Struttura dei Metalli PDF 2021/2022

STRUTTURA DEI METALLI Le figure della lezione sono tratte dal libro «Scienza e Ingegneria dei Materiali» di W.D. Callister Jr. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 1  I RETICOLI I solidi possono essere class...

STRUTTURA DEI METALLI Le figure della lezione sono tratte dal libro «Scienza e Ingegneria dei Materiali» di W.D. Callister Jr. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 1  I RETICOLI I solidi possono essere classificati in base alla regolarità con cui i propri atomi e ioni sono disposti nello spazio. Materiale Cristallino ✓ Solidificando forma un reticolo tridimensionale ordinato e ripetitivo. ✓ Configurazioni atomiche ordinate nelle tre direzioni dello spazio. ✓ Ogni atomo forma dei legami con gli atomi circostanti. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 2  I RETICOLI Materiale Non Cristallino o Amorfo: ✓ Configurazioni atomiche prive di ordine a lungo raggio. ✓ Es. Polimeri, Vetri e Ceramiche. SiO2 SiO2 Cristallina Amorfa Materiale a struttura mista (Semicristallino) ✓ Es. Polimeri Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 3  I LEGAMI INTERATOMICI La struttura e le proprietà di un materiale dipendono fortemente dalla natura dei suoi legami atomici. I principali legami atomici sono: ✓ Ionici ✓ Covalenti Primari ✓ Metallici ✓ Forze di Van der Waals Secondari Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 4  I LEGAMI INTERATOMICI Legame Ionico: ✓ Unione di un elemento metallico e uno non metallico. ✓ Gli atomi dell’elemento metallico cedono facilmente i propri elettroni di valenza ad atomi non metallici. ✓ Atomi coinvolti → Config. Elettronica stabile → Ioni ✓ Legame adirezionale: l’energia di legame è la stessa in tutte le direzioni intorno allo ione. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 5  I LEGAMI INTERATOMICI Legame Ionico: Es. Cloruro di Sodio Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 6  I LEGAMI INTERATOMICI Legame Covalente: ✓ Config. Elettronica stabile → condivisione di alcuni elettroni da parte degli atomi adiacenti. ✓ Gli atomi che partecipano a tale legame forniscono almeno un elettrone → Gli elettroni condivisi possono considerarsi come appartenenti ad entrambi gli atomi. ✓ Legame direzionale: ∃ solo nella direzione congiungente gli atomi partecipanti alla condivisione elettronica. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 7  I LEGAMI INTERATOMICI Legame Covalente: Es. Metano Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 8  I LEGAMI INTERATOMICI Legame Metallico: ✓ Presente nei metalli e nelle loro leghe. ✓ Materiali metallici possono possedere 1, 2 o 3 elettroni di valenza → Non sono legati ad alcun atomo → In grado di spostarsi all’interno/attraverso la strutt. metallica → Nuvola elettronica ✓ La restante parte: elettroni non di valenza + nucleo atomico → Cuore dello ione Nuvola elettronica → Carica - Cariche della medesima entità Cuore dello ione → Carica netta + Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 9  I LEGAMI INTERATOMICI Legame Metallico: ✓ Elettroni liberi schermano le cariche degli ioni positivi →Compensano le forze elettrostatiche repulsive. ✓Legame adirezionale. ✓ Gli elettroni liberi agiscono da legante trattenendo gli ioni positivi. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 10  NOTAZIONI CRISTALLOGRAFICHE Strutture Cristalline → descritte mediante la ripetizione della più piccola unità ordinata ripetitiva → Cella elementare (o unitaria). La posizione di un qualsiasi atomo nella cella elementare viene indicata mediante le sue coordinate rispetto ai tre assi x, y, e z paralleli rispetto agli spigoli della stessa cella. Come unità di misura delle coordinate si assumono le lunghezze degli spigoli della cella a, b, c (costanti reticolari). Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 11  NOTAZIONI CRISTALLOGRAFICHE L’orientazione di un piano nel reticolo cristallino viene espressa mediante gli indici di Miller. Regole per la loro determinazione: 1) Si trovano le intercette del piano sui tre assi coordinati. 2) Si sostituiscono con i reciproci di questi numeri. 3) Si riducono le frazioni trovate al minimo comun denominatore. 4) I numeratori di queste frazioni sono gli indici nel piano. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 12  NOTAZIONI CRISTALLOGRAFICHE N.B. ✓ Intercetta infinita → il corrispondente indice è nullo ✓ Intercetta negativa → Segno meno sopra l’indice Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 13  NOTAZIONI CRISTALLOGRAFICHE La direzione di una qualsiasi retta nel reticolo viene identificata tracciando una retta ad essa parallela passante per l’origine del sistema di riferimento e fornendo le coordinate di un qualsiasi punto appartenente ad essa. Con la notazione si indicano tutte le direzioni equivalenti → Legate cioè alla simmetria. Es. , [11ത 1], [1ത 1ത 1], [1ത 11] sono tutte della famiglia Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 14  NOTAZIONI CRISTALLOGRAFICHE Gli indici di una direzione devono essere numeri interi. Procedure e regole per calcolare gli indici di una direzione: 1) Si considera un sistema di riferimento destrorso e si determinano le coordinate di 2 punti che giacciono sulla direzione considerata. 2) Si sottraggono le coordinate del punto a valle con quelle del punto a monte. 3) Si eliminano le frazioni e/o si riducono al minimo i risultati ottenuti. 4) Si riportano i valori fra parentesi quadre, se ci sono valori negativi si deve apporre un segno meno sopra al numero. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 15  NOTAZIONI CRISTALLOGRAFICHE Esempio: determinare gli indici di Miller delle direzioni A, B, e C. Direzione A: ✓ Due punti sono 1,0,0 e 0,0,0 ✓ 1,0,0 – 0,0,0 = 1,0,0 ✓ Non ci sono frazioni da eliminare o numeri da semplificare ✓ Il risultato è [1 0 0] Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 16  NOTAZIONI CRISTALLOGRAFICHE Direzione B: ✓ Due punti sono 1,1,1 e 0,0,0 ✓ 1,1,1 – 0,0,0 = 1,1,1 ✓ Non ci sono frazioni da eliminare o numeri da semplificare ✓ Il risultato è [1 1 1] Direzione C: ✓ Due punti sono 0,0,1 e 1/2,1,0 ✓ 0,0,1 – 1/2,1,0 = -1/2,-1,1 ✓ 2*(-1/2, -1, 1) = -1, -2, 2 ✓ Il risultato è [1ത 2ത 2] Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 17  STRUTTURE CRISTALLINE DEI METALLI I metalli sono caratterizzati da strutture ad elevato grado di densità di impacchettamento degli atomi. Le principali sono 3: ✓ Reticolo cubico a facce centrate (CFC) Le più compatte! ✓ Reticolo esagonale compatto (EC) ✓ Reticolo cubico a corpo centrato (CCC) Le due grandezze principali sono: Numero di coordinazione: N° di atomi più prossimi vicini ad un atomo qualsiasi. Fattore di compattazione atomica (FCA): frazione di volume occupato dagli atomi rispetto al volume della cella (Hp. Modello a 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒𝑔𝑙𝑖 𝑎𝑡𝑜𝑚𝑖 𝑎𝑝𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒𝑛𝑒𝑛𝑡𝑖 𝑎𝑙𝑙𝑎 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎 sfere rigide): FCA = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒𝑙𝑙𝑎 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎 Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 18  RETICOLO CFC (FCC) Sfere rigide Sfere piccole Aggregato di atomi Al, Cu, Ni, Pb, Feγ, Ag, Au r N° atomi= n = 1/8*8 + 1/2*6 = 4 N° coordinazione = 12 4r a2 + a2 = (4r) 2 → a = 2r√2 a 4r = √2 ·a Volume della cella → Vc = a3 = (2r√2 )3 = 16 r 3 √2 elementare (Vc) Fattore di = ( Volume atomi ) / ( Volume ) = n·(4/3π r 3 ) / (16 r 3 √2) = 0,74 Compattazione della cella Vs cella Vc Atomica (FCA) 19 Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022  RETICOLO CCC (BCC) Sfere rigide Sfere piccole Aggregato di atomi Cr, V, Mo, W, Feα r N° atomi= n = 1/8*8 + 1 = 2 N° coordinazione = 8 4r √3a = 4r → a = 4r/√3 a Volume della cella → Vc = a3 = (4r/√3 )3 elementare (Vc) Fattore di = ( Volume atomi ) / ( Volume ) = n·(4/3π r 3 ) / (4r/√3 )3 = 0,68 Compattazione della cella Vs cella Vc Atomica (FCA) Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 20  RETICOLO EC (HCP) c AP = Apotema= a AP = 0,866 * a Sfere piccole Aggregato di atomi = (√3)/2 * a a Zn, Cd, Mg, Ti N° atomi= n = 6 N° coordinazione = 12 valore ideale: c/a ~ 1,633 (alcuni metalli deviano Area Esagono = (a * AP/2) * 6 da tale valore) Volume della cella → Vc = Area * c = (a * AP/2) * 6 * c = (3√3)/2 * a 2 * c elementare (Vc) Fattore di = ( Volume atomi ) / ( Volume ) = n·(4/3π r 3 ) / [(3√3)/2*a 2 *c] = 0,74 Compattazione della cella Vs cella Vc Atomica (FCA) Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 21  STRUTTURE CRISTALLINE COMPATTE CFC & EC → FCA=0,74 → Max possibile per atomi di uguali dimensioni….. Entrambe le strutture possono essere generate dall’impilaggio di piani a massima densità atomica. Ogni struttura si differenzia per la sequenza d’impilamento di questi piani. Il reticolo EC è il risultato dell’impilamento di piani ottaedrici secondo sequenza ABABAB… EC Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 22  STRUTTURE CRISTALLINE COMPATTE Il reticolo CFC è ancora il risultato dell’impilamento di piani ottaedrici ma secondo la sequenza ABCABC… CFC Tutto ciò spiega perché le i reticoli EC e CFC presentano il medesimo FCA. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 23  STRUTTURE CRISTALLINE COMPATTE NB: Nel reticolo CFC esistono 4 famiglie di piani a max densità atomica (piani ottaedrici) equivalenti… Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 24  STRUTTURE CRISTALLINE COMPATTE Il reticolo CCC è il risultato dell’impilamento di piani a massima densità atomica (meno compatti di quelli ottaedrici), secondo la sequenza ABABAB… Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 25  STRUTTURE CRISTALLINE COMPATTE NB: Nel reticolo CCC esistono 6 famiglie di piani a massima densità atomica equivalenti… Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 26  STRUTTURE CRISTALLINE COMPATTE Sottoponendo i reticoli cristallini ad un carico, si da luogo ad una deformazione per effetto dello scorrimento di atomi lungo i piani ad elevata densità atomica. Es. Reticolo CFC… Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 27  STRUTTURE CRISTALLINE COMPATTE Tale processo di scorrimento può avvenire solo lungo alcune direzioni preferenziali di scorrimento → Tali direzioni sono rappresentate da quelle a maggior densità atomica. Il numero di tali direzioni varia con la tipologia di reticolo cristallino: Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 28  STRUTTURE CRISTALLINE COMPATTE La combinazione del piano di scorrimento e della direzione di scorrimento viene definita sistema di scorrimento: Reticolo N° piani di N° direzioni di N° sistemi di scorrimento scorrimento scorrimento EC 1 3 3 CFC 4 3 12 CCC 6 2 12 I materiali a reticolo EC sono poco deformabili. I materiali a reticolo CFC sono più deformabili di quelli CCC a causa del maggior numero di direzioni di slittamento. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D – STRUTTURA DEI METALLI - 2021/2022 29