Vetri metallici

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Vetri metallici

• Nicola Piccinini

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Cosa vedremo

• Richiami alla teoria (come si fa un vetro)
• Breve storia dei vetri metallici
• Glass forming ability e parametri correlati
• Spessore
• Caratteristiche dei vetri metallici
• Impieghi e sviluppi futuri

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Richiami - Introduzione

• Per fare un vetro è necessario raffreddare il
  fluido impedendo la cristallizzazione
• Il processo di cristallizzazione consiste di
  nucleazione e di accrescimento

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Richiami - Nucleazione

• In breve, il lavoro per costruire un nucleo
  (sferico) di raggio R è

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Richiami - Nucleazione II
Si ha quindi
Ma
Per cui
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Richiami - Nucleazione III
La distribuzione dei nuclei allinterno della
fase liquida è boltzmaniana

• Il rate di nucleazione è dato da

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Richiami - Cristallizzazione
La frazione di liquido cristallizzata al tempo t
si può ricavare da
Supponendo un rate di raffreddamento lineare e
volendo Fltlt1 si ottiene
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Curve di trasformazione
Immagine tratta da 1
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Esempi di rate critici

• Polimeri cristallizzabili 1-10 K/s
• Aspirina 50 K/s
• GeO2 700 K/s
• SiO2 7E4 K/s
• H2O 1E7 K/s
• Ag 1E10 K/s

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Breve storia dei vetri metallici

• Nel 1960 fu sintetizzata una lega amorfa di
  Au-Si
• Leghe amorfe a base di Fe-, Co- e Ni-
  sintetizzate prima del 1990 richiedevano rate di
  raffreddamento di 1E5 K/s
• Leghe di Pd-Ni-P e Pt-Ni-P hanno rate critici di
  1E3 K/s
• Dal 1998 sono state create leghe a più componenti
  basate su Mg-, Ln-, Zr-, Fe-, Pd-Cu-, Pd-Fe-, Ti-
  e Ni-
• Il rate più basso è 0.1 K/s per Pd40Cu30Ni10P20

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Glass forming ability

• Criteri empirici
• Lega costituita da tre o più elementi
• Differenza tra le dimensioni atomiche dei
  componenti di almeno il 12
• Calore di mescolamento negativo tra i componenti

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Glass forming ability II

• Per una valutazione quantitativa della GFA
  vengono generalmente prese in considerazione le
  seguenti variabili
• Tg (temperatura di transizione vetrosa)
• TrgTg/Tmelt (Tg ridotta)
• ?TxTx-Tg (ampiezza della regione fluida
  sottoraffreddata)
• Rc (Rate critico di raffreddamento)

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?Tx
Immagine tratta da 3
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Relazioni tra Rc, Trg e ?Tx
Immagini tratte da 2
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Ancora relazioni tra Rc, Trg e ?Tx
Immagine tratta da 4
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Leghe eutettiche

• Poiché Tg varia poco con la composizione, per
  aumentare Trg si può ricorrere a leghe eutettiche

Immagini tratte da 1
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Un nuovo parametro per la GFA
In 2 gli autori effettuano le seguenti
considerazioni 1) Da un punto di vista di
devetrificazione ?Tx può indicare la resistenza
alla nucleazione e alla crescita della fase
cristallina. Poiché questultima è in
competizione con il processo di vetrificazione,
ad una alta ?Tx dovrebbe corrispondere una alta
GFA. Quindi, normalizzando a Tg, si dovrebbe
avere
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Un nuovo parametro per la GFA - II
2) Il parametro Tx/Tl aumenta allaumentare degli
stessi fattori che portano ad una diminuzione di
Rc (come laumentare della viscosità del liquido
sottoraffreddato). Quindi
Riassumendo
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Un nuovo parametro per la GFA - III
Introducendo
In conclusione si ha
Immagine tratta da 2
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Spessore
Dato lalto Rc necessario i primi vetri metallici
potevano essere prodotti in lamine sottilissime,
infatti un campione di dimensione tipica R per
raffreddarsi impiega un tempo
Con k dato da K/C, dove K è la conduttività
termica e C è la capacità termica per unità di
volume. Quindi il rate di raffreddamento
effettivo sarà
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Spessore - II
Con Tm-Tg400 K, K0.1 W/cm s-1 K-1 e C4
J/cm3 K-1 si ha
In 5 viene riportato uno spessore di 100 mm (!)
per Pd40Cu30Ni10P20 che corrisponde ad un Rc di
solo 0.1 K/s
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Caratteristiche
Immagini tratte da 5
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Caratteristiche - II

• A seconda del tipo di vetro possono essere
  esaltate alcune caratteristiche piuttosto che
  altre. In genere i vetri metallici hanno le
  seguenti caratteristiche
• Maggiore resistenza alla frattura e agli impatti
• Maggiore resistenza alla corrosione e allusura
• Proprietà magnetiche
• Facilmente modellabili

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Vetri metallici nanocristallini

• Se un vetro ha le seguenti caratteristiche
• Cristallizza in più stadi
• Ha siti di nucleazione omogenea in fase amorfa
• Crescita dei cristalli dovuta allaggiunta di
  atomi dal soluto inibita
• Alta stabilità termica della fase amorfa a
  fronte dellaggiunta di elementi provenienti
  dalla fase cristallina
• Allora può essere trattato in modo da formare un
  vetro nanocristallino

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Vetri metallici nanocristallini - II

• Per ottenere un vetro nanocristallino si può
  procedere tramite
• Ricottura
• Vetrificazione controllata

Immagini tratte da 5
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Vetri metallici nanocristallini - III
Immagine tratta da 5
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Vetri metallici nanocristallini - IV
Immagine tratta da 6
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Spunti di ricerca recente

• Schiuma di vetro metallico
• Vetri metallici ferromagnetici
• Vetri metallici nanocristallini
• Vetri metallici che si induriscono tramite
  stress (come lacciaio)
• Vetri metallici malleabili a temperature sotto i
  100 C

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Applicazioni
Immagine tratta da 5
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Applicazioni - II
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Bibliografia

• 1) H. A. Davies, in Amorphous Metallic Alloys,
  ed. F.E. Luborsky (Butterworths, London, 1983) p.
  8
• 2) Z. P. Lu, C. T. Liu, A new glass forming
  ability criterion for bulk metallic glasses, Acta
  Materialia, 50 (2002), 3501-3512
• 3) D. Y. Liu, W. S. Sun, A. M. Wang et Al,
  Journal of Alloys and Compounds, 370 (2004),
  249-253
• 4) A. Inoue, T. Zhang, T. Matsumoto,
  Glass-forming ability of alloys, Journal of
  Non-Crystalline Solids, 156-158 (1993), 473-480
• 5) A. Inoue, Stabilization of metallic
  supercooled liquid and bulk amorphous alloys,
  Acta Mater. 48 (2000), 279-306
• 6) A. Inoue, H. Kimura Fabrications and
  mechanical properties of bulk amorphous, nano,
  Journal of Light Materials, 1 (2001), 31-41
• 7) A. I. Salimon, M. F. Ashby et Al., Bulk
  metallic glasses what are they good for?,
  Materials Science and Ingeneering A 375-377
  (2004) 385-388

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Spunti di ricerca futura? D