"Metastabilità nei materiali: relazione tra tempo ed equilibrio"

1. Il Tempo della Scienza: Incontri del Giovedì 2011 "Metastabilità nei materiali: relazione tra tempo ed equilibrio" Alberto CastelleroUniversità degli Studi di Torino Dip. Chimica IFM & Centro NIS Giovedì 13 ottobre 2011 Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM)

2. Trasformazioni di fase: forza motrice termodinamica ed energia di attivazione • Equilibrio metastabile • Equilibrio instabile • Non equilibrio • Equilibrio stabile G: forza motrice termodinamica Q: energia di attivazione

3. 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

4. Nucleazione omogenea: effetto della temperatura L. Battezzati & A. Castellero, “Nucleation and the Properties of Undercooled Melts” Trans Tech Pubblications Inc., Zurich, Switzerland

5. Nucleazione omogenea: effetto della temperatura W.D. Callister Jr., Scienza ed ingegneria dei materiali, EDISES

6. Le trasformazioni fase nei sistemi metallici: velocità di crescita e cinetica di trasformazione W.D. Callister Jr., Scienza ed ingegneria dei materiali, EDISES

7. È possibile raggiungere uno stato metastabilesolo quando esiste un percorso cineticamente favorito rispetto a quello previsto dalla termodinamica Energizzazione del sistema  Raffreddamento rapido (tempra)

8. Il diagramma Ferro-Carbonio Equilibrio Termodinamico Fe3C  3Fe + C Diag. Fe-grafite (stabile) Diag. Fe-Fe3 (metastabile) W. Nicodemi, Metallurgia, Zanichelli

9. La trasformazione martensitica R.A. Higgins, Engineering Metallurgy, Arnold W. Nicodemi, Metallurgia, Zanichelli

10. La trasformazione martensitica W. Nicodemi, Metallurgia, Zanichelli • trasformazione di tipo “militare” (senza diffusione) • elevata velocità di trasformazione (10-4 s)

11. Martensite e proprietà meccaniche W.D. Callister Jr., Scienza ed ingegneria dei materiali, EDISES R.A. Higgins, Engineering Metallurgy, Arnold

12. Tempra degli acciai al carbonio M. Cavallini, Appunti di storia della metallurgia, Giada

13. Cenni storici sui fenomeni di precipitazione 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 precipitazione 1938: identificazione delle zone di Guinier-Preston

14. Al-Cu: diagramma di fase • Condizioni di equilibrio: • solubilità di Cu in Al ad alta T • coesistenza tra la soluzione solida  e -Al2Cu a bassa T • Condizioni di non equilibrio: • solubilizzazione di Cu in Al • tempra della soluzione solida • soluzione solida sovrassatura di Cu in Al a temperatura ambiente D.A. Porter & K.E. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys, 2nd ed., Chapman & Hall

15. Indurimento da precipitazione • zone di Guinier and Preston (GP): zone ricche in Cu • coerenti con la matrice . • Dischi con diametro 10 nm e • spessore 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 . D.A. Porter & K.E. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys, 2nd ed., Chapman & Hall

16. Energia libera ed energia di attivazione G*  3/Gv2 D.A. Porter & K.E. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys, 2nd ed., Chapman & Hall

17. Diagramma di fase metastabilee curve TTT D.A. Porter & K.E. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys, 2nd ed., Chapman & Hall

18. Vetri 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

19. http://www.youtube.com/watch?v=yzVJLba-Coc

20. Criteri 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 Holland L. Battezzati & A. Castellero, “Nucleation and the Properties of Undercooled Melts”, Trans Tech Pubblications Inc., Zurich, Switzerland

21. Curve TTT H.A. Davies in Amorphous Metallic Alloys, Luborsky ed., Butterworths

22. G. Kumar et al. Nature 457 (2009) 868

23. Livelli isoconfigurazionali

24. 298 K 77 K Rilassamento strutturale A. Castellero et al. Acta Mater. 56 (2008) 3777 D.I. Uhlenhaut et al., Phil. Mag.89 (2009) 233 Mg65Cu25Y10 amorfo Infragilimento con l’invecchiamento a temperatura ambiente

25. Proprietà meccaniche Leghe cristalline Cu46Zr47Al7 amorfo Elevato coefficiente di restituzione elastica A. Inoue, Acta Mater. 48 (2000) 279

26. Ringraziamenti Il Laboratorio di Metallurgia Livio Battezzati e Marcello Baricco Giuseppe Riontino Paola Rizzi e tutti gli altri: post-doc, dottorandi, studenti…