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Definitione di solidi Amorfi
• I Solidi Cristallini hanno un ordine a lungo raggio, cioè gli atomi sono disposti in modo
regolare ripetendo nelle 3 direzioni nello spazio la “cella elementare”. Bravais ha dimostrato che
esistono 14 possibili configurazioni della cella elementare. Per i metalli le configurazioni più
diffuse sono 3: ccc, cfc, ed e.c.
•Le leghe solide con un arrangiamento atomico come un liquido sono chiamate o vetri
metallici o metalli amorfi: un vetro è, nel senso letterale, un liquido che è stato congelato in uno
stato “solido” senza cristallizzare, mentre un materiale con la stessa struttura ottenuto con un
qualche processo diverso dal semplice raffreddamento è detto amorfo.
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Infatti, per ottenere un “vetro” è necessario abbassare la temperatura del metallo fuso fino alla
temperatura di transizione vetrosa (Tv), temperatura alla quale gli atomi non sono più in grado di
muoversi con ampie traslazioni ma possono solo effettuare piccoli movimenti di natura termica attorno
alla loro posizione di equilibrio a causa della viscosità alta. Il problema consisteva nel fatto che questa
temperatura (Tv) era ben al di sotto della temperatura di solidificazione e quindi prima che il liquido la
potesse raggiungere il metallo solidificava con struttura cristallina. E’ stato dimostrato infatti che nei
solidi esiste una fase cristallina più stabile di quella amorfa; lo stato cristallino ha un’energia libera
minore e quindi è favorito dal punto di vista termodinamico. Anche nel caso del vetro comune (a base
di silicati) si ha la tendenza spontanea del materiale alla struttura cristallina ma i tempi necessari per la
trasformazione sono lunghissimi (è questo il motivo per cui vetri che datano secoli tendono a
rompersi). Per scavalcare il problema si è quindi dovuto agire sulla cinetica della trasformazione.
Per formarsi un solido cristallino, raggiunta la T di solidificazione, ha bisogno di un certo tempo: si
formano prima dei cluster, nuclei di pochi atomi in configurazione cristallina, che agiscono da centri di
aggregazione per gli altri atomi; la solidificazione avviene per la successiva crescita del solido
cristallino attorno a questi cluster.
Se quindi si fa solidificare un metallo fuso con una velocità tale da raggiungere la Tv prima della
formazione dei cluster allora si ottiene un liquido congelato in una struttura amorfa.
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PRINCIPALI METODOLOGIE PER LA PRODUZIONE
DEI METALLI AMORFI
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I materiali amorfi possono essere ottenuti partendo da un solido un liquido o un gas. .
Raffreddamento dal liquido:
1) Melt spinning:
un getto di fuso è proiettato contro una ruota di Cu raffreddata, rotante con una velocità di circa
200 m/s; così facendo, il metallo subisce un raffreddamento che può raggiungere un milione di
gradi al secondo; si ottiene un nastro di materiale amorfo.
Melt spinning
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2) Piston-and-anvil metodo: si fa fuoriuscire il fuso a gocce, queste vengono
bloccate tra due piatti che sono portati in rapida collisione. Si ottiene un disco di
materiale amorfo.
.
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3) Twin- roller metodo: consiste nel far passare un getto di metallo fuso nello
spazio lasciato fra due ruote rotanti in senso opposto. Si ottiene un nastro di
materiale amorfo.
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4) Atomizzazione: un getto di metallo fuso viene colpito da gas inerte in pressione
o liquido a bassa temperatura che fa solidificare velocemente le goccioline di
metallo formando una struttura amorfa. Si ottiene così una polvere di materiale
amorfo.
5) Rotating water spinning process: un piccolo getto di metallo viene iniettato in
un toro d’acqua rotante per ottenere un filo di materiale amorfo.
• Con tutti questi metodi è necessario prelevare calore velocemente dal metallo
fuso: nel caso dei nastri o dei fogli amorfi lo spessore tipico è di 20-50 mm; i fili
hanno un diametro di 50-100 mm, le polveri hanno un diametro di circa 20-100
mm.
• Le velocità di raffreddamento variano con le dimensioni del fuso, le metodologie
di raffreddamento (ad esempio la velocità di rotazione della ruota) ecc..; sono
dell’ordine si 104-107 Ks-1.
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Partendo da un solido: tramite, impiantazione ionica, diffusione allo
stato solido, irraggiamento, ball milling, deposizione elettrolitica, trattamenti laser.
1) Trattamento laser: tramite un fascio laser focalizzato su di una piccola superficie
di un metallo solido si porta a fusione la zona interessata. Il metallo solido
sottostante sottrae calore dall’area fusa con velocità elevata.
2) Deposizione elettrolitica: nel 1950 fu depositato per la prima volta uno strato di
materiale in forma amorfa (Ni-P con 10at%P) per ottenere un coating ultra-hard.
Anche leghe Co-W-B sono candidate per essere usate come coating amorfi. E’
stato ottenuto anche un coating di Cr amorfo eletttrodepositato, con un’elevatissima
durezza, partendo da una soluzione di acido cromico con aggiunta di additivi. Alcuni
materiali organici come il polyacetilene può essere usato come catalizzatore per
l’elettrodeposizione di materiali amorfi quali: Ni-Co-B e Ni-Co-P.
3) Impiantazione ionica: un gran numero di fasi amorfe sono state ottenute tramite
impiantazione con alta energia di ioni di soluto in superfici metalliche. Ad esempio si
è ottenuto uno strato amorfo, resistente all’usura, impiantando ioni di Ti e C in
superfici di Fe.
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4) Irraggiamento: un certo numero di composti intermetallici sono stati “amorfizzati” tramite
irraggiamento con elettroni ad alta energia (2MeV) o ioni pesanti come Ni+. Si ottiene così una
distruzione non completa dell’ordine cristallografico a lungo raggio.
5) Ball milling: è un processo che combina deformazione con mescolamento. Una piccola
quantità di polvere è messa in un contenitore rotante o vibrante contenente un certo numero di
palline di acciaio indurito. Questa tecnica è usata anche per legare meccanicamente due
metalli. Nel caso di Ni e Ti la reazione di amorfizzazione si ha direttamente tra le zone di Ni e
Ti che vengono in contatto durante la macinazione. Il disordine viene indotto meccanicamente.
6) Interdiffusione e reazioni: fu scoperto nel 1983 da Schwarz e Johnson che si poteva
ottenere la formazione di una lega amorfa grazie all’interdiffusione tra due metalli puri
policristallini. Si depositarono strati successivi di Au e La di 10-50 nm di spessore, e fu fatto un
trattamento termico a bassa T (50-100°C): la composizione finale delle fasi miste dipendeva
dallo spessore relativo dei due film sovrapposti. Il fenomeno dipende dalla diversa velocità di
diffusione di un elemento nell’altro: l’Au è l’elemento che diffonde più velocemente nel La (di
diversi ordini di grandezza più veloce dell’autodiffusione del La).
Per comprendere meglio il fenomeno dell’interdiffusione si è messo a punto un studio (1990
da Greer et.al.) su sistemi Ni-Zr. Si è studiata la diffusività dello Zr in un amorfo (a-Ni65Zr35) a
varie temperature: a 573K la diffusività dello Zr nel solido amorfo è circa 106 volte più piccola
di quella del Ni. Questa disparità è attribuita alla diversa grandezza degli atomi di Ni e Zr. Una
conseguenza di una diffusione molto veloce di un costituente in uno strato amorfo è la
formazione di vacanze nello strato. Molte leghe Zr-M (con M=Mn,Fe,Cr,Co,Ni, Cu, Be) sono
glass-formers perché mostrano una diffusione molto veloce dovuta al fatto che il soluto è
molto più piccolo del solvente.
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Partendo dalla fase gassosa
Raffreddando velocemente la fase gassosa tramite: thermal evaporation, sputtering,
Chemical Vapor Decomposition.
La condensazione di un metallo su di un substrato freddo è equivalente ad una
tempra ultrarapida dal fuso. Negli anni ’30 un fisico (Kramer) disse di aver generato
un Sb amorfo utilizzando la tecnica dell’evaporazione. Più tardi (Buckel e Hilssch)
furono fatti evaporare altri metalli quali: Bi, Ga e leghe Sn-Cu su di un substrato
tenuto a 4 K. Continuò negli anni il dibattito se i risultati dei vari esperimenti fossero
materiali con un grano ultrafine o se fossero realmente amorfi. Finalmente negli anni
’80 tramite misure con un calorimetro differenziale a scansione si è potuto
distinguere i casi in cui si trattava di materiali microcristallini e i casi in cui si trattava
di amorfi.
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• Principali criteri per ottenere vetri metallici
Le combinazioni più favorevoli di elementi per ottenere vetri metallici è riassunto
nella figura seguente.:
Si possono distinguere 5 categorie principali:
• la classe 1 comprende vetri composti da metallo+metalloide (i primi); facili da
ottenere tramite solidificazione rapida; consistono in piccoli atomi di soluto tra
grandi atomi di metallo, la concentrazione di metalloidi è in genere intorno al
20at%. 2 di questi : Pb40Ni40 P20 e Pb77.5Cu6Si16.5 possono essere ottenuti anche
con basse velocità 1K/s se si riesce a evitare la nucleazione eterogenea su una
superficie tramite metodi appropriati.
• Invece la categoria 4 (Be-bearing glasses) è interessante per la potenziale
bassa densità, alta resistenza di rinforzo dei nastri ma difficili da ottenere per la
presenza del Be. 3,5 non sono di minor interesse.
Classificazione nelle leghe vetrose
(BMG =Bulk Metall Glass)
Un criterio di fu elaborato per la prima volta da Inoue nel
2000, prevedeva una divisione in cinque gruppi,
focalizzata sulle caratteristiche degli elementi costituenti
nel rispetto delle specie chimiche e delle differenti
dimensioni atomiche che risulta particolarmente utile per
la comprensione delle proprietà dei BMG: G-I, G-II, G-
III, G-IV, G-V. I primi quattro gruppi sono composti da
tre, tra cinque diverse tipologie di elementi: la prima
metà dei metalli di transizione (ETM), lantanoidi (Ln), la
seconda metà dei metalli di transizione (LTM), i metalli
semplici, i metalloidi e la terna di elementi Al,Ga,Sn. I
vetri metallici di G-III costituiscono una eccezione e
risultano poter formare anche sistemi multicomponenti
costituenti diversi elementi costitutivi. Il gruppo G-V è
formato considerando solo due tipologie di elementi:
LTM e i metalloidi.
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Per quanto riguarda il range di
composizione per ottenere strutture
amorfe partendo da due componenti con
diverse tecniche è riportata la seguente
figura raffigurante il sistema Co-Zr: ad
esempio il melt spinning (m.s) favorisce la
formazione di fasi amorfe vicino alla
composizione eutettica.
In un dato sistema di lega il range di
composizione, nel quale si può ottenere
un vetro, dipende, nel caso della
solidificazione rapida, dalla velocità di
raffreddamento.
Esiste una velocità critica di
raffreddamento che è necessario superare
per evitare la nucleazione della fase
cristallina e quindi il naso delle curve
T.T.T. quindi è importante scegliere la
metodologia giusta per ogni lega.
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• La diffusione è un processo essenziale nei meccanismi di amorfizzazione allo
stato solido. Nel successivo grafico è riportata la dipendenza della diffusività di
diversi metalli in due vetri metallici (a); nel grafico (b) è mostrata la diffusività di
alcuni metalli in una lega amorfa Ni-Zr con un contenuto di Ni 50-65 at% in
funzione del volume atomico della specie diffondente.
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PRINCIPALI PROPRIETA’ DEI
METALLI AMORFI Nei materiali metallici cristallini l’ordine geometrico nell’impacchettamento atomico
determina una certa direzionalità o anisotropia delle proprietà meccaniche, elettriche
e magnetiche mentre i vetri metallici presentano una certa isotropia perché si
possono considerare sostanzialmente omogenei anche su larga scala;
Proprietà Chimiche: Buona resistenza alla corrosione: nei vetri a
base di Fe la resistenza alla corrosione
è migliorata dall’aggiunta di soluti metallici quali
Cr e Mo. Ad esempio a-Fe72Cr8P13C7 passiva
spontaneamente in 2N HCl a temperatura
ambiente.
Ossidazione selettiva o assorbimento di idrogeno in
vetri come Ni-Zr, Cu-Zr, Pd-Zr modifica la loro
superficie.
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Prova di trazione su vetro metallico integralmente
amorfo e lega di Ti-6Al-4V:
-Ti31.7Zr3.6Cu43-X (amorfo puro di Ti) e Ti-
6V-4Al, S45C (acciaio) e A5056;
-UTS Ti-BMG superiori del 30% rispetto
alle leghe di Ti-6Al-4V e due volte maggiori
delle altre leghe convenzionali
-modulo elastico E simile per le due leghe di
titanio analizzate;
-diverse modalità di rottura;
-Inclinazione elevata Ti-BMG rispetto a
Ti64 e S45C;
-Il limite a fatica associato alla lega
amorfa è il più basso tra quelli ottenuti
dalla prova ;
PROVA DI TRAZIONE:
PROVA DI FATICA:
Buone proprietà meccaniche: alta resistenza e tenacità combinata con una buona
rigidezza.
Usati come rinforsi in compositi e utensili da taglio (lame rasoio, aghi per interventi
agli occhi).
Alcuni vetri metallici hanno dimostrato una buona resistenza a fatica per piegatura.
Materiale di rinforzo per pneumatici: tramite melt-spinning sono stati ottenuti fili di
0.1mm di diametro con Fe-Si-B amorfa: alta resistenza, buona adesione con la
gomma, eccellente resistenza alla fatica e alla corrosione.
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Proprietà Meccaniche
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laminette per trasformatori: in figura si confronta il comportamento di un vetro
metallico con un materiale cristallino (Fe 3%wt Si): minore isteresi e più alta resistività
elettrica che riduce eddy current.
Un esempio è «Metglas 2605 SC» (Fe81B13.5Si3.5C2).
non presentano domini di Weiss, quindi perdono quasi istantaneamente
un’eventuale magnetizzazione precedentemente acquisita. Per questo motivo
trovano applicazione nel campo dell’informatica;
.
Proprietà magnetiche
Aspetti limitanti:
Scarsa deformabilità in regime plastico e
conseguente rottura di schianto;
Impossibilità di ottenere componenti di
dimensioni estese per via dei processi
tecnologici impiegati per raggiungere la
configurazione amorfa;
Elevato costo di produzione;
Al fine di garantire una migliore duttilità e resistenza alla frattura sono
state fatte precipitare strutture cristalline dentritiche nella matrice
continua vetrosa della lega e per riuscire nella realizzazione di questi
compositi è risultato necessario effettuare la seguente serie di passaggi:
i) Identificare una lega vetrosa di Ti che potesse essere utilizzata per
questa procedura;
ii) Creare una microstruttura bifasica parzialmente cristallizzata di dentriti
e di liquido;
iii) Garantire che il modulo G associato alla componente cristallina fosse
inferiore a quello della matrice vetrosa;
Leghe bifasiche di Ti-BMG: Risultati delle prove di trazione condotte
su diverse tipologie di composti bisafici;
-Per delineare un quadro più ampio sono
state prese in considerazione anche la
lega Ti-6Al-4V e CP-Ti di 2 ° grado;
Leghe bifasiche di Ti-BMG:
Di seguito riportiamo le caratteristiche e le composizioni dei materiali utilizzati nello studio della CalTech:
i) DV1 (Ti48Zr20V12Cu5Be15): caratterizzato da una densità media m media di 5.15 g/cm3, una percentuale di
composizione amorfa pari al 53% di Ti32Zr25V5Cu10 Be28 e la parte cristallina al 47% di Ti66V19Zr14Cu1. Raggiunge
una deformazione totale pari al 12.5% e valori della tensione di rottura di 1.4 GPa. Dal grafico si vede che il DV1 è
sottoposto ad una estesa fase di incrudimento prima che occorra il fenomeno del necking e la conseguente frattura
del provino.
ii) DV2 (Ti44Zr20V12Cu5Be19): è il composito con maggiore resistenza che mostra ancora allungamento finale
superiore al 5%. In questo caso si è cercato di analizzare gli effetti dell’aumento della composizione vetrosa (70%)
finalizzato a migliorare la resistenza meccanica del materiale. Il valore della tensione a rottura aumenta a 1.6 GPa
ma la deformazione totale risulta considerevolmente ridotta a 9.5%.
iii) DV3 (Ti56Zr18V10Cu4Be9): materiale a maggior composizione cristallina rispetto ai primi due (54%) e una densità
m leggermente inferiore ai casi precedenti 5.08 g/cm3 e una minore tensione limite di rottura.
iv) DV4 (Ti62Zr15V10Cu4Be9): la percentuale di fase cristallina presente risulta pari a 60% e la densità m a 5.03 g/cm3.
La curva tensione-deformazione risulta più bassa del caso precedente DV3.
v) DVAl1 (Ti60Zr16V9Cu3Al3Be9) e DVAl2 (Ti67Zr11V10Cu5Al2Be5): l’aggiunta di alluminio alla composizione
conferisce una minore densità al materiale ma allo stesso tempo, essendo Al un elemento -stabilizzante, viene
aumentato in modo considerevole il modulo G e quindi ne si riduce la deformabilità plastica. Si ottiene una lega
con densità m pari a 4.97 g/cm3 nella quale l’alluminio è equamente ripartito tra la fase amorfa e quella cristallina.
vi) CP-Ti: il titanio puro, rispetto ai casi considerati, risulta quello con tensione di rottura minore (400 MPa) ma
raggiunge valori di deformazione plastica di gran lunga superiori agli altri casi, superiori al 25%.
vii) Ti-6Al-4V soggetto a trattamento di ricottura: il valore di tensione a rottura ottenuto si aggira intorno agli 800 MPa,
l’allungamento finale è del 16% e la densità m è la più bassa tra i materiali considerati, 4.43 g/cm3.
In tabella vengono fornite le principali proprietà meccaniche ottenute dalle prove di trazione effettuate. Sono riportati da destra a sinistra: la composizione, la distribuzione di peso dei componenti, la percentuale di fase amorfa, la percentuale di fase cristallina, la densità, la tensione di snervamento, la tensione di rottura, il limite di deformazione elastica, il limite di deformazione alla rottura, il rapporto tra la tensione e la deformazione di rottura, la riduzione percentuale di sezione alla rottura, il valore critico del coefficiente di intensificazione degli sforzi dell’apice della cricca, il modulo di Young, il modulo di taglio, il coefficiente di Poisson e la temperatura di solidus. [Douglas C-Hofman, Jin-Yoo Suh, Aaron Wiest, Mary-Laura Lind, Marios D.Demetriou e William L. Johnson, Development of tough, low-density titanium-based bulk matallic glass matrix composites with tensile ductility]
1) tensione di snervamento e la duttilità nella maggior parte delle leghe Ti-BMG
bifasiche sono assimilabili a quelle delle leghe di Ti tradizionali.
2) Aumentando la percentuale di fase amorfa presente nel materiale cresce molto la
resistenza meccanica mentre la duttilità cambia fortemente a seconda della
composizione degli elementi presenti.
3) Un vantaggio che si riscontra nei compositi bifasici è la bassa temperatura di solidus Ts,
che si aggira mediamente intorno ai 950 K, rispetto alle leghe cristalline che raggiungono
i 1800-1900 K. Al di sopra di questa temperatura i cristalli di forma dentritica sono in
equilibrio con il liquido della matrice vetrosa e quindi si costituisce questo stato semi-
solido del composto, particolarmente semplice da modellare e lavorabile con le tecniche
di near net shape.
4) Abbassamento dei costi di produzione rispetto alle leghe cristalline di Ti, perché
consente di ottenere componenti con buona finitura superficiale e forma molto simile a
quella del prodotto finale. Ridotta la necessità di successive lavorazioni ad asportazione di
truciolo e di rettifica che costituiscono uno degli aspetti più dispendiosi e articolati della
lavorazione delle leghe di titanio tradizionali.
Leghe bifasiche di Ti-BMG:
RIDUZIONE SOSTANZIALE DELLA
TEMPERATURA DI SOLIDUS TS
ESTENSIONE DELLA DEFORMAZIONE
PLASTICA AMMISSIBILE FINO AL 12%
AMPLIAMENTO
DELLE POSSIBILITÀ
APPLICATIVE IN
AMBITO
STRUTTURALE E
PROGETTUALE
FORMAZIONE DI
UNA FASE
SEMISOLIDA DEL
COMPOSTO
FACILMENTE
LAVORABILE PER
FORMATURA O
MACHINING
Enormi potenzialità delle leghe BMG nei settori dove sono richieste materiali ad alte prestazioni meccaniche come
nell’aeronautica e nell’aerospazio;
Superamento delle limitazioni di dimensione e deformabilità
grazie allo studio della composizione e la creazione di
leghe BMG bifasiche;
Necessità di sviluppare nuovi processi di produzione per
estenderne le applicazioni in ambito industriale e
commerciale;
Applicazioni leghe
amorfe: ATTREZZATURE SPORTIVE
DISPOSITIVI
ELETTRONICI
STRUMENTAZION
E CHIRURGICA
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•Nella tabella sottostante sono riassunte le principali proprietà meccaniche di
alcune fibre di rinforzo e nastri di materiale amorfo in relazione con la densità. I
vetri base Al sono 2 volte più resistenti della più resistente lega cristallina
commerciale di Al e la resistenza alla corrosione è migliore.
Applicazioni
• Brasature: si possono ottenere leghe amorfe da brasatura tramite melt-
quenching sotto forma di lamine. Ad esempio Cu-P, Ni-Si(B,P), Co-Si-P, Cu-Ti-
Ni. I fogli ottenuti sono duttili. Le composizioni delle leghe sono scelte per
facilitare la formazione di struttura amorfa: bassa T di fusione, bassa tensione
superficiale ecc.
• Materiale di coating (W0.6Re0.4)76B24 per migliorare la resistenza all’usura degli
acciai.
• Nastri di a-Fe-Cr-P-C sono usati come elementi attivi nei filtri elettromagnetici
per eliminare la ruggine nell’acqua.
• Barriere di diffusione (Ta-Ir sono usate come barriere di diffusione tra il
substrato di Si e Y-Ba-Cu-O strati di superconduttori). Un esempio è mostrato in
figura: Au diffonde molto più lentamente in a-Ni55Nb45 che nella stessa lega allo
stato cristallino a bassa T perché in questo range di temperature la diffusione
nel policristallo è dominata dal trasporto attraverso il bordo di grano che è
impedito nell’amorfo. Si può vedere a 400 °C che la differenza di diffusività è di
7 ordini di grandezza. 32
Barriere di Diffusione
Un esempio è mostrato in figura: Au diffonde molto più lentamente in a-Ni55Nb45 che
nella stessa lega allo stato cristallino a bassa T perché in questo range di
temperature la diffusione nel policristallo è dominata dal trasporto attraverso il bordo
di grano che è impedito nell’amorfo. Si può vedere a 400 °C che la differenza di
diffusività è di 7 ordini di grandezza.
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Precursori per
materiali nano-crystalline
Quando un vetro metallico è riscaldato tenderà a cristallizzare formando una
combinazione di composti intermetallici e soluzioni solide metalliche. I meccanismi
di cristallizzazione sono principalmente divisi in 3 categorie:
• polimorfi (cristallizza un solo composto intermetallico senza cambi di
composizione ad esempio Fe75B25 )
• eutettici (avviene la cristallizzazione di eutettico come nel vetro Fe80B20 le cui
fasi costituenti sono aFe e Fe3B).
• cristallizzazione primaria (una fase primaria cristallizza per prima come in
Fe86B14 da cui cristallizza aFe primario, e poi cristallizza un composto Fe3B).
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In figura è mostrato il tempo che occorre perché inizi la cristallizzazione di vetri metallici in
funzione della temperatura. Le curve sono ottenute con trattamento isotermici.
Fra queste ci sono W65Ru35, W50Re50 entrambe con alta T di cristallizzazione circa 800°C e
Ta55Ir45 con una t di cristallizzazione di 900°C.
• Si è quindi pensato di utilizzare leghe amorfe per ottenere materiali
nanocristallini (Fe-Cu-Nb-Si-B). la formazione di nanocristalli in queste leghe
deriva presumibilmente dalla nucleazione omogenea che avviene durante la
cristallizzazione. Das et al. Svilupparono nel 1985 delle leghe Ni-Mo-B e Ni-Al-
Ti-X-B e più tardi Ni-Mo-B con aggiunta di Cr. Queste leghe sono ottenute per
melt quenching. Durante il processo di devetrificazione precipitano dalla matrice
cristallina fasi ordinate insieme con precipitati ricchi di B.
• Questa famiglia di leghe è conosciuta sotto il
marchio “De vitrium” . La migliore di queste
leghe ha ottime proprietà ad alta temperatura,
superiori di quelle di acciai per utensili. Si è
iniziato a usare il processo di devetrificazione
per ottenere leghe soft-magnetiche
nanocristalline che sono Fe-Cu-Nb-Si-B. Si
riporta in figura le curve TTT da cui si vede
che la nanocristallinità deriva da nucleazione
omogenea durante la cristallizzazione.
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Example: Liquidmetal
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Early amorphous metals were limited to thin ribbons because of the high cooling rates required to form the non-crystalline
structure, Nevertheless, low-cost commercial sheet fabrication of these thin ribbon materials lead to a very successful industry.
Amorphous metal ribbons have been wound and used as transformer coils and anti-theft I.D. tags due to their magnetic properties.
What makes Liquidmetal a fundamentally different material than all of its crystalline counterparts are its truly unique combination
of processing and mechanical properties. Much like aluminum, magnesium and zinc alloys, Liquidmetal can be readily cast from
the liquid into extremely complex, net-shaped (i.e., require little or no post-processing operations) parts. Unlike those alloys
however, cast Liquidmetal parts are hard, high strength and can have a lustrous surface finish directly out of the mold.
The applications for Liquidmetal alloys are growing significantly and this first blog post represents our Company’s commitment to
advance the Commercial applications of Amorphous Alloys in the Global marketplace.
Amorphous Block Cores
(AM-R-XXX series)
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Recentemente si sono trovate delle composizioni per cui bastano soltanto 1-100 gradi al secondo. Queste
velocità permettono di ottenere dei solidi di spessore abbastanza elevato (bulk metallic glasses). Un esempio è
riportato in figura
•Pezzo prodotto a partire da una lega Zr-Ti-Cu-Ni-Al colato in uno stampo di rame.
•Da un punto di vista ingegneristico i metalli vetrosi sono molto interessanti per le loro caratteristiche uniche. Ad
esempio hanno un’alta resistenza meccanica, un alto limite elastico, alta tenacità a frattura.
Essendo dei materiali amorfi possiedono anche una temperatura di transizione vetrosa. Ciò sta a significare che
la temperatura di impiego deve essere controllata attentamente, onde evitare surriscaldamenti che inficerebbero
le proprietà meccaniche, ma vuol dire anche che sopra certe temperature il materiale può essere facilmente
formato anche in geometrie complesse.
•Nel 1993 Peker e Johnson progettarono la lega Zr41,2Ti13,8Cu12,5Ni10Be22,5[=(Zr3Ti)55(Be9Cu5Ni4)45],
comunemente chiamata Vitreloy1 (Vit1), avente uno spessore critico di qualche centimetro. Questo lavoro può
essere considerato il punto di partenza per l’uso di materiali amorfi in applicazioni strutturali. Nei successivi 10
anni le proprietà del Vit1 furono studiate intensamente. Nel 1997 Inoue rivisitò il Pd40Ni40P20 sostituendo il
30% di Ni con Cu. Il risultato fu un materiale con cui si potevano produrre oggetti di 72 mm di diametro.
Ad oggi la famiglia Pd-Cu-Ni-P è il sistema metallico che presenta la miglior colabilità.
• In figura si presentava lo spessore critico come funzione dell’anno in cui la lega fu sviluppata. Partendo dal
primo vetro prodotto da Duwez si è visto un aumento di tre ordini di grandezza in 40 anni. Se questo trend
dovesse conservarsi (legge di Moore) nei prossimi 10 o 20 anni si dovrebbero trovare delle leghe che,
similmente agli ossidi vetrosi, cristallizzano difficilmente.
In questi anni la ricerca nell’ambito delle leghe vetrose sta aumentando notevolmente.
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Properties Vit1 Al-alloys Ti-alloys steels
Density [g/cm3] 6,1 2,6-2,9 4,3-5,1 7,8
Yield strength [GPa]
1,90 0,10-0,63 0,18-1,32 0,5-1,6
Specific strength [GPa cm3/g]
0,32 <0,24 <0,31 0,21
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Properties of Vitreloy1
Lega sf [MPa] E [GPa] H V [DPN]
Al85Y11Ni4 930 72,3 385
Al85Y10Ni5 950 72,4 380
Al85Y8Ni7 1150 82,2 375
Al85Y5Ni10 1050 71,5 380
Al85Y2Ni13 920 72,5 365
The figure shows a typical HR TEM micrograph
of an alloy Al85Y10Ni5 produced by centrifugal casting
at a speed of 47 m/s.
l Vitreloy1 viene utilizzato in qualche caso negli orologi per sostituire il Ni che solitamente si usa come
rivestimento, in modo da evitare eventuali problemi legati ad allergie.
Il Vitreloy1 è biocompatibile, pertanto viene utilizzato dove ci sia bisogno di alta resistenza a corrosione e ad
usura. Ad esempio la DePuy Orthopaedics lo sta usando per produrre protesi di ginocchia. Nel 2002 la Surgical
Specialities ha cominciato la produzione di lame in Vitreloy.
La Liquidmetal ha ricevuto molte commesse dall’agenzia americana per la difesa per lo sviluppo di materiali ad
uso militare che siano resistenti, leggeri e resistenti alle alte temperature. Ad esempio si vuole sostituire l’uranio
impoverito usato nei razzi anticarro con compositi vetrosi rinforzati con W, in quanto hanno medesima densità e
comportamento a penetrazione. La compagnia sta sviluppando anche un nuovo involucro per le bombe a
frammentazione usate dalla marina.
Anche la NASA ha investito sui vetri metallici: nell’agosto del 2001 è stata lanciata la sonda Genesis, dal costo di
200 milioni di dollari (figura A SINISTRA), con l’intento di raccogliere frammenti di vento solare. Ci si aspetta che
la sonda riesca a catturare 10-20 mg di particelle usando 5 collettori passivi da 1 m di diametro. Ciascun
collettore è composto da 55 piastre esagonali da 10 cm rivestite da uno strato di Zr-Nb-Cu-Ni-Al (progettato da
Hays del Caltech) che assorbe e trattiene He e Ne (figura A DESTRA).
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Glassy metal against : Super-resilient material is the first to combine strength and toughness.
Zeeya Merali
A metal glass is the first material to be fabricated that is as strong and as tough as the toughest steel. The feat could
eventually see such materials replace steel in buildings, cars or bridges.
"The challenge has always been to achieve both high strength and toughness," says Marios Demetriou, a materials scientist
at the California Institute of Technology in Pasadena. "But until now we have always had to compromise between the two."
Demetriou and his colleagues have developed an alloy that combines the best features of both by turning to 'amorphous
metals'. Their work is published in Nature Materials today1.
Amorphous metals are stronger. They are made by rapidly cooling molten metal, so that its atoms are stuck in a disordered
arrangement — resembling the structure of glass. Unfortunately, for a long time these 'glassy metals' also seemed to be
inherently brittle.
"It's unique to see this combination of strength and toughness in a single material," says John Lewandowski, a materials
scientist at Case Western Reserve University in Cleveland, Ohio. It's now important to investigate whether adding more
elements to the mix — to create small crystalline regions in the material — could improve its toughness further, without
sacrificing strength, he adds.
Lewandowski also notes that because palladium is a precious metal, it will be too expensive to use the material widely.
Demetriou acknowledges that problem. "It will be most suited for making strong and tough dental and medical implants,
because their very high fabrication cost can often justify a high material cost."
However, the team plans to look for a cheaper version based on copper, iron or aluminium, says Demetriou. "If we find it,
that material will take over from steel in large-scale engineering forever."
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