processi di
solidificazione
solidificazione metalli:
processo importante perché ne influenza proprietà
meccaniche e fisiche
metallo fuso – semilavorati
– prodotti finiti
stadi di solidificazione:
• formazione di nuclei che daranno origine
al processo di solidificazione
• crescita dei nuclei per dare cristalli
• formazione di strutture a grani (la cui
forma dipende principalmente dal
gradiente termico)
processo di nucleazione
nucleazione omogenea:
• i nuclei sono atomi del metallo stesso che, soggetti a lento
movimento, si legano tra loro
• è il meccanismo più semplice
• richiede un notevole sottoraffreddamento rispetto alla T di
solidificazione di equilibrio
embrione: gruppo di atomi con dimensione inferiore di quella
critica ( sono instabili e continuamente formati e ridisciolti)
nucleo: gruppo di atomi di dimensione maggiore di quella
critica
energie coinvolte nei processi di
nucleazione
• energia libera di volume (trasformazione l-s)
• energia di superficie ( richiesta per formare il solido)
c’è un energia che si oppone alla formazione di
nuclei o embrioni,quella necessaria per formare la superficie
di nuove particelle. è relativa alla superficie della sfera (viene
assorbita energia)
energia totale associata alla formazione di un embrione
o nucleo ( somma dei due contributi)
variazione di energia tra liquido e solido per unità di volume di cristallo (è negativa perché
durante la trasformazione l’energia viene rilasciata)
per la solidificazione di un metallo puro:
• se le particelle hanno raggio < del raggio critico
(r*), l’energia del sistema si abbassa se esse si
sciolgono
• se hanno r>r* allora l’energia si abbassa quando
i nuclei si accresceranno per dare il cristallo
per cui l’energia totale sarà data dalla somma dei
due contributi
nucleazione eterogenea
è un tipo di nucleazione che avviene in un liquido
su impurezze o sulle pareti del suo contenitore
il ruolo delle impurezze è quello di abbassare
l’energia richiesta per formare un nucleo
efficiente
la nucleazione avviene chiaramente se
“l’impurezza” è immersa nel liquido che deve
solidificare (energia richiesta è minore)
crescita dei nuclei per dare cristalli
una volta formati i nuclei, questi si accrescono per dare un cristallo, 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 si avrà una situazione a grani fini (migliore
resistenza meccanica e uniformità)
per lo più i solidi sono policristallini, ovvero costituiti da tanti grani, che
generalmente sono orientati in modo casuale l’uno rispetto all’altro
quando invece la periodicità con cui sono disposti glia tomi nel reticolo si
estende a tutto il volume si ha un monocristallo
• grani equiassici: se i cristalli possono crescere nelle stesso
modo in tutte le direzioni (pareti lingottiera, molti nuclei)
• grani colonnari: allungati, irregolari e sottili, si hanno
quando il processo di solidificazione è lento e pochi nuclei
processi industriali
-
processo di colata semicontinua con raffreddamento diretto (Al e
acciaio) La colata semicontinua, invece, non avviene producendo
"senza fine in continuità" ma bloccando il getto in masse singole di
metallo. Questa lavorazione permette un raffreddamento più veloce e
diretto, con strutture metallurgiche ottimali per l'omogeneità delle
composizioni chimiche e la grana microcristallina, insieme ad elevati
ritmi di produzione e ad ampie scelte in relazione alle dimensioni dei
formati. Il metallo, raffreddato più velocemente, è trasformato in pani,
destinate a lavorazioni plastiche successive. (circa 5 mt)
-
colata continua: la colata continua è un processo di produzione
industriale in cui il metallo liquido viene fatto colare in una forma
ricavata in rame e raffreddata esternamente con acqua, facendolo
arrivare già solidificato alla fine del percorso. Dato che il pezzo colato, in
teoria, è senza fine, ed in pratica lungo molti centinaia di metri, esso va
tagliato a misura mediante una fiamma ad ossigeno e lasciato
raffreddare del tutto per effetto dell'aria.
affinatori di grano: per avere materiali con grani fini. Ti, B, Zr…..
solidificazione monocristalli
la solidificazione deve avvenire intorno ad un solo nucleo
diverse applicazioni richiedono l’uso di monocristalli (chip
di circuiti elettronici, crescita di monostrati, studi reazioni
chimiche….)
diversi modi di produzione asseconda dell’applicazione: la
scelta del metodo dipende principalmente dalla forma
che si vuole ottenere, dal metallo e dall’impiego previsto
• crescita fase gassosa tramite sputtering
• il metallo fuso viene forzato a solidificare su un germe
– metodo Bridgman: Ag, Au e Cu
– metodo Clavilier: Pt, fondendo l’estremità di un filo per
formare una goccia che solidificata da un monocristallo
crescita da metallo fuso secondo
metodo di Bridgman
metallo da fondere nel crogiolo di grafite è posto in un tubo di
quarzo (pompa a vuoto) che viene alloggiato nelle spire di un
forno a induzione. Dopo aver portato a fusione inizia il processo
di solidificazione
• ridotta velocità di spostamento delle spire (1mm/min)
• assenza di vibrazioni
fanno si che si ottenga un
monocristallo
per verifica: etching
con HNO3, si deve ottenere
una superficie perfettamente omogenea
la faccia di interesse viene poi isolata
o per abrasione o per taglio tramite una
sega; eventuale polishing meccanico
e annealing chimico
si verifica poi tramite diffrazione raggi X
struttura superfici monocristalline
piano (100)
se immaginiamo di tagliare un monocristallo
lungo una faccia determinata otteniamo un piano
in cui gli atomi sono disposti secondo la
geometria propria di quel piano
(100)
la cella elementare è individuata dalla
figura geometrica più piccola che può essere
spostata in entrambe le direzioni
parallelamente a se stessa
piano (111)
nel piano (111) gli atomi sono posti
ai vertici di un triangolo, che non è
una figura che può essere spostata
parallelamente a se stessa ricoprendosi
esattamente
si ha perciò un rombo
piano (110)
ne piano (110) si nota che è costituito da
filari atomici distinti e tra i due filari si
intravedono quelli sottostanti
facce più compatte
difetti cristallini
influenzano proprietà fisiche e meccaniche,
•difetti di punto
•difetti di linea
•difetti di superficie
DIFETTO DI PUNTO:
il difetto più semplice è la vacanza (1ogni 10000). Può
avvenire:
-per disturbi locali durante la crescita
-per riarrangiamenti
possono venire introdotte (raffreddamento
rapido,deformazioni) e quelle di non equilibrio hanno la
tendenza ad aggrupparsi facendo una vacanza più
grande (soprattutto a T alte, dove la mobilità è>)
difetto di punto particolare è
l’ autointerstiziale, cioè un atomo va ad
occupare una posizione interstiziale tra gli
atomi allineati nel cristallo
nei complessi ionici i difetti interstiziali sono
più complessi perché è necessario
mantenere l’elettroneutralità
bivacanza
catione-anione
il catione si muove in un sito interstiziale di un normale cristallo ionico
DIFETTI DI LINEA (dislocazioni)
sono distorsioni del reticolo intorno ad una linea
- a spigolo: si aggiunge un mezzo piano di atomi
- a vite: si forma in seguito ad applicazione verso l’alto e verso
il basso di sforzi di taglio nelle regioni di un cristallo che è
stato tagliato da un piano in sezione
- misto (più comune)
DIFETTI PLANARI
sono quelli relativi alle superfici
esterne, i bordi di grano,
spigoli tra grani, torsioni.
la superficie esterna è quella
più soggetta a erosione e
reazione con ambiente;
I bordi di grano si hanno
durante
il processo di solidificazione
quando i cristalli originati
da diversi nuclei
crescono insieme e
si incontrano
tra loro; la superficie dei bordi
dipende da quelli vicini. E’ una regione
di cattivo riarrangiamento atomico