Modulo 14: Scienza e Tecnologia dei Materiali: Meccanismo di Solidificazione PDF

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Appunti di Lezioni schematizzate in un unica lezione della materia: Scienza e Tecnologia dei Materiali con la prof. Ilaria Cacciotti. Queste lezioni parlano appunto di: Meccanismo di Solidificazione...

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Meccanismo di solidificazione

Ilaria Cacciotti Ilaria Cacciotti

SOLIDIFICAZIONE dei METALLI processo importante perché ne influenza proprietà meccaniche e fisiche i metalli vengono fusi per produrre prodotti finiti e semilavorati STADI di SOLIDIFICAZIONE • NUCLEAZIONE: formazione di NUCLEI stabili che daranno origine al processo di solidificazione • CRESCITA dei NUCLEI, in differenti direzioni, a formare cristalli • formazione di strutture a GRANI (i cristalli nei metalli solidificati sono detti GRANI) • i bordi dei cristalli (BORDI di GRANO) si formano quando i cristalli si uniscono tra loro a completa solidificazione

Ilaria Cacciotti

SOLIDIFICAZIONE dei METALLI MECCANISMO di SOLIDIFICAZIONE Grani

Liquido

Nuclei

Liquido

1) NUCLEAZIONE

Cristalli che formeranno i grani

2) CRESCITA dei NUCLEI nei CRISTALLI

Bordi di grano

3) UNIONE dei CRISTALLI per formare GRANI

maggiore è il numero di siti di nucleazione disponibili, maggiore è il numero dei grani formati i gradienti termici definiscono principalmente la forma dei grani

Ilaria Cacciotti

SOLIDIFICAZIONE dei METALLI MECCANISMO di SOLIDIFICAZIONE centri di nucleazione Raff.

Raff.

grani in accrescimento

bordi di grano

i materiali metallici sono per lo più costituiti da una microstruttura policristallina a grani

Immagine al microscopio ottico di acciaio inossidabile austenitico

Ilaria Cacciotti

SOLIDIFICAZIONE dei METALLI MECCANISMO di SOLIDIFICAZIONE 1. Nucleazione 2. Accrescimento T

Tfusione

tempo

Ilaria Cacciotti

SOLIDIFICAZIONE dei METALLI MECCANISMO di SOLIDIFICAZIONE: ACCRESCIMENTO dei NUCLEI formati i nuclei, questi si accrescono per dare un , in cui gli atomi son disposti regolarmente ma varia l’orientazione completata la solidificazione i cristalli (grani) si uniscono tramite legami limitati a un certo numero di atomi (bordi di grano) -

pochi siti di nucleazione daranno solidificazione grossolana tanti siti di nucleazione daranno una solidificazione a grani fini (migliore resistenza meccanica e uniformità)

POLICRISTALLI costituiti da tanti grani, generalmente orientati in modo casuale l’uno rispetto all’altro (situazione più comune per i solidi)

MONOCRISTALLI la periodicità con cui sono disposti gli atomi nel reticolo si estende a tutto il volume Ilaria Cacciotti

SOLIDIFICAZIONE dei METALLI TIPOLOGIE di GRANI GRANI EQUIASSICI  i cristalli, minori in dimensione, crescono nello stesso modo in tutte le direzioni  formati nei siti ad alta concentrazione di nuclei (e.g. parete dello stampo freddo o pareti raffreddate della lingotteria, in seguito all’elevato sottoraffredamento)

Stampo

GRANI COLONNARI  lunghi, sottili, irregolari, a grana grossa grani colonnari  crescono preferenzialmente lungo una direzione  formati nei siti a lento raffreddamento e ripido gradiente di temperatura (e.g. grani equiassici grani lontani dalla parete dello stampo, cresciuti perpendicolarmente alle pareti della lingottiera) Ilaria Cacciotti

SOLIDIFICAZIONE dei METALLI MACROSTRUTTURA, MICROSTRUTTURA & STRUTTURA ATOMICA MACROSTRUTTURA Tubi in acciaio

STRUTTURA ATOMICA

MICROSTRUTTURA Bordo di grano

Risoluzione a livello atomico

Microstruttura a grani

(scala: 10-10 m)

(scala: 10-6 m)

Ilaria Cacciotti

SOLIDIFICAZIONE dei METALLI MECCANISMI di NUCLEAZIONE NUCLEAZIONE OMOGENEA

NUCLEAZIONE ETEROGENEA

- tipo più semplice di nucleazione - avviene in un metallo fuso quando il metallo stesso fa sì che gli atomi formino dei nuclei - richiede, di solito, un notevole sottoraffreddamento rispetto alla temperatura di solidificazione di equilibrio (per alcuni metalli anche centinaia di gradi °C)

- avviene in un metallo liquido sulle pareti del suo contenitore oppure su impurezze insolubili che abbassano l’energia libera necessaria per la formazione di un nucleo stabile - richiede sottoraffreddamenti molto minori rispetto alla nucleazione omogenea

Ilaria Cacciotti

SOLIDIFICAZIONE dei METALLI NUCLEAZIONE OMOGENEA i NUCLEI sono atomi del metallo stesso che, soggetti a lento movimento, si legano tra loro il metallo, quando sottoraffreddato in modo significativo, ha molti atomi che si muovono lentamente e si legano tra loro per formare i nuclei affinché un nucleo sia stabile, così che possa crescere a formare un cristallo, deve raggiungere una dimensione critica  se i gruppi di atomi raggiungono la dimensione critica, crescono nei cristalli  se i gruppi di atomi non raggiungono la dimensione critica, si dissolvono tale meccanismo richiede un notevole sottoraffreddamento rispetto alla temperatura di solidificazione di equilibrio EMBRIONE: gruppo di atomi con dimensione inferiore alla dimensione critica (instabili e continuamente formati e ridisciolti) NUCLEO: gruppo di atomi di dimensione maggiore della dimensione critica Ilaria Cacciotti

SOLIDIFICAZIONE dei METALLI NUCLEAZIONE ETEROGENEA la nucleazione avviene in un liquido sulla superficie di un materiale strutturale (e.g. pareti del suo contenitore, impurezze insolubili, o altri materiali strutturali), detto AGENTE NUCLEANTE perché avvenga, l’agente nucleante solido (impurezza solida o contenitore) deve essere bagnato dal metallo liquido Liquido Solido θ

Agente nucleante (substrato)

il liquido, bagnando l’agente nucleante, solidifica creando un basso angolo di contatto θ tra il metallo solido e l’agente nucleante Ilaria Cacciotti

SOLIDIFICAZIONE dei METALLI NUCLEAZIONE ETEROGENEA tale nucleazione avviene sull’agente nucleante perché l’energia di superficie per formare un nucleo stabile è più bassa su questo materiale rispetto a quella richiesta se il nucleo si formasse nel liquido puro stesso (nucleazione omogenea) infatti gli agenti nucleanti • abbassano l’energia libera totale richiesta per formare nuclei stabili • abbassano anche la dimensione critica del nucleo per la solidificazione è richiesta una quantità minore di sottoraffreddamento tale nucleazione è, quindi, usata ampiamente nei processi di solidificazione industriale, nei quali non si raggiungono elevati gradi di sottoraffreddamento (intervallo 0.1-10 °C) Ilaria Cacciotti

ENERGIE coinvolte nella NUCLEAZIONE OMOGENEA ENERGIA LIBERA di VOLUME (o di massa)

ENERGIA di SUPERFICIE

• rilasciata nella trasformazione da liquido a solido

• richiesta per formare una nuova superficie solida a partire dalle particelle solidificate

• ΔGv  scambio in energia libera per unità di volume tra liquido e solido (differenza di energia libera di volume del liquido e del solido)

• ΔGs  energia necessaria per formare la superficie delle nuove particelle

• energia che guida trasformazione liquido-solido •

la

lo scambio di energia libera per un nucleo sferico di raggio r è dato da

4 3

3

• energia necessaria per formare la superficie di particelle sferiche è uguale all’energia γ  energia libera specifica di superficie moltiplicata per l’area della superficie della sfera

Gs

4

2

• ΔGs è energia ritardante Ilaria Cacciotti

ENERGIE coinvolte nella NUCLEAZIONE OMOGENEA ENERGIA LIBERA TOTALE per la solidificazione di un metallo puro • se le particelle hanno raggio < del raggio critico (r*) (EMBRIONI), l’energia del sistema si abbassa se queste si sciolgono • se le particelle hanno raggio hanno r>r* (NUCLEI), l’energia si abbassa quando queste tenderanno ad accrescersi per dare il cristallo Particelle

quindi l’energia totale sarà data dalla somma dei due contributi

Sopra il raggio critico *

Energia diminuita dalla crescita nei cristalli

Sotto il raggio critico *

Energia diminuita dal ridiscioglimento

ENERGIE coinvolte nella NUCLEAZIONE OMOGENEA ENERGIA LIBERA TOTALE l’energia totale sarà data dalla somma dei due contributi

4 3

3

4

2

ΔGT = differenza di energia libera totale ΔGV = energia libera di volume r = raggio dell’embrione del nucleo γ = energia libera specifica di superficie

energia che si oppone alla formazione di nuclei o embrioni (necessaria per formare la superficie delle nuove particelle) (positiva perché assorbita) energia totale associata alla formazione di un embrione o nucleo (somma dei due contributi) il valore di ΔGT raggiunge un massimo, pari a ΔG*, quando r ha una dimensione critica r*

variazione di energia tra liquido e solido per unità di volume di cristallo (rispetto al raggio di un embrione o nucleo) (è negativa perché durante la trasformazione l’energia viene rilasciata)

Ilaria Cacciotti

ENERGIE coinvolte nella NUCLEAZIONE OMOGENEA ENERGIA LIBERA TOTALE relazione tra dimensione del nucleo critico e energia libera di volume e di superficie si ricava differenziando

4

4

3

ΔGs

+

3

(

)

(

4 3

ΔGT

3

2

4

2

)

quando = *, d(ΔGT)/d = 0

ΔG r*

la curva dell’energia libera totale il raggio dell’embrione o nucleo raggiunge il massimo e la pendenza (d(ΔGT)/d ) è pari a zero

r

-

ΔGv

(

)

12 3

*2

8

*

)

0

*

2 Ilaria Cacciotti

ENERGIE coinvolte nella NUCLEAZIONE OMOGENEA RAGGIO CRITICO vs SOTTORAFFREDDAMENTO maggiore è il grado di sottoraffreddamento ΔT al di sotto della T di fusione di equilibrio del metallo, maggiore è la variazione nell’energia libera di volume ΔGv ΔGs non varia significativamente

la dimensione critica del nucleo è, quindi, fortemente influenzata da ΔGv il raggio critico è correlato al sottoraffreddamento secondo la relazione:

*

2

* = raggio critico del nucleo γ = energia libera di superficie ΔHf = calore latente di fusione ΔT = quantità di sottoraffreddamento

 in corrispondenza della temperatura di solidificazione (ΔT= 0), la dimensione critica del nucleo tende ad essere infinita  all’ aumentare del sottoraffreddamento ΔT, la dimensione critica del nucleo diminuisce

Ilaria Cacciotti...