Solidificazione dei metalli, leghe e difetti nei materiali

Solidificazione dei metalli

Solidificazione dei metalli : - Vengono fusi per poter ottenere dei prodotti finiti.

Solidificazione in due fasi

Solidificazione in due fasi : - Nucleazione > si suddivide in omogenea e eterogenea

1. Omogena : avviene quando il metallo liquido viene raffredato ma sempre sotto la temperatura di solidificazione. C'è un lento movimento degli atomi che causa la formazione di gruppi. Questi devono superare la dimensione critica : al di sotto si forma l'embrione e al di sopra il nucleo. In questo processo vengono liberate diverse energie: l'energia libera di volume ( si libera nel passaggio da liquido a solido ) , l'energia di superficie ( richiesta per la formazione di una nuova faccia del solido.

2. Eterogena : avviene attraverso un agente nucleante ( superficie che abbassa il grado di energia libera totale necessaria per la formazione di nuclei stabili ). Questa viene bagnata dal metallo liquido e poi usata nelle industrie.

Crescita dei grani

- Crescita dei grani quando il metallo si raffredda si formano dei cristalli che si sviluppano sempre di più. Nei metalli solidificati i cristalli sono detti grani. I grani si uniscono tra di loro e sono separati dai bordi di grano. Possiamo avere diverse strutture a seconda dei siti di nucleazione :

• Strutture a grani grossi
• Strutture a grani fini

Tipi di grani

Tipi di grani : Colonnari Equiassici Sono lunghi, sottili e irregolari. Si formano lungo assi perpendicolari alle pareti della lingottiera in base ai gradienti termici. Si formano lentamente da pochi nuclei. Sono di minore dimensione e crescono uguali in ogni direzione. Ci sono tanti nuclei perché c'è un elevato sotto raffreddamento Per poter ottenere strutture a grani fini aggiungo affinatori di grani al metallo liquido ( boro, titanio ecc. ecc. )

Leghe metalliche

Leghe metallicheI metalli non vengono quasi mai usati allo stato puro ma con le leghe. Sono miscele di uno o più elementi mettalici ( e non ). Le lega più semplice è la soluzione solida che è l'insieme di due o più specie atomiche disperse in una struttura monofasica.

• soluzioni solide sostituzionali : leghe in cui il solvente è sostituito nel reticolo cristallino da atomi di soluto. Bisogna rispettare le regole di hume - rothery ( con queste regole la quantità di soluto nel solvente può variare dall' 1 % al 100%) :

  1. non ci devono essere differenze di raggio atomico maggiore del 15 %
  2. stessa struttura cristallina
  3. i due elementi dovrebbero avere la stessa valenza.
  4. Non dovrebbero esserci differenze elevate di elettronegativi in modo che non si formino composti.
• soluzioni solide interstiziali : gliatomi del soluto si collocano negli interstizi del reticolo cristallino.

Difetti

Difetti Nessun metallo ha una struttura perfetta

Difetti di punto

1. difetti di punto :

• vacanze : mancanza di un atomo nel sito atomico. Si sono formate durante il raffreddamento per anomalie, oppure deformazione plastica e raffreddamento rapido.

• auto interstiziali : avviene quando un atomo si dispone fra gli interstizi del reticolo. Avviene a seguito di irraggiamento e questo determina una distorsione strutturale

• difetto di Frankel : avviene quando il catione si muove nel sito interstiziale
• difetto di shottky : è una doppia vacanza e avviene nei cristalli ionici

Difetti di linea

2. difetti di linea sono le dislocazioni, queste causano la distorsione del reticolo centrale attorno ad una linea. Si formano durante diversi casi : 1. Condensazione di vacanze 2. Solidificazione 3. Deformazione permanenti.

• A spigolo : aggiunta di un semi mezzo piano aggiunto di atomi. Questa può essere positiva o negativa. Il vettore di burgers indica lo scorrimento degli atomi ed è perpendicolare alla linea di dislocazione a spigolo.
• A vite : distorsione del reticolo sotto forma di scala a spirale. In questo caso il vettore di burgers è parallelo alla linea di dislocazione.
• Mista : ha caratteristiche di entrambe le tipologie. Ha una disposizione atomica irregolare e appare come linea nera al microscopio

Difetti planari

3. Difetti planari Gli atomi più esterni sono soggetti a reazione e a deterioramento con altri sostanze a contatto. Anche i bordi di grano per esempio sono difetti planari perché sono punti in cui gli atomi sono meno densi e disposti in maniera non del tutto ordinata.

Difetti di volume

4. Difetti di volume Si formano quando un gruppo di difetti di punto si mettono insieme per formare un vuoto o un poro.

Proprietà meccaniche dei metalli

Proprietà meccaniche dei metalli La maggior parte ei metalli vengono fusi e poi colati all'interno di stampi per poter ottenre lingotti e lamiera standard dai quali attraverso laminazione, estrusione vengono ppoi fatti i prodotti finiti.

Laminazione a caldo

- Laminazione a caldo Viene fatta per ottenere una drastica riduzione di spessore in un solo passaggio. I lingotti vengono pre-riscaldati a 1200° .

Laminazione a freddo

- Laminazione a freddo Al di sotto della temperatura di ricristallizzazione, viene riscaldato. Con la ricottura si elima la crudità. Per la laminazione a freddo occorre più potenza e si ottiene spessore.

Estrusione

- Estrusione Il metallo viene sottoposto a pressione elevata per farlo passare nell'apertura di una matrice allo scopo di ridurre la sezione. Viene utilizzata per produrre prodotti finiti ma anche profilati, tubi e cilindri.

Estrusione diretta

Estrusione diretta La billetta è posta all'interno della pressa e spinta direttamente dal pistone attraverso la matrice

Estrusione inversa

Estrusione inversa Il pistone cavo regge le matrici mentre la bolletta è bloccata con una piastra sul fondo apposto.

Forgiatura

- Forgiatura È un processo in cui il metallo è costretto ad assumere la forma desierata mediante un maglio o una pressa. Avviene sempre ad alte temperature.

Maglio

Maglio Il metallo viene colpito numerose volte con il maglio

Pressa

Pressa Applicata una lenta e graduale forza di compressione

Trafilatura

- Trafilatura È un processo per ridurre il diametro della barra originaria che viene passata attraverso una serie di matrici con lo scopo di ridurre il diametro.

Diagrammi di stato

Diagrammi di stato Già integrato dal libro La fase : è una regione di un materiale che è diversa per struttura e proprietà da altre regioni. Con diagramma di stato si rappresentano le diverse fasi di un materiale a diversa condizioni di temperatura - pressione.

1. Indica la solubilità solida di quilibrio di un elemento in un altro
2. Indica l'intervallo di temperatura alla quale avviene la solidificazione
3. Indica la temperatura alla quale diverse fasi iniziano a fondere.

Regola delle fasi di Gibbs

Regola delle fasi di Gibbs :ricavò un equazione che permette di calcolare il numero di fasi che possono coesistere in equilibrio in un determinato sistema. F+V=C+2

1. F= numero delle fasi che coesistono nel sistema in esame
2. C= numero di componenti Un composto o una soluzione del sistema.
3. V= gradi di libertà bhs qqs ib ivisteido Pressione della H2O, torr 6 Linea di vaporizzazione 760 + Linea di congelamento Liquido Vapore Solido Punto triplo a 0.01 °C 0 100 Temperatura della H2O, ℃ u ib inoisibnop n Sono il numero di variabili che possono essere modificate indipendentemente senza che cambi il numero delle fasi in equilibrio nel sistema. Esmpio applicato all'acqua pura Al punto triplo le tre fasi coesistono in equilibrio. Dal momento che c'è un solo componente nel sistema, il numero dei gradi di liebrtà può essere calcolato nel seguente modo : F+V= C+2 3+V=1+2 V= 0 Questo vuol dire che nessuna variabile può essere cambiata mantenendo la coesistenza delle tre fasi e il punto triplo è detto punto di invarianza. Consideriamo ora un punto lungo la curva di solidificazione. In ogni punto di questa linea coesistono due fasi. Se è fissata la pressione, c'è solo una temperatura alla quale entrambe le fasi liquida e solida possono coesistere o viceversa.

Curve di raffredamento

Curve di raffredamento Da fare domani :

• Finire diagrammi di stato 10:00-1:00
• Terra cruda e argille 10:00-1:00
• Gesso e calci 14:30-6:30

Materiali ceramici

Materiali ceramici Aggiungere integrazioni libro Sono materiali ottenuti da materie prime inorganiche, non metalliche mediante formatura e trattamento ad alte temperature. Sono materiali ceramici anche i vetri, abrasivi, isolanti elettrici. Hanno una struttura cristallina come i metalli ma sono fragili, non hanno una buona resistenza a trazione , sono ottimi isolanti termici ed elettrici. Hanno una temperatura di fusione relativamente alta e una elevata stabilità chimica in molti ambienti aggressivi, grazie alla stabilità dei forti legami. Fasi del processo produttivo: la maggior parte dei materiali ceramici vengono realizzati mediante la consolidazione di particelle. Le materie prime per questi prodotti variano a seconda delle proprietà richieste per il prodotto ceramico finale. Per i prodotti ceramici che non hanno proprietà particolarmente critiche, è pratica comune la miscela degli ingredienti con acqua. Per altri prodotti ceramici, le materie prime vengono macinate a secco assieme ai leganti e altri additivi.

Individuazione e scavo della materia prima

1. Individuazione e scavo della materia prima Terre argillose, contiene il 40% e 50% in minerale argilloso.10% e 30% di carbonati e 30% e 40% di inerti come feldspati. Granulometria silt > fino a 64 nanometri.

Stagionatura, selezione e impasto

2. Stagionatura, selezione e impasto > formatura. Il materiale è estratto da un unico luogo e viene miscelato con sabbia che fa da smagrante.

Essicazione

3. Essicazione Avviene all'interno dei forni a determinata temperatura e pressione. La velocità di evaporazione è funzione della temperatura . in precedenza avveniva all'area aperta con spostamenti per unificare il processo in tutte le superfici. La velocità di evaporazione deve essere minore o uguale a quella di diffusione dell'acqua dalle superfici interne alle esterne. · L'impasto perde l'acqua in eccesso. L'acqua evaporata e la particelle si avvicinano tra loro creando una superficie compatta ma porosa. · La velocità d essicazione diminuisce perché non è alimentata dall'interno. · L'acqua evapora dai pori e non si ha alcun ritiro.

Cottura delle argille

4. Cottura delle argille informarsi sull'altro libro Lo scopo del processo di cottura è quello di indurre delle trasformazioni irreversibili nei materiali argillosi in modo da consentire la formazione di nuovi composti stabili e resistenti con proprietà come resistenza meccanica e durabilità. Quando si innalza la temperatura avviene un vero e proprio collasso della struttura cristallina dell'argilla. Caolinite-> non la più comune Avviene la perdita dell'acqua assorbita dalle superfici dei cristalli 150°, a circa 450 ° fino a 600° si ha la perdita dell'acqua del reticolo cristallino.

• Perdita della plasticità > metacaolino.
• 950° allumina e silice e formano una spinello
• 1000° si libera silice > mullite ( cristalli aciculari e aghiformi, è difficile descrivere la cottura di altre argille )

Formatura

5. Formatura I prodotti ceramici realizzati con particelle agglomerate possono essere formate con vari metodi: Oltre alle argille dei mattoni vengono impiegati :