Migliorare le proprietà delle leghe: nuovi metodi

I ricercatori  della Swanson School of Engineering dell’Università di Pittsburgh hanno pubblicato un metodo per migliorare le proprietà delle leghe sfruttandone i difetti. Sono infatti allo studio metodi per ottenere leghe metastabili adatte a un’ampia gamma di applicazioni in grado di superare il ben noto compromesso tra resistenza e duttilità. I difetti e le imperfezioni sono generati da diverse tecniche di fusione come risultato delle fasi del processo, delle proprietà della lega e della forma dello stampo

Difetti

Per difetti si intendono discontinuità nella struttura che favoriscono la propagazione della cricca quando è applicata una pressione o un urto. Vi sono difetti particolarmente importanti

L’esistenza di piani di scorrimento in una struttura tridimensionale regolare può provocare la propagazione delle cricche.  Questi sono i piani che possono essere tracciati tra fogli di atomi o molecole sferici anche nei solidi cristallini più perfetti. Lo scorrimento lungo questi piani fornisce un meccanismo naturale per il cambiamento della forma del solido sotto l’influenza della pressione. I piani di scorrimento possono essere molto utili perché consentono a un metallo di deformarsi lentamente sotto pressione, una proprietà che è alla base della duttilità.

Se il solido è costituito da due componenti diversi e incompatibili segregati in microdomini, la propagazione della cricca può verificarsi lungo le interfacce tra i due componenti. Pertanto, in un solido costituito da due o più fasi la forza dipende dalla coesione tra diversi domini, che può essere chimica o meccanica. Se i domini scivolano l’uno sull’altro quando è applicata la pressione, il materiale cederà, a volte improvvisamente. Questo concetto si applica alle leghe metalliche in cui una fase si è cristallizzata all’interno di un’altra.

La propagazione della cricca può essere arrestata se un difetto di espansione incontra un dominio separato che fissa insieme i due lati della cricca

I  difetti sulla superficie di un solido possono avere un’influenza importante sulla resistenza. Anche un solido omogeneo, come un vetro inorganico o polimerico, si frantuma più facilmente all’impatto se sono presenti graffi sulla superficie. Questi difetti fungono da siti per la concentrazione della sollecitazione e dell’energia d’urto e danno inizio a cricche, che poi si propagano rapidamente attraverso il solido.

TRIP e TWIP

Per ottenere un metodo per migliorare le proprietà delle leghe sfruttandone i difetti gli scienziati hanno preso in considerazione due metodi utilizzati per creare leghe forti e duttili: TRIP e TWIP

TRIP sta per plasticità indotta dalla trasformazione, che implica una trasformazione di fase nel materiale, tipicamente quando è applicata una sollecitazione. Le leghe così ottenute sono note per possedere un’eccezionale combinazione di resistenza e duttilità.

TWIP  sta per plasticità indotta dal gemellaggio in cui una lega può deformarsi sia per scivolamento di dislocazioni individuali che per gemellaggio meccanico.

Queste due tecniche utilizzano i cambiamenti nella microstruttura che si verificano sotto pressione, che causano alcuni difetti nel materiale, per formare difetti intenzionali che migliorano la resistenza.

Metodo CALPHAD

Il termine sta per CALculation of PHAse Diagrams e indica in metodo importante per la modellazione delle proprietà termodinamiche e dei diagrammi di fase dei sistemi multicomponente

Un diagramma di fase è un diagramma in cui si riporta la temperatura e la composizione di un sistema chimico. Mostra le regioni in cui le fasi sono stabili e le regioni in cui due o più fasi coesistono. Costituiscono un mezzo per prevedere lo stato di un sistema in diverse condizioni.

Nei sistemi complessi, sono impiegati metodi computazionali come CALPHAD per modellare le proprietà termodinamiche per ciascuna fase e simulare il comportamento di fase multicomponente. Tale approccio si basa sul fatto che un diagramma di fase indica le proprietà termodinamiche di equilibrio del sistema, che sono la somma delle proprietà delle singole fasi. È quindi possibile calcolare un diagramma di fase valutando prima le proprietà termodinamiche di tutte le fasi in un sistema.

La scoperta

Gli scienziati per ottenere un metodo per migliorare le proprietà delle leghe sfruttandone i difetti si sono avvalsi del metodo CALPHAD supportati dai calcoli della teoria funzionale della densità. Tramite queste metodologie si sono acquisite conoscenze fondamentali. Esse possono essere applicate allo sviluppo di leghe metastabili con TRIP/TWIP per una migliore sinergia forza-duttilità.

La comprensione della microstruttura instabile in modo da prevedere l’instabilità, e si possono utilizzare i difetti per aumentare ulteriormente la resistenza e l’allungamento. Il materiale risultante è quindi auto-rafforzante

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