla dislocazione nella
forma di tensione e compressione
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.
Attilio Citterio
17
Movimenti della Dislocazione
Piega
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)
Attilio Citterio
18
Dislocazioni di Taglio/a Vite
Sforzo di taglio
Dislocazione di taglio
Dislocazione a vite
Illustrazioni schematiche della creazione di un salto per movimento di dislocazione di taglio (a) o a vite (b)
Attilio Citterio
19
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.
Attilio Citterio
Dislocazione a vite
20
Bordi di Grano e Difetti Macroscopici
• 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
Buchi, bolle, imperfezioni di superficie, fessure, e
impurezze macroscopiche
Attilio Citterio
Leghe e Principi di Metallurgia.
La metallurgia è lo studio dei metalli e delle
leghe.
22
Leghe
• 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)
Attilio Citterio
23
Leghe
• 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.
Attilio Citterio
24
Regole di Hume-Rothery per le Leghe
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
Attilio Citterio
Curve di Raffreddamento e
Diagrammi di Fase
26
Fase e Lega
• Una fase è uno stato della materia che è «in qualche
modo» distinto dalla materia che lo circonda.
 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.
Attilio Citterio
Curve di Raffreddamento: Andamento nel tempo (t)
della Temperatura (T) per Sottrazione di Calore
27
Leghe
Metalli Puri
T
T
1
2
6
3
4
5
Solidificazione o
intervallo di fusione
L
L
L→S
L
L
Punti di fusione
o punto di solidificazione
L
L
L→S
L→S
L→S
L→S
L→S
S
S
S
S
S
S
t
Metallo A e Metallo B
Attilio Citterio
t
Leghe A + B
Curve di Raffreddamento e Diagramma di
Fase
100%
28
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.
Fonte: Richman M: An Introduction to the Science of Metals, MA, Blasdell, 1967, p. 213)
Attilio Citterio
29
Diagramma di Fase
Temperatura (°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.
bcc
fcc
Cu
hcp
Zinco (% molare)
Attilio Citterio
Zn
Classificazione di Sistemi di Leghe
1. Soluzioni Solide
2. Composti Intermetallici
3. Leghe Eutettiche
…………………
31
Soluzioni Solide
• 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
T
2 3
4
5
L
L
L
L
L→S
L→S
L→S
L→S
S
S
S
S
t
Attilio Citterio
32
Diagramma di Fase di una Soluzione Solida
Tutte le composizioni sopra
la linea liquidus sono liquide,
e quelle sotto la linea solidus
sono solide.
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.
Attilio Citterio
Lega 2
LIQUIDO
Temperatura
La miscela solido e liquido
esiste nell’area tra le due
linee.
Lega 1
liquidus
solidus
SOLIDO
Metallo A
(100%)
composizione %
Metallo B
(100%)
Diagramma di Lega Binaria
33
Composti Intermetallici
• 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.
Attilio Citterio
Diagramma di Fase di
un Composto Intermetallico
900
34
L+α
800
600
α
500
B
C
β
400
L+γ
α+β
TEMPERATURA (°C)
700
300
D
β+γ
200
100
A
γ + Sn
E
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
COMPOSIZIONE (STAGNO, %)
Lega Ag3Sn, 73.2% Ag e 26.8% Sn
Attilio Citterio
Leghe Eutettiche e Relativo Diagramma di
Fase
35
• I metalli sono solubili allo stato liquido, ma si separano in due fasi allo
stato solido.
 L  S1 + S2 (= 2 soluzioni solide)
Sistema argento-rame
Attilio Citterio
1100
D
1000
Liquido
A
TEMPERATURA (°C)
L  (soluzione α-solido + soluzione βsolido)
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.
900
800
α
700
L+α
L+β
E
G
B
β
α+β
600
500
400
300
C
0
10
20
30
40
50
60
70
COMPOSIZIONE (RAME, %)
Composizione Eutettica
80
90
100
36
Sistema Argento-Rame
1100
D
1000
fase ricca Ag
Liquido
A
fase ricca Cu
TEMPERATURA (°C)
900
800
α
L+α
L+β
E
G β
B
700
α+β
600
β + eutettico
α+
eutettico
500
400
300
C
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
COMPOSIZIONE (RAME, %)
Composizione Eutettica  strati fini di fase α su fase β
Attilio Citterio
37
Esempio Lega Piombo-Stagno
Composizione eutettica
Alto contenuto in Stagno
β + 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.
Attilio Citterio
38
Microstrutture Eutettiche
Esiste un certo numero di
differenti “morfologie” per le
due fasi in una lega binaria
eutettica.
Direzione di
crescita
Di primaria importanza è la
minimizzazione dell’area
interfacciale tra le fasi.
Anche la velocità di
raffreddamento può avere un
effetto importante.
di
A fianco è una illustrazione Direzione
crescita
schematica di varie
microstrutture eutettiche:
(a) lamellare, (b) a cilindro, (c)
globulare, e (d) aciculare (o
ad aghi).
Attilio Citterio
Superfice
superiore
libera
Superfice
superiore
libera
Direzione di
crescita
Interfaccia
solido-liquido
Interfaccia
solido-liquido
Superfice
superiore
libera
Superfice
superiore
libera
Direzione di
crescita
Interfaccia
solido-liquido
Interfaccia
solido-liquido
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
Composizione di Fasi Liquide e Solide a
Varie Temperature
40
Lega (80%A +20%B)
800
760
Liquido
680
TEMP. (°C)
600
Z
x
Y
560
C
liquido
+
solido Soluz.
380
540
400
280
200
Quando
laraffreddamento
temperatura
raggiunge
i
L’ulteriore
a 680°C
Se
una lega
di 80%A e 20%B
è fusa
ilraffreddata,
solido
il liquido
forma
un
solido èdi80%A
composizione
e560°C,
quindi
essae rimane
contiene
40%A;
540°C
non
90%A
efino
10%B
e sotto
un liquido
di punto
liquida
a 760°C,
a iquesto
liquido
e il 60%A
solido
80%A.a
composizione
eè 40%B.
ilc’è
solido
(97%A,
3%B)
inizia
precipitare.
A
B
Solido Soluz. D
0
B 0% 20%
A 100% 80%
40%
60%
60%
40%
Composizione delle fasi Liquida e Solida a varie
temperature per il sistema di lega AB
80%
20%
100%
0%
COMPOSIZIONE
Attilio Citterio
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
Quantità di Fasi Liquide e Solide a Varie
Temperature
Le quantità relative delle due fasi
nella regione liquido-solido si
possono determinare a una data
temperatura dalla regola della leva
inversa.
60% A e 40% B
• Liquido = XY/XZ
• Solido = YZ/XZ
A
760
Liquido
680
600
TEMP. (°C)
 A 560°C per composizione
800
41
Z
x
Y
560
C
liquido
+
solido Soluz.
380
540
400
280
200
B
Solido Soluz. D
0
B 0% 20%
A 100% 80%
40%
60%
60%
40%
80%
20%
COMPOSIZIONE
Attilio Citterio
100%
0%
42
Esempio: Sistema Argento-Palladio
1600
1500
Liquido
TEMPERATURA (°C)
1400
B
1300
*D
*
1200
1100
1000
Solido
900
800
0
10
20
30
40
50
60
70
COMPOSIZIONE (Palladio, %)
Attilio Citterio
80
90
100
Microstruttura di Leghe
Microstruttura Cast
Microstruttura Wrought
Ricristallizzazione e Crescita dei Grani
44
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
Attilio Citterio
45
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.
Attilio Citterio
46
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
Attilio Citterio
47
Microstruttura delle Leghe
vista gross. microstruttura cristallo
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.
Attilio Citterio
Proprietà delle Leghe
49
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.
Attilio Citterio
50
Leghe a Soluzione Solida
• Spesso possiedono maggiore forza 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).
Attilio Citterio
51
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.
Attilio Citterio
52
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.
Attilio Citterio
53
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.
Attilio Citterio
54
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.
Attilio Citterio
55
0.5% C
1540°C
Ferro δ
bcc
a0=2.39 Å
0.10% C
0.18% C
Il Diagramma di Fase Ferro-Carburo di Ferro
δ+L
γ+δ
1
1492°C
1401°C
Ferro γ
fcc
a0=3.63 Å
2
3
4
5
6
7
Liquido L
γ
γ
γ+L
γ
Fe3C
+L
1130°C
Austenite γ
906°C
2%C
4.3 % C
Austenite γ
+ Ledebunite
+ Cementite
Fe3C +
Ledebunite
γ+α
0
Fe
723°C
Cementite
+ Perlite
1
2
Acciai
Attilio Citterio
Cementite Fe3C
3
4
Ghise
Fe3C 6.67% C
Ferrite
+ Perlite
0.8 % C
Ledeburite Eutettoide
0.025 % C
Perlite Eutettoide
Ferro α
bcc
a0=2.86 Å
5
6
7
% in peso C
56
Rafforzamento dei Metalli e delle Leghe
Attilio Citterio
liquidus
Temperatura
(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’invecchiamento (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.
Liquido +
Solido
solidus
Struttura
Bi-fasica
Metallo C
(100%)
composizione %
Metallo D
(100%)