"metastabilità nei materiali: relazione tra tempo ed equilibrio"
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"Metastabilità nei materiali:relazione tra tempo ed equilibrio"
Alberto Castellero Università degli Studi di TorinoDip. Chimica IFM & Centro NIS
Il Tempo della Scienza: Incontri del Giovedì 2011
Giovedì 13 ottobre 2011Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM)
Trasformazioni di fase:forza motrice termodinamica ed energia di attivazione
(a) Equilibrio metastabile(b) Equilibrio instabile(c) Non equilibrio(d) Equilibrio stabile
G: forza motrice termodinamicaQ: energia di attivazione
La solidificazione di un metallo puro:Nucleazione omogenea della fase
cristallina
r* /Gv
G* 3/Gv2
Gv= Hf(Tf-T)/Tf
W.D. Callister Jr., Scienza ed ingegneria dei materiali, EDISES
Nucleazione omogenea: effetto della temperatura
L. Battezzati & A. Castellero,“Nucleation and the Properties of Undercooled Melts”Trans Tech Pubblications Inc., Zurich, Switzerland
700 800 900 1000
0
5
10
15 (b)
G*/
10-1
9 Jo
ule
per
nu
cleu
s
T/K
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0
5
10
15
nucleus radius/ nm
Gn (r)/ 10
-19 Jou
le per n
ucleu
s
(a)
1000K 850K 700K
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
700
800
900
1000(c)
T/K
critical radius/ nm
Nucleazione omogenea: effetto della temperatura
W.D. Callister Jr., Scienza ed ingegneria dei materiali, EDISES
Le trasformazioni fase nei sistemi metallici:velocità di crescita e cinetica di trasformazione
W.D. Callister Jr., Scienza ed ingegneria dei materiali, EDISES
Energizzazione del sistema
Raffreddamento rapido
(tempra)
È possibile raggiungere uno stato metastabile soloquando esiste un percorso cineticamente favorito rispetto
a quello previsto dalla termodinamica
Il diagramma Ferro-Il diagramma Ferro-CarbonioCarbonio
Diag. Fe-Fe3
(metastabile)
Diag. Fe-grafite(stabile)
EquilibrioTermodinamicoFe3C 3Fe + C
W. Nicodemi, Metallurgia, Zanichelli
La trasformazione martensitica
W. Nicodemi, Metallurgia, Zanichelli
R.A. Higgins, Engineering Metallurgy, Arnold
La trasformazione martensitica
• trasformazione di tipo “militare” (senza diffusione)• elevata velocità di trasformazione (10-4 s)
W. Nicodemi, Metallurgia, Zanichelli
Martensite e proprietà meccaniche
R.A. Higgins, Engineering Metallurgy, Arnold
W.D. Callister Jr., Scienza ed ingegneriadei materiali, EDISES
M. Cavallini, Appunti di storia della metallurgia, Giada
Tempra degli acciai al carbonio
Cenni storici sui fenomeni di Cenni storici sui fenomeni di precipitazione nelle leghe di Alprecipitazione nelle leghe di Al
1906: prima osservazione dell’effetto da indurimento da precipitazione (Wilm)1909: inizio produzione industriale della lega “duralumin”(3-4 wt.% Cu, 0.5-1 wt.% Mn, 0.5-1.5 wt.% Mg,) 1919: teoria dell’indurimento da precipitazione1938: identificazione delle zone di Guinier-Preston
Al-Cu: diagramma di faseAl-Cu: diagramma di fase
Condizioni di non equilibrio: • solubilizzazione di Cu in Al• tempra della soluzione solida• soluzione solida sovrassatura di Cu in Al a temperatura ambiente
Condizioni di equilibrio: • solubilità di Cu in Al ad alta T• coesistenza tra la soluzione solida e -Al2Cu a bassa T
D.A. Porter & K.E. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys, 2nd ed., Chapman & Hall
Indurimento da precipitazioneIndurimento da precipitazione
D.A. Porter & K.E. Easterling, Phase Transformationsin Metals and Alloys, 2nd ed., Chapman & Hall
• zone di Guinier and Preston (GP): zone ricche in Cucoerenti con la matrice .Dischi con diametro 10 nm espessore di 2 piani atomici.• ’’: struttura tetragonale coerente con la matrice .“Piattelli” con diametro 100 nm e spessore di 10 nm.• ’: struttura tetragonale semi-coerente con la matrice .“Piattelli” con diametro 1 m.• : struttura tetragonale incoerente con la matrice .
Energia libera ed energia di attivazioneEnergia libera ed energia di attivazione
G* 3/Gv2
D.A. Porter & K.E. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys, 2nd ed., Chapman & Hall
Diagramma di fase metastabileDiagramma di fase metastabilee curve TTTe curve TTT
D.A. Porter & K.E. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys, 2nd ed., Chapman & Hall
Vetri metalliciVetri metallici
1960: sintesi del primo vetro metallico (Au75Si25 )da parte di Pol Duwez e collaboratori (CALTECH)mediante rapida solidificazione
Velocità di tempra: 106 K/s
R.W. Cahn & A.L. Greer in Physical Metallurgy (Haasen & Cahn eds.), North Holland
http://www.youtube.com/watch?v=yzVJLba-Coc
Criteri per l’amorfizzazioneCriteri per l’amorfizzazione
• bassa forza motrice G• elevata viscosità• bassa temp. fusione
R. Busch et al., J. Appl. Phys. 83 (1998) 4134
R.W. Cahn & A.L. Greer in Physical Metallurgy(Haasen & Cahn eds.), North Holland0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
-4
0
4
8
12
log
(/
Pa
s)
Tg/T
BeF2 (strong glass) Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5 Fe40Ni40P14B6 o-terphenyl (fragile glass)
L. Battezzati & A. Castellero,“Nucleation and the Properties of Undercooled Melts”, Trans Tech Pubblications Inc., Zurich, Switzerland
Curve TTTCurve TTT
H.A. Davies in Amorphous Metallic Alloys, Luborsky ed., Butterworths
cristalloamorfo
liquidosottoraffreddato
Tx
Tg
Flu
sso
di c
alo
re (
u.a
.)
T (u.a.)G. Kumar et al. Nature 457 (2009) 868
Livelli isoconfigurazionaliLivelli isoconfigurazionali
Rilassamento strutturaleRilassamento strutturale298 K
77 K
Mg65Cu25Y10 amorfo
Infragilimento con l’invecchiamentoa temperatura ambiente
0.1 1 10
0
20
40
60
80
100
Def
orm
azio
ne
a p
ieg
amen
to (
%)
Tempo d'invecchiamento (ore)
A. Castellero et al. Acta Mater. 56 (2008) 3777D.I. Uhlenhaut et al., Phil. Mag. 89 (2009) 233
Proprietà meccanicheProprietà meccaniche
0.00 0.01 0.02 0.03 0.040
400
800
1200
1600
2000 tratto elastico!
Sfo
rzo
(M
Pa)
Deformazione
Elevato coefficiente di restituzione elastica
Cu46Zr47Al7
amorfo
Leghe cristalline
A. Inoue, Acta Mater. 48 (2000) 279
RingraziamentiRingraziamenti
Il Laboratorio di Metallurgia
Livio Battezzati e Marcello BariccoGiuseppe Riontino
Paola Rizzi
e tutti gli altri: post-doc, dottorandi, studenti…
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