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Energy Engineering - Metallurgia

Completed notes of the course

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1 CAPITOLO 1 – I LEGAMI CHIMICI E LA STRUTTURA DEI MATERIALI Le proprietà dei materiali dipendono dalla natura degli atomi , dallo stato di aggregazione e dalla tipologia dei legami. 1.1 Le forze e le energie di legame A grandi distanze gli atomi no n esercita no forze tra loro , a distanze ridott e esist ono forze attrattive e repulsive (evitare sovrapposizion i livelli energetici elettroni). ࣸछञदऍऀऑठठऍ (ञ)=޸߇ߔߏ߇ߖߖ߇ ߎቷߋߐߕߖ߃ߗߔ߃ߔߕߋ ߆ߋ ߗߐ ߎ߇߉߃ߏ߇ =ࣸछञदऍࣳठठञऍठठकढऍ (ञ)+ࣸछञदऍऄऑजडघटकढऍ (ञ)עࣷझडकघकऎञकछ ɩ ޮߑߔߜ߃޶߇ߖߖ߃ (ߔ)=ϸ ࣷचऑञओकऍऀऑठठऍ =ืࣸछञदऍऀऑठठऍ ऐञ ञ ఼ ɧ߆ߑߘ߇ Ě Ķ ߎ߃ ߆ߋߕߖ߃ߐߜ߃ ߃ߖߑߏߋ߅߃ =ࣷचऑञओकऍऄऑज ɪ+ࣷचऑञओकऍࣳठठञ ɪ L’equilibrio corrisponde al minimo dell’energia netta , in corrispondenza del quale si individua il valore E0 che rappresenta l’energia necessaria per rompere il legame e allontanare due atomi all’infinito . La forma della curva dell’energia di legame fornisce importanti informazioni sul composto. Una gola stretta e profonda implica un’elevata E 0 e di conseguenza elevate temperature di fusione , elevata rigidezza meccanica (alto modulo elastico) e basso coefficiente di espansione termica . Viceversa u na gola larga e meno profonda implica un E0 contenuto ed i composti sono caratterizzati da elevate dilatazioni termiche . ࣷच ɪऀऑठठऍ =ޭߐɪ޺߇ߒ ɪ+ޭߐɪީߖߖߔ ɪ=−ࣳ ञङ+ࣴ ञच (ީɧުɧߏ ߇߆ ߐ ߅ߑߕߖ߃ߐߖߋ ) 1.2 I legami atomici nei solidi I legami primari , o chimici, hanno un’energia di legame compresa tra 10 2 e 10 3 kJ/mol e sono suddivisi in: ionico, covalente e metallico . I legami secondari , o fisici, sono più deboli ed hanno un’energia di legame compresa tra 1 e qualche decina di kJ/mol. I legami primari sono utili per ottenere una struttura elettronica stabile, mentre i legami secondari, pur essendo più deboli dei primari, incidono sulle proprietà fisiche. 1.2.1 Il legame ionico È un legame coulombiano ed in questo caso l’elemento meno elettronegativo (metallo) cede l’elettrone di valenza a quello più elettronegativo ( non-metallo) . In questo modo si formano un catione ed un anione , che attraendosi forman o poi il legame. Gli elettroni sono impegnati a formare il legame, quindi non è possibile che conducano la corrente elettrica. Ogni catione è in grado di attrarre più anioni, ciò significa che si ha un legame adirezionale e ciò implica una struttura cristallina particolare: tendono a rompersi in modo fragile , sono resistenti ed hanno temperature di fusione elevate . 1.2.2 Il legame covalente È un legame che si forma tra elementi con elettronegatività simile . La configurazione stabile è assicurata dalla condivision e di uno o più elettroni di valenza. Anche in questo caso gli elettroni sono impiegati nel legame e quindi non conducono elettricità. Il legame è direzionale (congiungente dei nuclei) e si rompe in modo fragile. Una molecola caratterizzata da legame covalente è composta da atomi di diversa natura si comporterà da dipolo . Spesso i legami interatomici sono in parte ionici e in parte covalenti. Per determinare la percentuale di legame ionico si usa la formula: ंऑञएऑचठडऍघऑࣾऑओऍङऑࣻछचकएछ =෩Ϲ−߇௅஺ɧ஼ி(౗സ௅౗ഹ)಴෭×Ϲϸϸ ɧ߅ߑߐ μXμ=߇ߎ߇ߖߖߔߑߐ߇߉ ɪ 1.2.3 Il legame metallico Si ha un legame metallico quando ogni atomo fornisce i suoi elettroni di valenza , al massimo 3 , per originare una nuvola di elettroni che circonda gli ioni caricati positivamente . Questo legame è caratteristico dei metalli che hanno elettroni debolmente legati al nucleo. In sintesi, si tratta di un nuc leo ionizzato che viene schermato dallo sciame di elettroni. Il legame è identico in tutte le direzioni . Gli elettroni in questo caso si muovono liberamente all’interno del metallo permettendo la conducibilità elettrica. 1.2.4 I legami secondari Essi sono detti “ legami di Van der Waals ” e si originano tra molecole polari. Essi sono trascurabili in presenza di legami primari e sono importan ti nei polimeri. Sintesi tipologie dei legami Ceramici (Legame ionico e covalente) Elevata energia di legame Alta T m Alto E (modulo elastico) Piccolo α (coeff. espansione termica) Metalli (Legame metallico) Energia di legame variabile Moderata T m Moderato E Moderato α Polimeri (Covalente e secondari) Proprietà direzionali Domina il legame secondario Piccola T m Basso E Alto α Creep Il creep , o scorrimento viscoso , è un fenomeno che coinvolge materiali sottoposti, ad alte temperature, a sforzi costanti: in particolare il materiale comincia a “fluire”, o “scorrere”, e finisce per rompersi. Tale fenomeno si verifica, ad esempio, nelle lampadine al tungsteno. 1.3 Le strutture cristalline Quando una sostanza solidifica essa può formare sia una struttura amorfa , sia una struttura cristallina . Le strutture amorfe presentano , al massimo, un ordine cristallino a corto raggio, mentre le strutture cristalline hanno un ordine a lungo raggio. Le strutture cristalline hanno distanze interatomiche minori ed un legame più stabile. Una maggiore vicinanza degli atomi consente di minimizzare l’energ ia di legame diminuendo l’energia interna del composto . 2 1.3.1 I reticoli di Bravais L’unità , che se ripetuta forma il cristallo , è detta “ cella elementare ” e si definisce tramite i parametri di cella , ovvero le dimensioni della cella, e sono unici per ogni sostanza cristallina. Le celle elementari in natura sono 14 ma in metallurgia sono importanti: CCC, CFC, EC. 1.3.2 La cella cubica a corpo centrato (CCC) Il cromo, il tungsteno, il vanadio, il molibde no, il titanio (386°C