Appunti di materiali metallici

Struttura dei Metalli

 

Le caratteristiche dei metalli sono dovute:

• Legame metallico (da cui deriva la resistenza)
• Struttura cristallina o reticolo cristallino (da cui deriva la plasticità)

 

Legame metallico

A differenza degli altri due tipi di legami atomici (covalente e ionico), il legame metallico, allo stato solido, presenta una disposizione ordinata e compatta dei vari atomi, secondo uno schema ripetitivo chiamato struttura cristallina. Schematicamente il legame metallico si stabilisce fra atomi identici che, essendo elettropositivi , si caricano positivamente e rinunciano agli elettroni delle orbita più esterne: gli ioni positivi (nuclei) assumono posizioni ordinate e gli elettroni li ricoprono in una nube in cui possono muoversi liberamente. Minore è il numero di elettroni nell’orbitale esterno di un atomo, maggiore è il suo carattere metallico; all’aumentare del numero di elettroni aumenta anche l’energia di legame ed il punto di fusione .

Struttura cristallina

Gli ioni positivi si trovano in posizioni ordinate, dette reticolo cristallino, in cui la cella elementare è la più piccola porzione di reticolo che si ripete costantemente in tutto il reticolo.
Esistono tre tipi di celle elementari:

• CCC: cubica a corpo centrato, è costituita da nove atomi ed è deformabile a caldo; è la cella del .
• CFC: cubica a facce centrate, è costituita da 14 atomi e si presta meglio ad essere deformata a freddo; è la cella del .
• EC: esagonale compatta, 16 atomi, è poco deformabile quindi richiede più energia per fabbricare oggetti in materiale con questa struttura.

 

Quello che più ci riguarda è ovviamente il ferro e la variazione del suo reticolo in funzione della temperatura, fenomeno chiamato allotropia .

Puntualizziamo che la miglior configurazione per avere metalli duttili e malleabili è la CFC, dato l’elevato grado di simmetria che presenta, quindi si presta meglio alle lavorazioni.

 

Difetti cristallini

Tutto ciò che crea un disallineamento nella struttura cristallina ordinata. Si suddividono in:

• Puntuali: Vacanze o Lacune (mancanza di un atomo), Sostituzione (un atomo più grande o più piccolo al posto di quello del metallo), Interstiziale (atomo all’interno del reticolo, tra gli atomi del reticolo stesso). La presenza di questi difetti ostacola la conducibilità termica ed elettrica  ma favorisce la possibilità di formare leghe (infatti gli atomi vacanti possono essere sostituiti da atomi di altra specie).
• Lineari: Dislocazioni a Spigolo (inserzione di  un piano supplementare di atomi), Dislocazione a Vite o Elicoidale (superficie elicoidale), Mista: Questi difetti provocano il rafforzamento del materiale a discapito della plasticità.
• Superficiali: Bordi dei Grani, trattati più avanti nella solidificazione dei metalli.

 

Lacune

Sono difetti di equilibrio e crescono esponenzialmente con la temperatura. La concentrazione di tali lacune si ricava con la formula:

       concentrazione lacune
     energia di attivazione                   
       costante universale dei gas
       temperatura assoluta in gradi Kelvin

Questi difetti rendono possibili i processi diffusivi, quali conducibilità termica e diffusione atomica (spostamento degli atomi per riempire le lacune). Le saldature, le leghe, etc. derivano da processi diffusivi.

Dislocazioni

Non sono processi di equilibrio.
La densità delle dislocazioni varia da:

      materiale ricotto
      materiale incrudito

Le dislocazioni si muovono solamente con gli sforzi di taglio, non con compressione o trazione. Con lo scorrimento a seguito di sforzi di taglio le dislocazioni spariscono dando luogo ad una deformazione del materiale: questa è elevata data l’elevata densità delle dislocazioni . Le deformazioni così prodotte sono permanenti (non plastiche).
La dislocazione determina quindi la resistenza del metallo: se si muove il metallo è plastico (deformabile), finché non si muove il metallo è resistente.
Nella progettazione è sempre meglio assicurarsi un minimo di plasticità in quanto può tornare utile dato che il “pezzo” prodotto (qualunque esso sia, ma ancor più gli elementi strutturali) deformandosi avvisa della possibile rottura; se invece arrivasse a rottura senza deformarsi la cosa potrebbe diventare catastrofica.
Solidificazione dei metalli

Il processo di solidificazione si attua in due fasi, non distinte, e la predominanza di una o dell’altra fase determinano il tipo di grana che possiederà il metallo finale:

• Nucleazione: alla T di solidificazione le celle elementari si aggregano formando vari nuclei di cristalli all’interno del liquido.
• Accrescimento: i cristalli formatisi aumentano di dimensione aggregando altre celle.

 

Tutti i metalli solidificano nello stato policristallino e l’orientamento di tali cristalli risulta essere senza nessuna direzione preferenziale.
Gli ultimi atomi del liquido, trovandosi tra cristalli ad orientazione diversa, solidificano disallineati rispetto ai cristalli che li circondano, formando zone chiamate giunti dei grani o bordo dei grani. Queste zone sono più reattive essendo in uno stato pensionale (quindi a maggiore energia) e vengono evidenziate (dopo lucidatura a specchio della superficie del metallo) tramite trattamento con appositi acidi (a seconda del metallo trattato): divengono così visibili, tramite microscopio,  ed in base alla dimensione dei grani si possono determinare alcune caratteristiche che avrà il nostro metallo.
I bordi dei grani sono le zone a maggiore resistenza meccanica.

Dimensione dei grani

Definita dall’ASTM (American Standard for Testing Material):

    N        è il numero di grani per pollice quadrato
n        è la dimensione del grano

Come già detto le dimensioni dei grani hanno un effetto significativo sulle proprietà dei metalli, specialmente sulla resistenza meccanica: a basse temperature (minori della metà della T assoluta di fusione) i bordi dei grani rinforzano i metalli, limitando la possibilità di scorrimento delle dislocazioni, quindi una grana fine è auspicabile; a T elevate può avvenire lo scorrimento dei bordi dei grani che diventano pertanto regioni di debolezza nei metalli policristallini.
Le misurazioni dell’ASTM sono valutate a 100 ingrandimenti ed è stata redatta una tabella con immagini-tipo della grossezza della grana cristallina, 8 tipi differenti dalla più grossa I alla più fine VIII: per applicazioni a basse temperature le I-IV non vengono prese in considerazione.
Una grana più fine può essere lucidata meglio e questo è utile per ricoprire con altri metalli. Inoltre, come già detto, la resilienza è maggiore con grana fine; la fragilità a freddo è dovuta alla grana grossa.

Leghe Metalliche

Sono metalli di specie diverse che coesistono all’interno dello stesso reticolo; questa possibilità è regolata dalle forze interatomiche tra gli atomi della stessa specie e di specie diverse.

• Caso .
• Caso . Ne parleremo approfonditamente più avanti quando analizzeremo il diagramma ferro – carbonio.

 

Diffusione degli atomi

Consiste nel trasporto di materia, nel movimento di atomi (è diverso dalla diffusione termica): è una migrazione spontanea di atomi da una zone a maggiore concentrazione ad una a minore concentrazione. Necessita di due cose per esserci:

• Forza motrice: è la differenza di concentrazione. Si misura come energia libera: gli atomi tendono a raggiungere una situazione di minore energia, possibile dove la concentrazione è minore. È misurata in energia su unità di massa, Energia/mole.
• Cinetica del processo: è l’aspetto temporale, il tempo impiegato. Si può misurare in numero di atomi su tempo, n°atomi/tempo, oppure solamente in tempo (tempo di trasferimento).

 

La diffusione di atomi è particolarmente importante nei metalli e nelle leghe poiché la maggior parte delle reazioni allo stato solido coinvolgono movimenti atomici (come ad esempio la tempra).
Le variabili che regolano la diffusione sono:

• Meccanismo di diffusione: può essere sostituzionale, per muoversi gli atomi necessitano di superare l’energia di attivazione e le vacanze o lacune sono difetti di equilibrio dove è necessaria minore energia per muoversi (esempio sono gli atomi di rame in un reticolo di alluminio, dato che gli atomi hanno all’incirca la stessa dimensione), oppure può essere interstiziale, gli atomi si diffondo interstizialmente senza muovere gli atomi del reticolo ma è necessario che le dimensioni degli atomi che diffondono sia relativamente piccola rispetto agli atomi della matrice (esempio sono gli atomi di carbonio nei reticoli CCC e CFC del ferro).
• Temperatura: all’aumento della temperatura aumenta anche la diffusività, dato che aumenta l’energia degli atomi ed anche aumentano i difetti. Un aumento di circa 10°C della temperatura fa dimezzare il tempo .
• Struttura cristallina: la struttura CCC è meno compatta della CFC quindi gli atomi si muovono più facilmente.
• Difetti cristallini: la diffusione avviene più rapidamente lungo i bordi di grano che non nella matrice e la presenza di molte vacanze aumenta la velocità di diffusione.
• Concentrazione delle specie diffuse: alte concentrazioni di atomi di soluto influenzano la diffusività.