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Leghe ad alta entropia


Sin dall’antichità si sono ricercati nuovi materiali per ottenere specie che potessero essere utilizzate per gli scopi più diversi.

Sin dall’età del Bronzo per ottenere una lega si partiva da un metallo, nella fattispecie il rame, che costituisce l’elemento di base, a cui venivano aggiunti altri metalli in quantità minore.

Nell’ambito della ricerca di nuovi materiali da qualche decennio si è operato con una strategia diversa ovvero miscelando almeno cinque elementi in quantità uguali con ottenimento di leghe multicomponenti che sono state definite come leghe ad alta entropia a causa dell’alta entropia dovuta alla mescolanza casuale degli elementi e indicate con l’acronimo di HEAs (High-entropy alloys).

Si sarebbe potuto supporre che una lega costituita da molti elementi potesse avere moltissime fasi e composti intermetallici difficili da analizzare e quindi con usi pratici limitati. Tuttavia le risultanze sperimentali dimostrano che l’elevata entropia di mescolamento facilita la formazione di fasi di soluzioni solide con strutture semplici e conseguente riduzione del numero di fasi.

Una maggiore entropia abbassa l’energia libera e facilita la formazione di fasi di soluzioni solide specialmente a temperature elevate. A causa di questa maggiore solubilità reciproca tra gli elementi costitutivi, il numero di fasi presenti in questo tipo di leghe è ridotto. Poiché G = H – TS essendo G l’energia libera di Gibbs, H l’entalpia, T la temperatura e S l’entropia, viene stabilizzata una fase a maggior entropia purché la temperatura sia sufficientemente elevata.

Lo studio di queste leghe, rispetto a quelle tradizionali, è ancora agli albori ma si è rilevato che esse hanno eccellente resistenza specifica, prestazioni meccaniche superiori a temperature elevate, eccezionali doti di duttilità e tenacità a temperature criogeniche, superparamagnetismo e superconduttività.

L’elevata entropia di mescolamento di queste leghe ad elevate temperature facilita la formazione di soluzioni solide monofase pertanto grazie alla lenta diffusione degli elementi costitutivi si verificano ottime prestazioni meccaniche a temperature elevate.

Alcune leghe ad alta entropia hanno proprietà interessanti a causa dell’elevata entropia configurazionale che ne limita la precipitazione: ad esempio la lega TiCoCrCuFeNi ha proprietà superparamagnetiche, la lega Ta34Nb33Hf8Zr14Ti11 con struttura cubica a corpo centrato mostra superconduttività alla temperatura critica di 7.3 K pertanto può essere utilizzata in forti elettromagneti superconduttori presenti in acceleratori di particelle e in macchinari di NMR.

Un altro esempio di lega ad alta entropia è CrMnFeCoNi che, nonostante la diversa struttura cristalline dei singoli elementi cristallizza in un’unica fase ovvero in una struttura cubica a facce centrate.

Questa lega presenta eccezionali proprietà meccaniche: la sua resistenza aumenta al diminuire della temperatura in modo eclatante mentre aumenta la sua duttilità del materiale e la resistenza alla frattura, rimane costante o addirittura aumenta lievemente.

Una lega con queste proprietà si presta ad applicazioni criogeniche come recipienti di stoccaggio per gas liquefatti come i gas naturale, l’idrogeno e l’ossigeno.

Autore: Chimicamo

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