Metallurgia fisica, struttura atomica dei metalli

Comprendere la materia scomponendola in unità elementari, scoprire i legami e i fenomeni alla base della metallurgia fisica per l’impiego industriale.

Questo articolo introduce la metallurgia fisica, come risultato del mio studio su questa materia ampia e complessa, lasciando spazio e tempo per ulteriori e successivi approfondimenti.

Inserito dai docenti all’inizio del corso IFTS, questo argomento mi sembrava distante dalle funzioni di un disegnatore, ma presto ho capito che le conoscenze di un tecnico devono spaziare in diversi ambiti.

L’interesse è rivolto allo studio e alla comprensione dei meccanismi fondamentali che sono alla base dei fenomeni metallurgici. La loro conoscenza è estremamente importante per la valutazione della interazione dei parametri che controllano la qualità dei metalli e le loro caratteristiche di impiego.
 

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Tipi di materiali da costruzione

I materiali da costruzione vengono classificati in quattro gruppi:

Ceramici (ossidi e silicati): hanno una struttura cristallina, sono duri e fragili e cattivi conduttori di calore e di elettricità.

Polimerici: sono composti organici macromolecolari, sintetici o naturali, hanno scarsa stabilità dimensionale e densità; amorfi e facilmente modellabili, si deformano o bruciano con l’aumentare della temperatura.

Compositi: materiali composti dalla combinazione di almeno due materiali tra loro chimicamente differenti: rinforzo e matrice.

Metalli: hanno una struttura cristallina, buona resistenza meccanica, elevata densità e buona elasticità; sono deformabili, buoni conduttori di calore e di elettricità, sono opachi (non trasparenti).

Legame metallico

Il reticolo cristallino è una struttura molto regolare formata da una massa di ioni metallici positivi, equidistanti e immersi in una nube di elettroni negativi che hanno lasciato gli atomi trasformandoli appunto in ioni positivi. Tale teoria è chiamata Modello di Drude.

Questa struttura rende molto forte il legame di attrazione elettrostatico fra le cariche positive e quelle negative. Ciò spiega le caratteristiche proprie dei metalli quali l’alta densità, la non solubilità e i punti di ebollizione e fusione molto alti. La presenza di tale legame di natura elettrostatica non impedisce comunque lo scorrimento degli atomi esistenti in seguito a forti sollecitazioni meccaniche, la malleabilità e la duttilità dipendono proprio da questo scorrimento.

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Reticolo cristallino, struttura cristallina e celle unitarie

Da un esame ai raggi X, risulta che gli atomi dei metalli sono allineati ed equidistanti, assumendo una struttura regolare.

Se proviamo ad unire tramite segmenti i vari atomi si ottiene una struttura reticolare, detta reticolo cristallino, il quale si può considerare essere generato da una struttura semplice più volte ripetuta, chiamata cella elementare o unitaria. Nella cella elementare si possono trovare:

• atomi (sito dell’atomo)
• spazi interstiziali

Esistono 14 strutture cristalline definite da Auguste Bravais nel 1848, nei metalli le strutture più diffuse sono:

Cella Cubica a Corpo Centrato – CCC

Ci sono 2 atomi per cella, il 68% di spazio è occupato da atomi, lo spazio libero (tetraedrici e ottaedrici) rimanente è disposto in modo da lasciare spazi vuoti piccoli.

Cella Cubica a Facce Centrate – CFC

Ci sono 4 atomi per cella, il 74% di spazio è occupato da atomi, lo spazio libero (tetraedrici e ottaedrici) rimanente è disposto in modo da lasciare spazi vuoti più ampi rispetto alla cella CCC.

Cella Esagonale Compatta – EC

Ci sono 6 atomi per cella, il 74% di spazio è occupato da atomi, anche in questo caso, lo spazio libero (tetraedrici e ottaedrici) rimanente è disposto in modo da lasciare spazi vuoti più ampi rispetto alla cella CCC.

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Metalli e strutture cristalline, il ferro (Fe)

Nella tabella seguente è possibile conoscere le strutture cristalline dei metalli, in particolare del ferro puro in fusione che assume strutture diverse:

Nome	Sigla	Struttura
Bario	Ba	CCC
Cromo	Cr	CCC
Ferro Alfa ( raffreddamento 911 °C)	Fe-α	CCC
Ferro Delta (punto di fusione 1536 °C)	Fe-δ	CCC
Litio	Li	CCC
Molibdeno	Mo	CCC
Niobio	Nb	CCC
Potassio	K	CCC
Sodio	Na	CCC
Tantalio	Ta	CCC
Tungsteno	W	CCC
Vanadio	V	CCC
Alluminio	Al	CFC
Argento	Ag	CFC
Calcio	Ca	CFC
Ferro Gamma (raffreddamento 1392 °C)	Fe-γ	CFC
Nichel	Ni	CFC
Oro	Au	CFC
Palladio	Pd	CFC
Piombo	Pb	CFC
Rame	Cu	CFC
Berillio	Be	EC
Cadmio	Cd	EC
Cobalto	Co	EC
Magnesio	Mg	EC
Titanio	Ti	EC
Zinco	Zn	EC

Il ferro puro in fusione è allotropico (assume forme diverse) durante il raffreddamento:

Ferro Delta Fe-δ: a 1536°C (punto di fusione del ferro) verso il basso, la struttura cristallina è di tipo cubico a corpo centrato CCC  e rimane stabile fino a 1392°C

Ferro Gamma Fe-γ: a 1392°C la struttura cristallina cambia in cubico a facce centrate CFC  e rimane stabile fino a 911°C

Ferro Alfa Fe-α: a 911°C la struttura cristallina cambia nuovamente in cubico a corpo centrato CCC e rimane stabile (ferromagnetico fino alla temperatura di 769°C)

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Fusione e solidificazione dei metalli

Un metallo fuso inizia a solidificarsi formando i seguenti elementi:

• Embrioni (primo avvicinamento di atomi)
• Nuclei (nucleazione, cominciano a formarsi le prime strutture cristalline stabili)
• Accrescimento (i nuclei si aggregano alle strutture più grandi seguendo le strutture cristalline)
• Grani

I nuclei solidificati attraggono gli atomi di liquido circostanti accrescendo il proprio volume; in tal modo a solidificazione avvenuta si genera il grano cristallino.

Il metallo solidificato è un aggregato di grani avente forma irregolare e bordi frastagliati. Le impurità del materiale di fusione si raccolgono lungo i bordi dei grani sotto forma di materia amorfa, la cui resistenza meccanica a bassa temperatura è considerevole.

La crescita dei grani dei metalli è di tipo dendritico (dal greco dendrite, arboreo, a forma arborescente) come quella del ghiaccio, sono visibili i bordi dei grani che durante la crescita entrano in contatto tra di loro.

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Difetti cristallini

Difetti di punto (puntuali)

• Vacanza: mancanza di un atomo proprio del materiale in un sito del reticolo
• Autointerstiziale: atomo proprio che occupa uno spazio interstiziale
• Sostituzionale: atomo estraneo che occupa un sito di atomo proprio
• Interstiziale: atomo estraneo che occupa uno spazio interstiziale

Difetti di linea (dislocazioni)

• Dislocazione a spigolo: una porzione del reticolo, delimitata da un piano detto fronte di separazione o piano di scorrimento, scorre sulla porzione sottostante secondo una direzione parallela al piano. Si ha quindi una configurazione deformata, caratterizzata dal fatto che si ha un intero piano di atomi della porzione dislocata che non ha corrispondenza nella zona non dislocata e quindi, a causa del disordine locale che si verifica tra gli atomi disposti da una parte e dall’altra del piano si verifica uno stato di tensione.
• Dislocazione a vite: lo scorrimento interessa solo una parte del cristallo.
• Dislocazione mista: a spigolo + a vite

Difetti di superficie

• Processo di solidificazione: i grani, di forma poligonale irregolare, hanno un orientamento nello spazio differente rispetto a quella dei grani che lo circondano. Si forma quindi una zona di confine, di transizione, un difetto visibile detto bordo grano. Ricordiamo che le zone di confine tra i grani hanno una resistenza alla deformazione plastica maggiore rispetto all’interno dei grani stessi.

Incrudimento a freddo

L’aumento delle dislocazioni può essere provocato con deformazioni meccaniche a freddo, le deformazioni plastiche facilitano lo scorrimento dei piani cristallini che si spostano attraverso il materiale.

A bassa temperatura questi difetti tendono a moltiplicarsi e ad accumularsi quando il materiale viene lavorato (ad esempio a causa del meccanismo di Frank-Read), finendo per interferire tra loro, bloccandosi a vicenda, incrementando i difetti puntiformi ed aumentando quindi la resistenza meccanica.

Le dislocazioni in movimento si accumulano contro i bordi di grano (che sono barriere al moto delle dislocazioni), provocandone la rottura. Il risultato di tale sconvolgimento è la deformazione dei grani cristallini e il loro allungamento nella direzione dello sforzo.

L’effetto è sfruttato per migliorare le proprietà meccaniche dei prodotti in campo elastico, come le corde da chitarra e le molle.

Grana fine e grossa

I tipi di grani cristallini che si possano formare dipendono dalla velocità di raffreddamento, se la velocità di raffreddamento è lenta si formano pochi embrioni di solidificazione che, sviluppandosi formano grani grossi cristallini, struttura a grana grossa; una rapida velocità di raffreddamento provoca la formazione di molti embrioni di solidificazione che sviluppandosi creano piccoli grani cristallini, struttura a grana fine.

In generale, a bassa temperatura:

• grana grossa = maggiore duttilità e minore resistenza
• grana fine = maggiore resistenza e minore duttilità (ci sono più bordi e più materia amorfa che conferisce resistenza)

Ad alta temperatura, un materiale monocristallino (un solo grano) è più resistente (palette delle turbine).

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Nel prossimo articolo dedicato alla metallurgia fisica, si parlerà delle leghe di ferro (ghise e acciai) con diagramma ferro-carbonio (Fe-C).